Wodór nowym globalnym źródłem energii

Proces ten to dobrze znana metoda elektrolizy. Już w XVIII wieku holenderscy chemicy Adriaan Paets van Troostwijk (1752–1837) i Johanem Rudolph Deiman (1743–1808) za pomocą elektryczności rozbili wodę na wodór i tlen.

Równolegle z Holendrami rozdzielaniem wody na wodór i tlen zajmowali się także William Nicholson (1753–1815) i Anthony Carlisle (1768–1840). Ponadto wielu mniej znanych chemików przeprowadzała na przełomie XVIII i XIX wieku eksperymenty w tym kierunku. Do tytułu wynalazcy elektrolizy aspirują także Alessandro Volta (1743–1827) i Humphry Davy (1778–1829)

Na tym początkowym etapie nie nazywano tej metody elektrolizą. To określenie wprowadził dopiero Anglik Michael Faraday (1791-1867), który był czołowym brytyjskim chemikiem swojej epoki. Faraday pracował nad analizą właściwości elektryczności i możliwościami z nią związanymi. Opracował także do dziś fundamentalne „Prawa Faradaya“.

W drugiej połowie XIX wieku elektroliza wody pojawiła się w powieści „Tajemnicza Wyspa”  Juliusza Verne‘a, który w 1874 roku napisał: „Woda jest węglem przyszłości”.  Poul la Cour (1846–1908) – mimo francuskiego nazwiska rodowity Duńczyk – zwany jest ojcem energetyki wiatrowej. W duńskiej miejscowości Askov zajmował się magazynowaniem energii i wykorzystywał elektryczność z turbin wiatrowych do elektrolizy w celu generowania wodoru do oświetlenia gazowego pomieszczeń szkolnych. Zasadniczą wadą tej metody było to, że wodór zawierał niewielkie ilości tlenu i wielokrotnie wybuchał.

A wind turbine /Bloomberg

Foto: energia.rp.pl

Możliwość rozkładania substancji płynnych za pomocą elektrolizy miała znaczny wpływ na rozwój chemii przemysłowej w XIX i XX wieku. Elektroliza wody, która dziś jest podstawą wytwarzania zielonego wodoru, na nowo zwróciła uwagę naukowców dopiero na początku XXI wieku. Metoda ta jest dziś w energetyce często określana angielskojęzycznym terminem „Power-to-Gas“, często także podawanym jako skrót PtG. Z perspektywy energetyki woda jako substancja ma znaczenie podobne do innych surowców. Natomiast prąd elektryczny pełni tu funkcje kapitału inwestycyjnego. Branża energetyczna jest zainteresowana zainwestowaniem określonej ilości energii elektrycznej, która będzie użyta do rozbicia wody metodą elektrolizy na wodór i tlen. Głównym celem jest jak najkorzystniejsze pozyskanie maksymalnej ilości wodoru. Jest on określany mianem „zielonego“, o ile użyty został prąd z OZE. Wodór wraca więc do zastosowania w energetyce jako samodzielne źródło energii w formie gazu.

W erze rozbudowy OZE w krajowych systemach energetycznych i polityki ochrony klimatu dla większości rozwiniętych gospodarek świata, w tym także Polski, elektroliza jest związana ściśle z transformacją energetyczną. Gdy gospodarka dysponuje dużymi ilościami energii elektrycznej z OZE i nie jest w stanie jej magazynować, inwestuje te energię, przy zastosowaniu elektrolizy, w wytworzenie zielonego wodoru z wody. Wodór przejmuje w tym momencie funkcję magazynu energii, która wraca do systemu np. jako paliwo w transporcie lub dociera rurociągami do elektrociepłowni.

Lajtmotywem Power to Gas jest rozdzielanie wody za pomocą elektryczności z odnawialnych źródeł energii poprzez elektrolizę i wykorzystanie uzyskanego wodoru bezpośrednio lub przetworzenie go w metan albo ciekłe źródła energii. Te formy energii można zintegrować z istniejącą już infrastrukturą przesyłową lub magazynową. Odnawialna energia elektryczna staje się zatem odnawialnym źródłem energii gazowej (Power to Gas, PtG) lub płynnej (Power to Liquid, PtL), co może przyczynić się do zmniejszenia emisji gazów cieplarnianych we wszystkich sektorach.

/Bloomberg News

Foto: energia.rp.pl

W Europie Norwegia już w 2004 roku rozpoczęła projekt pilotażowy na wyspie Utsira. Wybrano 10 gospodarstw domowych, które miały być całkowicie zaopatrzone w energię z dwóch turbin wiatrowych. Nadmiar energii był magazynowany w postaci wodoru w akumulatorze ciśnieniowym. Gdy turbiny wiatrowe nie dostarczały wystarczającej energii, wodór przekształcono z powrotem w elektryczność za pomocą ogniwa paliwowego o mocy 10 kW i silnika wodorowego z generatorem (55 kW).

W Niemczech technologie PtG w kontekście energetycznym zaczęto stosować w 2009 roku. Spowodowane jest to głównie polityką energetyczną Niemiec, która swój olbrzymi system energetyczny przestawia na OZE. Energia wiatrowa, która dominuje w niemieckim zestawie OZE, jest narażona na zmienne wiatry, które czynią to źródło energii bardzo niestabilnym.  Dopiero w ostatnich latach rośnie tam także znaczenie bardziej stabilnej energii słonecznej. Niemcy są więc zainteresowani rozwojem zielonego wodoru. W tym przypadku uwaga skupiona jest głównie na możliwościach magazynowania energii w formie gazu. Poza zielonym wodorem, Niemcy badają intensywnie możliwości metanu i innych gazów, które mogłyby zastąpić paliwa kopalniane i atom. Typowe dla struktury niemieckiej gospodarki jest tu działanie i współpraca z koncernami samochodowymi, takimi jak na przykład Audi. Właśnie ta firma zainicjowała w 2013 roku, w Wertle,  pierwszy na świecie projekt samochodu z napędem na gaz wytwarzany metodą Power-to-Gas.

Dania, podobnie jak Niemcy, dysponuje dużą ilością prądu z turbin wiatrowych. W oparciu o to powstał tam pilotażowy projekt o nazwie HyBalance, dofinansowany przez Unię Europejską i realizowany wraz z firmą Air Liquide. HyBalance jest w stanie przy użyciu 1,2 MW mocy dziennie wytworzyć 500 kg zielonego wodoru metodą elektrolizy.

The Wasserfallboden lake and the Mooserboden lake stand in this aerial photograph taken at the Verbund AG Moosersperre Dam in Kaprun, Austria/Bloomberg

Foto: energia.rp.pl

W szczególnie korzystnej sytuacji są kraje, które pozyskują prąd z energii wodnej. W tym przypadku mają na miejscu do dyspozycji główny surowiec w postaci wody oraz duże ilości energii. Jednym z krajów, które mają takie idealne warunki, jest Kanada, która już na początku lat 2000. zaczęła wytwarzać zielony wodór. Głównym ośrodkiem dobrze rozwiniętego przemysłu wodorowego jest obecnie Mississauga w prowincji Ontario. To właśnie tam powstała firma Hydrogenics , która jest czołowym producentem elektrolizerów na świecie.

Chiny przez długi czas nie interesowały się zielonym wodorem. Stawiano tam raczej na e-mobilność z użyciem baterii. Dopiero w ostatnich latach pojawiło się zainteresowanie ogniwami paliwowymi, które korzystają z wodoru. Problemem Chin jest brak energii elektrycznej, która mogłaby zostać użyta do wytwarzania zielonego wodoru. Mimo to kraj ten stara się szybko nadrobić zapóźnienie, jeśli chodzi o tę technologię. W delcie rzeki Jangcy powstają w szybkim tempie cztery projekty mające na celu wytwarzanie wodoru oraz jego dystrybucję i zastosowanie w transporcie. Do 2050 roku wodór ma mieć udział w chińskim miksie energetycznym rzędu 10 procent. Decydującym wydarzeniem, które przekonało władze Chin do wodoru, była wizyta w Japoni, która jest pod tym względem najbardziej rozwiniętym krajem w Azji.

To właśnie na olimpiadzie w Japonii, która została przesunięta ze względu na epidemię Koronawirusa, kraj ten chciał całemu światu pokazać, że jest liderem wodorowym. Japonia stawia na wodór w ciepłownictwie i w transporcie. Według danych koncernu Panasonic sprzedano już 300 000 systemów o nazwie „Ene Farm”, które zaopatrują gospodarstwa domowe w energię. Systemy te, opracowane dla domów jedno- i wielorodzinnych, są już oferowane jako dodatkowa opcja wyposażenia mieszkań. W odpowiedzi na obawy klientów, pamiętających awarię elektrowni jądrowej w Fukushimie, dotyczące niezawodności zasilania, działają one całkowicie niezależnie od sieci energetycznej. Eliminuje to ryzyko awarii. Z pojazdów napędzanych wodorem korzysta także japoński transport publiczny. W 2021 roku Japonia chce przywitać gości na olimpiadzie 100 autobusami wodorowymi.

Podobnie ambitne plany ma Korea Południowa. Planuje się tu wykorzystanie do 2040 roku ogniw paliwowych do zasilania ponad sześciu milionów samochodów i 41 000 autobusów. Hyundai ogłosił, że do 2025 r. pojazdów napędzanych ogniwami paliwowymi będzie tyle samo co samochodów zasilanych przez baterie.