• Wodór jest najpowszechniejszym pierwiastkiem we wszechświecie, ale uzyskanie go w formie czystej wcale nie jest tanie
  • W Polsce nie ma jeszcze żadnej ogólnodostępnej stacji tankowania wodoru, ale ma się to wkrótce zmienić, tyle że to słyszymy od lat
  • Nowe samochody zasilane wodorem to tak naprawdę auta elektryczne, które pobierają prąd z ogniw paliwowych „tankowanych” wodorem
  • Żeby wytworzyć i dostarczyć wodór do stacji tankowania potrzeba mnóstwa prądu. Z prostego rachunku wynika, że zwykle lepiej… użyć go do ładowania akumulatorów, niż do wytwarzania wodoru
  • Więcej podobnych informacji znajdziesz na stronie głównej Onet.pl

Wodór uznawany jest za najpowszechniej występujący pierwiastek we wszechświecie – otacza nas zewsząd, choć z reguły nie w postaci czystej, ale w formie najróżniejszych związków chemicznych. Pomysły na wykorzystywanie wodoru jako paliwa są w zasadzie tak stare jak motoryzacja. Jeden z pierwszych pojazdów mechanicznych na świecie, wehikuł skonstruowany w 1808 r. przez Françoisa Isaaca de Rivaz, był napędzany przez opatentowany przez niego silnik wodorowy – choć słowo „napędzany” jest w tym przypadku nieco na wyrost. Później eksperymentów ze stosowaniem wodoru w silnikach spalinowych było jeszcze wiele, przez długie lata pracowała nad takimi rozwiązaniami firma BMW.

W teorii wodór ma mnóstwo zalet – jest świetnym nośnikiem energii, a produktem jego spalania jest para wodna. Tyle że w praktyce sprawia on sporo problemów – jego wytwarzanie jest energochłonne, zmieszany z powietrzem tworzy ekstremalnie wybuchową mieszaninę (tzw. gaz piorunujący), transport i składowanie wymagają nadzwyczajnych środków ostrożności.

W ostatnich latach pomysłem znacznie popularniejszym od spalania wodoru w silnikach spalinowych jest wykorzystywanie go do ogniw paliwowych. W największym uproszczeniu ogniwo paliwowe to taka „bateria”, która wytwarza prąd w wyniku utleniania dostarczanego z zewnątrz paliwa. Nie musi to być wodór, ale ogniwa wodorowe uchodzą za najsprawniejsze z dostępnych. To też wcale nie taka nowa technologia, bo pierwsze takie ogniwa zbudowano już w XIX wieku, choć w praktyce zaczęto je stosować dopiero w latach 60. XX wieku jako źródło zasilania w pojazdach kosmicznych.

Ogniwa paliwowe Foto: ACZ / Auto Świat
Ogniwa paliwowe

Ogniwa paliwowe – jak wykorzystać wodór bez spalania go

Tu też w teorii wszystko wygląda świetnie – dzięki ogniwom paliwowym można zbudować auto z napędem elektrycznym, które ma zasięg porównywalny z tym, na jaki można liczyć w przypadku aut z napędem spalinowym i którego baterii nie trzeba godzinami ładować. Wystarczy raz na kilkaset kilometrów uzupełnić zapas wodoru, co trwa niewiele dłużej od tankowania benzyny czy oleju napędowego. Czysta, bezemisyjna technologia. W teorii.

Po latach eksperymentów producenci w końcu opanowali technologię produkcji działających i trwałych ogniw – a Toyota, która z modelem Mirai była pionierem seryjnej produkcji aut z ogniwami paliwowymi, zadeklarowała, że chętnie udostępni konkurencji wszelkie niezbędne patenty po to, żeby takich aut trafiało na rynek więcej. Dlaczego? Bo skoro aut na wodór na drogach jest jak na lekarstwo, to nikt nie ma interesu, żeby tworzyć sieć stacji tankowania wodoru. I koło się zamyka – bo skoro stacji tankowania nie ma, to też i chętnych na jazdę autami na wodór nie ma. Stąd też pomysł, żeby to państwa stworzyły zachęty do tworzenia sieci tankowania wodoru, albo wręcz same się w nie zaangażowały. W Polsce w ustawie o elektromobilności i paliwach alternatywnych auta na wodór zostały zrównane z pojazdami elektrycznymi z zasilaniem akumulatorowym. Nie brakuje też deklaracji o wspieraniu rozwiązań komunikacyjnych opartych na wodorze.

Polska wodorową potęgą, ale wodoru nie zatankujesz!

Tylko czy to rzeczywiście ma sens? Jak to się dzieje, że skoro w Polsce produkuje się aż tyle wodoru, to nie da się go w zasadzie normalnie kupić? To proste! Wodór używany jest głównie na potrzeby procesów technologicznych, np. w petrochemii, metalurgii i przy produkcji nawozów sztucznych. Jego transport jest jednak tak drogi i skomplikowany, że „użytkownicy” z reguły produkują go na swoje potrzeby na miejscu. W dodatku wodór wykorzystywany na potrzeby procesów technologicznych ma inne parametry od tego, który wykorzystywany jest do ogniw paliwowych. Wodór wprost z instalacji, np. w rafinerii, „zabiłby” ogniowo paliwowe zawartymi w nim zanieczyszczeniami. Ponieważ do obecnych zastosowań wodór nie musi być przesadnie czysty, produkuje się go z wykorzystaniem tańszych i prostszych technologii niż te, które są wykorzystywane do produkcji „wodoru napędowego” – więc wodór niby mamy, ale nie taki, jak trzeba.

Auta na wodór - czy to się opłaca?

I tu pojawia się kolejny problem - jak to jest z opłacalnością tego całego przedsięwzięcia? Bo niby wodór jest wszędzie, ale żeby go uzyskać w czystej postaci potrzeba mnóstwa… prądu. Ile? To zależy od wybranej technologii, ale szacunkowo można przyjąć, że jest to wielkość na poziomie kilkudziesięciu kWh na każdy kilogram wodoru. Czy to dużo? Tak, bo w jednym kilogramie wodoru zmagazynowana jest energia odpowiadająca 40 MJ lub właśnie ok. 40 kWh. Co to oznacza? Jeśli tylko jest taka możliwość, to ładowanie akumulatorów taką właśnie energią jest bardziej opłacalne od wyprodukowania wodoru, a następnie dostarczenia go do stacji, zatankowania do auta i przekształcenia go ponownie w energię elektryczną.

Sprawność napędu elektrycznego zasilanego z ogniwa paliwowego tankowanego wodorem liczona globalnie wypada fatalnie na tle sprawności napędu elektrycznego zasilanego z baterii. Przyjmijmy optymistyczne założenie, że mamy do dyspozycji czysty, ekologiczny prąd, pochodzący np. elektrowni wodnych, wiatrowych czy choćby jądrowych lub z ogniw fotowoltaicznych, a nie ze spalania węgla. Jeśli chcemy wykorzystać go do ładowania auta elektrycznego zasilanego z wbudowanych baterii, to przy optymistycznych założeniach tracimy jakieś 5 proc. energii na straty sieci przesyłowej, kolejne 5 proc. przy przetwarzaniu prądu zmiennego na stały, kolejnych kilka proc. na straty przy samym procesie ładowania i kilkanaście proc. na straty energii w samym aucie i jego silniku, uzyskujemy sprawność „Well to Wheel” (nie licząc wytworzenia prądu), na poziomie ok. 70 proc. ! Świetny wynik, o ile oczywiście mamy ekologiczny prąd.

A co jeżeli auto ma wytwarzać sobie prąd w ogniwie paliwowym zasilanym wodorem? Tu sytuacja dramatycznie się zmienia. Dochodzą potężne straty przy produkcji wodoru poprzez elektrolizę, ok. 25-30 proc. energii pochłania transport i składowanie wodoru, sprawność ogniw paliwowych też jest ograniczona, w zależności od typu ok. 40-60 proc. energii zawartej w wodorze zamieniana jest na prąd. Do tego dochodzą oczywiście takie same straty w napędzie, jak przy „zwykłych” autach elektrycznych i… uzyskujemy całkowitą sprawność na poziomie rzędu nieco ponad 20 proc.! Słaby wynik!

Wodorowy Hyundai NEXO Foto: hyundai / Auto Świat
Wodorowy Hyundai NEXO

Wodór jako paliwo ma sens – ale nie zawsze

Czy to oznacza, że wykorzystywanie ogniw paliwowych zasilanych wodorem jest zupełnie pozbawione sensu? Ależ skąd! Jeśli do dyspozycji jest np. potężna nadwyżka taniej energii elektrycznej, to można ją wykorzystać do wyprodukowania wodoru, który później da się wykorzystać w roli „paliwa” do ogniw paliwowych! Bo z sieciami energetycznymi problem polega na tym, że szczególnie przy energii ze źródeł odnawialnych podaż prądu bywa bardzo zmienna – np. kiedy jest ciepło i wieje, prądu może być więcej niż potrzeba, z kolei kiedy jest zimno i bezwietrznie może go brakować. Wytwarzanie wodoru to nic innego jak forma magazynowania energii. To ma sens. Powstaje pytanie, czy mamy w Polsce nadwyżkę taniej i czystej energii elektrycznej? Ostatnie podwyżki cen prądu wcale na to nie wskazują.

Wodór do ciężarówek? Dobry plan!

W niektórych zastosowaniach, np. w ekologicznym transporcie drogowym, ciężarówki zasilane wodorowymi ogniwami paliwowymi wydają się natomiast świetnym rozwiązaniem. Zbiorniki z wodorem ważą znacznie mniej od akumulatorów potrzebnych do przechowania podobnej ilości energii, a w razie potrzeby zapas paliwa można uzupełnić bez porównania szybciej niż zajęłoby ładowanie akumulatorów o pojemności setek kilowatogodzin. TIR podróżujący na trasach liczących tysiące kilometrów i zasilany z akumulatorów to abstrakcja – za to napędzanie go wodorem to rozwiązanie wykonalne technicznie i sensowne.

Wygląda więc na to, że wodór jeszcze długo będzie paliwem przyszłości i w przewidywalnej perspektywie nie wyprze ani aut spalinowych, ani tym bardziej elektrycznych, wyposażonych w akumulatory czy superkondensatory. Rządowe dotacje oczywiście się nie zmarnują – zapewne znajdą się tacy, którzy na nich zarobią, a i politycy będą mieli z tego korzyść, bo przecież wodór to teraz temat bardziej modny, od oklepanej już „zwykłej” elektromobilności.