Obecnie wodór wytwarzany jest głównie z wykorzystaniem paliw kopalnych, sytuacja jednak się zmienia. H2 można produkować również przy użyciu odnawialnych źródeł energii – nie tylko farm wiatrowych czy fotowoltaiki, ale również biomasy.
Wodór nazywany jest paliwem przyszłości. Na razie pozostaje w cieniu elektromobilności, jednak zdaniem wielu ekspertów pierwszy pierwiastek na tablicy Mendelejewa jest kluczowy dla dekarbonizacji gospodarki, a upowszechnienie technologii wodorowych jest kwestią czasu. Po ulicach wielu polskich miast już jeżdżą autobusy zasilane tym paliwem, a rodzimi producenci, jak Autosan czy Solaris, rozwijają własne projekty pojazdów wodorowych. Są to jednak rozwiązania testowe. Ich wdrożenie na szerszą skalę utrudniają koszty i brak infrastruktury do tankowania.
Wodór emisyjny i bezemisyjny
Problematyczną kwestią jest również sposób pozyskiwania wodoru. W 2020 r. aż 95 proc. wodoru wykorzystywanego w różnych sektorach gospodarki pochodziło z paliw kopalnych. Pierwiastek ten pozyskiwany jest najczęściej w procesie reformingu parowego gazu ziemnego, częściowego utleniania metanu i gazyfikacji węgla. Tymczasem w strategii i w polityce klimatycznej Unii Europejskiej kluczową rolę odgrywa wodór bezemisyjny, pochodzący ze źródeł odnawialnych. Warto nadmienić, że Polska jest jednym z największych producentów wodoru na naszym kontynencie, dlatego unijne regulacje w tym sektorze mają dla nas żywotne znaczenie.
Energię do produkcji zielonego wodoru można pozyskiwać z wszelkiego typu instalacji OZE: fotowoltaicznych, wiatrowych czy wodnych. Jednak za „materiał wyjściowy” do produkcji wodoru może służyć również biomasa. Prace nad produkcją H2 z odpadów naturalnych trwają od lat, pojawiają się też pierwsze wdrożenia. Głównym wyzwaniem jest osiągnięcie odpowiedniego poziomu konwersji i zapewnienie opłacalności tego typu przedsięwzięciom.
Wodór z biomasy – gazyfikacja i piroliza
Obecnie istnieją dwie główne metody „przekształcania” biomasy w energię: gazyfikacja i piroliza. Ta pierwsza polega na podgrzewaniu stałej lub płynnej biomasy do temperatury ok. 1000°C, w efekcie czego powstaje tzw. syngaz, czyli gaz syntezowy, i biowęgiel – zbliżony pod względem właściwości do węgla drzewnego. Syngaz stanowi mieszankę wodoru, metanu, tlenku węgla i innych węglowodorów. Spala się ją w ogniwach paliwowych lub silnikach gazowych bądź wykorzystywana do produkcji metanolu, ale można z niej również odzyskiwać czysty wodór. Z kolei biowęgiel można wykorzystywać jako paliwo odnawialne. Ma również zastosowania w rolnictwie, m.in. do poprawy jakości gleb, oraz ochronie środowiska do usuwania zanieczyszczeń z wód, ścieków i gleb.
Piroliza przebiega w sposób zbliżony do gazyfikacji, jednak w tym przypadku biomasa podgrzewana jest do niższych temperatur z przedziału 400–800 °C. Istnieją trzy odmiany tego procesu: konwencjonalna, szybka i błyskawiczna. Dwie pierwsze trwają dłużej niż ostatnia i generują więcej węgla. Piroliza błyskawiczna pozwala wygenerować znacznie więcej syngazu. Do jej przeprowadzenia niezbędne są jednak specjalne reaktory, które pozwalają utrzymać odpowiednio wysoką temperaturę i ciśnienie. Technologie służące do tego celu są nieustannie rozwijane zarówno pod kątem większej konwersji, jak i efektywniejszego filtrowania zanieczyszczeń.
Syngaz i biowęgiel, czyli dwie pieczenie na jednym ogniu
Jedną z nich niedawno opisano na łamach czasopisma „Chemical Science”. Projekt zrealizował zespół pod kierownictwem prof. Huberta Giraulta ze School of Basic Sciences na Politechnice Federalnej w Lozannie. Naukowcom udało się opracować nową metodę błyskawicznej fotopirolizy biomasy, opartą na wykorzystaniu lampy ksenonowej, stosowanej powszechnie do suszenia tuszów metalicznych w produkcji elektroniki drukowanej. Zespół Giraulta miał kilkuletnie doświadczenie z tego typu technologią, ponieważ wcześniej wykorzystywał ją m.in. do syntezy nanocząsteczek. Okazało się, że można ją z powodzeniem zastosować również do przeprowadzenia piroliy biomasy, by uzyskać w ten sposób syngaz oraz wartościowy biowęgiel.
Pirolizę przeprowadzono na rozmaitych pozostałościach produktów spożywczych. Wykorzystano między innymi skórki z banana, kaczany kukurydzy, obierki z pomarańczy, łupiny orzechów kokosowych czy fusy z kawy. Odpadki przez 24 godziny były suszone w temperaturze 105°C, a następnie zostały zmielone na drobny pył. Tak przetworzony surowiec naukowcy umieścili w stalowym reaktorze w warunkach ciśnienia atmosferycznego i obojętnej atmosfery, i poddali działaniu lampy ksenonowej. Cały proces konwersji trwał… kilka milisekund.
– Z każdego kilograma suszonej biomasy można uzyskać około stu litrów wodoru i 330 gramów biowęgla – mówi Bhawna Nagar, jeden z uczestników badania. Bilans energetyczny, czyli stosunek energii wykorzystanej do uzyskanej, wynosił 4,09 MJ na kilogram wysuszonej biomasy. Zdaniem autorów badania zastosowaną metodę wyróżnia się tym, że generuje dwa pełnowartościowe produkty końcowe. Pierwszym jest wodór, który stanowi zielone paliwo. Drugi – biowęgiel, można wykorzystać np. jako nawóz lub surowiec w produkcji elektrod. Wrażenie robi też szybkość przebiegu procesu, który – poza suszeniem biomasy – zajmuje ułamki sekund.
Nowe technologie wodorowe
To nie jedyny w ostatnim czasie sygnał o postępach w pracy nad wytwarzaniem zielonego wodoru. W tym roku rusza sprzedaż wodoru produkowanego według autorskiej metody kanadyjskiego startupu H2 V Energies. Firma przyjmuje zamówienia od stycznia br. Spółka opracowała technologię przekształcania odpadów drzewnych i papierowych w wodór. Firma zamierza produkować 49 tys. ton paliwa rocznie.
Nad produkcją wodoru z biomasy pracują również polscy naukowcy. Zespół ekspertów z Politechniki Warszawskiej i Uniwersytetu Warszawskiego, w ramach środków uzyskanych z Narodowego Centrum Badań i Rozwoju, tworzy reaktor do wytwarzania wodoru z biomasy, wykorzystujący nowatorskie nanofotokatalizatory. – Ideą tego innowacyjnego rozwiązania jest możliwość pracy w trybie ciągłym, osiągnięcie potencjału skalowalności układu oraz łatwej adaptacji do istniejących linii technologicznych. Zatem mocną stroną technologii zaimplementowanej w postaci układu przepływowego planowanej do stworzenia w projekcie jest umożliwienie wyjścia z produkcją wodoru z biomasy poza skalę laboratoryjną – mówi dr inż. Karol Ćwieka, kierownik projektu.
Transformacja wodorowa w Koninie
To nie wszystko. W Elektrowni Konin od 2012 r.działa blok biomasowy o mocy 50 MW i budowany jest kolejny blok o analogicznej mocy. Niebawem oba mają być wykorzystywane do produkcji bezemisyjnego wodoru. ZE PAK, zespół elektrowni, w skład którego wchodzi Elektrownia Konin, kupił już elektrolizer do produkcji wodoru z wykorzystaniem energii pochodzącej ze spalania biomasy. To element strategii transformacyjnej ZE PAK. Ma ona na celu całkowitą rezygnację z wydobycia węgla brunatnego do 2030 r., a także wygaszenie elektrowni działających w oparciu o węgiel.
Ilustracja: Shutterstock/petrmalinak
