Na początku lipca 2020 r. Europejska komisarz ds. Energii Kadri Simson złożyła krótkie, ale zwięzłe oświadczenie. Zacytuję ją:
„W przypadku energii oznacza to, że jesteśmy mocno nastawieni na cele związane z transformacją naszego systemu.
Dekada, aby osiągnąć 55% redukcję emisji do 2030 r.
Jedno pokolenie, aby osiągnąć Europę neutralną pod względem emisji dwutlenku węgla do 2050 r.”
Może Europa nie potrzebuje teraz elektryczności z zewnątrz, a wodór rozwiąże wszystkie problemy?
Temat energii wodorowej nie pojawił się ani dziś, ani wczoraj. Po raz pierwszy tak duży wzrost zainteresowania nią nastąpił w 74 roku. To pierwszy duży kryzys na światowym rynku ropy spowodowany pierwszymi działaniami OPEC. Wtedy nie było żadnych korzyści. Koszt ropy wzrósł tylko 4-krotnie. Po raz pierwszy w Europie chcieliśmy jak najmniej polegać na dostawcach zewnętrznych. Już wtedy było jasne, że na terenie samej Europy ropa, a nawet gaz ziemny nie jest zbyt dobra. OK, ale nie na długo. A potem, pomimo tego, że wśród naukowców było dużo pracy i był pewien postęp, to na niczym się nie skończyło, bo wodór jest drogi.
Teraz to zainteresowanie wiąże się wyłącznie z tym samym. Od 2009 roku, od wprowadzenia trzeciego pakietu energetycznego, Unia Europejska i jej państwa członkowskie ponownie dążą do uniezależnienia się od dostawców węglowodorów.
Żyjemy w świecie konsumpcji. A my, jako idealni konsumenci, możemy spróbować sobie wyobrazić, że gaz ziemny zniknął z obiegu, ropa nie jest potrzebna, uran też nie jest potrzebny, a o węglu w ogóle nie mówimy.
Jedną z zachęt dla tych, którzy obecnie agitują za energią wodorową jest to, że kiedy wodór jest wykorzystywany jako źródło energii, nie będzie emisji dwutlenku węgla. W zwykłych przypadkach demonstrują one piękną formułę chemiczną wody H2O. I nie ma tu nic poza H2O. To nie jest szkodliwe. W trakcie tego procesu uwalnia się dużo energii.
Ale my żyjemy na planecie Ziemia. A nasza atmosfera składa się nie tylko z tlenu. Zawiera również azot w znacznie większych ilościach. Jeśli tlenu jest 16%, to praktycznie cała reszta to azot. Reszta to drobne zanieczyszczenia.
Mechanizm Zel’dovicha
Temperatura spalania wodoru wynosi około 2500 stopni. Ale nawet jeśli nie pali się czysty tlen i wodór, nawet jeśli temperatura jest nieco niższa, zaczynając od 1500 stopni, jeśli spalanie zachodzi w powietrzu atmosferycznym, wtedy uruchamia się mechanizm Zel’dovicha. Mechanizm Zel’dovicha uruchamia się w temperaturach powyżej 1500 stopni. Nieważne, co się pali. W tej temperaturze azot i tlen w powietrzu atmosferycznym zaczynają oddziaływać na siebie, tworząc tlenki azotu.
Tlenki Azotu
Azot i tlen są bezwonne i bezbarwne, ale podczas wdychania mogą wiązać się z hemoglobiną krwi, przekształcając ją w formę niezdolną do przenoszenia tlenu. Tlenek azotu w wysokich stężeniach podrażnia płuca i może prowadzić do poważnych konsekwencji zdrowotnych. Łatwo łączy się z wodą i rozpuszcza w tłuszczach, dzięki czemu może przenikać do naczyń włosowatych płuc, gdzie wywołuje stany zapalne i procesy astmatyczne. Wysokie stężenie tlenku azotu powoduje początkowo nieprzyjemne uczucie i pieczenie. Jeśli dalej wzrasta, jest śmiertelny.
Obniżone stężenie tlenku azotu może powodować bóle głowy, problemy trawienne, kaszel, zapalenie spojówek, nieżyt nosa, zapalenie gardła, łzawienie, plwocinę, gorączkę i duszności, a także tachykardię, sinicę, drgawki. W przypadku braku interwencji lekarskiej wynik jest śmiertelny.
W związku z tym, jeśli elektrownie, które obecnie pracują na gazie ziemnym lub węglu, wykorzystają wodór jako źródło energii, wszystkie te produkty uboczne zostaną wyemitowane do powietrza.
Spośród innych skutków, do których prowadzi stężenie tlenku azotu w atmosferze, to kwaśne deszcze, o których tak wiele wiemy. Kiedy mówi się nam, że najbardziej szkodliwy jest wyłącznie dwutlenek węgla, to jest to tylko część prawdy. Dwutlenek węgla nadal przyczynia się do globalnego ocieplenia. A tlenek azotu przyczynia się do tego, że chorujemy i umieramy.
Problemy techniczne ze spalaniem wodoru?
Można z nim walczyć w elektrowniach. W tym celu konieczne jest oddzielenie powietrza atmosferycznego, oddzielenie azotu i tlenu, tak aby w piecach elektrowni spalał się tylko wodór i tlen. Stamtąd usuwany jest azot.
Jeśli ta sama reakcja spalania wodoru z tlenem będzie używany w samochodach, odpowiednio, temperatura wzrasta, a ilość tlenku azotu rośnie ze wszystkimi konsekwencjami. Jeżeli każdy samochód zostanie wyposażony w sprzęt do oddzielania powietrza atmosferycznego, wówczas ciężarówki, być może, będą mogły przewozić ten sprzęt, ale samochody będą musiały zamienić się w ciężarówki.
Jest to pierwsza część problemów technicznych związanych ze spalaniem wodoru.
Drugie połączenie ma związek z temperaturą 2.500 stopni. Jeśli mówimy o gazie ziemnym i węglu, to temperatura spalania jest tam o 1000 stopni niższa.
W związku z tym, jeśli zwiększymy temperaturę spalania, potrzebujemy zupełnie innych stopów dla całego wyposażenia elektrowni.
Ile pieniędzy będzie to kosztować? Jak długo to potrwa? To są świetne pytania. Przejście na wodór oznacza zamknięcie wszystkich istniejących elektrowni, ponieważ trzeba będzie je zmodernizować, nie tylko same piece, ale wszystkie kanały, turbiny itp.
Testy elektrowni wodorowych w Japonii
Japonia jest obecnie uważana za najbardziej zaawansowany kraj pod względem energii wodorowej. Dzieje się tak dlatego, że po katastrofie w Fukushimie wszystkie tamtejsze elektrownie zostały wyłączone. Kraj, który zawsze miał dodatni bilans handlowy, natychmiast stał się ujemny, ponieważ nie posiada własnych zasobów energetycznych. Japonia stała się i nadal jest krajem nr 1 pod względem importu skroplonego gazu ziemnego. Dlatego właśnie chcą odejść od wszystkich paliw kopalnych, które muszą kupować i sprowadzać.
Kilka lat temu firmy Mitsubishi i Hitachi wspólnie przeprowadziły eksperyment dotyczący tego, co stałoby się z wyposażeniem elektrowni, gdyby zamiast gazu ziemnego zastosowano mieszankę z wodorem. Podeszli do tego procesu jak naukowcy. Oznacza to, że strategia dodawania wodoru do mieszaniny była stopniowa. Doszli do 30% wodoru w tej mieszaninie i wtedy już nie było dobrze, bo temperatura zaczęła powodować problemy z działaniem urządzeń. Do 30%, jak się okazało, nie można nic zmienić. Piece wytrzymują, turbiny wytrzymują. Wszystko wydaje się być w porządku. Równocześnie wydajność wzrosła o 10%. Ilość dwutlenku węgla została zredukowana o 6 %. Jest to normalny wynik techniczny.
W 2018 roku w Kawasaki postanowiło wykonać podobną pracę. Wykorzystali również jedną ze swoich elektrowni. I zdecydowali się na spalanie czystego wodoru. Ogłosili to dość głośno, ale nie powiedzieli nic o wynikach. A następnie przyłączyli się do opinii wyrażonej przez specjalistów Mitsubishi i Hitachi, że najlepszym rozwiązaniem jest dodanie do 20% wodoru do mieszanki, która jest spalana w piecach, gdy nie ma potrzeby całkowitej zmiany sprzętu.
Historia milczy na temat tego, co stało się z elektrownią, która wykorzystywała 100% wodoru. Kawasaki doszedł jednak do wniosku, że tak jest lepiej.
Transport wodoru
Jeżeli mówimy o dostarczaniu tej mieszaniny, to prawdą jest to, co zostało wyrażone w wielu publikacjach niemieckich, że istniejące systemy gazociągów można wykorzystać nie tylko do gazu ziemnego, ale także do dostarczania wodoru – tak, można do tych 20%, które zostały obliczone doświadczalnie przez ekspertów w Japonii.
Gdyby wyobrazić sobie że do naszych pieców zamiast gazu ziemnego dostarczany byłby wodór. Jakie byłyby skutki.
Jeśli masz 2500 stopni w palniku, pierwszą rzeczą, jaką robisz, jest wyrzucenie wszystkich naczyń, na których gotowałeś. Zamiast tego dostajesz coś monstrualnego, co może wytrzymać taką temperaturę. Jeśli temperatura spalania w naszych piecach wynosi teraz 1000 stopni, a będzie wynosiła 2000, to najwyraźniej pojawią się tytanowe patelnie lub patelnie z 5-calowym dnem. I będziemy musieli gotować jedzenie przy szeroko otwartych oknach, ponieważ w przeciwnym razie będzie się wytwarzał tlenek azotu.
Spalanie wodoru a spalanie gazu ziemnego
Wiele mediów mówi o tym, że wodór jest bardziej opłacalny niż gaz ziemny. Cytuję: “Ciepło właściwe spalania 1 kilograma metanu wynosi około 50 megadżuli, a ciepło właściwe spalania 1 kilograma wodoru wynosi około 130 megadżuli.” Tak więc produkcja w Europie stanie się wielokrotnie tańsza.
Jak powinniśmy odnosić się do tego typu tekstów?
Tekst jest zabawny, oczywiście. Mam nadzieję, że wiele osób korzysta w domu z domowych pieców gazowych. A na koniec proste pytanie do Was: “Czy zdarza się Wam mieć na rachunkach kilogramy gazu ziemnego?”. Nie, nie mamy, bo oni nie podają tego w kilogramach, tylko w metrach sześciennych.
Co to jest metr sześcienny gazu ziemnego? W normalnych warunkach, tj. przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym, w temperaturze 20 °C wynosi ona 657 gramów. W tych samych warunkach metr sześcienny wodoru waży 90 gramów, czyli jest 7,3 razy lżejszy od metanu. Do wytworzenia wspomnianych przez Pana 130 megadżuli potrzeba ponad 11 metrów sześciennych wodoru lub 4 metrów sześciennych gazu ziemnego.
Jeśli przez system dystrybucji gazu trzeba przepompować 3 razy większą objętość dowolnego gazu, pojawia się pytanie: “Jaki sprzęt zostanie użyty?”. Nie ma na to odpowiedzi, ponieważ wszystkie sprężarkowe stacje wspomagające muszą zostać wymienione. A także trzeba zmienić rury, bo będzie inne ciśnienie, albo trzeba będzie zmienić rury, bo będzie inna średnica itd.
Innymi słowy, aby osiągnąć te oszczędności, nie jest wcale jasne, dlaczego musimy liczyć w kilogramach. Przez system przesyłowy i dystrybucyjny gazu nie pompujemy kilogramów, tylko metry sześcienne. Jeśli chcesz uzyskać te same megadżule, które uzyskujesz podczas spalania gazu ziemnego, musisz wpompować 4 razy więcej wodoru. I całkowicie zmienić cały sprzęt.
Tym bardziej, że w systemach dystrybucji gazu wewnątrz miast, wewnątrz osiedli nie stosuje się tak wysokiej jakości stopów jak w systemie przesyłu gazu. Tam nie ma takiej presji, więc wymagania są zupełnie inne.
Występowanie wodoru.
Nie jest przypadkiem, że wodór nie występuje w czystej postaci na Ziemi. Jest tak reaktywny, że wchodzi w reakcje chemiczne ze wszystkim. Zdarzają się tak zwane metale skorodowane. Wodór przenika do sieci krystalicznej. A po pewnym czasie zwykłe stopy metali przestają być stopami. Stają się kruche, łamią się itp. Konieczne będzie opracowanie specjalnych stopów, lub specjalnej powłoki. Wcale nie jest jasne, jakiego rodzaju pieniądze UE zamierza włożyć w to wszystko.
A jeśli mówimy o kosztach, to ile kosztuje wodór? Zwłaszcza, że w metrach sześciennych potrzebujemy go znacznie więcej. Jeśli wodór stanie się dla nas surowcem energetycznym, będzie miał dokładnie taką samą cenę ekonomiczną jak każdy inny surowiec naturalny. Pojawiają się też pytania. Ile pieniędzy kosztuje wyprodukowanie go, a ile nieprodukowanie; w czym go przechowywać; jak go transportować; i w jaki sposób można ją spalić i wykorzystać w ogniwach paliwowych?
Zasoby odnawialne
Jednym z powodów, dla których energia wodorowa stała się nagle modna, jest próba połączenia jej z zasobami odnawialnymi, z odnawialnymi źródłami energii. To znaczy, z tymi właśnie panelami słonecznymi i turbinami wiatrowymi. Głównym problemem jest ich nieciągłość. Nie nauczyliśmy się, jak zarządzać klimatem. Teraz jest tam elektrownia słoneczna. Generuje 100 megawatów na godzinę, a kiedy przychodzą chmury, od razu zero. W związku z tym jako zabezpieczenie powinna istnieć elektrownia działająca w oparciu o tradycyjne zasoby. I jeśli elektrownie jądrowe potrzebują około pół dnia, aby przejść od zera do 100% mocy, to elektrownie węglowe potrzebują około 6 godzin. Kiedy nadciągają chmury lub ustaje wiatr, nie mamy prądu. Konsumenci czują się źle. Konieczne jest dostarczenie tej samej ilości energii w jak najkrótszym czasie.
Nawet elektrownie gazowe, jeśli pracują w trybie skojarzonym, tzn. produkują jednocześnie energię elektryczną i ciepło, potrzebują około 2 godzin. Dwie godziny bez prądu to katastrofa dla rozwiniętej przemysłowo Europy. Zatrzymanie procesów w zakładach chemicznych i hutach. Niespodziewaną sugestię, jak sobie z tym poradzić, dali Finowie.
Rozwiązanie z Finlandii
Wärtsilä, która produkuje silniki. Robi się z niego absolutnie fantastyczne rzeczy. Teraz możemy mówić o statkach morskich i rzecznych, które są zasilane skroplonym gazem ziemnym. Wartsila oferuje silniki dla statków, które mogą wykorzystywać jako paliwo olej napędowy oraz skroplony gaz ziemny. Jednocześnie przejście z jednego rodzaju paliwa na drugie zajmuje 45 sekund. Tzn. teraz mieliśmy olej opałowy, za chwilę już przechodziliśmy na skroplony gaz ziemny. A Turcy jako pierwsi poprosili ich o te silniki. Potrzebowali elektrowni, która szybko osiągnie swoją maksymalną moc. Teraz jest już dostępny. Elektrownia Wärtsilä przyspiesza od zera do 100 megawatów mocy w 90 sekund. Stałe zamówienia napływają już z Niemiec, ponieważ na obszarach, gdzie jest wiele wielkich farm wiatrowych, elektrowni słonecznych, problem już się pojawił. Wärtsilä oferuje optymalny wariant – jednostkę o mocy 100 megawatów. Jeśli potrzebujesz więcej, możesz zainstalować drugą jednostkę, trzecią, czwartą, piątą itd. ze wszystkimi wynikającymi z tego konsekwencjami.
Elektrownie szczytowe
Aby utrzymać takie elektrownie szczytowe (nazywane w sektorze energetycznym elektrowniami szczytowymi, ponieważ są one potrzebne w okresie szczytowego zapotrzebowania), potrzebny jest gazociąg, który będzie miał wystarczającą ilość gazu dla takiego rozruchu. Optymalnie jest, gdy w pobliżu znajduje się podziemny magazyn gazu, odpowiednie tłocznie i stacje wspomagające.
Taniość odnawialnych źródeł energii, o których często słyszymy, że wyprodukowanie kilowatogodziny z panelu słonecznego jest 150 000 razy tańsze niż z węgla, jest z pewnością dobrą rzeczą. Zapominamy jednak o tym, że musimy utrzymać elektrownie szczytowe.
A skoro zwolennicy OZE mają dość wysłuchiwania zarzutów, że zwiększanie mocy w zunifikowanym systemie energetycznym prowadzi do jego niezbilansowania, to aby tego uniknąć, trzeba gdzieś energię magazynować. Nie można jej przelać do słoika, ani skierować do zbiornika.
Przemysłowe elektrownie szczytowo-pompowe to wyłącznie elektrownie wodne. Elektrownie wodne, które działają w dwóch trybach. Oznacza to, że gdy potrzebna jest energia elektryczna, woda z górnego basenu jest odprowadzana do dolnego basenu przez jednostki hydroelektryczne, generując energię elektryczną. W okresach, gdy nie ma zapotrzebowania na energię elektryczną, te same pompy pompują wodę do góry. Innymi słowy, agregaty wodne działają w dwóch trybach: jako agregaty wodne i jako pompy. Wszystkie pozostałe są jeszcze na poziomie rozwoju pilotażowego.
Elektroliza wody
Stąd właśnie wziął się pomysł, aby w czasie, gdy nie ma zapotrzebowania w systemie energetycznym, a panele słoneczne i turbiny wiatrowe mogą produkować energię elektryczną, puścić ją do produkcji elektrolizy wody. Z technicznego punktu widzenia – nic nadzwyczajnego. Jest tam elektrolizer, doprowadzona jest woda, doprowadzona jest elektryczność. Woda rozpadła się na H2 i O. Wszystko jest w porządku. Gromadzimy wodór. W momencie szczytowego zapotrzebowania wykorzystujemy wodór do wytwarzania energii elektrycznej. Innymi słowy, łączymy jeden z najdroższych sposobów wytwarzania energii elektrycznej z najdroższym sposobem produkcji wodoru, więc koszt kilograma wyprodukowanego dziś przy użyciu tych OZE i instalacji do elektrolizy wynosi około 8 USD za kilogram.
Sytuacja obecna
Międzynarodowa Agencja Energii, która również zaczyna badać temat energii wodorowej, twierdzi, że do 2030 roku, jeśli wszyscy będą mieli szczęście, koszt kilograma wodoru zostanie zredukowany do 4,3 dolarów za kilogram. Aby cena energii elektrycznej wytwarzanej przy pomocy wodoru zrównała się z tradycyjną, jej koszt nie może być niższy niż 2 dolary. Naukowcy nie wiedzą, kiedy to nastąpi. Tak wygląda sytuacja do tej pory.
Najczęściej mówi się o elektrolizie, czyli woda – prąd. Chodzi o to, aby dodać elektrolizę do wszystkich elektrowni wiatrowych i słonecznych, aby mogły się one magazynować w momencie zapotrzebowania. Innymi słowy, będą to elektrownie o podwójnym przeznaczeniu. Z jednej strony, do wytwarzania energii elektrycznej wykorzystują wyłącznie energię słoneczną i wiatrową. Następnie czysta woda. A potem musi się to zakończyć reakcją chemiczną spalania wodoru.
Produkcja wodoru
Wszyscy pamiętamy recepturę na wodę. Jest to H2O. Jest też metan CH4, co oznacza, że jest tam dwa razy więcej H. A tam, gdzie jest więcej wodoru, będzie on tańszy. I rzeczywiście 75% wodoru jest obecnie produkowane w procesie reformingu parowego. Nie ma tam nic nadzwyczajnego. Jest to interakcja gazu ziemnego, który jest wstępnie oczyszczony, tak aby nie pozostała w nim siarka. Siarka jest najbardziej szkodliwą rzeczą, jaka istnieje. Jest on połączony z parą wodną przegrzaną do 300-400 stopni. Produktem wyjściowym jest czysty wodór i mono tlenek węgla, tzw. gaz syntezowy. Nie CO2, ale CO. Kolejne 20% wodoru jest produkowane w procesie gazyfikacji węgla. Niektóre kraje również o tym nie zapomniały. Natomiast około 0,1% jest produkowane w procesie elektrolizy. To jest właśnie ten stosunek.
Dlaczego produkuje się go z gazu ziemnego? Ponieważ w normalnych przypadkach jest on połączony z produkcją rolniczych nawozów amoniakalnych. I wtedy jest to uzasadnione. Produkowaliśmy nasz własny wodór. Natychmiast jest on wykorzystywany do produkcji nawozów. Wszystko jest w porządku.
Jeżeli wodór stanie się zasobem energetycznym, tzn. będzie służył do wytwarzania energii elektrycznej, energii cieplnej, to powstaną takie same pytania jak w przypadku każdego zasobu naturalnego. Jak możemy ją przechowywać? Jak ją dostarczyć?
Biorąc pod uwagę gęstość wodoru, jego magazynowanie może odbywać się w następujący sposób. Albo zamrozić, jak to się dzieje w przypadku LNG. Ale wtedy wymagana temperatura nie jest -160 stopni, ale -260 stopni z tym wszystkim, co to oznacza. Jeszcze większe zapotrzebowanie na energię elektryczną do utrzymania takiej zamrażarki i izolacji cieplnej. To jest kosztowne.
Albo należy zwiększyć ciśnienie. Jeśli ciśnienie zostanie zwiększone do zwyczajowych 200-300 atmosfer dla gazociągów, to nie wystarczy, ponieważ wymagane są jeszcze większe objętości. Gdyby przeliczyć to na megadżule, to ciśnienie to powinno być 4 razy wyższe niż w istniejącym systemie gazociągów, zarówno magistralnych, jak i dystrybucyjnych. Wymaga systemu, który wytrzyma ciśnienie około 700 atmosfer ze wszystkimi tego konsekwencjami. Albo zgodzić się z japońską mądrością, że wodór jest dobry tylko w ilości 20% w mieszaninie.
Trudno powiedzieć, w którą stronę pójdzie Europa.
Tak więc jeden z pomysłów biznesowych – nie wiem, kto wpadł na niego pierwszy – polega na tym, że wszystkie nadwyżki energii elektrycznej mogłyby zostać wykorzystane do rozpoczęcia produkcji wodoru, który jest w pewnym sensie niezbędny w Europie. Ale to wymagałoby rozwiązania problemów związanych z jej transportem.
Samochód na wodór?
Wynika to przede wszystkim z faktu, że wodór jest przechowywany w małych ilościach. Japońskie firmy są najbardziej zaawansowane w tym względzie z powodów wymienionych powyżej. W najnowszych modelach produkowanych tam samochodów na wodór, pod siedzeniem kierowcy znajduje się zbiornik, do którego pompowany jest wodór. Wystarczy na przejechanie około 500 km, a ciśnienie w tym zbiorniku wynosi 700 atmosfer. Nie wiem kto i jak się czuje w takim samochodzie. Niektórzy mają lepsze nerwy, inni gorsze. Ale to jest wynalazek, który może wytrzymać 700 atmosfer. Jest oczywiste, że nie reaguje na żadne uderzenia, wzrost temperatury czy ostrzał z broni strzeleckiej.
Jest jeszcze jedna cecha, którą Japończycy chętnie demonstrują. Jeśli dojdzie do wypadku, czyli mniej więcej do powstania pęknięcia lub dziury na skutek ciśnienia wewnętrznego, to cały cylinder otwiera się jak tulipan. To znaczy, mała dziurka, a potem to już wszystko. Ponieważ wodór jako pierwiastek jest niezwykle lekki, po prostu unosi się do góry. Zapewniają, że to wystarczy, choć wiadomo, że w połączeniu z tlenem atmosferycznym wodór staje się łatwopalny. Japończycy zapewniają jednak, że na razie można tego uniknąć.
Ogniwo wodorowe
Drugą opcją, która jest stosowana, są ogniwa wodorowe. Ma on nieco inne podejście. Z grubsza rzecz biorąc, wodór jest pompowany przez pewien zbiornik, w którym znajduje się anoda i katoda. A energia elektryczna jest po prostu wytwarzana.
Ale nadal istnieje ten sam łańcuch problemów, jak w przypadku samochodów elektrycznych. Potrzebujemy systemu tankowania. W związku z tym, ktoś będzie musiał w nią zainwestować. Jeśli samochody mają zbiorniki o ciśnieniu 700 atm, to powstaje pytanie: “Jak przechowywać wodór na stacjach benzynowych” itp. To są pieniądze, pieniądze i jeszcze raz pieniądze.
