Mariusz Krawiec (fot. arch. prywatne)
„Obserwator Finansowy”: Jak właściwie powstaje energia z wodoru?
Mariusz Krawiec: Można ją wytworzyć na dwa sposoby. Pierwszy, lepiej opanowany technologicznie, to produkcja energii elektrycznej w ogniwie paliwowym poprzez reakcję utleniania tego pierwiastka. Drugi to bezpośrednie spalanie go w komorze silnika lub w piecu. W obu przypadkach końcowym produktem reakcji jest tylko woda. Co prawda, przy bezpośrednim spalaniu w powietrzu mogą powstawać śladowe ilości niepożądanych związków, np. tlenków azotu, ale można je skutecznie ograniczyć. Znika natomiast problem emisji dwutlenku węgla – i to jest zasadnicza przewaga nad paliwami kopalnymi w świecie, który dąży do neutralności klimatycznej.
Wodór uchodzi za niebezpieczny. To fakt czy raczej mit?
Temat bezpieczeństwa budzi emocje i bywa obciążony stereotypami. W przestrzeni publicznej wodór często przedstawiany jest jako substancja wybuchowa, tymczasem – stosowany zgodnie z zasadami – nie stwarza większych zagrożeń. Wymaga jedynie innych procedur bezpieczeństwa.
W czystej postaci nie eksploduje, choć w mieszaninie z powietrzem może być łatwo zdetonowany w dość szerokim zakresie koncentracji (od 4 do 75 proc.). Ten szeroki zakres jest przy tym zaletą w silnikach, gdzie spalanie ma być efektywne. Temperatura jego samozapłonu wynosi 585°C – niemal trzykrotnie więcej niż w przypadku benzyny – więc pod tym względem jest nawet bezpieczniejszy.
Jego płomienie są prawie niewidoczne, co utrudnia detekcję, ale wydzielają bardzo mało promieniowania cieplnego, co zmniejsza ryzyko poparzeń i pożarów wtórnych. Wodór jako najlżejszy pierwiastek chemiczny szybko się unosi ku górze i rozprasza, dzięki czemu na otwartej przestrzeni ryzyko eksplozji jest znacznie mniejsze niż w przypadku paliw konwencjonalnych. Większe zagrożenie pojawia się w pomieszczeniach zamkniętych, gdzie nie ma możliwości szybkiego rozproszenia się gazu.
Jak zatem wygląda kwestia bezpieczeństwa instalacji wodorowych?
Instalacje przemysłowe wyposażane są w czujniki gazu, systemy wentylacji i kontroli ciśnienia. W pojazdach i na stacjach tankowania dodatkowo stosuje się zawory bezpieczeństwa. W razie pożaru umożliwiają one kontrolowane uwolnienie gazu, zapobiegając eksplozji.
Warto pamiętać, że przemysł wodorowy istnieje od dziesięcioleci – wodór wykorzystuje się w rafineriach, zakładach chemicznych i przy produkcji nawozów. Tam już dawno wypracowano skuteczne procedury bezpieczeństwa, które można przenieść do nowych zastosowań.
Z czego buduje się instalacje, by ten pierwiastek nie „zjadał” materiałów?
Do przechowywania i transportu używa się specjalnych stopów metali lub kompozytów, często wielowarstwowych. Wymagana jest tzw. zgodność chemiczna materiału, bo wodór może wnikać w jego strukturę i powodować mikropęknięcia, które z czasem osłabiają wytrzymałość – zjawisko to znane jest jako kruchość wodorowa.
Co ma w sobie wodór, czego nie mają inne źródła energii?
W przeciwieństwie do paliw kopalnych, wodór nie jest toksyczny i nie zanieczyszcza środowiska. Wyciek benzyny czy oleju napędowego może prowadzić do skażenia gleby i wód, a wodór po prostu ulatnia się do atmosfery. Nie jest też gazem cieplarnianym, choć może nieznacznie wydłużać czas życia metanu w atmosferze.
W porównaniu z bateriami litowo-jonowymi również wypada korzystnie. Akumulatory mogą się przegrzewać, ulegać samozapłonowi i wydzielać toksyczne opary podczas pożaru. W odróżnieniu od nich wodór pozwala także na długoterminowe magazynowanie energii, co czyni go jednym z najbardziej uniwersalnych nośników energii przyszłości.
Co trzeba zbudować, zanim technologie wodorowe ruszą na poważnie?
Infrastruktura to kręgosłup każdej gospodarki, także wodorowej. Składają się na nią sieci przesyłowe, magazyny oraz stacje tankowania.
W Europie realizowany jest projekt European Hydrogen Backbone (EHB) – sieć rurociągów łączących regiony produkcji i odbioru wodoru. Do 2030 r. ma ona liczyć około 30 tys. km, a do 2040 r. – ponad 50 tys. km. Plan ten uwzględnia nie tylko budowę linii przesyłowych, ale także zaadaptowanie istniejącej infrastruktury gazowej – nawet 60 proc. istniejących gazociągów może zostać przystosowanych do transportu wodoru.
Drugi filar to magazyny wodorowe, które pozwolą bilansować system energetyczny. Największy potencjał mają tu magazyny geologiczne wykorzystujące kawerny solne, czyli puste przestrzenie w skałach solnych. W Polsce jest sporo takich miejsc, które mogą się stać bazą dla wielkoskalowych magazynów tego paliwa.
Trzecim elementem są stacje tankowania. Zgodnie z założeniami „Polskiej Strategii Wodorowej” do 2030 r. powinno powstać co najmniej 100 takich punktów. W 2025 r. miały już być 32 stacje, ale faktycznie działa zaledwie kilka – w tym obszarze pozostaje wiele do zrobienia.
Kto sfinansuje taką infrastrukturę?
Sieci przesyłowe i duże magazyny to infrastruktura strategiczna, więc powinny być finansowane i nadzorowane przez państwo, z możliwym udziałem środków unijnych. Z kolei mniejsze przedsięwzięcia, takie jak stacje tankowania czy lokalne sieci dystrybucji, powinny pozostać domeną sektora prywatnego. Naturalnym rozwiązaniem wydaje się też partnerstwo publiczno-prywatne, które może przyspieszyć rozwój całego rynku.
Dlaczego magazynowanie to dziś wąskie gardło tej technologii?
Najczęściej wodór przechowuje się obecnie w formie sprężonego gazu pod ciśnieniem kilkaset razy wyższym niż ciśnienie atmosferyczne lub w postaci ciekłej w warunkach kriogenicznych – w temperaturze poniżej -250oC. To rozwiązania kosztowne, energochłonne i wymagające bardzo restrykcyjnych procedur bezpieczeństwa. Dlatego naukowcy na całym świecie poszukują nowych, bardziej efektywnych metod przechowywania tego paliwa.
Czy nowoczesne materiały mogą to zmienić?
Tak. Magazynowanie wodoru w fazie stałej, czyli wiązanie go w materiałach porowatych lub warstwowych, to obiecująca alternatywna dla tradycyjnych metod. Działa to nieco jak gąbka: materiał pochłania wodór, związane cząsteczki przechowywane są pod niskim ciśnieniem w temperaturze pokojowej, a gdy zajdzie potrzeba, po dostarczeniu niewielkiej ilości energii, można je uwolnić. Szczególnie obiecujące są materiały dwuwymiarowe (2D), które charakteryzują się ogromnym stosunkiem powierzchni do objętości, co sprawia, że mogą pomieścić wielką liczbę atomów wodoru.
Czy to oznacza, że dzięki nim zbiorniki mogą być lżejsze i bezpieczniejsze?
Właśnie tak. W tego typu materiałach wodór nie jest sprężany mechanicznie, lecz wiązany na poziomie atomowym. To znacząco obniża wagę zbiorników, zwiększa bezpieczeństwo i redukuje koszty magazynowania.
Struktury 2D mają bardzo dużą powierzchnię aktywną chemicznie, którą można dodatkowo modyfikować, by poprawić efektywność wiązania. Dzięki temu mogą gromadzić nawet więcej wodoru niż znajduje się w wodzie. Dla porównania – w zbiornikach sprężonego gazu stosowanych w samochodach mieści się około 1/3 tej ilości, a w postaci skroplonej około 2/3. To pokazuje, że gra jest warta świeczki.
Jaki próg parametrów „odblokowuje” komercjalizację?
Idealny materiał powinien magazynować 6–8 proc. swojej masy w postaci wodoru i umożliwiać jego łatwe wiązanie oraz uwalnianie w temperaturze 100–150°C. Obecne badania koncentrują się m.in. na strukturach grafenopodobnych, takich jak silicen – krzemowy odpowiednik grafenu – oraz na porowatych strukturach metaloorganicznych.
Ogień gwiazd w naszych rękach: jak fizyka jądrowa może zmienić przyszłość energetyki
Największym wyzwaniem pozostaje stabilność i skalowalność takich rozwiązań. Gaz musi być wiązany na tyle mocno, by nie ulatniał się samoczynnie, ale też na tyle słabo, by można go było łatwo odzyskać. Parametry te można do pewnego stopnia optymalizować poprzez domieszkowanie materiałów 2D innymi pierwiastkami. Wymaga to precyzyjnego projektowania takich materiałów na poziomie atomowym z wykorzystaniem najnowszych rozwiązań z obszaru nanotechnologii i modelowania komputerowego. To z kolei sprawia, że ich wytwarzanie jest często skomplikowane i kosztowne. Kluczowe będzie opracowanie tanich metod produkcji masowej. Jeśli uda się przezwyciężyć te bariery, otworzy to drogę do lekkich i bezpiecznych magazynów energii wodorowych o znacznej gęstości energetycznej.
Dlaczego właśnie silicen budzi tak duże nadzieje?
Silicen to pojedyncza warstwa atomów krzemu ułożonych w strukturę przypominającą plaster miodu – podobnie jak grafen, lecz z delikatnym pofałdowaniem. Dzięki temu jego powierzchnia jest bardziej aktywna chemicznie i łatwiej wiąże atomy wodoru.
Ponieważ krzem jest cięższy od węgla, parametry magazynowania są nieco słabsze – udział masowy wodoru szacuje się na około 1 proc. Można go jednak zwiększyć nawet dziesięciokrotnie poprzez domieszkowanie, a to w przypadku grafenu jest znacznie trudniejsze.
Dodatkowym atutem jest bliskość technologiczna z przemysłem półprzewodnikowym – krzem to fundament współczesnej elektroniki, co może ułatwić rozwój technologii wodorowych opartych na silicenie i wykorzystanie istniejącej infrastruktury przemysłowej.
Materiał ma jednak swoje ograniczenia – jest mniej stabilny od grafenu, degraduje się w kontakcie z powietrzem i wymaga warunków próżniowych do syntezy. Niektóre z tych trudności można próbować pokonać, np. poprzez tworzenie jego wielowarstwowych form.
Co musi się wydarzyć, by materiały 2D wyszły z laboratoriów do przemysłu?
O sukcesie zadecydują trzy czynniki: bezpieczeństwo, efektywność i ekonomiczność.
Bezpieczeństwo wymaga pełnej kontroli nad procesami magazynowania i uwalniania wodoru. Pierwiastek ten, ze względu na najmniejszy spośród wszystkich gazów rozmiar cząsteczki, łatwo przenika przez mikropory materiałów i uszczelnienia. Dlatego w tradycyjnych zbiornikach stosuje się kompozyty węglowe oraz dodatkowe warstwy ochronne. W systemach opartych na materiałach 2D kluczowe jest stabilne wiązanie wodoru i jego uwalnianie wyłącznie w kontrolowanych warunkach, przy zachowaniu odporności materiału na degradację oraz reakcje chemiczne.
Magazynowanie a optymalizacja wykorzystania energii odnawialnej
Efektywność oznacza zdolność do magazynowania dużej ilości wodoru w lekkiej i kompaktowej formie. Istotny jest bilans energetyczny – im mniej energii potrzeba na związanie i uwolnienie wodoru, tym większa korzyść. Dla porównania, przy sprężaniu wodoru traci się około 15–20 proc. energii, a przy skraplaniu nawet 30–40 proc., z dodatkowymi stratami w czasie przechowywania. Jeśli więc materiały 2D pozwolą na magazynowanie i uwalnianie wodoru przy mniejszych nakładach energetycznych, zysk będzie ogromny.
Ekonomiczność zależy od kosztów produkcji i trwałości systemów magazynowania. Kluczowe jest opracowanie tanich surowców i prostych procesów technologicznych, które umożliwią masową produkcję materiałów 2D. Zbiorniki muszą być odporne na tysiące cykli ładowania i rozładowywania bez utraty właściwości – i tutaj akurat materiały 2D mają przewagę nad tradycyjnymi rozwiązaniami, ponieważ zwykle są bardziej elastyczne, a przez to mniej podatne na ewentualne uszkodzenia.
Magazynowanie wodoru w fazie stałej z wykorzystaniem materiałów 2D byłoby jednym z kluczowych przełomów technologicznych w energetyce
Spełnienie tych trzech warunków będzie trudne, ale ich osiągnięcie może uczynić magazynowanie wodoru w fazie stałej z wykorzystaniem materiałów 2D jednym z kluczowych przełomów technologicznych w energetyce.
Polska ma potencjał naukowy w tej dziedzinie. Jak sprawić, by wyniki badań nie „uciekały” za granicę?
To problem, z którym mierzymy się od lat. Mamy bardzo dobre zespoły badawcze i wysokiej klasy bazę aparaturową, ale wciąż kuleje system komercjalizacji – wystarczy przypomnieć historię polskiego grafenu.
Naukowcy muszą być bardziej otwarci na współpracę z biznesem, a przedsiębiorstwa – dostrzegać potencjał nowych technologii i inwestować w ich rozwój. Bez tego rezultaty naszych badań nadal będą wdrażane za granicą.
Potrzebny jest spójny ekosystem łączący naukę, przemysł i państwo. Powinien zapewniać długoterminowe programy badawczo-rozwojowe, stabilne finansowanie – także projektów wysokiego ryzyka – oraz jasne ramy prawne sprzyjające komercjalizacji.
Warto też zidentyfikować nisze, w których Polska ma realne przewagi – kompetencje, infrastrukturę oraz zasoby – i skupić się na tworzeniu wyspecjalizowanych produktów, które moglibyśmy eksportować zamiast konkurować z globalnymi gigantami.
Jakie są polskie realne przewagi?
Pierwszym obszarem jest przemysł chemiczny. Mamy rozbudowany sektor, który od lat wykorzystuje to paliwo w procesach przemysłowych, np. przy produkcji nawozów. Dysponujemy więc instalacjami, personelem i doświadczeniem. Przestawienie ich na technologie niskoemisyjne mogłoby dać nam przewagę w regionie Europy Środkowo-Wschodniej.
Drugim kierunkiem są zaawansowane materiały. Znakomite polskie zespoły naukowe w dziedzinie nanotechnologii i inżynierii materiałowej prowadzą intensywne prace nad nowymi rozwiązaniami, które mogą znaleźć zastosowanie m.in. w zbiornikach wodorowych do zastosowań mobilnych, ogniwach paliwowych i elektrolizerach. Jeśli uda się przełożyć te badania na praktyczne zastosowania w technologii wodorowej, moglibyśmy zająć znaczącą pozycję nawet na rynku globalnym.
Jeśli uda się przełożyć polskie badania na praktykę, moglibyśmy zająć znaczącą pozycję nawet na rynku globalnym
Trzeci filar to transport. Polska jest jednym z największych producentów autobusów w Europie – już dziś po naszych ulicach jeżdżą pojazdy Solaris Urbino hydrogen i NesoBus. Mamy też doświadczenie w produkcji taboru kolejowego – przykładem jest lokomotywa manewrowa bydgoskiej Pesy napędzana ogniwami paliwowymi.
To wszystko pokazuje, że mamy potencjał. Nie zbudujemy wszystkiego samodzielnie i nie unikniemy importu technologii, ale jeśli stworzymy własny ekosystem oparty na rodzimych firmach, możemy zyskać nowe miejsca pracy i pozytywny impuls dla gospodarki. Warto przy tym działać szybko, inaczej „pociąg technologii wodorowych” może nam odjechać.
Rozmawiała: Anna Słabosz-Pawłowska
Polska chce zablokować umowę o wolnym handlu z krajami Ameryki Południowej. Powodem są głównie obawy rolników o konkurencyjność ich produktów. W jaki sposób realizacja umowy z Mercosur może wpłynąć na unijne rolnictwo i jakie mogą być też jej inne skutki?
