Rozwój najnowszych technologii w oparciu o gospodarkę wodorową Cz. I
Nadmierny rozwój cywilizacyjny powodujący zmianę klimatu (wywołaną emisją gazów cieplarnianych) stanowi poważne zagrożenie dla zdrowia i życia zarówno ludzi, jak i zwierząt. Jednocześnie coraz bardziej realna staje się możliwość wyczerpania się dostępu do źródeł taniej ropy naftowej i gazu, stanowiąca zagrożenie bezpieczeństwa energetycznego Europy.
Unia Europejska jest w stanie pokryć jedynie połowę swoich potrzeb energetycznych z własnych zasobów, co w konsekwencji prowadzi do coraz większego uzależnienia się od importu nośników energii, głównie z krajów o niskiej stabilności politycznej. W ostatnich latach potwierdza to gwałtowny, trzykrotny wzrost ceny ropy naftowej w porównaniu z ceną z marca 1999 r. Wzrost ten może w konsekwencji doprowadzić do zachwiania gospodarki europejskiej. Obecnie przeszło 50% zapotrzebowania energetycznego Unii Europejskiej zaspokajane jest przez surowce importowane. Zakłada się, że w ciągu najbliższych 20-30 lat wzrośnie ono do przeszło 70%¹.
Problem bezpieczeństwa energetycznego Europy jest jednym z głównych wyzwań stojących przed Unią Europejską. Inwestycje w dziedzinie energetyki mają być szansą na znalezienie alternatywnych surowców energetycznych, które sprostają rosnącemu zapotrzebowaniu na energię i będą niejako zabezpieczeniem Europy na wypadek wyczerpania się dostępu do źródeł taniej ropy naftowej i gazu2-5.
Wodór – uniwersalny nośnik energii
Dużą szansą zarówno dla środowiska, jak i dla zapewnienia bezpieczeństwa energetycznego jest inicjatywa Stanów Zjednoczonych, która zakłada przestawienie w najbliższych latach (15-40 lat) światowej gospodarki z paliw ciekłych, pochodzących z przeróbki ropy naftowej, na wodór. Wodór jako uniwersalny nośnik energetyczny jest nie tylko łatwo dostępny, ale także przyjazny dla środowiska4,6.
W przeszłości systemy energetyczne oparte zarówno na paliwach kopalnych, jak i na energii jądrowej często były przyczyną katastrof ekologicznych – wycieki ropy naftowej, wycieki metanu czy katastrofy nuklearne. Systemy te są źródłem stale wzrastającej emisji zanieczyszczeń, co jest bezpośrednią przyczyną nieodwracalnych zmian w ekosystemach. Szczególnie niebezpieczna jest emisja gazów cieplarnianych, zwłaszcza dwutlenku węgla. Szansą na zmianę jest wprowadzenie bezpiecznego, przyjaznego środowisku paliwa, jakim jest wodór.
Charakterystyka wodoru
Wodór jest pierwiastkiem najbardziej rozpowszechnionym we wszechświecie7,8 – stanowi 79% jego masy. Jest praktycznie niewyczerpanym surowcem energetycznym, charakteryzującym się najwyższą wartością energii spalania z jednostki masy. Podczas jego spalania nie są emitowane do atmosfery żadne gazy cieplarniane, gdyż jedynym produktem spalania jest woda:
2H2 + O2 = 2H2O
Na Ziemi wodór występuje prawie wyłącznie w związkach chemicznych – w postaci wody, węglowodorów (ropa naftowa, gaz ziemny) i wszystkich związków organicznych występujących w organizmach żywych. Wielu problemów przysparza gromadzenie i przechowywanie wodoru9-12. Dotychczas opracowano kilka sposobów jego przechowywania, tzn. w postaci skroplonej, pochłanianie wodoru w metalach ziem rzadkich (wanadowce, tytanowce, stopy niklu, glinu, żelaza, wapnia lub magnezu), w postaci wodorków i związków międzymetalicznych oraz w sprężonej postaci gazowej.
Szczególnie zaawansowane badania nad sposobem przechowywania wodoru prowadzi firma BMW, która dostrzegła szansę wykorzystania wodoru w postaci skroplonej do napędu samochodów. Wodór magazynowany jest w postaci skroplonej w temperaturze -253°C. Na lotnisku w Monachium działa już pierwsza eksperymentalna stacja wodorowa. Dostarcza ona paliwo wodorowe dla wózków widłowych napędzanych paliwem wodorowym i dla kilku samochodów BMW serii 7. W niedalekiej przyszłości firma BMW planuje wprowadzenie nowego silnika do seryjnej produkcji siódemki. Podstawową zaletą jest całkowite ograniczenie emisji CO2.
Inne firmy motoryzacyjne nie pozostają w tyle. General Motors na targach motoryzacyjnych w Detroit zaprezentował prototyp pojazdu napędzanego paliwem wzbogaconym wodorem. Również takie firmy jak Toyota i Honda pracują nad podobnymi konstrukcjami. Specjaliści szacują, że w najbliższym dziesięcioleciu w samych tylko Niemczech powstanie blisko 2000 stacji oferujących paliwo wodorowe, natomiast w 2020 r. 20% rynku motoryzacyjnego będą stanowić samochody przystosowane do paliwa wodorowego.
W motoryzacji pośród pięciu liczących się odmian technologii najbardziej interesujące są ogniwa paliwowe polimerowe, zwane również ogniwami paliwowymi z membraną wymienną PEMFC (ang. Proton Exchange Membrane Fuel Cell). Charakteryzują się one niskimi temperaturami pracy, dużą trwałością i elastycznością w przystosowaniu do zmiennego obciążenia. Dużym atutem, głównie ekonomicznym, jest budowa tego typu ogniwa, oparta na systemie modułowym, co daje możliwość szybkiej i łatwej rozbudowy ogniwa (w przypadku ogniwa PEMFC można uzyskać moc 30-50 kW). Niewątpliwą wadą polimerowych ogniw paliwowych jest wysoki koszt ich produkcji (rzędu 10 tys. dol./m²), jednak szybki postęp technologiczny pozwala oczekiwać w krótkim czasie obniżenia tej kwoty do zaledwie 50 dol./m². Oprócz transportu ogniwa paliwowe mogą być wykorzystywane do wytwarzania ciepła i energii elektrycznej, jednak koszt uzyskania energii elektrycznej z ogniw paliwowych jest nadal bardzo wysoki i wynosi ok. 3-4 tys. dol./kWh.
Technologie produkcji wodoru
Jednym z głównych problemów gospodarki wodorowej jest poszukiwanie skutecznej, prostej i ekonomicznie opłacalnej technologii produkcji wodoru na skalę przemysłową13,14. W literaturze procesy produkcji wodoru często dzieli się na termochemiczne, elektrolityczne i fotolityczne.
Zakłada się, że do 2010 r. wiodące technologie produkcji wodoru oparte będą głównie na paliwach kopalnych (patrz rys. 1). Następnie przeważać będą technologie oparte na odnawialnych źródłach energii, podczas gdy po 2020 r. dominującą rolę będą miały technologie produkcji wodoru wykorzystujące procesy fotolityczne.
Rys. 1. Dominujące technologie w produkcji wodoru
Wśród procesów termochemicznych produkcji wodoru wyróżnia się reforming parowy węglowodorów, gazyfikację i pirolizę biomasy oraz procesy w reaktorze o membranie ceramicznej.
Reforming parowy węglowodorów przeprowadza się, przepuszczając mieszaninę par surowca węglowodorowego i pary wodnej przez złoże katalizatora. Surowcem węglowodorowym jest głównie metan, rzadziej etan, propan i butan.
Gazyfikacja i piroliza biomasy polega na konwersji stałego materiału na gaz. Na skalę przemysłową wodór produkuje się poprzez zgazowanie biomasy. Jest to głównie zgazowanie odpadów drzewnych i rolniczych. Polega to na tym, że biomasa podgrzewana w odpowiednich warunkach (500-1300°C) ulega zamianie na gaz syntezowy (składający się przede wszystkim z CO, CO2 i H2) i bioolej.
Obecnie trwają badania nad reaktorem o membranie ceramicznej i jego wykorzystaniem do wydzielania tlenu z powietrza, który następnie wykorzystywany będzie do częściowego utleniania metanu. Badania te są szansą zastąpienia kosztownego procesu, jakim jest częściowe utlenianie gazu ziemnego (który i tak nie zapewnia czystości wodoru wymaganej w wielu aplikacjach).
Procesy elektrolityczne produkcji wodoru można podzielić na produkcję wodoru przez elektrolizę wody, zintegrowanie elektrolizy z odnawialnymi źródłami energii oraz produkcję wodoru z użyciem ogniw paliwowych dwukierunkowych.
Elektroliza wody jest historycznie pierwszą powszechnie stosowaną metodą produkcji gazowego wodoru i tlenu. Obecnie z ekonomicznego punktu widzenia produkcja wodoru przez elektrolizę jest nieopłacalna i jest wykorzystywana jedynie w celu pozyskania bardzo wysokiej jakości gazów.
Bardziej efektywnym procesem jest zintegrowanie elektrolizy z odnawialnymi źródłami energii (wytwarzającymi energię elektryczną w sposób nieciągły – fotowoltaika czy energetyka wiatrowa). W tym przypadku wodór będzie wykorzystywany jako nośnik magazynujący energię.
Ogniwa paliwowe dwukierunkowe (ang. Reversible FC) pracują w dwóch trybach: z jednej strony produkują energię elektryczną, a z drugiej wodór.
Procesy fotolityczne produkcji wodoru można podzielić na fotobiologiczne i fotoelektrolizy. Te pierwsze wykorzystują zdolności wytwarzania wodoru przez niektóre szczepy bakterii oraz niektóre gatunki alg w procesie fotosyntezy. Obecne badania idą w kierunku zwiększania efektywności tej produkcji poprzez genetyczną modyfikację tychże organizmów. Fotoelektroliza z kolei polega na rozkładzie wody z użyciem światła słonecznego. Proces ten, przeprowadzany w układach przypominających ogniwo fotowoltaiczne zanurzone w wodzie, wykorzystuje promienie świetlne do pobudzenia półprzewodnika do rozszczepienia cząsteczek otaczającej wody.
Rys. 2. Schemat przedstawiający procesy produkcji wodoru
Na rys. 2 przedstawiono możliwości produkcji wodoru z wykorzystaniem różnych surowców. Schemat ten najlepiej obrazuje mnogość surowców, jakie mogą być wykorzystane do produkcji wodoru, a także różne sposoby jego produkcji.
dr Adam Smoliński
dr inż. Jan Rogut
Główny Instytut Górnictwa, Katowice
Źródła
Unia Europejska jest w stanie pokryć jedynie połowę swoich potrzeb energetycznych z własnych zasobów, co w konsekwencji prowadzi do coraz większego uzależnienia się od importu nośników energii, głównie z krajów o niskiej stabilności politycznej. W ostatnich latach potwierdza to gwałtowny, trzykrotny wzrost ceny ropy naftowej w porównaniu z ceną z marca 1999 r. Wzrost ten może w konsekwencji doprowadzić do zachwiania gospodarki europejskiej. Obecnie przeszło 50% zapotrzebowania energetycznego Unii Europejskiej zaspokajane jest przez surowce importowane. Zakłada się, że w ciągu najbliższych 20-30 lat wzrośnie ono do przeszło 70%¹.
Problem bezpieczeństwa energetycznego Europy jest jednym z głównych wyzwań stojących przed Unią Europejską. Inwestycje w dziedzinie energetyki mają być szansą na znalezienie alternatywnych surowców energetycznych, które sprostają rosnącemu zapotrzebowaniu na energię i będą niejako zabezpieczeniem Europy na wypadek wyczerpania się dostępu do źródeł taniej ropy naftowej i gazu2-5.
Wodór – uniwersalny nośnik energii
Dużą szansą zarówno dla środowiska, jak i dla zapewnienia bezpieczeństwa energetycznego jest inicjatywa Stanów Zjednoczonych, która zakłada przestawienie w najbliższych latach (15-40 lat) światowej gospodarki z paliw ciekłych, pochodzących z przeróbki ropy naftowej, na wodór. Wodór jako uniwersalny nośnik energetyczny jest nie tylko łatwo dostępny, ale także przyjazny dla środowiska4,6.
W przeszłości systemy energetyczne oparte zarówno na paliwach kopalnych, jak i na energii jądrowej często były przyczyną katastrof ekologicznych – wycieki ropy naftowej, wycieki metanu czy katastrofy nuklearne. Systemy te są źródłem stale wzrastającej emisji zanieczyszczeń, co jest bezpośrednią przyczyną nieodwracalnych zmian w ekosystemach. Szczególnie niebezpieczna jest emisja gazów cieplarnianych, zwłaszcza dwutlenku węgla. Szansą na zmianę jest wprowadzenie bezpiecznego, przyjaznego środowisku paliwa, jakim jest wodór.
Charakterystyka wodoru
Wodór jest pierwiastkiem najbardziej rozpowszechnionym we wszechświecie7,8 – stanowi 79% jego masy. Jest praktycznie niewyczerpanym surowcem energetycznym, charakteryzującym się najwyższą wartością energii spalania z jednostki masy. Podczas jego spalania nie są emitowane do atmosfery żadne gazy cieplarniane, gdyż jedynym produktem spalania jest woda:
2H2 + O2 = 2H2O
Na Ziemi wodór występuje prawie wyłącznie w związkach chemicznych – w postaci wody, węglowodorów (ropa naftowa, gaz ziemny) i wszystkich związków organicznych występujących w organizmach żywych. Wielu problemów przysparza gromadzenie i przechowywanie wodoru9-12. Dotychczas opracowano kilka sposobów jego przechowywania, tzn. w postaci skroplonej, pochłanianie wodoru w metalach ziem rzadkich (wanadowce, tytanowce, stopy niklu, glinu, żelaza, wapnia lub magnezu), w postaci wodorków i związków międzymetalicznych oraz w sprężonej postaci gazowej.
Szczególnie zaawansowane badania nad sposobem przechowywania wodoru prowadzi firma BMW, która dostrzegła szansę wykorzystania wodoru w postaci skroplonej do napędu samochodów. Wodór magazynowany jest w postaci skroplonej w temperaturze -253°C. Na lotnisku w Monachium działa już pierwsza eksperymentalna stacja wodorowa. Dostarcza ona paliwo wodorowe dla wózków widłowych napędzanych paliwem wodorowym i dla kilku samochodów BMW serii 7. W niedalekiej przyszłości firma BMW planuje wprowadzenie nowego silnika do seryjnej produkcji siódemki. Podstawową zaletą jest całkowite ograniczenie emisji CO2.
Inne firmy motoryzacyjne nie pozostają w tyle. General Motors na targach motoryzacyjnych w Detroit zaprezentował prototyp pojazdu napędzanego paliwem wzbogaconym wodorem. Również takie firmy jak Toyota i Honda pracują nad podobnymi konstrukcjami. Specjaliści szacują, że w najbliższym dziesięcioleciu w samych tylko Niemczech powstanie blisko 2000 stacji oferujących paliwo wodorowe, natomiast w 2020 r. 20% rynku motoryzacyjnego będą stanowić samochody przystosowane do paliwa wodorowego.
W motoryzacji pośród pięciu liczących się odmian technologii najbardziej interesujące są ogniwa paliwowe polimerowe, zwane również ogniwami paliwowymi z membraną wymienną PEMFC (ang. Proton Exchange Membrane Fuel Cell). Charakteryzują się one niskimi temperaturami pracy, dużą trwałością i elastycznością w przystosowaniu do zmiennego obciążenia. Dużym atutem, głównie ekonomicznym, jest budowa tego typu ogniwa, oparta na systemie modułowym, co daje możliwość szybkiej i łatwej rozbudowy ogniwa (w przypadku ogniwa PEMFC można uzyskać moc 30-50 kW). Niewątpliwą wadą polimerowych ogniw paliwowych jest wysoki koszt ich produkcji (rzędu 10 tys. dol./m²), jednak szybki postęp technologiczny pozwala oczekiwać w krótkim czasie obniżenia tej kwoty do zaledwie 50 dol./m². Oprócz transportu ogniwa paliwowe mogą być wykorzystywane do wytwarzania ciepła i energii elektrycznej, jednak koszt uzyskania energii elektrycznej z ogniw paliwowych jest nadal bardzo wysoki i wynosi ok. 3-4 tys. dol./kWh.
Technologie produkcji wodoru
Jednym z głównych problemów gospodarki wodorowej jest poszukiwanie skutecznej, prostej i ekonomicznie opłacalnej technologii produkcji wodoru na skalę przemysłową13,14. W literaturze procesy produkcji wodoru często dzieli się na termochemiczne, elektrolityczne i fotolityczne.
Zakłada się, że do 2010 r. wiodące technologie produkcji wodoru oparte będą głównie na paliwach kopalnych (patrz rys. 1). Następnie przeważać będą technologie oparte na odnawialnych źródłach energii, podczas gdy po 2020 r. dominującą rolę będą miały technologie produkcji wodoru wykorzystujące procesy fotolityczne.
Rys. 1. Dominujące technologie w produkcji wodoru
Wśród procesów termochemicznych produkcji wodoru wyróżnia się reforming parowy węglowodorów, gazyfikację i pirolizę biomasy oraz procesy w reaktorze o membranie ceramicznej.
Reforming parowy węglowodorów przeprowadza się, przepuszczając mieszaninę par surowca węglowodorowego i pary wodnej przez złoże katalizatora. Surowcem węglowodorowym jest głównie metan, rzadziej etan, propan i butan.
Gazyfikacja i piroliza biomasy polega na konwersji stałego materiału na gaz. Na skalę przemysłową wodór produkuje się poprzez zgazowanie biomasy. Jest to głównie zgazowanie odpadów drzewnych i rolniczych. Polega to na tym, że biomasa podgrzewana w odpowiednich warunkach (500-1300°C) ulega zamianie na gaz syntezowy (składający się przede wszystkim z CO, CO2 i H2) i bioolej.
Obecnie trwają badania nad reaktorem o membranie ceramicznej i jego wykorzystaniem do wydzielania tlenu z powietrza, który następnie wykorzystywany będzie do częściowego utleniania metanu. Badania te są szansą zastąpienia kosztownego procesu, jakim jest częściowe utlenianie gazu ziemnego (który i tak nie zapewnia czystości wodoru wymaganej w wielu aplikacjach).
Procesy elektrolityczne produkcji wodoru można podzielić na produkcję wodoru przez elektrolizę wody, zintegrowanie elektrolizy z odnawialnymi źródłami energii oraz produkcję wodoru z użyciem ogniw paliwowych dwukierunkowych.
Elektroliza wody jest historycznie pierwszą powszechnie stosowaną metodą produkcji gazowego wodoru i tlenu. Obecnie z ekonomicznego punktu widzenia produkcja wodoru przez elektrolizę jest nieopłacalna i jest wykorzystywana jedynie w celu pozyskania bardzo wysokiej jakości gazów.
Bardziej efektywnym procesem jest zintegrowanie elektrolizy z odnawialnymi źródłami energii (wytwarzającymi energię elektryczną w sposób nieciągły – fotowoltaika czy energetyka wiatrowa). W tym przypadku wodór będzie wykorzystywany jako nośnik magazynujący energię.
Ogniwa paliwowe dwukierunkowe (ang. Reversible FC) pracują w dwóch trybach: z jednej strony produkują energię elektryczną, a z drugiej wodór.
Procesy fotolityczne produkcji wodoru można podzielić na fotobiologiczne i fotoelektrolizy. Te pierwsze wykorzystują zdolności wytwarzania wodoru przez niektóre szczepy bakterii oraz niektóre gatunki alg w procesie fotosyntezy. Obecne badania idą w kierunku zwiększania efektywności tej produkcji poprzez genetyczną modyfikację tychże organizmów. Fotoelektroliza z kolei polega na rozkładzie wody z użyciem światła słonecznego. Proces ten, przeprowadzany w układach przypominających ogniwo fotowoltaiczne zanurzone w wodzie, wykorzystuje promienie świetlne do pobudzenia półprzewodnika do rozszczepienia cząsteczek otaczającej wody.
Rys. 2. Schemat przedstawiający procesy produkcji wodoru
Na rys. 2 przedstawiono możliwości produkcji wodoru z wykorzystaniem różnych surowców. Schemat ten najlepiej obrazuje mnogość surowców, jakie mogą być wykorzystane do produkcji wodoru, a także różne sposoby jego produkcji.
dr Adam Smoliński
dr inż. Jan Rogut
Główny Instytut Górnictwa, Katowice
Źródła
- Ku Europejskiej Strategii Bezpieczeństwa Energetycznego, Zielona Księga, Komisja Europejska, Bruksela 2002.
- Dąbrowska D., Rdzanek G.: Wodór – nieograniczone źródło energii, www.wsip.pl.
- Rogut J., Howaniec N., Ludwik M.: Gospodarka wodorowa szansą dla rozwoju górnictwa węgla kamiennego, „Przegląd Górniczy”, 6 (2004) 1-5.
- Report of the Basic Energy Sciences Workshop on Hydrogen Production, Storage and Use, US Department of Energy, Argonne National Laboratory, May 2003.
- Winter C.J., Nitsch J.: Hydrogen as an Energy Carrier. Technologies, Systems, Economy. Springer-Verlag, Berlin 1988.
- Lewandowski W.M.: Proekologiczne źródła energii odnawialnej, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 2002.
- Dzięgielewski J.: Chemia nieorganiczna, cześć I, Uniwersytet Śląski, Katowice 1986.
- Bielański A.: Podstawy chemii nieorganicznej, PWN, Warszawa 1987.
- Kolanek C., Walkowiak W.: Wodór – Paliwo Przyszłości, Instytut Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn Politechniki Wrocławskiej, http://energoprojekt.pl/~igeos/doc/enex2003/pwalkowiak.doc.
- Hoffmann P.: Tomorrow’s Energy. Hydrogen, Fuel Cells and the Prospects for a Cleaner Planet, The MIT Press, Londyn 2001.
- Seifert U., Walzer P.: Automobiltechnik der Zukunft, VDI Verlag, Duesseldorf 1989.
- Buchner H.: Hydrogen and Other Alternative Fuels for Air and Ground Transportation, John Wiley & Sons, Nowy Jork 1995.
- Gaudernack B.: Hydrogen production from fossil fuels, In Saetre, 1998.
- Andreassen K.: Hydrogen production by electrolysis, In Saetre, 1998.
