Kolorowy wodór, czyli o czystości najczystszego paliwa

0
185

Chyba nie może być bardziej ekologicznego paliwa od wodoru. Jego “spalanie” (utlenianie) w ogniwach paliwowych generuje jedynie prąd elektryczny i wodę. Ponadto, jest on paliwem występującym powszechnie i w ogromnych ilościach. Nie stanowi zatem problemu patrząc pod kątem wyczerpywania się zasobów. Niestety wodór rzadko obserwujemy w stanie wolnym; na ogół tworzy związki. Aby więc wodór otrzymać trzeba go pozyskać, wyprodukować. I tu pojawiają się problemy, bowiem technologie jego produkcji nie wszystkie są środowiskowo obojętne i tak samo opłacalne.

Obecnie do najbardziej rozpowszechnionych sposobów pozyskiwania wodoru należą reforming metanu oraz gazyfikacja węgla lub koksu. Trzecią, najmniej popularną metodą, jest elektroliza wody. Niestety dwie pierwsze metody znacznie obciążają środowisko; podczas produkcji wodoru powstają szkodliwe substancje: tlenek i dwutlenek węgla. Zastosowanie metod sekwestracji (wyłapywania szkodliwych substancji) może zmniejszyć szkodliwy wpływ na środowisko, jednak i tutaj sprawa nie wygląda różowo. A propos, to właśnie kolory określają technologie zastosowane podczas produkcji wodoru. I tak możemy wyprodukować wodór szary, niebieski i zielony, ale także czarny, brązowy, turkusowy, różowy, żółty i biały. Oczywiście zawsze będzie to ten sam bezbarwny gaz, jedynie jego “kolorowe” nazwy wskazywać będą na metodę wytwarzania i tym samym stopień obciążenia środowiska. 

Wodór ZIELONY

Ekologicznie najkorzystniejszy jest wodór zielony. Jest on produkowany z wykorzystaniem energii elektrycznej pochodzącej ze źródeł odnawialnych w procesie elektrolizy wody. Proces ten jest absolutnie zeroemisyjny. Ale… Ma on sens jedynie w kontekście wykorzystania nadwyżek powstających podczas produkcji tego rodzaju energii. Wydajność procesu waha się pomiędzy 50 a 70%, i nie jest energetycznie i ekonomicznie zasadne produkować wodór, aby później przetwarzać go ponownie na prąd, jeśli akurat występuje bieżące zapotrzebowanie na energię odnawialną. Przykład wykorzystania nadwyżek energii ze źródeł odnawialnych do produkcji wodoru przedstawiliśmy w jednym z poprzednich wpisów. Instalacje wodorowe mogą sprawdzać się w gospodarstwach domowych jako magazyny nadwyżek prądu wyprodukowanego latem z paneli fotowoltaicznych, które posłużyć mogą zimą do zaspokajania występujących wówczas niedoborów. Tego rodzaju systemy działają już np. w Szwajcarii.

Wodór SZARY

Wodór szary powstaje głównie w procesie reformingu parowego gazu ziemnego lub węgla. Przeważająca obecnie większość wyprodukowanego w ten sposób wodoru pochodzi z metanu. Proces reformingu polega tutaj na reakcji metanu z parą wodną w wysokiej temperaturze (700-1000°C) w towarzystwie stosownego katalizatora. Jego negatywną stroną jest duży wydatek energetyczny i spora emisja dwutlenku węgla. Dlatego wciąż rozwijane i doskonalone są metody jego wychwytywania. Wodór otrzymywany w procesach reformingu wraz z wykorzystaniem sekwestracji CO2 określony został kolorem niebieskim.

Wodór NIEBIESKI

Wodór niebieski uznawany jest (był?) za najbardziej ekonomiczną i ekologiczną metodę transformacji na drodze w kierunku technologii taniego bezemisyjnego zielonego wodoru. Niestety jego ekologiczny aspekt został mocno zakwestionowany. Badania1 analizujące wpływ środowiskowy w kontekście całego cyklu życia wodoru niebieskiego (proces reformingu parowego, zużycie energii na generowanie ciepła i ciśnienia podczas realizacji tego procesu, energia wykorzystana do zasilania urządzeń wychwytujących CO2 oraz produkcja i transport gazu ziemnego) ujawniły jego wysoką emisyjność, przewyższającą nawet tę związaną z wykorzystaniem paliw kopalnych, tym samych stawiając pod znakiem zapytania jego zastosowanie w ramach dekarbonizacji gospodarki. Negatywny wpływ środowiskowy dodatkowo pogłębiają pozostające poza kontrolą wycieki metanu (gaz cieplarniany) z instalacji wydobywczych i produkcyjnych. W sumie szacowany łączny ślad węglowy metanu i dwutlenku węgla dla wodoru niebieskiego ma utrzymywać się na poziomie 20% wyższym niż w przypadku wykorzystania gazu ziemnego i węgla, i nawet o 60% przewyższać wartości emisji dla oleju napędowego stosowanego podczas ogrzewania. Skutkuje to uzyskaniem dla niebieskiego wodoru emisji ekwiwalentu dwutlenku węgla na poziomie zaledwie 9-12% niższym niż w przypadku produkcji wodoru szarego. Niezbyt imponujący wynik, jak dla paliwa, które miało ponieść ciężar energetycznej transformacji.

Wodór CZARNY, BRĄZOWY, ŻÓŁTY i RÓŻOWY

Wśród pozostałych kolorowych oznaczeń wodoru stosowanych w kontekście sposobów jego pozyskiwania można wyróżnić wodór czarny, otrzymywany z syntetycznego gazu na bazie węgla kamiennego, wodór brązowy oparty na węglu brunatnym, wodór żółty produkowany z wykorzystaniem energii słonecznej i nanotechnologii w procesie rozbicia cząstek wody przez aktywne fotochemiczne heterostruktury mikrocząsteczek, oraz wodór różowy (niekiedy nazywany fioletowym lub czerwonym) produkowany w procesie elektrolizy z wykorzystaniem energii jądrowej. Ten ostatni wydaje się być ciekawym uzupełnieniem dla produkcji z wykorzystaniem źródeł odnawialnych. Podkreślana jest tutaj jego niska emisyjność i ekonomiczna opłacalność. 

Wodór TURKUSOWY

Podobnie perspektywiczny wydaje się być wodór turkusowy otrzymywany na drodze pirolizy metanu. Proces ten odbywa się z wykorzystaniem ciepła pochodzącego z energii elektrycznej, a nie przez spalanie paliwa, jak w przypadku wodoru szarego czy niebieskiego. W efekcie pirolizy produktem ubocznym jest węgiel, ale w postaci stałej, co likwiduje problem wychwytywania CO2. Warto zauważyć, że gdyby cały proces oparty został wyłącznie na energii elektrycznej pochodzącej z odnawialnych źródeł, a surowcem był biometan, emisyjność (patrząc pod kątem CO2) tak otrzymywanego wodoru byłaby teoretycznie bliska neutralnej, a może nawet ujemna. Ważne jest także to, że piroliza metanu pozwala na uzyskanie wodoru o wysokiej czystości, zbliżonego swą klasą przydatności do wodoru zielonego, stosowanego w wymagających najwyższej jakości nośnika ogniwach paliwowych.

Niestety ciągle nie posiadamy taniej i wydajnej technologii produkcji czystego wodoru, ani ekonomicznych i bezpiecznych sposobów jego magazynowania i transportu. Problematyczne są także kwestie rozwiązań konstrukcyjnych w obszarze bezpieczeństwa urządzeń wodorowych (wodór jest wybuchowy). Jednak badania nad efektywną, tanią i czystą produkcją oraz bezpiecznym zastosowaniem wodoru trwają, pilotażowe programy jego wykorzystania już działają, a nadzieje na powszechną zieloną energię są coraz większe. Entuzjaści energii z wodoru wierzą w jej ekologiczną moc, i słusznie, bowiem potencjał drzemiący w tym paliwie jest doprawdy olbrzymi.

1 Raport opublikowany w Energy Science & Engineering, How green is blue hydrogen, Robert W. Howarth, Mark Z. Jacobson.