Dlaczego jeszcze nie jeździmy na wodór? Są powody, ale sprawa nie jest beznadziejna

Wodór (H) spalając się w powietrzu (zawierającym tlen, O) tworzy po prostu wodę (H2O). Kilogram spalonego wodoru daje przy tym niemal czterokrotnie więcej energii niż kilogram paliwa płynnego, na przykład benzyny. Trzeba jednak go skądś uzyskać. Jego złoża na Ziemi są nieliczne (czasem towarzyszy złożom gazu ziemnego).

Dlaczego tak mało wodoru jest pod ziemią?

Część wodoru obecnego na Ziemi miliardy lat temu wchodziła w reakcję z azotem, tworząc amoniak, część z węglem, tworząc metan. Z obu powstawały później związki organiczne. Nawiasem mówiąc, większość produkowanego dziś wodoru służy do produkcji amoniaku – ważnego półproduktu nawozów azotowych.

Pozostała część niezwiązanego wodoru szybko uciekła w kosmos. Jest bowiem najlżejszym gazem, który łatwo wymyka się sile ziemskiego przyciągania. Podobny problem zresztą jest też z innym lekkim gazem, helem, którego zasobów jest na ziemi niewiele.

Wodór można wyprodukować z wody. Tej na Ziemi mamy pod dostatkiem. Jednak żeby wyprodukować wodór potrzeba surowców i energii. I tu zaczynają się schody.

„Brudny” wodór z gazu ziemnego

Wodór można uzyskiwać z metanu (z gazu ziemnego) lub innych węglowodorów (na przykład ropy naftowej) za pomocą reformingu. To proces zachodzący w wysokich temperaturach i również wymaga energii (elektrycznej lub cieplnej, ze spalania paliw).

W procesie reformingu powstaje tlenek węgla: CH4 + H2O → CO + 3 H2. Tlenek węgla jest później w podobnej reakcji z parą wodną zamieniany w dwutlenek węgla i znów wodór: CO + H2O → CO2 + H2.

Pozyskiwanie wodoru w ten sposób to jednak ślepa uliczka. Jest energochłonne, para wodna musi bowiem mieć przynajmniej 360 stopni Celsjusza. Ale proszę też spojrzeć na wzory powyżej. Prócz wodoru w procesie reformingu powstaje dwutlenek węgla, ten sam co ze spalania paliw kopalnych i którego w atmosferze już więcej nie chcemy.

Coś z tym powstającym dwutlenkiem węgla – gazem cieplarnianym – trzeba zrobić. Póki nie mamy dobrych sposobów na to, by się go pozbywać, reforming jest kiepskim sposobem na pozyskiwanie wodoru. Na pewno nie jest ekologiczny.

Uzyskiwany w ten sposób wodór nazywa się często „szarym”, żeby odróżnić go od ekologicznego „zielonego”.

Elektroliza, czyli wodór z wody

Można też produkować wodór z wody poprzez elektrolizę, czyli jej rozkład pod wpływem napięcia elektrycznego. Obecne metody mają sprawność rzędu 70-80 procent. Żeby wyprodukować kilogram wodoru (dającego około 40 kilowatogodzin z kilograma) trzeba zużyć około 50-55 kilowatogodzin energii elektrycznej.

Tu znów: Jeśli źródłem energii jest produkt pochodzący z fabryki opalanej węglem, ropą lub gazem, taki wodór nie jest ekologiczny – wszakże w celu jego wytworzenia spalono paliwa kopalne i wyemitowano dwutlenek węgla.

Mimo szybkiego rozwoju odnawialnych źródeł energii w ostatnich dekadach wodór dzięki nim wytwarzany nadal stanowi niewielką część całej produkcji tego gazu – to około jednego procenta. Przytłaczająca część całej światowej produkcji wodoru, aż 95 procent, to produkt reformingu gazu ziemnego lub ropy naftowej.

Uważni czytelnicy zauważą, że pozostało jeszcze 4 procent produkcji. To wodór z innych źródeł. Też nieekologicznych, ale z wychwytywaniem dwutlenku węgla (taki wodór nazywany jest „niebieskim”), produkowany w procesie elektrolizy za pomocą energii jądrowej (zwany czasem „fioletowym” lub „różowym”) czy znacznie rzadszy wodór ze złóż towarzyszących pokładom gazu ziemnego (nazywany czasem „złotym”).

Jajko i kura, czyli konsumenci i infrastruktura

Wróćmy jednak do produkcji wodoru z elektrolizy. Jest dziś coraz mniej przeszkód, by produkować „zielony” wodór, czyli wytwarzać go w ekologiczny sposób z elektrolizy wody za pomocą energii odnawialnej: słonecznej czy wiatrowej.

Niezależnie od tego, czy produkcja i instalacja ogniw słonecznych będzie wspierana, a emisje dwutlenku węgla opodatkowane, do 2050 roku energia słoneczna stanie się dominującym źródłem energii, sądzą analitycy, którzy opublikowali niedawno wyliczenia w „Nature Communications”. Ten proces można przyspieszyć, dostosowując sieci energetyczne do rozproszonej produkcji i inwestując w magazyny energii.

To dobra wiadomość, jednak jest jedno ale. Jak mówi tygodnikowi „Science” Keith Wipke, kierownik projektu ogniw paliwowych amerykańskiego Narodowego Laboratorium Energii Odnawialnej, wodór jako paliwo cierpi na problem „jajka i kury”. Coś musiało być pierwsze. Nikt nie zacznie produkować wodoru na wielką skalę, zanim nie będzie miał odbiorców. A odbiorców-konsumentów nie będzie, póki nie będzie stałego dopływu taniego wodoru.

Inni eksperci dodają – w tym cała nadzieja – że tak samo było z energią odnawialną. Na początku było jej niewiele, więc była droga, a chętnych na nią niewielu. Jednak stawała się coraz tańsza, im więcej jej produkowano, więc coraz więcej osób chciało ją kupować.

Cóż, jakby nie było, tak działa wolny rynek. Czasami jednak warto mu pomóc.

USA inwestują miliardy w wodór

Zamierzają to zrobić Stany Zjednoczone. W piątek 13 października 2023 administracja gabinetu Joe Bidena ogłosiła, że przeznaczy 7 miliardów dolarów na budowę siedmiu regionalnych „hubów” wodorowych. Powstaną głównie z myślą o drogowym transporcie towarowym – ciężarówki trudno elektryfikować.

Wodór może też się stać źródłem energii dla paliwożernych sektorów przemysłu: produkcji nawozów sztucznych i produkcji stali. Finansowane przez Departament Energii huby mają pomóc odejść od procesu reformingu. Mają zrzeszać producentów wodoru i konsumentów, wspomóc budowę infrastruktury takiej jak rurociągi czy zbiorniki.

Administracja Bidena chce osiągnąć jeszcze jeden cel. Przemysłowe instalacje do produkcji wodoru są drogie, a na dostawę urządzeń czeka się 2-3 lata. Popyt na wodór powinien obniżyć ich cenę i zwiększyć ich dostępność. A przy okazji odetchnąć mają mieszkańcy terenów położonych wzdłuż autostrad, którymi w USA przewozi się większość towarów.

Nie jest to pomysł pozbawiony wad. Nie wszystkie huby mają produkować wodór z elektrolizy. Te odległe od wybrzeży oceanów mają pozyskiwać go z reformingu metanu, a dwutlenek węgla utylizować (nie będzie więc to wodór „zielony”, a „niebieski”). Budzi to obawy naukowców i ekologów, bo metan (dość często ulatniający się z instalacji) jest znacznie silniejszym gazem cieplarnianym niż dwutlenek węgla.

Ulgi podatkowe mają wspierać tylko producentów ekologicznego wodoru (zielonego i niebieskiego). Analitycy sądzą, że może to sprawić, że cena ekologicznego wodoru spadnie poniżej dolara za kilogram – nieekologiczny (z reformingu i bez wychwytywania CO2) pozostanie droższy i odejdzie do lamusa.

Jak będzie, zobaczymy. Biuro prasowe Białego Domu szacuje, że cały program ma przyciągnąć 40 miliardów dolarów inwestycji i dać dziesiątki tysięcy miejsc pracy.

Wodór, czyli paliwo pod ciśnieniem

Wodór pozyskiwany z ekologicznych źródeł energii może być paliwem nieodległej przyszłości. Skoro do połowy stulecia większość energii będzie pochodzić ze źródeł odnawialnych – może być też paliwem ekologicznym.

Wodór ma największy stosunek energii chemicznej do wagi (wyrażany w jednostkach energii na kilogram) ze wszystkich paliw. Więcej energii w jednostce masy mają tylko paliwa jądrowe.

Ma oczywiście swoje wady. Choć kilogram wodoru to około 40 kilowatogodzin zgromadzonej energii, zajmuje 11 metrów sześciennych. W pojemniku o podstawie 2 metry na dwa metry i 2,5 metra wysokości zmieści się niecały kilogram, 909 gramów wodoru. Żeby wodór jako paliwo miał w praktyce sens, trzeba go przechowywać pod ciśnieniem.

To rodzi kolejny problem, bo sprężanie gazu też pochłania energię (i to całkiem sporo). W pojazdach na wodór stosuje się zwykle ciśnienie 350 barów (350 razy większe od atmosferycznego, czyli 35 megapaskali) lub dwukrotnie wyższe. To ciśnienie znacznie większe niż w przypadku innych gazów (na przykład w zbiornikach LPG jest to około 4 barów), wymaga więc lepszych zabezpieczeń.

Zbiorniki przystosowane do wysokich ciśnień ważą zwykle o wiele więcej niż zawarty w nich wodór (zwykle około 5-6 procent przypada na ten gaz, reszta to waga zbiornika). Nie da się jednak uciec od fizyki, kilogram spalonego wodoru daje 40 kWh energii, paliwa płynne (benzyny, olej napędowy) niemal cztery razy mniej, bo około 12 kWh.

A może wodór z… proszku?

Jest jeszcze jedna metoda pozyskiwania wodoru, o której warto wspomnieć.

Wiele lat temu odkryto, że gal tworzy z glinem stop (AlGa). Jest niezwykle kruchy, a przez to bezużyteczny. Nawiasem mówiąc, z tego powodu na pokład samolotu nie można wnosić galu – jego kontakt z aluminiowym kadłubem mógłby prowadzić do uszkodzeń.

Stop ten ma jednak ciekawą właściwość. Normalnie glin nie reaguje z wodą, bo uniemożliwia to warstwa tlenku na jego powierzchni. Gal uniemożliwia tworzenie się tej warstwy. Glin reaguje wtedy z wodą, tworząc wodorotlenek glinu i wodór.

W 2022 roku naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Cruz (UCSC) udoskonalili tę metodę, określając najlepsze proporcje glinu i galu oraz rozdrabniając cząsteczki stopu. I byli zachwyceni tym, że „bąbelki wodoru pojawiały się jak szalone”.

Glin jest niezwykle powszechnym pierwiastkiem i wchodzi w skład wielu minerałów (powstający w reakcji z wodą wodorotlenek glinu rozkłada się zresztą w temperaturze 180 stopni na glin i wodę). Gal, choć rzadszy i droższy, nie bierze udziału w reakcji, można go łatwo odzyskiwać. Woda do takiej reakcji zaś może pochodzić z dowolnego źródła, choćby ze ścieków.

Czy dzięki temu wodór stanie się tańszy i łatwiej dostępny? Na to zapewne liczą naukowcy z UCSC, którzy tę metodę pozyskiwania wodoru rok temu opatentowali.

Nie jest więc wcale wykluczone, że kiedyś do baku będziemy lać wodę, gdzie w reakcji z granulkami glinu powstawać będzie wodór, zasilający silnik. Taki pomysł przedstawili zresztą naukowcy z Purdue University znacznie wcześniej, bo w 2007 roku (i również opatentowali)…

Cykl „SOBOTA PRAWDĘ CI POWIE” to propozycja OKO.press na pierwszy dzień weekendu. Znajdziecie tu fact-checkingi (z OKO-wym fałszometrem) zarówno z polityki polskiej, jak i ze świata, bo nie tylko u nas politycy i polityczki kłamią, kręcą, konfabulują. Cofniemy się też w przeszłość, bo kłamstwo towarzyszyło całym dziejom. Rozbrajamy mity i popularne złudzenia krążące po sieci i ludzkich umysłach. I piszemy o błędach poznawczych, które sprawiają, że jesteśmy bezbronni wobec kłamstw. Tylko czy naprawdę jesteśmy? Nad tym też się zastanowimy.