Obecnie jesteśmy świadkami prawdziwej transformacji energetycznej. Widoczna coraz większa niepewność na rynkach paliw konwencjonalnych, a także troska o nasze wspólne środowisko właśnie teraz wskazują kierunek by pozyskiwać energię z niewyczerpalnych zasobów naturalnych takich jak słońce, wiatr czy woda. Paliwa kopalne po dominacji przez kilkadziesiąt lat, ustępują miejsca ekologicznym rozwiązaniom. Świat stawia na OZE czyli odnawialne źródła energii. Eksperci są zgodni - już wkrótce czeka nas rewolucja w systemie energetycznym, a wodór stanie się jednym z ważniejszych źródeł energii...
Zmiany kształtują nową rzeczywistość
Emisje dwutlenku węgla do atmosfery i coraz więcej gazów cieplarnianych w naszym powietrzu sprawiają, że nasza przyszłość jest niepewna. Jeżeli nie powstrzymamy produkcji trujących gazów, zmiany w środowisku staną się realnym zagrożeniem. Dlatego trwają intensywne prace nad poszukiwaniem alternatywnych źródeł energii, w celu ograniczenia emisji dwutlenku węgla do atmosfery.
Nowe paliwa ekologiczne zastąpią kopalne. Podobnie jak w przypadku nowoczesnych systemów nawigacji, które zastąpiły tradycyjne mapy. Jednym z coraz popularniejszych rozwiązań jest energia generowana z wodoru. Obecnie za kolejnymi zmianami stoi troska o nasze wspólne środowisko.
O wodorze już od lat mówi się jako o paliwie przyszłości
Wodór to najczęściej spotykany pierwiastek chemiczny we wszechświecie i na naszej planecie. Występuje najczęściej w formie najróżniejszych związków chemicznych. W jego najprostszej formie (H2) jest substancją o większym potencjale energetycznym niż znane nam paliwa kopalne w odniesieniu do jednostki masy.
Wodór ma wiele zalet. Cechują go lekkość, łatwość przechowywania, energochłonność. Dodatkowo nie powoduje bezpośredniej emisji zanieczyszczeń ani gazów cieplarnianych.
Jednak w praktyce jest konieczne ulepszanie wydajności i zmniejszanie kosztów, gdyż po pierwsze jego wytwarzanie jest energochłonne, a zmieszany z powietrzem tworzy ekstremalnie wybuchową mieszaninę, tzw. gaz piorunujący. Po drugie transport oraz składowanie wymagają środków ostrożności.
Wodór może być pozyskiwany ze źródeł nisko lub zeroemisyjnych, a produktem spalania jest H2O. Dlatego jest to bez wątpienia paliwo przyjazne środowisku.
Nadwyżki energii elektrycznej produkowanej z OZE mogą być wykorzystane do produkcji wodoru, który może być składowany i zastosowany w odpowiednim momencie do produkcji energii elektrycznej i ciepła. Może być produkowany zarówno z zasobów kopalnych jak i w procesie elektrolizy wody. Samo uwalnianie energii z takiego paliwa nie będzie powodowało wytwarzania szkodliwych spalin. Oznacza to, że pojazdy zasilane wodorem będą zeroemisyjne.
Jak działa silnik wodorowy i czy pomysł jest opłacalny
Samochód wodorowy jest trochę elektrownią chemiczną, w której rolę elektrowni odgrywają ogniwa paliwowe. Zestaw ogniw na bieżąco wytwarza prąd, który zasila silnik elektryczny. To zupełnie nowy sposób na pozyskiwanie energii, który działa na innej zasadzie niż silnik spalinowy czy akumulator.
Ze zbiorników ze sprężonym wodorem, przewodami, wodór przemieszcza się do ogniw paliwowych poprzez anodę, emitującą elektrony. Następnie elektrony podążając przewodami produkują prąd elektryczny, który napędza silniki kół pojazdu. Tak samochód porusza się do przodu. Na drugim końcu ogniwa te elektrony łączą się z wodorem i tlenem z powietrza, a w końcowym efekcie jedynym co wydzieli ogniwo jest woda.
Trzeba jednak nadmienić, że na obecnym etapie rozwoju technologicznego wyprodukowanie wodoru, a następnie dostarczenia go do stacji, zatankowania do auta i przekształcenia go ponownie w energię elektryczną jest kosztowne.
Bardzo dużo energii musimy włożyć w jego produkcję, transport i infrastrukturą, a stosunkowo mało jej odzyskujemy w trakcie jazdy; 20% produkcja wodoru, 13% sprężenie w celu przechowywania, 10% transport do punktów tankowania.
W tradycyjnych elektrykach tracimy jedynie 6% na produkcji energii, ponieważ prąd elektryczny nie wymaga sprężania czy ekstrakcji. Jednak trzeba dodać, że w przypadku elektryków opartych o akumulatory dochodzi jeszcze produkcja samych akumulatorów i fakt, że więcej energii uzyskujemy z nieodnawialnych źródeł energii, czyli ze spalania paliw kopalnych.
Wodór jest wszędzie, ale żeby go uzyskać i dostarczyć do stacji tankowania potrzeba mnóstwa prądu. W zależności od wybranej technologii, jest to wielkość na poziomie kilkudziesięciu kWh na każdy kilogram wodoru, tak więc więcej energii potrzebujemy do wyprodukowania wodoru niż później jesteśmy w stanie z niego odzyskać. Dlatego w chwili obecniej wytworzonej energii chętniej używa się go do ładowania akumulatorów, niż do wytwarzania wodoru. Oczywiście prace trwają i za chwile może się okazać, że bilans znacznie się zmieni na korzyść napędu wodorowego.
Dziś nowe samochody zasilane wodorem to tak naprawdę auta elektryczne, które pobierają prąd z ogniw paliwowych tankowanych wodorem. Zarówno elektryki typu Tesla jak i samochody wodorowe (Toyota Mirai) są w gruncie rzeczy samochodami elektrycznymi czyli silnik elektryczny napędza koła.
Cały czas problematyczna pozostaje kwestia zasilania. W przypadku elektryków problem stanowią akumulatory, w przypadku wodorowych problemem są straty potrzebne do produkcji czystego wodoru. Technologia ciągle sie rozwija, mnóstwo firm inwestuje czas i pieniądze w ich rozwój. Obie technologie są lepsze niż silniki spalinowe, jednak żadnej jeszcze nie możemy nazwać wygraną.
Czy wodór do samochodów jest bezpiecznym rozwiązaniem
Równocześnie z pracami nad udoskonalaniem silnika trwają prace nad zapewneniem bezpieczeństwa kierowcy i pasażerów. Wspomniana wcześniej Toyota Mirai przeszła pomyślnie bardzo rygorystyczne próby zderzeniowe. Badania objęły nawet strzelanie do zbiorników z wodorem z broni palnej, zderzenie z ciężarówką oraz celowe rozszczelnienie zbiornika i zapalenie ulatniającego się wodoru. W ten sposób dało się udowodnić, że spalający się wodór nie zagraża pasażerom auta i nie uszkadza pojazdu. Najlżejszy pierwiastek we wszechświecie unosi się w postaci wąskiego słupa, a efekcie płomień nie obejmuje kabiny pasażerskiej, tak jak to ma miejsce w przypadku zapalenia się benzyny. Potrzebujemy dużo sprężonego wodoru w bardzo dużych ciśnieniach. Dlatego Zbiorniki są specjalnie wzmocnione, a ich nabicie trwa tyle ile czasu potrzebujemy na tradycyjne tankowanie.
Co już mamy
W ekologicznym transporcie drogowym, ciężarówki i duże maszyny zasilane wodorowymi ogniwami paliwowymi wydają się świetnym rozwiązaniem. Zbiorniki z wodorem ważą znacznie mniej od akumulatorów potrzebnych do przechowania podobnej ilości energii, a w razie potrzeby zapas paliwa można uzupełnić bez porównania szybciej, niż zajęłoby ładowanie akumulatorów o pojemności setek kilowatogodzin.
Tymczasem zasięgi pojazdów zasilanych "zieloną" energią rosną. Są już dostępne modele mogące pokonać dystans około 700 km. Ładowanie w długich trasach może być połączone z zapewnieniem kierowcom czasu na wypoczynek na dostosowanych do tych potrzeb parkingach. Napędzanie wodorem TIR-ów przemieszczających się na trasach liczących tysiące kilometrów to rozwiązanie sensowne i wykonalne technicznie.
Trzeba jednak inwestycji w stacje do ładowania dla pojazdów transportowych zasilanych z OZE w centrach logistycznych, głównych węzłach przeładunkowych oraz na parkingach wzdłuż głównych tras transportu towarów.
Znani producenci ciężarówek takich jak Daimler Truck, Volvo Trucks czy Hyundai, widzą w wodorze paliwo przyszłości. Hyundai zaprezentował napędzaną wodorem ciężarówkę o nazwie HDC-6 Neptune oraz ekologiczną naczepę chłodniczą HT Nitro ThermoTech. Są to samochody o wyjątkowym futurystycznym wyglądzie na miarę przyszłości.
W tym momencie jednak akumulatory są jeszcze zbyt ciężkie by stosować je w długodystansowych pojazdach użytkowych. Mniejsze elektryczne ciężarówki wykorzystuje się już w ruchu miejskim, jako pojazdy dostawcze czy komunalne.
Możliwe, że pojawi się zapotrzebowanie na autokary dalekobieżne zasilane wodorem transportu międzymiastowego i międzynarodowego, ze względu na ograniczenia baterii pojazdów elektrycznych. Jakość i pojemność baterii cały czas się jednak poprawia, więc to zapotrzebowanie może zniknąć zanim zdążymy wymienić pozostałą część floty autobusowej i autokarowej ze spalinowych na elektryki.
Tymczasem na platformach morskich wodór jest wykorzystywany na okrętach podwodnych, gdzie wodorowe ogniwo ze względu na presje ogranczania emisji spalin, a producenci samolotów zapowiadają wprowadzenie ich na rynek.
Polska i Świat
Na świecie trwają prace nad udoskonalaniem technologii wodorowej. Szereg krajów efektywnie rozwija sposoby jego wykorzystania.
Japonia zamierza korzystać z ogniw paliwowych i elektrolizerów na dużą skalę do zasilania biur i mieszkań. Co więcej, każdy samochód na ogniwa paliwowe może pełnić rolę przydomowej elektrowni, stanowiąc źródło zasilania podczas awarii sieci energetycznej nawet przez tydzień.
Chiny rozbudowują swoją infrastrukturę tankowania wodoru, a kilku producentów samochodów pracuje obecnie nad samochodami z ogniwami paliwowymi, w tym Great Wall Motor który planuje rozwijać SUV-y napędzane wodorem.
Unia Europejska chce zbudować więcej stacji tankowania wodoru dla pojazdów użytkowych. Nadal rodzi się wiele pytań, na które nie ma jeszcze odpowiedzi, na przykład jak zapłacić za napęd samochodów elektrycznych i jak uzyskać wystarczającą ilość wodoru ze źródeł odnawialnych. Równocześnie powołana latem 2020 roku przez dużych producentów i spedytorów organizacja European Clean Trucking Alliance nawołuje Komisję Europejską do zaprzestania finansowania paliw kopalnych. W zamian apeluje o koncentrację inwestycji na technologiach zeroemisyjnych.
Wielka Brytania już wdraża sposoby racjonalnego pozyskania energii z wykorzystaniem technologii wodorowej. Przykładem jest urządzenie uruchomione na stacji Shell przy obwodnicy Londynu. Jest to elektrolizer wody, który włącza się automatycznie, kiedy w sieci pojawia się nadwyżka zielonej energii. Wyprodukowany w nim wodór jest magazynowany w zbiorniku, a następnie tankowany do samochodów klientów stacji.
Polska należy do największych producentów wodoru w Europie, ale pochodzi on niestety z technologii węglowych. Są jednak zapewnienia, że w produkcji wodoru docelowo ma się to zamienić i nastąpi przejście na produkcję wodoru opartą na odnawialnych źródłach energii. Powstał już zeroemisyjny miejski autobus, który od podstaw został stworzony w Polsce w Świdniku, przy współpracy z partnerami z Europy. NesoBus to zasilany zielonym wodorem ekologiczny pojazd, opracowany z myślą o zbiorowym transporcie miejskim. Planowana jest już seryjna produkcja tego autobusu.
Na na ulicach polskich miast Toyota zarejestrowała w Polsce wodorowe samochody. Powstała pierwsza stacja służąca do tankowania wodoru. Zlokalizowano ją na ul. Łubinowej, na terenie należącym do telewizji Polsat. Telewizja kupiła bowiem 40 sztuk zasilanej wodorowymi ogniwami paliwowymi Toyoty Mirai II generacji. We flocie użytkowanych ma być także 10 sztuk Hyundaia Nexo. Nadmienia się, że stacja tankowania wodoru będzie jednym ze sposobów na zagospodarowanie nadmiaru energii.
Władze MPK Kraków i PKN Orlen uruchomiły w Krakowie swoją pierwszą w Polsce mobilną stację tankowania wodoru. Stacja działa od czerwca 2022 roku. Wodór z tej stacji napędza ogniwa autobusu zeroemisyjnego testowanego w krakowskiej komunikacji miejskiej-Solaris Urbino. Jedno tankowanie wodoru pozwala na przejechanie 350 kilometrów bez emisji spalin.
Są plany aby miejskie autobusy i inne pojazdy można było w niedługim czasie tankować wodorem w kolejnych polskich miastach. Pierwsze stacje wodorowe mają ruszyć też w Katowicach i Poznaniu w 2023 roku.
Co przyniesie przyszłość
Aby wodór przyczynił się do przejścia na czystą energię, należy go przyjąć w sektorach takich jak transport, budownictwo czy wytwarzanie energii. Coraz częściej mówi się o wodorze w kontekście szeroko pojętych innowacyjnych napędów. W obliczu wyczerpujących się złóż naftowych przyszłość motoryzacji zależy od alternatywnych sposobów zasilania samochodów. Wodór stanowi bardzo korzystną i uniwersalną alternatywę dla ropy. Może być produkowany lokalnie w każdym kraju, zarówno w przydomowych urządzeniach, jak i na skalę przemysłową.
Czy wodór stanie się czymś naturalnym i w przyszłości i będzie istotnie wpływał na rozwój transportu i przemysłu samochodowego, a w ciągu następnych lat również morskiego i lotniczego. Być może zastąpi gaz ziemny i ropę, a na przestrzeni kilkudziesieciu lat będzie to z pewnościa bardzo istotne źródło energii.
Sam sposób jazdy pojazdem o napędzie wodorowym niczym nie będzie się różnił od jazdy samochodem napędzanym benzyną. Największa zmiana dotyczyć będzie środowiska, bowiem samochody wodorowe nie emitują żadnych szkodliwych substancji.
Sugeruje się, że Państwa, które oprą swoją gospodarkę na tym rozwiązaniu, staną się samowystarczalne energetycznie. Będzie to dla nich ogromny krok naprzód pod względem zarówno gospodarczym jak i politycznym.