Wodór jako paliwo – zalety, wady i realne szanse rozwoju

Wodór jako paliwo to nośnik energii, a nie jej źródło: w ogniwie paliwowym łączy się z tlenem i daje prąd, ciepło oraz parę wodną, ale najpierw trzeba go wytworzyć, sprężyć i dowieźć. Każdy z tych etapów zabiera część energii, dlatego z prądu z wiatru do koła trafia najwyżej około jednej trzeciej. Bateria oddaje ponad dwa razy więcej. Wodór wygrywa więc tam, gdzie liczy się masa i krótki postój, a nie sprawność.

Ogniwo paliwowe czy spalanie? Dwa sposoby, w jakie wodór oddaje energię

Wodór (H₂) to nośnik energii, a nie jej źródło. Ktoś musiał wcześniej włożyć energię w jego wytworzenie. Pojazd odzyskuje tylko jej część. Co właściwie dzieje się z wodorem w samochodzie, który nim jedzie? W większości modeli trafia do ogniwa paliwowego PEM i tam łączy się z tlenem z powietrza. Reakcja daje wyłącznie prąd, ciepło i wodę w postaci pary, a prąd zasila silnik elektryczny. Takie auto nazywa się FCEV, czyli pojazdem elektrycznym na ogniwa paliwowe.

Druga droga to spalanie wodoru w silniku tłokowym, który budową przypomina benzynowy. Spaliny nie zawierają CO₂. Wysoka temperatura spalania sprawia jednak, że azot z powietrza łączy się z tlenem w tlenki azotu, więc silnik potrzebuje układu oczyszczania. Paliwa wodorowego nie należy mylić z domowymi „generatorami HHO”. Rozkładają one wodę prądem z akumulatora auta, więc nie mogą oddać więcej energii, niż same pobierają.

Prawie trzy razy więcej energii niż benzyna, ale tylko w przeliczeniu na kilogram

Wodór jest najbardziej energetycznym paliwem tylko wtedy, gdy liczymy na kilogram. Niesie wtedy prawie trzy razy więcej energii niż benzyna, która ma około 12 kWh/kg. W przeliczeniu na litr wypada kilka razy gorzej, nawet sprężony albo skroplony.

Wartość opałowa wodoru ma dwie wersje. Która obowiązuje, zależy od postaci wody powstałej w reakcji. Dolna wynosi 33,33 kWh/kg i dotyczy sytuacji, gdy produktem jest para wodna. Górna wynosi 39,39 kWh/kg i dotyczy wody w postaci ciekłej – różnica to ciepło oddane przy skraplaniu pary. Pojazdy rozlicza się według wartości dolnej, bo ani ogniwo, ani silnik tego ciepła nie odzyskują.

Największą słabością wodoru jest mała objętościowa gęstość energii. Litr gazu pod ciśnieniem atmosferycznym zawiera zaledwie około 3 Wh, więc paliwo trzeba zagęścić. Wodór sprężony do 700 bar niesie około 1,3 kWh na litr, a skroplony w temperaturze −253°C około 2,4 kWh/l. Litr benzyny mieści blisko 9 kWh.

Zagęszczanie też kosztuje energię. Teoretyczne minimum dla izotermicznego sprężenia wodoru z 20 do 700 bar to 1,36 kWh/kg, a dla skroplenia 2,7 kWh/kg. Prawdziwe instalacje zużywają więcej. Po sprężeniu paliwo trafia do zbiornika na wodór, który w aucie osobowym musi wytrzymać 700 bar. Robi się go więc z kompozytu węglowego, który zajmuje sporo miejsca w nadwoziu. Wodór wygrywa więc tam, gdzie liczy się masa, a przegrywa tam, gdzie liczy się miejsce.

Skąd bierze się wodór, jaki ma ślad węglowy i jak czysty musi być?

Ślad węglowy wodoru zależy od tego, jak go wyprodukowano. Zero emisji dotyczy tylko miejsca użycia, a CO₂ powstaje w zakładzie, który paliwo wytworzył. Dziś około 99% z blisko 100 mln ton zużywanego wodoru powstaje z paliw kopalnych. Metody produkcji opisuje się kolorami:

• Szary – powstaje w reformingu parowym metanu, czyli przy rozkładzie gazu ziemnego parą wodną. CO₂ z procesu trafia do atmosfery.
• Niebieski – ten sam proces, uzupełniony o wychwyt i składowanie części CO₂.
• Zielony – pochodzi z elektrolizy wody zasilanej prądem z wiatru lub słońca. Emisje ograniczają się do budowy instalacji.

Prawo UE dzieli wodór na kategorie według progu emisji. Wodór odnawialny pochodzenia niebiologicznego (w skrócie RFNBO) musi dawać co najmniej 70% redukcji emisji wobec paliw kopalnych. Odpowiada to około 3,4 kg CO₂e na kilogram wodoru. Zielony wodór mieści się w tym progu, o ile elektrolizer pracuje na prądzie odnawialnym. Szary przekracza go kilkukrotnie.

Ogniwo paliwowe ma jeszcze jedno wymaganie: czystość paliwa. Norma ISO 14687 wymaga dla ogniw PEM w pojazdach czystości co najmniej 99,97% i dopuszcza najwyżej 0,2 ppm tlenku węgla, który zatruwa platynowy katalizator. Wodór z rafinerii czy zakładów azotowych nie trafi więc do ogniwa bez oczyszczenia do tej normy.

Co przemawia za wodorem jako paliwem?

Zalety wodoru wynikają z jego właściwości i z codziennej eksploatacji pojazdu:

• Brak emisji z rury wydechowej – wynika z reakcji w ogniwie opisanej na początku tekstu.
• Tankowanie w minutach – napełnienie zbiorników 700 bar w aucie osobowym trwa zwykle 3–5 minut.
• Zasięg jak w aucie spalinowym – seryjne sedany FCEV przejeżdżają według WLTP do 650 km na jednym tankowaniu.
• Lżejszy magazyn energii – zbiornik z wodorem waży mniej niż bateria o tej samej energii użytecznej.
• Produkcja na miejscu – wodór można wytwarzać z krajowego prądu, co ogranicza import paliw i wzmacnia bezpieczeństwo energetyczne.

Każda z tych zalet ma swój warunek. Brak emisji zależy od metody produkcji opisanej wyżej. Zasięg zależy od sieci stacji opisanej niżej.

Magazynowanie, infrastruktura, cena i bezpieczeństwo to główne bariery wodoru

Wodoru produkuje się dużo, ale prawie wyłącznie w zakładach, które same go zużywają. Żeby dotarł na stację, trzeba go sprężyć, przechować i przewieźć. Pierwszą przeszkodą jest fizyka. Mała cząsteczka przenika przez wiele materiałów i wnika w stal. Wywołuje to kruchość wodorową, czyli utratę plastyczności, po której metal pęka pod obciążeniem. Zbiorniki ciśnieniowe, zawory i przewody trzeba więc robić z kompozytów i odpornych stali, co podnosi koszt całej instalacji.

Druga przeszkoda to sieć stacji. W Polsce jest 13 ogólnodostępnych stacji tankowania wodoru, skupionych w kilku dużych miastach. Czynnych jest 10. Przy tak rzadkiej sieci każdą dłuższą trasę trzeba planować wokół punktów tankowania. Mały ruch na stacjach nie pozwala przy tym obniżyć cen. Koszt wodoru na stacji wynosi 69 zł brutto za kilogram i od niego zależy cena każdego przejazdu.

Przy bezpieczeństwie trzeba ważyć słowa, bo wodór ma zarówno cechy groźne, jak i cechy, które ryzyko zmniejszają. Do cech groźnych należą parametry palności wodoru. Wodór pali się w powietrzu przy stężeniu od 4% do 75%, a opary benzyny w zakresie około 1,4–7,6%. Do zapalenia mieszanki o optymalnym składzie wystarcza bardzo mało energii, około 0,02 mJ, czyli mniej więcej dziesięć razy mniej niż dla benzyny. Przy niskim stężeniu wodoru w powietrzu energia zapłonu jest jednak podobna jak w przypadku innych paliw.

Na korzyść wodoru działa jego lekkość. Jest około czternaście razy lżejszy od powietrza, więc po wycieku szybko ulatnia się w górę, zamiast zalegać przy ziemi jak opary benzyny. Gdy do wycieku dojdzie w pomieszczeniu, wentylacja może go rozcieńczyć. Ryzyko ogranicza się więc konstrukcją instalacji, czujnikami i wentylacją. O tempie upowszechnienia wodoru decydują też koszt i logistyka.

Ile energii ginie po drodze od prądu do koła – wodór kontra bateria?

Z tego samego prądu z OZE bateria dowozi do koła zwykle 62,9–80% energii, a łańcuch wodorowy 21,9–35%. Skąd tak duża różnica, skoro oba auta korzystają z tej samej elektrowni wiatrowej? Bateria magazynuje prąd bezpośrednio. Wodór przechodzi natomiast przez kilka przemian i każda z nich zabiera część energii.

Etapy łańcucha wodorowego wyglądają tak:

1. Elektroliza – elektrolizer zużywa zwykle 50–55 kWh prądu na kilogram wodoru, który niesie 33,33 kWh energii. Daje to sprawność około 60–70%.
2. Sprężanie i dostawa – sprężenie do 700 bar, schłodzenie przed tankowaniem i dowóz naczepą mogą zabierać 10–15% energii paliwa.
3. Ogniwo i napęd – ogniwo PEM zamienia na prąd 46,3–63,7% energii wodoru, zależnie od punktu pracy. Falownik i silnik tracą jeszcze kilka procent.

Po przemnożeniu tych sprawności cały łańcuch FCEV daje 21,9–35%. W wariancie BEV prąd traci zwykle kilka procent w sieci i ładowarce. Bateria i napęd oddają potem do koła 61–85 % energii, którą przyjął akumulator. Taki rachunek strat od źródła do koła nazywa się analizą well-to-wheels.

Na dystansie 100 km różnica staje się wyraźna. Sedan FCEV zużywa według WLTP 0,79–0,89 kg wodoru na 100 km. Wyprodukowanie i sprężenie tej ilości wymaga około 45–55 kWh prądu ze źródła. Kompaktowy BEV zużywa zwykle 15–20 kWh/100 km, a po doliczeniu strat ładowania około 17–22 kWh. Przy zużyciu według WLTP ten sam dystans wymaga więc w wariancie wodorowym mniej więcej 2,5 raza więcej prądu. Przy realnym zużyciu różnica rośnie.

Koszt przejazdu zależy od ceny nośnika, więc podajemy go jako przedział. Przy cenie około 69 zł/kg i realnym zużyciu 0,8–1,1 kg/100 km przejazd wodorem kosztuje zwykle 55–76 zł. Auto elektryczne ładowane w domu po 0,9627–1,0994 zł brutto za kolejną kWh przejedzie ten sam dystans zwykle za 17–22 zł. Na szybkiej ładowarce publicznej, po średnio 2,65 zł/kWh, wychodzi mniej więcej 45–58 zł.

Przewaga baterii znika dopiero wtedy, gdy ważniejsze od energii stają się inne czynniki. Wodór nadrabia wtedy niższą sprawność czasem pracy pojazdu w zastosowaniach, w których ciężarówka albo autobus zarabiają na każdej godzinie w trasie.

Gdzie wodór ma realne szanse rozwoju?

Wodór ma największe szanse tam, gdzie prądu nie da się użyć bezpośrednio, albo tam, gdzie już dziś jest surowcem. Liczy się to, czy istnieje tańsza alternatywa. Według tego kryterium drabina zastosowań wodoru Michaela Liebreicha umieszcza samochody osobowe w najniższym rzędzie G.

Przemysł ciężki i chemia

Produkcja nawozów i rafinerie paliw potrzebują wodoru niezależnie od tego, czy wygra on w transporcie. Dlatego zajmują najwyższy rząd A drabiny. Zamiana szarego wodoru na zielony obniża tu emisje od razu. Popyt i instalacje odbiorcze już istnieją. Nowym odbiorcą może zostać hutnictwo: przy bezpośredniej redukcji rudy żelaza wodór zastępuje węgiel koksowy. Polska należy do największych producentów wodoru przemysłowego w Unii, wytwarzanego głównie w zakładach azotowych i rafineriach. Polska Strategia Wodorowa przewidywała moc instalacji do produkcji niskoemisyjnego wodoru 50 MW do 2025 r. i 2 GW do 2030 r.

Transport ciężki, kolej i żegluga

Dlaczego ciężarówka czy pociąg to inny przypadek niż samochód osobowy? Masa baterii rośnie razem z masą pojazdu i długością trasy. W ciągniku siodłowym jadącym setki kilometrów dziennie akumulator odbiera ładowność i wymaga długich postojów. Kryterium jest proste: wodór zyskuje, gdy dzienna trasa przekracza zasięg jednego ładowania, a postój nie wystarcza na doładowanie. Na kolei dotyczy to linii bez sieci trakcyjnej, których elektryfikacja przy małym ruchu się nie opłaca. W żegludze dalekomorskiej paliwem mogą zostać pochodne wodoru, na przykład amoniak, który łatwiej składować w dużych ilościach. Przewaga wodoru utrzyma się, dopóki ładowarki dużej mocy i lżejsze baterie nie skrócą postoju do czasu tankowania.

Magazynowanie nadwyżek z OZE

Nadwyżkę prądu z wiatru i słońca, której sieć nie przyjmie, elektrolizer może zamienić w wodór. Gaz da się potem przechować przez wiele tygodni albo przesłać tam, gdzie jest potrzebny. Baterie bilansują sieć w skali godzin. W drabinie Liebreicha długotrwałe bilansowanie oznacza magazynowanie energii na okres dłuższy niż około dwa dni. To jest rola dla wodoru. Takie magazynowanie opłaca się jednak tylko pod jednym warunkiem. Po pełnym cyklu do sieci wraca zwykle 27,4–48,0% prądu, więc elektrolizer musi przez wiele godzin w roku pracować na taniej, nadmiarowej energii odnawialnej.