Wodór jest pod wieloma względami idealnym paliwem (ogniwa paliwowe). Jest to najczystsze i najmniej emisyjne spalanie i najbardziej wydajne paliwo, dzięki czemu powstaje zrównoważona i przyjazna dla środowiska pętla energetyczna. Ponieważ wodór reaguje chemicznie z większością pierwiastków, od dawna jest używany jako przemysłowa substancja chemiczna w różnych zastosowaniach. Ze względu na jego powszechność, metody produkcji są liczne.
Ogniwo paliwowe to urządzenie, które zamienia paliwo w energię i dostarcza energię elektryczną poprzez reakcję chemiczną. Wodorowe ogniwa paliwowe wykorzystują wodór jako paliwo. Pomimo faktu, że ogniwa paliwowe i akumulatory są ogniwami elektrochemicznymi o porównywalnej budowie, ogniwa paliwowe wymagają do działania stałego zasilania paliwem i tlenem, podobnie jak silnik spalinowy wymaga do działania stałego zasilania benzyną lub olejem napędowym.
Wielkość globalnego rynku wodorowych ogniw paliwowych wyniosła w 2018 r. 10,49 mld USD (ok. 50 mld PLN). Chociaż w nadchodzących latach rynek będzie stawiać czoła różnym wyzwaniom, sam ekologiczny charakter wodoru jako paliwa będzie napędzał wzrost rynku. Według Reports and Data przewiduje się, że rynek wodorowych ogniw paliwowych będzie stale rósł, aby w 2030 osiągnąć wartość ok. 89 mld USD (400 mld PLN).
Wodorowe ogniwa paliwowe w przemyśle motoryzacyjnym.
Ze względu na wysoką wydajność i niską emisję dwutlenku węgla wodór jest uważany za alternatywne paliwo dla przemysłu motoryzacyjnego. Badania i rozwój w zakresie wodorowych ogniw paliwowych koncentrują się głównie na wykorzystaniu wodoru w motoryzacji. Stacje tankowania wodoru można znaleźć w krajach takich jak Stany Zjednoczone. Samochody i autobusy z silnikiem elektrycznym zasilanym wodorowymi ogniwami paliwowymi to najpowszechniejsze pojazdy napędzane wodorem. Kilka z tych pojazdów wykorzystuje bezpośrednie spalanie wodoru. W Europie wodorowe ogniwa paliwowe stanowią niszę, jednak są obszarem bardzo intensywnych badań ze strony koncernów Daimler, VAG czy BMW.
Ze względu na wysoki koszt wodorowych ogniw paliwowych i niedobór stacji paliw wodorowych liczba pojazdów napędzanych wodorem została ograniczona. Wodorowe ogniwa paliwowe są stosowane w pociągach w Niemczech i oczekuje się, że dotrą one do Wielkiej Brytanii, Francji, Włoch, Japonii i Stanów Zjednoczonych w ciągu najbliższych pięciu lat. Dziewięciu głównych producentów samochodów opracowuje pojazdy elektryczne z wodorowymi ogniwami paliwowymi (FCEV) do użytku osobistego. Godnymi uwagi modelami są Toyota Mirai, Honda Clarity, Hyundai Nexo i BMW iX5 Hydrogen.
Hyundai Motor Group ogłosił we wrześniu 2021 r., że planuje oferować wersje z wodorowymi ogniwami paliwowymi wszystkich swoich pojazdów użytkowych do 2028 r., a koszt pojazdów z ogniwami paliwowymi zostanie obniżony do kosztów pojazdów elektrycznych na baterie dwa lata później (do 2030 roku). Pamiętaj należy, że ok. 2026/2027 przepowiada się, że nastąpi zrównanie cen pojazdów napędzanych silnikami konwencjonalnymi i silnikami elektrycznymi.
Grupa, w skład której wchodzą Hyundai Motor Corp. i Kia Corp, ma obecnie na rynku jeden autobus na ogniwa paliwowe i jedną ciężarówkę na ogniwa paliwowe. Na przykład, na drogach Korei Południowej w 2020 roku jeździło 115 autobusów i 45 ciężarówek na wodór. Ambicją Hyundaia jest rozwijanie technologii wodorowej pomimo jej względnej niejasności, a także poszerzanie oferty producentów pojazdów elektrycznych zasilanych akumulatorem.
Podczas gdy zwolennicy wodorowych ogniw paliwowych zaznaczają, że paliwa te są czystsze niż inne technologie obniżające emisję dwutlenku węgla, ponieważ emitują tylko wodę i ciepło, technologia ta została jedynie w niewielkim stopniu zastosowana w przemyśle samochodowym z powodu obaw o wysokie koszty, nieporęczne rozmiary systemów ogniw paliwowych, brak stacji paliw, wartości odsprzedaży oraz ryzyko wybuchów wodoru. Pojazdy z ogniwami paliwowymi są produkowane w tempie 10 000-15 000 rocznie na całym świecie, w porównaniu do 4-5 milionów pojazdów elektrycznych.
Jako kontrast należy dodać, że w Polsce rocznie, razem z pojazdami importowanymi i używanymi, rejestruje się od 800 tys. do ponad 1 mln samochodów. Obecnie (październik 2021) w naszym kraju jest zarejestrowanych prawie 30 000 pojazdów z napędami alternatywnymi. W tym samym czasie ilość aut z napędem wodorowym jest mniejsza niż 50. W Polsce nie ma żadnej publicznej stacji tankowania wodoru.
Wodór w produkcji energii elektrycznej.
Wodorowe ogniwa paliwowe mieszają atomy wodoru i tlenu w celu generowania energii. Wodór łączy się z tlenem w ogniwie elektrochemicznym, wytwarzając energię elektryczną, wodę i trochę ciepła. Laptopy, maszyny i instalacje wojskowe mogą być zasilane wodorowymi ogniwami paliwowymi. Duże ogniwa paliwowe mogą zapewnić zapasową energię elektryczną w budynkach i energię w obszarach, w których sieci nie są dostępne. Poza tym wodór jest wykorzystywany przede wszystkim w różnych zastosowaniach morskich i kosmicznych, a także w generowaniu awaryjnego zasilania.
Eksperci sugerują, że w miarę jak świat przyspiesza próby redukcji emisji dwutlenku węgla, wodorowe ogniwa paliwowe mogą stanowić przyjazną dla środowiska odpowiedź na potrzeby zasilania energochłonnych technologii, takich jak zdalne sieci.
Telekomy obsługują ogromną sieć stacji przekaźnikowych, centrów danych i innego sprzętu, który wymaga stałej, niezawodnej energii elektrycznej. Wodorowe ogniwa paliwowe, stosowane w programach kosmicznych w USA i Rosji, mogą zastąpić głośne, zanieczyszczające środowisko generatory diesla, które pracują 24 godziny na dobę.
Ogniwa są ciche, mają niewiele ruchomych części i emitują tylko wodę. Wraz z ogłoszeniem przez ONZ „czerwonego kodu dla ludzkości” w sprawie globalnego ocieplenia, takie źródła energii są atrakcyjne dla sektora, który zużywa 3% globalnej energii. Emisje z sieci zasilających i IT stanowią około jednej trzeciej śladu węglowego firm telekomunikacyjnych.
Telekomunikacja wymaga generatorów, które mogą szybko przywrócić zasilanie po przerwach w dostawie prądu, a generatory są często jedynym źródłem zasilania w odizolowanych regionach. Energia słoneczna i wiatrowa, które nie zawsze zapewniają stały poziom mocy, nie są opłacalne. W takich przypadkach ogniwa paliwowe są znacznie bardziej niezawodną opcją. Jednak nadal istnieją pewne przeszkody techniczne do pokonania. Przechowywanie paliwa jest trudne, a infrastruktura do transportu na duże odległości od miejsca produkcji jest niewielka. Wodór jest również drogi: na niektórych rynkach kosztuje prawie dziesięć razy więcej niż olej napędowy.
Wyzwania związane z wykorzystaniem wodorowych ogniw paliwowych
Jeśli chodzi o wyzwania związane ze stosowaniem paliwa wodorowego w przemyśle, jest wiele takich, które są zarówno rozsądne, jak i nieuniknione.
Ekstrakcja wodoru
Pomimo tego, że występuje obficie w przyrodzie, wydobycie wodoru jest trudne. Ponieważ wodór nie istnieje sam w sobie, musi być zbierany z wody lub oddzielany od paliw kopalnych opartych na węglu. Oba te procesy wymagają znacznej ilości energii do ukończenia. Ta energia może być większa niż energia uzyskana z samego wodoru, a także bardziej kosztowna.
Wysoki koszt surowców.
Metale szlachetne, takie jak platyna i iryd, są potrzebne jako katalizatory do ekstrakcji wodoru. Wszystkie te dodatkowe opłaty podnoszą koszt surowca. Niektórych zniechęcają wydatki związane z technologią wodorowych ogniw paliwowych. Aby wodorowe ogniwa paliwowe stały się opłacalnym źródłem paliwa dla wszystkich, koszty te muszą zostać zmniejszone. Wodorowe ogniwa paliwowe wymagają inwestycji, aby osiągnąć punkt, w którym można je uznać za naprawdę opłacalne źródło energii. Będzie to również wymagało woli politycznej poświęcenia czasu i zasobów na badania i rozwój w celu rozwoju i dojrzałości technologii.
Infrastruktura tankowania i magazynowanie wodoru wymagają rozwoju.
Paliwa kopalne są używane od dziesięcioleci, a infrastruktura do wytwarzania energii elektrycznej przy użyciu paliw kopalnych już istnieje. Przyjęcie na dużą skalę technologii wodorowych ogniw paliwowych do zastosowań motoryzacyjnych będzie wymagało nowej infrastruktury tankowania, chociaż tankowanie od początku do końca prawdopodobnie będzie stosowane w zastosowaniach dalekiego zasięgu, takich jak samochody ciężarowe i samochody dostawcze. Magazynowanie i transport wodoru są bardziej skomplikowane niż w przypadku paliw kopalnych. W rezultacie należy rozważyć dodatkowe wydatki na wodorowe ogniwa paliwowe jako źródło energii.
Według CNBC News: „Obecnie pojazdy z ogniwami paliwowymi stanowią mniej niż 5% rynku samochodów ciężarowych w Chinach i może wzrosnąć do około jednej trzeciej całkowitego udziału w rynku w 2050 roku… Chiny są światowym liderem w produkcji wodoru i odpowiada za jedną trzecią globalnej produkcji”.
Ze względu na presję na dekarbonizację oczekuje się, że Europa będzie napędzać przemysł wodorowy, co stworzy możliwości w innych regionach, takich jak azjatycki przemysł wytwórczy; eksport z Afryki Północnej i Bliskiego Wschodu surowców odnawialnych; oraz kapitalizacja Australii tanich zasobów kopalnych.
Mieszanie różnych typów paliw może być wykorzystywane jako narzędzie polityki, aby zapewnić producentom wodoru bezpieczeństwo popytu i zmniejszyć ryzyko niedoborów dostaw dla odbiorców wodoru. Jednak mix paliwowy staje się również mniej priorytetem teraz, gdy staje się coraz bardziej pewne, że pojawi się zapotrzebowanie na wodór.
Wsparcie rządowe jest wymagane w perspektywie krótkoterminowej, aby umożliwić obniżenie kosztów elektrolizerów (i ogniw paliwowych), ale w dłuższej perspektywie wodór prawdopodobnie zawsze będzie droższy niż paliwa kopalne, co wymaga zachęt legislacyjnych, aby uczynić go konkurencyjnym (np. podatki węglowe lub dotacje).
Paliwo wodorowe jest najbardziej zrównoważonym i alternatywnym paliwem w przewidywalnej przyszłości, a jego zastosowania mają kluczowe znaczenie zarówno dla środowiska, jak i rosnącego zapotrzebowania na paliwo. Badacze i firmy wynalazcze powinny dołożyć wszelkich starań, aby wodór był dostępny w taki sam sposób, w jaki dostępna jest woda, nie tylko do użytku przemysłowego, ale także do użytku osobistego.
