Świat gna do przodu wraz z nowinkami przemysłu motoryzacyjnego. Napędy hybrydowy czy elektryczny wciąż zyskują na popularności, a na scenie właśnie pojawia się wodór. Czy to on będzie paliwem przyszłości?

Historia i fantastyka

O tym, że wodór (łac. hydrogenium – H) jest bardzo łatwo palnym pierwiastkiem, wiedziano już u schyłku XVIII wieku, a początek kolejnego stulecia przyniósł pierwsze próby pojazdów zasilanych łatwopalaną mieszanką wodoru z tlenem (silnik szwajcarskiego konstruktora François Isaaca de Rivaza z 1807 r.). To jednak paliwa kopalne, a zwłaszcza ropa, na długo zablokowały rozwój tej technologii.

Wodór wciąż pasjonował konstruktorów i wizjonerów. Znalazło to odzwierciedlenie chociażby w ówczesnej literaturze fantastycznej. I tak w 1874 r. wizja wodoru, który stanie się dominującym paliwem świata, pojawiła się w książce Juliusza Verne’a Tajemnicza wyspa. Do prób użycia wodoru wracano wielokrotnie wraz z ponawiającymi się kryzysami energetycznymi oraz rozwojem techniki wojennej. W latach II wojny światowej eksperymentowano z wodorowym napędem torped i silników samochodowych. W latach 50. i 60. powstały pierwsze prototypy samolotów i rakiet. Kryzys paliwowy w 1973 r. przyspieszył rozwój badań nad wykorzystaniem tego najlżejszego pierwiastka.

Początek XXI wieku, nasilające się zmiany klimatyczne i kurczące się światowe zasoby paliw kopalnych przyśpieszyły rozwój zaawansowanych technologii wodorowych. Nie oznacza to jednak, że ich wdrożenie przebiega bezproblemowo...

Skąd brać wodór?

Choć wodór jest pierwiastkiem najpowszechniej występującym we wszechświecie, to, niestety, niemal nie występuje w stanie wolnym. Najczęściej spotykamy go w postaci związków chemicznych, czego najbardziej znanym przykładem jest woda. Czy wobec rosnącej presji na zeroemisyjność w energetyce i motoryzacji to właśnie ten bezbarwny, bezwonny i bezsmakowy gaz będzie wybawieniem? Zdania są podzielone.

Za użyciem wodoru przemawia jego wysoka wartość opałowa (33,3 kWh/kg), która jest znacznie wyższa, niż ma to miejsce w przypadku benzyny (12 kWh/kg), oleju napędowego (11,6 kWh/kg) czy metanu (13,9 kWh/kg). Problem stanowi jednak pozyskanie wodoru w czystej postaci ze związków chemicznych, co jest, niestety, energochłonne, drogie i... nie zawsze zeroemisyjne.

Wodór pozyskujemy dziś przede wszystkim w wyniku przetwarzania metanu (reforming stanowi obecnie 48% produkcji), ropy naftowej (30%), węgla (18%) i zaledwie 4% w wyniku elektrolizy wody. W pierwszych trzech przypadkach wciąż mamy do czynienia zarówno z koniecznością wydobycia paliw kopalnych, jak i z emisją gazów cieplarnianych, a w przypadku elektrolizy wody – rozpadu cząsteczki wody H2O na tlen i wodór pod wpływem prądu – z dużym zużyciem energii.

I tak na wyprodukowanie w procesie elektrolizy 1 kg wodoru na potrzeby samochodu z napędem wodorowym (umożliwi to przebycie ok. 100 km trasy) trzeba zużyć niemal 70 kWh (kilowatogodzin) energii, tymczasem pokonanie tej samej trasy samochodem z napędem elektrycznym wiąże się w tej chwili ze zużyciem rzędu 25-35 kWh. Dlatego reforming metanu, gazu ziemnego czy gazu koksowniczego jest wciąż wielokrotnie tańszy i nie do zastąpienia.

Jedno jest pewne: istnieją niemal nieograniczone zasoby wodoru, który da się pozyskać z różnych źródeł.

Kiedy mamy już czysty wodór zmagazynowany w formie ciekłej lub sprężony w formie gazowej w nieprzepuszczalnych, kompozytowych zbiornikach, możemy go użyć na dwa sposoby: jako paliwo, które ulegnie spalaniu w komorze silnika (mniej popularne zastosowanie) lub które będzie użyte w ogniwach paliwowych wytwarzających energię napędzającą silniki elektryczne. Właśnie to drugie rozwiązanie zyskuje coraz szersze uznanie.

Ogniwa wodorowe

W przypadku napędu opartego na ogniwach wodorowych mówimy tak naprawdę o napędzie generowanym przez silnik elektryczny, który z kolei jest zasilany w wyniku rozbicia cząsteczki wodoru na protony i elektrony. Protony łączą się z tlenem i dają wodę (emitowaną w postaci pary wodnej), a elektrony przepływają do katody i generują prąd. Proces ten nie jest oparty na spalaniu i nie tworzy żadnych zanieczyszczeń. Cała instalacja wymaga znacznych modyfikacji pojazdów, bardziej skomplikowanych niż w przypadku popularnych u nas instalacji LPG. Mówiąc krótko – samochód zasilany ogniwem wodorowym to całkiem inna i bardziej zaawansowana konstrukcja. Obok samych ogniw wodorowych oraz zbiorników do magazynowania sprężonego wodoru w instalacji tej są zazwyczaj potrzebne superkondensator (służący do krótkotrwałego magazynowania energii) i osuszacz powietrza.

Wszystko to sprawia, że produkcja samochodów z takim napędem jest wciąż bardzo droga, choć ich bezawaryjność (szacowana na ok. 300 tys. km) jest obiecująca. Czas tankowania zbiorników wodorem wynosi 3-4 min, co również daje przewagę nad pojazdami elektrycznymi. Jedyna niedogodność wiąże się obecnie z faktem, że sieć stacji oferujących tankowanie wodorem praktycznie nie istnieje. Wszystko przemawia jednak za tym, że z czasem uda się obniżyć koszty produkcji samochodów z ogniwami wodorowymi na tyle, iż wyprą one silniki nie tylko spalinowe, ale i elektryczne.

Przyszłość zaczyna się teraz

Przemysł motoryzacyjny nie czeka. Autobusy o napędzie wodorowym jeżdżą już na Islandii, w Tokio i Londynie. Polska, która jest trzecim producentem wodoru w Unii Europejskiej i piątym na świecie, wytwarza obecnie ok. 1 mln ton tego gazu rocznie, co – według ostrożnych szacunków – jest w stanie zapewnić zasilanie 5 mln samochodów. Nie dziwi więc rosnące zainteresowanie wodorem ze strony rządu, samorządów oraz przedstawicieli państwowych koncernów i sektora prywatnego. Zakup autobusów z napędem wodorowym planują w Polsce kolejne miasta – w tym Górnośląsko-Zagłębiowska Metropolia. Planuje się rozwój sieci stacji tankowania wodoru. Bydgoska Pesa podczas wrześniowych targów TRAKO zaprezentowała pierwszą polską lokomotywę napędzaną ogniwami wodorowymi. W projekty wodorowe zaangażowane są największe firmy z PKN Orlen, PGNiG, KGHM, Lotos i Grupą Azoty na czele. Powstają kolejne doliny wodorowe, które mają za zadanie stworzyć warunki do podejmowania innowacyjnych przedsięwzięć i rozwoju projektów wykorzystania technologii wodorowych w oparciu o współpracę samorządów, uczelni i środowiska biznesowego. W maju ogłoszono powstanie Podkarpackiej Doliny Wodorowej, a 9 września, w trakcie Forum Ekonomicznego w Karpaczu, w obecności premiera Mateusza Morawieckiego przedstawiciele dwudziestu pięciu podmiotów podpisali list intencyjny, którym powołano Dolnośląską Dolinę Wodorową. Planowane są kolejne inwestycje w ramach wdrażanej Polskiej Strategii Wodorowej, która ma odegrać ważną rolę w transformacji energetycznej.