Ekologiczna produkcja wodoru, czyli jak paliwo o zrujnowanej reputacji wróciło do łask

Artykuł/Motoryzacja 14.03.2016
Ekologiczna produkcja wodoru, czyli jak paliwo o zrujnowanej reputacji wróciło do łask

Nie istnieje w naszym Wszechświecie prostszy i bardziej powszechny pierwiastek niż wodór. Nie dość że jego budowa jest najprostsza z możliwych, jego liczba atomowa to jeden, to jeszcze stanowi ponad 70% masy całego wszechświata. Nie powinno więc nas zaskakiwać, że dzięki swojej powszechności wodór jest interesujący dla nas jako źródło energii.

Wodór został odkryty w 1671 roku przez irlandzkiego chemika Roberta Boyle’a. Boyle’owi udało się uzyskać wodór poprzez reakcję metali i kwasów. Nazwał go wtedy: łatwopalnym powietrzem. Ponieważ jednak to Henry Cavendish prawie sto lat później wyodrębnił wodór jako osobną substancję i opisał reakcję spalania oraz jej produkt (czyli wodę), to jemu zwykle przypisuje się to odkrycie.

Przez dość długi czas, mimo że znana była gwałtowna reakcja wodoru z tlenem (tzw. mieszaniny piorunującej), nauka nie znała praktycznego zastosowania dla tego gazu. Ponieważ wodór jest lżejszy od powietrza, służył on do napełniania balonów jako środków transportu powietrznego. Używano go również do dość niebezpiecznych pokazów, w trakcie których dmuchano na świecę po wcześniejszym wdychaniu wodoru.

Pionier baloniarstwa i chemik Jean Francoise de Rozier Pilatre robił eksperymenty z wdychaniem wodoru, który nie jest toksyczny. Gdy w ramach eksperymentu dmuchnął na świecę, „myślał, że zęby wylecą mu z korzeniami” – jak później zapisał w dzienniku. Popisywał się różniej tą sztuczką na imprezach, jednak przy użyciu długiej rurki dla bezpieczeństwa.

de Rozier Pilatre i jego sztuczka z wodorem
de Rozier Pilatre i jego sztuczka z wodorem (ryc. Wikipedia)

Wodór używany był w 19. i na początku 20. wieku dość powszechnie jako gaz, którym napełniano balony i zeppeliny (sterowce). Sterowce to dziś zapomniany środek transportu, ale w latach 1910 – 1914 miały one stałe godziny odlotu, jak dzisiaj samoloty, i przewiozły prawie 40 tysięcy pasażerów. W 1919 roku sterowiec R33 przeleciał nawet nad Atlantykiem, po około czterech dniach nieprzerwanego lotu.

Mimo, że w latach dwudziestych 20. wieku odkryto na terenie Ameryki duże złoża helu, wciąż używano wodoru do napełniania statków latających. Hel, jako niepalny gaz, był o wiele bezpieczniejszy, jednak rząd Stanów Zjednoczonych nie zgodził się wtedy na jego sprzedaż. Gdy szóstego maja 1937 roku słynny sterowiec Hindenburg spłonął w czasie lotu, reputacja wodoru jako gazu używanego do lotów została na stałe zrujnowana, i zaprzestano jego używania w tym celu.

Polski sterowiec Lech (1926) fot. Wikipedia
Polski sterowiec Lech (1926) fot. Wikipedia

W 21. wieku wodór wrócił do łask jako alternatywne i ekologiczne źródło energii dla motoryzacji. Używać go można w tej branży na dwa sposoby: spalając mieszankę z tlenem (rozwiązanie rzadziej spotykane), oraz stosując tzw. ogniwo paliwowe wykorzystujące wodór, którego działanie bliżej wyjaśnił niedawno Piotrek Barycki. Produktem ubocznym wodoru jako środka pędnego jest para wodna – która, choć należy do gazów cieplarnianych podobnie jak dwutlenek węgla, to posiada naturalny mechanizm samoregulacji w atmosferze – czyli po prostu spada z deszczem.

Ze względu na kończące się paliwa kopalne, oraz ze względu na konieczność redukcji emisji dwutlenku węgla do atmosfery, zapotrzebowania na wodór będzie rosnąć. W związku z tym nasuwa się pytanie: czy istnieją bezpieczne dla środowiska metody pozyskiwania tego gazu?

Istnieje wiele metod na wytwarzanie wodoru na skalę przemysłową. Najpowszechniejszą wciąż jest przetwarzanie gazów kopalnych takich jak metan – ta metoda nazywana jest reformingiem parowym i w tej chwili prawie połowa wodoru wytwarzanego na Ziemi jest produkowana tą metodą. Jest to metoda najwydajniejsza i najtańsza – niestety, nie jest ona zbyt korzystna dla środowiska: produktami ubocznymi reformingu parowego są tlenek węgla, dwutlenek węgla i inne gazy cieplarniane. Przykładowo na tonę wodoru wytworzonego tą metodą, wytwarzane jest aż dziewięć do dwunastu ton dwutlenku węgla. Nic więc dziwnego, że poszukiwane i aktywnie wdrażane są również inne metody produkcji wodoru tego coraz potrzebniejszego gazu.

Inną, z punktu widzenia zanieczyszczeń idealną metodą jest elektroniza wody. Ponieważ woda składa się z atomów tlenu i wodoru, za pomocą tej metody można rozłożyć ją na te dwa gazy w proporcjach 2:1. Metoda ta nie produkuje żadnych szkodliwych dla środowiska substancji, ale jej krytycy podnoszą ciekawy argument: do elektrolizy potrzebny jest prąd elektryczny, a ten zazwyczaj uzyskiwany jest w elektrowniach z paliw kopalnych. Choć wcale tak być nie musi, ta metoda w tej chwili odpowiada za mały procent produkowane na świecie wodoru. Elektroliza to technologia z przyszłością – udało się ją z powodzeniem zmodyfikować tak, aby duża część energii potrzebnej do rozłożenia wody pochodziła z energii cieplnej, tak aby wykorzystać energię słoneczną bądź wodę będącą odpadem po produkcji energii cieplnej. Ta metoda ma potencjał stać się wiodącym i do tego „zielonym” sposobem na produkcję wodoru.

Toyota Mirai - jeden z pierwszych masowo produkowanych aut z wodorowym ogniwem paliwowym (fot. Wikipedia)
Toyota Mirai – jeden z pierwszych masowo produkowanych aut z wodorowym ogniwem paliwowym (fot. Wikipedia)

W dziedzinie coraz bardziej „zielonej” metody pozyskiwania wodoru wyścig na najlepsze rozwiązanie wciąż trwa. Nie tak dawno temu, bo pod koniec 2014 roku, prasa naukowa donosiła o osiągnięciach naukowców z uniwersytetu w Glasgow, którzy znaleźli sposób na takie usprawnienie elektrolizy, że nie dość że nowa metoda jest 30 razy szybsza od dotychczas znanych, to dodatkowo jest ona bezpieczniejsza i można używać przy niej energii słonecznej.

Profesor Lee Cronin, prowadzący badania w Glasgow, ma wiele powodów to zadowolenia, i w ten sposób opisuje przyszłość nowej metody:

Potencjał na niezawodną produkcję wodoru ze źródeł odnawialnych jest ogromny. Słońce dostarcza więcej energii w ciągu godziny niż ludzkość zużywa w ciągu roku. Gdyby udało nam się z tego skorzystać i zakumulować choć ułamek tej energii [w formie wodoru – SW], moglibyśmy zmniejszyć naszą zależność od paliw kopalnych, co byłoby ważnym krokiem w spowolnieniu zmian klimatycznych.

Istnieje również cała grupa metod pozyskiwania wodoru, nazywanych cyklami termochemicznymi. Podobnie jak niektóre z metod usprawniających elektrolizę, łączą one reakcje chemiczne z wykorzystaniem różnych źródeł ciepła. Znanych jest ponad 200 takich cykli termochemicznych które mogą być użyte do podziału wody na tlen i wodór. Nadzieję na powszechne i bezpieczne dla środowiska użycie cykli termochemicznych daje fakt, że wielu naukowców przedstawiło swoje wersje cykli z użyciem energii słonecznej.

Popularność ogniw paliwowych używających wodór rośnie. Pojazdy używające tego typu ogniw są bezpieczne dla środowiska naturalnego. Jeśli dodamy do tego użycie jednej z nowych metod generowania wodoru bez użycia paliw kopalnych, możemy założyć, że paliwo wodorowe jest dobrym wyborem dla ludzkości na bezpieczną ekologicznie przyszłość.

Źródła: phys.org, hydrogen energy, chic-project, skeptical science, wikipedia

Musisz przeczytać:

Dołącz do dyskusji

MAŁO? CZYTAJ KOLEJNY WPIS...

MAŁO? CZYTAJ KOLEJNY WPIS...

Advertisement