Wodór w energetyce: Zbawienie dla sieci czy droga zabawka?

O wodorze mówi się, że to „szwajcarski scyzoryk” transformacji energetycznej. Ma napędzać auta, ogrzewać domy i stabilizować sieci energetyczne. Jednak fizyka jest nieubłagana. Choć wodór jest najpowszechniejszym pierwiastkiem we wszechświecie, na Ziemi nie występuje w stanie wolnym. Trzeba go wyprodukować, a potem – co trudniejsze – zmagazynować. Dla inżyniera wodór to nie magia, to gaz o najmniejszej cząsteczce znanej nauce, który przenika przez uszczelki i wymaga ciśnień, przy których standardowa stal pęka jak szkło.

Dlaczego kolor wodoru decyduje o sensie inwestycji?

Choć sam gaz jest bezbarwny, w przemyśle stosuje się klasyfikację kolorystyczną określającą ślad węglowy produkcji; jedynie „zielony wodór”, wytwarzany w procesie elektrolizy zasilanej energią z OZE (wiatr, słońce), jest paliwem zeroemisyjnym i celem transformacji energetycznej.

Większość wodoru, jaki dziś zużywa świat (głównie do produkcji nawozów), to tzw. wodór szary. Powstaje on z gazu ziemnego w procesie reformingu parowego. To technologia brudna – przy produkcji 1 kg wodoru do atmosfery trafia ok. 10 kg CO2. Nazywanie tego „paliwem ekologicznym” to greenwashing.

Prawdziwa rewolucja to wodór zielony. Działa on jak chemiczny magazyn energii. Gdy latem farmy fotowoltaiczne produkują gigawaty mocy, której nikt nie potrzebuje, zamiast wyłączać falowniki, kierujemy prąd do elektrolizerów. Rozbijamy wodę na tlen i wodór. Tlen wypuszczamy, a wodór zamykamy w zbiornikach na zimę. To jedyny znany nam sposób na sezonowe magazynowanie energii na masową skalę. Baterie litowe „trzymają” prąd przez dni, wodór może trzymać go przez lata.

Jakie wyzwania techniczne stawia magazynowanie wodoru?

Ze względu na niską gęstość objętościową, wodór wymaga ekstremalnych metod kompresji; aby zgromadzić sensowną ilość energii, gaz musi być sprężony do 350-700 barów lub schłodzony do temperatury kriogenicznej -253°C, co pochłania nawet 30% energii zawartej w samym paliwie.

To jest „pięta achillesowa” tej technologii. Wyobraź sobie, że chcesz przewieźć pierze. Kilogram pierza i kilogram ołowiu ważą tyle samo, ale do przewiezienia tony pierza potrzebujesz wielkiej ciężarówki, a do ołowiu wystarczy bagażnik osobowy. Wodór to takie „energetyczne pierze”. Ma ogromną moc w kilogramie (3x większą niż benzyna), ale zajmuje gigantyczną objętość.

Aby wodór miał sens użytkowy, musimy go „upchnąć”. Stosuje się do tego trzy główne metody:

1. Sprężanie (CGH2): Standard w motoryzacji (Toyota Mirai, autobusy). Zbiorniki z kompozytów węglowych wytrzymują ciśnienie 700 atmosfer. To technologia dojrzała, ale kosztowna.
2. Skraplanie (LH2): Schłodzenie do 20 stopni powyżej zera absolutnego. Pozwala upchnąć dużo wodoru w małej cysternie, ale utrzymanie takiej temperatury jest energochłonne.
3. Magazynowanie chemiczne: Wiązanie wodoru w amoniaku lub innych nośnikach (LOHC). Łatwiej transportować, ale trzeba energii, by ten wodór potem „odzyskać”.

Dodatkowym problemem jest zjawisko kruchości wodorowej. Małe atomy wodoru wnikają w strukturę krystaliczną metali, powodując ich pękanie. Zwykła rura gazowa po kilku latach przesyłu wodoru mogłaby się rozsypać. Dlatego infrastruktura wodorowa musi być budowana ze specjalnych stopów lub tworzyw sztucznych.

Gdzie wodór wygrywa z bateriami, a gdzie nie ma szans?

W transporcie osobowym wodór przegrywa z bateriami z powodu niskiej sprawności całego łańcucha (tzw. well-to-wheel), jednak jest bezkonkurencyjny w transporcie ciężkim, morskim oraz w przemyśle energochłonnym, gdzie masa akumulatorów byłaby fizyczną przeszkodą.

Matematyka jest brutalna dla aut osobowych na wodór. Spójrzmy na drogę, którą musi pokonać energia:

1. Prąd z wiatraka -> Elektroliza (strata 20-30%) -> Sprężanie i transport (strata 10-20%) -> Ogniwo paliwowe w aucie (strata 40-50%) -> Silnik elektryczny. Efekt końcowy: Z 100 kWh prądu na koła trafia ok. 30 kWh.

Dla porównania w aucie bateryjnym (BEV):

1. Prąd z wiatraka -> Sieć i ładowanie (strata 10%) -> Bateria i silnik (strata 10-15%). Efekt końcowy: Z 100 kWh na koła trafia ok. 75-80 kWh.

Dlatego Tesla czy VW stawiają na baterie. Ale spróbuj zbudować elektryczny statek transatlantycki albo samolot. Baterie byłyby tak ciężkie, że statek by zatonął, a samolot nie wystartował. Tutaj wchodzi wodór. Jego gęstość energii (w kg) jest bezkonkurencyjna.

Wodór nie zastąpi nam wszystkiego. Nie będziemy nim (raczej) gotować wody na herbatę. Ale jest niezbędnym elementem układanki tam, gdzie prąd z gniazdka „nie sięga” lub jest zbyt słaby – w wielkim przemyśle i ciężkim transporcie.

Więcej ciekawych artykułów na https://e-magazyny.pl/

Artykuł sponsorowany