Wodór jako paliwo przyszłości? 10 najważniejszych pytań i odpowiedzi

Choć wykorzystanie wodoru do zasilania aut ciągle uchodzi za eksperyment, to pierwsze tego typu próby podjęto ponad... 200 lat temu.  François Isaac de Rivaz zaprezentował jeden z pierwszych pojazdów z silnikiem o spalaniu wewnętrznym – zasilany właśnie mieszaniną tlenu i wodoru. Silnik opracowano w roku 1806 roku, jazdy testowe odbyły się w 1813 r.

Napęd wodorowy w różnych markach

Od tego czasu powstało wiele aut na wodór, wykorzystujących ten gaz do zasilania zwykłych silników spalinowych, jak i ogniw paliwowych. Swoich sił próbowali i często nadal próbują m.in. Mercedes, BMW,  Opel, Honda, Hyundai czy w końcu Toyota, promująca bodaj najbardziej rozpoznawalny wodorowy model – Mirai. Jak dotąd próby tego typu nie przebiły się jednak do masowego odbiorcy.

Wodór jako naturalna alternatywa?

Jeszcze kilkanaście lat temu pomysł zasilania auta wodorem zamiast paliwami kopalnymi wydawał się bardzo sensowym rozwiązaniem. Bardziej niż przejście na auta elektryczne czerpiące energię z akumulatorów.

Dla wielu osób wydawało się to naturalnym rozwiązaniem. Tankowanie wodoru, czy to do samochodu napędzanego ogniwem paliwowym (czyli takiego, który wodór wykorzystuje do wytworzenia na pokładzie energii elektrycznej do napędu elektrycznego silnika; rozwiązanie obecnie wiodące), czy też do spalania wodoru w miarę normalnym silniku spalinowym – jest o wiele szybsze od ładowania baterii. W sumie nie różni się od tankowania zwykłego samochodu, nie wymaga pomocy obsługi stacji.

Konieczna nowa infrastruktura

Problemów jest jednak wiele: od potrzeby zbudowania całej infrastruktury do pozyskiwania i tankowania wodoru po dość drogie w produkcji auta. W dodatku technologia aut elektrycznych z akumulatorami też zrobiła postępy i na niej skupia się uwaga większości koncernów. Tematów jest dużo więcej, o podstawowych piszemy niżej.

10 faktów na temat  wodoru

1. Zacznijmy od podstaw: czym właściwie jest wodór?

Wodór jest najczęściej występującym pierwiastkiem chemicznym we Wszechświecie i jednym z najczęściej spotykanych pierwiastków na Ziemi. Ma najmniejszą masę atomową, w warunkach standardowych występuje w formie cząsteczkowej H₂. Ma formę gazową, jest nietoksyczny, bezbarwny, bezwonny i wysoce reaktywny. Dlatego w przyrodzie występuje w postaci związanej. Najbardziej znanym związkiem jest H₂O – czyli czysta woda. I to właśnie ta ogromna reaktywność sprawia, że wodór jest interesującym nośnikiem energii dla wielu sektorów gospodarki i oczywiście może być wykorzystywany do napędzania samochodów.

2. Czy wodór jest niebezpiecznym gazem?

Wbrew temu, co się często słyszy, wodór – w porównaniu z innymi paliwami – nie stwarza żadnych nowych, większych zagrożeń. W czystej postaci nie może nawet eksplodować, do zainicjowania spalania potrzebny jest dokładny stosunek powietrza do paliwa (stechiometryczny), który zazwyczaj nie występuje w otaczającym powietrzu. Co innego, jeśli w pomieszczeniu występuje wysokie stężenie H₂ (mniej więcej między 4 a 77%), wówczas eksplozję może spowodować najmniejsza iskra. Dlatego w laboratoriach i zakładach wykorzystujących wodór stosuje się odpowiednie środki bezpieczeństwa z detektorami gazu i specjalnymi systemami wentylacji. 

3. Jak bardzo zbiorniki z wodorem narażone są na eksplozję?

Zbiorniki nie wybuchają, ponieważ w przypadku powstania nadciśnienia gaz – na przykład ze zbiornika ciśnieniowego – wydostaje się możliwie najkrótszą drogą do góry. Ponieważ wodór jest znacznie lżejszy od powietrza, nie zatrzymuje się, a w przypadku pożaru spala się szybkim i krótkim płomieniem, który skierowany jest ku górze. W rezultacie ryzyko zapalenia innych materiałów jest znacznie mniej prawdopodobne niż w przypadku gazu ziemnego, benzyny, propanu czy innych powszechnie używanych gazów.

4. Jak wodór oddziałuje z innymi materiałami?

Wodór jest najmniejszą ze wszystkich istniejących cząsteczek, może więc dość łatwo przenikać przez materiały, w tym niektóre metale, i w ten sposób być tracony. W przypadku metali żelaznych, w szczególności żeliwa, wodór powoduje zmiany w materiale, które niekiedy mogą doprowadzić do jego kruchości, a nawet pęknięcia. Z tego powodu w zbiornikach magazynowych zwykle stosuje się stal nierdzewną, a w zbiornikach samochodów z ogniwami paliwowymi – kompozyty tworzyw sztucznych.

5. Jakie są główne źródła pozyskiwania wodoru?

Podczas gdy tradycyjny „szary” wodór uzyskuje się w procesie tzw. reformingu parowego gazu ziemnego (czego produktem ubocznym jest CO₂), „zielony” wodór wytwarza się w przez elektrolizę wody. Wykorzystuje się do tego prąd pozyskiwany z odnawialnych źródeł energii, dzięki czemu „zielony” wodór jest produkowany całkowicie bez emisji C0₂ i tym samym jest przyjazny dla klimatu.

W przeciwieństwie do baterii litowo-jonowych wytwarzanie „zielonego” wodoru z energii wiatrowej lub słonecznej nie pozostawia śladu węglowego.

6. Jak wydajne jest wykorzystywanie wodoru w ogniwie paliwowym?

Jedna tona wodoru odpowiada ok. 33 330 kWh energii – to tyle, ile rocznie zużywa jedenaście trzyosobowych gospodarstw domowych. Efektywność produkcji „zielonego” wodoru jest jednak wciąż relatywnie niska. Straty podczas elektrolizy wynoszą ok. 30%, a podczas transportu i magazynowania – kolejne 26%. Podsumowując, z całej energii zużytej na produkcję bezemisyjnego nośnika energii w praktyce można wykorzystać niecałe 50%. Dochodzi także do dodatkowych strat w ogniwach paliwowych.

Ostatecznie efektywność, od źródła energii do napędzenia koła, wynosi około 22%. I właśnie dlatego ta przyszłościowa technologia jest przez wielu decydentów oraz przez przedsiębiorstwa zorientowane na szybki zysk wciąż traktowana po macoszemu.

7. Jak się przechowuje, magazynuje i transportuje wodór?

Wodór można w zasadzie przechowywać w stanie gazowym, ciekłym lub związanym chemicznie i przez bardzo długi czas nie traci on na jakości. Do użytku w pojazdach stosuje się wyłącznie wodór gazowy, sprężony (zazwyczaj pod ciśnieniem 700 barów). Postać skroplona ma znacznie wyższą gęstość energetyczną, ale gaz trzeba najpierw schłodzić do -253°C i – co jeszcze trudniejsze – utrzymywać w tak niskiej temperaturze, co jest mało praktyczne. W 2020 r. dowiodła tego flota pilotażowa BMW – nawiasem mówiąc, był to nieudany projekt Herberta Diessa, późniejszego szefa Volkswagena.

Wodór atomowy może być przechowywany w tzw. zbiornikach z wodorkami metali. Choć jest to dość efektywne, to takie zbiorniki są zbyt ciężkie do zastosowań mobilnych. Co więcej, łatwo rozpuszczalne związki wodoru – takie jak np. amoniak (NH₃), metan (CH₄: syntetyczny gaz ziemny) czy e-paliwa – są całkiem praktyczne i łatwe w transporcie: rurociągami lub w cysternach i na statkach wyposażonych w specjalną instalację podobną jak przy przewożeniu LNG. Dzięki dużej pojemności przewozowej koszty transportu są znikome nawet na długich dystansach.

8. Jakie szkodliwe substancje wytwarza napęd wodorowy?

Żadnych – choć jest tu jeden wyjątek. Jeśli wodór jest używany w konwencjonalnym (przygotowanym do tego celu) silniku benzynowym, wówczas dochodzi do (niemal) normalnego i bardzo czystego spalania. Nie jest wówczas nawet konieczne stosowanie katalizatora czy filtra cząstek stałych, bo czysty wodór nie zawiera żadnych innych substancji, które powodowałyby powstawanie popiołu czy szkodliwych gazów. Jest to jednak spalanie powietrza – zawierającego przecież nie tylko czysty tlen, ale także inne związki chemiczne. Zatem azot z atmosfery utlenia się, wytwarzając związki NO_X, które przez krótki czas pozostają za pojazdem, następnie rozpadają się na „normalny” tlen i azot.

Innym produktem ubocznym spalania jest dwutlenek siarki, gaz drażniący, który – jeśli występuje w nadmiernym stężeniu – może powodować choroby układu oddechowego.

Podczas „zimnej” katalitycznej konwersji energii w ogniwie paliwowym powstają jedynie energia elektryczna i para wodna, która już w układzie wydechowym skrapla się do chemicznie czystej wody. Woda wycieka następnie przez rurę wydechową. To może być kłopotliwe tylko zimą, gdy woda na drodze zamarza.

9. Czy podaż jest wystarczająca i ile kosztuje wodór?

Energia jest obecnie droga, a „zielona energia” – jeszcze droższa i zalicza się do niej „zielony” wodór. Ale tak być nie musi i tak nie pozostanie. Wodór jest wszak najczęściej występującym pierwiastkiem we Wszechświecie. Nigdy go nie zabraknie. Wodór może być produkowany w dużych ilościach w sposób ciągły, jedyne przeszkody do pokonania to stworzenie instalacji. Obecnie są one duże. Do wytwarzania wodoru potrzeba ogromnej ilości energii odnawialnej.

Efekt? Na pierwszej polskiej stacji tankowania wodoru kilogram tego gazu kosztuje 69 zł. We wspomnianej wcześniej Toyocie Mirai mieści się 5,4 kg wodoru i daje to zasięg rzędu 650 km. Czyli około 60 zł/100 km.

10. Skąd będziemy w przyszłości pozyskiwać „zielony” wodór?

Efektywniejsze wykorzystanie długich godzin nasłonecznienia przez systemy fotowoltaiczne na Saharze czy w Andach oraz sztormów na Atlantyku i Morzu Północnym przez morskie farmy wiatrowe może stanowić wystarczające źródło produkcji zielonej energii. Zwłaszcza że wytwarzanie „zielonego” wodoru może zapewniać ogromne magazyny energii dla wielu gałęzi przemysłu (np. stalowego) i transportu.