Pełna elektryfikacja nie jest możliwa w sektorach transportu ciężkiego, ponieważ występują ograniczenia technologiczne eksploatacji akumulatorów i baterii. Te sektory to: żegluga, lotnictwo i długodystansowy transport ciężarowy. Dlatego w tym przypadku dobrym uzupełnieniem może być wodór. Zarówno w postaci paliwa, jak i oparty na ogniwach paliwowych. Powszechnie używa się go w produkcji stali, nawozów rolniczych czy tworzyw sztucznych.
Coraz bardziej wymownym jest fakt, że kluczem do sukcesu pełnej dekarbonizacji (rezygnacji z węgla), czyli zerowej emisji netto do 2050 r. jest wykorzystanie więcej niż jednej niskoemisyjnej energetyki. Jeśli chodzi o transport, jest to możliwe przy jednoczesnym wdrażaniu elektromobilności wraz z technologią, w której zasadniczą rolę odgrywa wodór.
Redukcja emisji – pięć kluczowych czynników
Wraz ze spadkiem kosztów odnawialnych źródeł energii i magazynowania energii oraz wzrostem inwestycji w czyste, stabilne źródła energii, w tym też w zaawansowane technologie nuklearne i geotermalne, będzie możliwy spadek cen energii elektrycznej o zerowej emisji dwutlenku węgla.
Adria Wilson, dyrektorka polityki i rzecznictwa USA oraz chemiczka, w serwisie Breaktrough Energy przedstawiła pięć zasadniczych wyzwań, decydujących pod względem szybkich redukcji emisji. Są to:
- uprawa żywności,
- przemieszczanie się,
- ogrzewanie i chłodzenie budynków,
- produkcja,
- utrzymywanie włączonego światła.
Zastosujmy czysty wodór w produkcji stali
Czysty wodór ma szerokie zastosowanie w produkcji stali. Wykorzystywanej np. w konstrukcjach budowlanych, w tym w budowie turbin wiatrowych i paneli słonecznych. Czy też konstrukcjach maszynowych; produkcji pojazdów lądowych, wodnych i lotniczych.
W energochłonnej i z reguły wysokoemisyjnej produkcji stali, wykorzystanie czystego wodoru do bezpośredniej redukcji żelaza, uzyskanego dzięki energii odnawialnej bądź jądrowej, pozwoliłoby zmniejszyć emisję gazów cieplarnianych nawet o 97 proc.
Czysty wodór. Pomysłowe rozwiązanie dla lotnictwa
Co do wszystkich środków transportu, promowane jest szerokie zastosowanie czystego wodoru jako paliwa napędowego. W szczególności powinien być położony nacisk na branżę lotniczą. Samo lotnictwo obecnie odpowiada za 2,4 proc. globalnej emisji dwutlenku węgla. I niestety ta liczba nadal wzrasta.
W rozwiązaniach technologicznych naukowcy rozważają połączenie wodoru ze zrównoważonym źródłem węgla (w tym wychwyconym CO2), po to, by wyprodukować zrównoważone paliwo lotnicze. Wówczas emisja dwutlenku węgla w samych silnikach odrzutowych byłaby zmniejszona od 75 proc. do nawet 99 proc. Co już jest obiecujące w kontekście rozwiązania problemu emisyjności samolotów.
Wilson pisze, że wodór można szeroko stosować jako paliwo w ogniwach paliwowych, czy też może być bezpośrednio spalany. Takie testy już są przeprowadzane, ale na razie w lotach na krótkim i średnim dystansie.
Czysty wodór w produkcji przemysłowej, transportowej i energetycznej
Czysty wodór, połączony ze zrównoważonym źródłem węgla, może być przydatny do produkcji środków chemicznych, takich jak nawozy rolnicze oraz tworzywa sztuczne i chemikalia, służące do produkcji farb, tkanin i farmaceutyków.
Dzięki wykorzystaniu paliwa wodorowego o dużej gęstości krytycznej (gęstość energii to ilość energii, która może zostać uwolniona przez daną masę lub objętość paliwa), umożliwiony jest międzykontynentalny i oceaniczny transport towarów, który obecnie nie zdaje egzaminu przy wykorzystaniu akumulatorów i baterii elektrycznych.
Gdy słońce nie świeci i nie wieje wiatr, wodór może spełniać rolę magazynowania energii w postaci ogniw paliwowych lub też może być transformowany w źródło energii elektrycznej i cieplnej przez długi czas. Nawet do wielu miesięcy. W ten sposób jest zaspokajane krytyczne zapotrzebowanie na sezonowe magazynowanie energii.
- Czytaj także: Prof. Marek Brzeżański: Elektromobilność w dzisiejszym wydaniu to ścieżka donikąd. Paliwem przyszłości jest wodór
Transport elektromobilny i wodorowy
Prof. Brzeżański, kierownik Katedry Pojazdów Samochodowych na Wydziale Mechanicznym Politechniki Krakowskiej, w wywiadzie dla SmogLabu mówił, że transport pojazdów elektrycznych może być bardzo wydajny dla małych samochodów, które poruszają się tylko w dużych miastach czy małych lokalnych obszarach. Pod warunkiem, jeśli jest szeroki dostęp do stacji ładowania akumulatorów. Natomiast pojazdy na paliwo wodorowe mogą mieć zastosowanie na dłuższych dystansach. Zarówno w obrębie jednego kontynentu, jak i pomiędzy wieloma kontynentami.
Z kolei Wilson stwierdziła, że w zastosowaniu elektromobilności elektrony pełnią swoją określoną rolę, jednak w pewnych sektorach gospodarczych jest niezbędna cząsteczka wodoru. W szczególności do produkcji ogniw paliwowych. Naukowczyni słusznie zauważa, że obie technologie – i elektromobilna, i wodorowa dobrze uzupełniają się. I tylko wtedy uda się nam uzyskać zerową emisję netto do 2050 r.
Ograniczone dostawy litu i kobaltu oraz platyny – problemy w drodze do sukcesu niskoemisyjnej energetyki
Tak jak do produkcji baterii elektrycznych jest konieczny lit i kobalt, których zasoby są ograniczone, tak do produkcji ogniw paliwowych jest niezbędna platyna. A jej złoża są również bardzo rzadkie na Ziemi. Jest ona konieczna do prawidłowego funkcjonowania katalizatorów zamontowanych we wspomnianych ogniwach.
Rynek dostaw litu i kobaltu jest ograniczony. Monopol na te surowce mają głównie Chińczycy i Amerykanie, którzy dyktują warunki pozostałym mieszkańcom planety. Co do ograniczonych zasobów platyny, prym monopolowy wiodą mieszkańcy Republiki Południowej Afryki. Ponadto produkcja ogniw paliwowych jest nadal objęta patentami. A więc, nie ma jeszcze szerokiego zastosowania w energetyce. Sam wodór – jak do tej pory – jest jedynym paliwem.
Trwają alternatywne badania
Trwają jednak intensywne badania nad znalezieniem alternatywnych minerałów szerzej dostępnych, by móc je na szerszą skalę wykorzystać w katalizatorach ogniw paliwowych.
Prof. Brzeżański we wspomnianym wywiadzie dał do zrozumienia, że tematyka ogniw paliwowych ma również szerokie zainteresowanie w polskiej nauce. Zauważył, że mamy dość bogate doświadczenie w zasilaniu wodorem silników tłokowych.
Jak na razie, my – Polacy, produkujemy brudny, nieekologiczny wodór szary, mający wysoką emisję dwutlenku węgla. Pozyskujemy go z gazu syntezowego, zawartego w złożach węgla kamiennego. Ponadto otrzymujemy wodór niebieski z gazu ziemnego, który jest tak samo wysokoemisyjny. Aczkolwiek mniej niż ten z węgla kamiennego.
Na świecie coraz więcej firm gazowych poszukuje rozwiązań pozyskiwania niskoemisyjnego, czystego wodoru. Fioletowy otrzymujemy dzięki energetyce jądrowej, a zielony, najbardziej ekologiczny, w procesie elektrolizy pozyskiwany jest z OZE.
Zastąpienie brudnego wodoru czystym sprawiłoby, że całkowite globalne emisje wówczas zmniejszyłyby się o 1,6 proc.
Źródła:
- breakthroughenergy.org/news/hydrogenclimategoals/
- www.gatesnotes.com/Clean-Hydrogen
- smoglab.pl/prof-marek-brzezanski-wodor-paliwo-przyszlosci/
–
Zdjęcie tytułowe: Scharfsinn/Shutterstock
