Zasoby węgla, ropy i gazu na świecie są, jak wiadomo, ograniczone. W czarnych scenariuszach perspektywę ich wyczerpania szacuje się na kilkadziesiąt lat. Z wodorem, który sam stanowi aż 75 proc. wszelkiej materii, surowce te pozostają jednak w bardzo bliskim i naturalnym powinowactwie. Dzieje się tak, ponieważ wodór z łatwością wchodzi w wiązania chemiczne z prawie wszystkimi niemetalami, a ludziom najczęściej objawia się pod postacią niezbędnej do życia wody.
Właśnie cząsteczka zwykłej wody (H2O) posiada pewną ciekawą cechę, która przesądza o niezwykłej popularności wodoru w rankingu paliw przyszłości. W wodzie energia wiązania wodoru i tlenu jest mianowicie mniejsza aniżeli suma energii wiązań wodoru gazowego i tlenu (H2 i O2). Wniosek: w reakcji chemicznej powstawania wody wytwarza się nadmiar energii, którą możemy uchwycić i wykorzystać.
Na skalę przemysłową wodór uzyskuje się w rafineriach metodą tzw. reformingu parowego albo elektrolizy, która jest jednak energochłonna. Zakłady chemiczne i petrochemia potrzebują czystego wodoru np. do tzw. hydrokrakingu (przeróbki ciężkiej ropy na benzyny) i podniesienia liczby oktanowej paliw do produkcji nylonu i nowoczesnych, nietrujących zmiękczaczy, bez których nie istniałby rynek tworzyw sztucznych. Bez wodoru w przemyśle spożywczym nie znalibyśmy np. margaryny. A energetyka chętnie używa go jako świetnego chłodziwa. W metalurgii wodorem hutnicy redukują rudy żelaza przy produkcji stali. Znany jest proces uwodornienia, czyli upłynniania węgla brunatnego i kamiennego do paliw płynnych.
Jako konwencjonalne paliwo (do silników spalinowych) wodór odznacza się bezkonkurencyjną wartością opałową (120 MJ/kg) i maksymalnym ciepłem spalania. Ma jednak duże wady: tzw. szerokie spektrum palności doprowadza do przedwczesnego zapłonu, a przechowywanie w płynnej postaci w butlach wymaga ciągłego chłodzenia, bo inaczej wodór w kilka dni po prostu ulotni się z baku. W kosmonautyce, gdzie duże nakłady pozwalają ominąć kłopot ze składowaniem, transportem i bezpieczeństwem, wodór wciąż stanowi doskonałe źródło napędu rakiet.
Tymczasem rozwój technologii ogniw paliwowych sprawił, że w wielkim stylu wodór wrócił do łask jako powszechne paliwo przyszłości, zwłaszcza odkąd po konferencji w Kioto pod koniec XX w. świat zaczął skupiać się na redukcjach emisji dwutlenku węgla. Niskotemperaturowe ogniwa paliwowe w motoryzacji produkują prąd do silnika elektrycznego w pojeździe. Paliwem jest wodór sprężony w butli o bezpiecznej konstrukcji i tlen. Ogniwo rozbija wodór na protony i prąd elektronów. Z rury wydechowej wydobywa się tylko ciepło i czysta woda. Dlatego transport pozostaje najbardziej perspektywicznym obszarem wykorzystania wodoru. Szczególnie transport publiczny. W epoce miejskiego smogu autobusy z ogniwami wodorowymi pojawiły się pilotażowo (w unijnym projekcie Clean Hydrogen i European Cities) w Amsterdamie, Kolonii, Londynie, Oslo, Brukseli, Sztokholmie, Hamburgu i Paryżu. Eksperci oceniają, że przy właściwym standardzie zabezpieczeń wodór w transporcie byłby mniej niebezpieczny niż LPG.
Paliwo wodorowe do ogniw musi odznaczać się najwyższą czystością. Skąd wziąć taki wodór w ilościach potrzebnych transportowi? Motoryzacja stoi tu przed identycznym problemem, co przemysł chemiczny. Elektroliza jest energochłonna, przez to bardzo kosztowna, i opłaca się praktycznie tylko przy dostępie do nadwyżek energii. W rafineriach obecnie najtańszym sposobem produkcji wodoru jest jednak gaz ziemny przerabiany w procesie reformingu parowego.
Wodór można też uzyskiwać na skalę przemysłową w sposób, który w Polsce może okazać się przebojową metodą uzyskiwania ze względu na fakt, że dysponujemy wielką ilością półproduktu. To gaz koksowniczy, w którego składzie znajduje się ok. od 53 do 60 proc. wodoru. Program wykorzystania tej technologii zgłosiła już Jastrzębska Spółka Węglowa. Natomiast badania naukowe nad opracowaniem optymalnych metod reformingu (częścią tego procesu jest odwodornienie gazu koksowniczego) prowadzone są od ponad dekady przez polskich naukowców, m.in. Instytutu Chemicznej Przeróbki Węgla w Zabrzu i Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie.
Blisko połowę gazu, powstającego przy koksowaniu węgla, wykorzystuje się od razu na miejscu do ogrzewania baterii koksowniczych. Reszta – przed laty – trafiała do miejskich lokalnych sieci, ale z powodu zanieczyszczenia, m.in. smołami, naftalenami, tlenkiem węgla, zrezygnowano z tej opcji. Po zakończeniu spalania gazu koksowniczego w lokalnych kotłach ze względów ekologicznych pozostaje on wyłącznie kłopotliwym odpadem produkcyjnym. Naukowcy proponują użycie standardowych metod separacji wodoru. Mają one większą szansę wdrożenia, wykorzystują potencjał działających już instalacji.
Wodorowe fakty
• Wielu ekspertów przewiduje, że do połowy tego wieku na rynku pojawi się ok. 400 mln samochodów z napędem wodorowym.
• W Australii opracowano technologię pozyskiwania wodoru z węgla. Wytwarzany w ten sposób gaz jest sprzedawany do Japonii, gdzie samochodów wodorowych jest coraz więcej.
• Z tony węgla można wyprodukować taką ilość wodoru, która pozwoli przejechać samochodem 18 000 km.
• Polska jest obecnie jednym z większych producentów wodoru. W zakładach chemicznych, rafineriach, koksowniach i przemyśle spożywczym produkuje się około miliona ton tego gazu rocznie.
• Gdyby produkowany dziś w Polsce wodór użyć wyłącznie do zasilania samochodów, starczyłoby go na tankowanie 5 000 000 aut przez rok.
Jeśli chcesz mieć dostęp do artykułów z Trybuny Górniczej, w dniu ukazania się tygodnika, zamów elektroniczną prenumeratę PREMIUM. Szczegóły: nettg.pl/premium. Jeżeli chcesz codziennie otrzymywać informacje o aktualnych publikacjach ukazujących się na portalu netTG.pl Gospodarka i Ludzie, zapisz się do newslettera.
