czy wodór będzie uniwersalnym nośnikiem energii?

Robert Starosta
Akademia Morska w Gdyni
CZY WODÓR BĘDZIE UNIWERSALNYM NOŚNIKIEM ENERGII?
W związku z podjętymi działaniami Parlamentu Europejskiego oraz Rady Unii Europejskiej na rzecz
ograniczenia emisji CO2 i poprawy efektywności energetycznej szuka się nowych ekologicznych metod pozyskiwania energii elektrycznej, cieplnej oraz paliw transportowych. Coraz częstsze wykorzystanie odnawialnych źródeł będzie wymagało opracowania metod magazynowania nadwyżek
przetworzonej energii. Przewiduje się, że w tym celu będzie można wykorzystać wodór jako nośnik
energii. Zanim jednak gospodarka zostanie oparta na wodorze, należy dopracować technologie pozyskiwania taniego H2, bez emisji dwutlenku węgla, jego magazynowania i transportu oraz metod
wykorzystania.
Słowa kluczowe: wodór, paliwo, nośnik energii.
WSTĘP
Polityka energetyczna krajów Unii Europejskiej dąży do uzyskania w 2020
roku 20-procentowego ograniczenia emisji dwutlenku węgla w odniesieniu do roku
1990. Efekt ten ma zostać osiągnięty w wyniku wzrostu udziału w uzysku energii
elektrycznej i cieplnej ze źródeł odnawialnych oraz poprawy szeroko rozumianej
efektywności energetycznej. Energia ze źródeł odnawialnych wywiera istotny
wpływ nie tylko na ograniczenie emisji gazów cieplarnianych oraz innych form
zanieczyszczeń. W przyszłości zapewni również zwiększenie bezpieczeństwa dostaw energii (w tym ograniczenie importu energii lub paliw), postęp technologiczny oraz zwiększenie zatrudnienia. Parlament Europejski oraz Rada Unii
Europejskiej przez dyrektywę dotyczącą energii odnawialnej wymaga, aby państwa
członkowskie podjęły działania mające na celu osiągniecie 20-procentowego
(w Polsce 15-procentowego) udziału w uzysku energii ze źródeł odnawialnych do
roku 2020 [10, 18].
Wartość otrzymanej energii elektrycznej z odnawialnych źródeł energii, takich
jak energia wiatrowa czy słoneczna, nie jest stała (rys. 1). W przypadku turbin
wiatrowych ilość przetworzonej energii zależy od prędkości wiatru, której średnie
wartości zmieniają się wraz z porą roku oraz dnia. Wydajność ogniw fotowoltaicznych zależy od nasłonecznienia. Mogą to być przyczyny braku stabilności energetycznych sieci przesyłowych. Wiąże się również z potrzebą magazynowania
prądu elektrycznego. Bezpośrednie magazynowanie energii elektrycznej jest bardzo
trudne. Można do tego wykorzystać kondensatory lub superkondensatory, ale ich
R. Starosta, Czy wodór będzie uniwersalnym nośnikiem energii?
167
miesięczna wartość przetworzonej energii
[kWh/m-c]
pojemność elektryczna jest stosunkowo niewielka. Najczęściej stosuje się konwersję
energii elektrycznej na inne formy energii, np. mechaniczną w postaci energii potencjalnej wody lub sprężonych gazów lub energii kinetycznej wirujących mas (kół
zamachowych). Jako zasobniki energii wykorzystuje się także akumulatory lub
magazynuje się ją w postaci energii chemicznej wodoru cząsteczkowego, etylenu
albo metanolu [4, 22, 30, 34, 35, 41].
miesiąc
ogniwo fotowoltaiczne
turbina wiatrowa
(moc szczytowa 2 kW)
(WHI-500, moc nominalna 3 kW)
Rys. 1. Miesięczna wartość przetworzonej energii przez hybrydowy system zasilania
złożony z ogniwa fotowoltaicznego i turbiny wiatrowej [1]
Fig. 1. The monthly value of processed energy by hybrid power system consisting of
solar cells and wind turbin [1]
Wspomniana dyrektywa narzuca dodatkowy obowiązkowy cel, mianowicie
10-procentowy udział energii dla transportu ma pochodzić ze źródeł odnawialnych,
a mają go osiągnąć wszystkie państwa członkowskie. Przewiduje się, że w przyszłości jedynym stosowanym w Unii Europejskiej paliwem w transporcie samochodowym będzie wodór [10, 18].
1. WŁAŚCIWOŚCI WODORU
Zainteresowanie wodorem jako nośnikiem energii wynika z dużej wartości
opałowej tego paliwa w odniesieniu do jednostki masy. Wartość opałowa wodoru
wynosi 120 MJ/kg. Dla porównania wartość opałowa tradycyjnych paliw węglowodorowych jest blisko trzykrotnie mniejsza. Należy jednak pamiętać, że wodór
charakteryzuje się bardzo małą gęstością. Masa właściwa wodoru w temperaturze
0°C o ciśnieniu 0,1 MPa wynosi 80 g/m3. Natomiast ciekły wodór o temperaturze
poniżej 20 K ma gęstość 71 kg/m3. Wartość opałowa wodoru odniesiona do jednostki objętości jest niewielka. Wodór gazowy o ciśnieniu 0,1 MPa w temperaturze
168
ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 96, grudzień 2016
15°C cechuje się wartością opałową równą jedynie 10 MJ/m3, czyli blisko 3 tysiące
razy mniejszą od benzyny czy oleju napędowego. Wartość opałowa ciekłego
wodoru wynosi około 8500 MJ/m3 [20, 36].
2. PRODUKCJA WODORU
Gospodarka, która ma być oparta na wodorze jako nośniku energii, musi stanowić sieć powiązań pomiędzy produkcją wodoru cząsteczkowego, jego transportem do konsumenta, magazynowaniem oraz wykorzystaniem.
Produkcja wodoru obecnie nie stanowi dużego problemu technologicznego.
Światową produkcję H2 szacuje się na 500 mld m3. Wodór wykorzystywany jest
w głównej mierze przez przemysł chemiczny do produkcji amoniaku i metanolu
(rys. 2). Znaczną część wodoru (35%) zużywa przemysł petrochemiczny, np. do
odsiarczania paliw czy zwiększenia liczby oktanowej benzyny. W celach energetycznych stosuje się niewielką ilość tego pierwiastka [21].
Wykorzystanie wodoru
przemysł
petrochemiczny
35%
amoniak
51%
inne
5%
produkcja
metanolu
8%
cele
energetyczne
1%
Rys. 2. Wykorzystanie wodoru przez przemysł [21]
Fig. 2. The use of hydrogen by industry [21]
Surowce do produkcji wodoru
elektroliza
wody
4%
gaz
ziemny
48%
ropa
naftowa
30%
węgiel
18%
Rys. 3. Konwencjonalne surowce do produkcji wodoru [36]
Fig. 3. Conventional of components for hydrogen production [36]
169
R. Starosta, Czy wodór będzie uniwersalnym nośnikiem energii?
Obecnie wodór cząsteczkowy pozyskuje się głównie w wyniku reformingu
parowego metanu (gazu ziemnego), utleniania ciężkich frakcji ropy naftowej oraz
zgazowania węgla (rys. 3). Elektrolizę wody stosuje się w niedużym stopniu. Przyczynę małego wykorzystania elektrolizy wody do pozyskiwania cząsteczkowego
wodoru stanowi aspekt ekonomiczny. Wodór otrzymywany w wyniku elektrolizy
jest dużo droższy od pozostałych obecnie stosowanych metod uzyskiwania tego
produktu (rys. 4). Przy czym najdrożej wychodzi produkcja wodoru z wody, gdy
do zasilania elektrolizera wykorzystuje się energię elektryczną pozyskaną ze źródeł
odnawialnych [32, 36].
Produkcja wodoru z gazu ziemnego, węgla czy ropy naftowej wiąże się
z emisją CO2. Dlatego poszukuje się nowych, bezemisyjnych metod otrzymywania
H2. Można do nich zaliczyć:
• termiczny rozkład wody;
• termochemiczny rozkład wody;
• fotokatalizę;
• biokatalizę;
• fermentację biomasy;
• bioelektrolizę;
• pozyskiwanie z hydratów metanu.
koszt produkcji wodoru [$/GJ]
60
1 – reforming gazu ziemnego
2 – zgazowanie węgla
3 – utlenianie ropy naftowej
4 – zgazowywanie biomasy
5 – elektroliza (siłownia jądrowa)
6 – elektroliza (elektrownie wodne)
7 – elektroliza (elektrownie wiatrowe)
8 – elektroliza (ogniwa fotowoltaiczne)
50
40
30
20
10
0
1
2
3
4
5
6
7
8
metoda pozyskiwania wodoru
Rys. 4. Koszt pozyskiwania wodoru w zależności od rodzaju surowca [32]
Fig. 4. The cost of producing of hydrogen according to the type of raw materials [32]
Termiczny rozkład wody na H2 i O2 odbywa się w temperaturach od 1800 do
5000°C. Do termolizy wody wykorzystuje się piece (reaktory) słoneczne, z lustrami
parabolicznymi, o mocy kilku megawatów, osiągające temperaturę układu 2250°C.
W niższej temperaturze dochodzi do szybkiego utlenienia wodoru (rekombinacji)
[12, 20].
Procesy termochemiczne polegają na rozkładzie wody metodą wiązania wodoru z wody w związek, z którego może on być łatwo zdysocjowany cieplnie. Energia cieplna użyta do tego procesu może pochodzić z reaktorów jądrowych IV generacji (HTGR), w którym ośrodek chłodzący – hel – może osiągnąć temperaturę
ponad 1000°C [28].
170
ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 96, grudzień 2016
Przykładem termochemicznego rozkładu wody jest wielocykliczny proces
siarkowo-jodowy, w którym stosuje się kwas siarkowy oraz wodorek jodu (rys. 5).
W procesie tym zachodzą endotermiczne reakcje rozkładu kwasu siarkowego na
dwutlenek siarki, wodę i tlen oraz wodorku jodu na jod i wodór cząsteczkowy [28].
Rys. 5. Wielocykliczny siarkowo-jodowy (S-I) proces termochemicznego rozkładu wody [28]
Fig. 5. The polycyclic sulfur-iodine (S-I) process of thermochemical decomposition of water
Fotokataliza zachodząca na półprzewodnikach (np. TiO2) jest zainicjowana
absorpcją fotonu. W konsekwencji powstają pary elektron (e–) – dziura elektronowa (h+). Elektron z pasma podstawowego półprzewodnika przechodzi do pasma
przewodzenia i może zredukować H+ do H2. Natomiast w paśmie podstawowym
powstają dodatnio naładowane dziury elektronowe h+, które mogą utlenić H2O do
O2 [21].
Biokataliza występuje w dwóch odmianach: jako proces bezpośredni oraz
proces pośredni. Biokataliza bezpośrednia to biologiczny, fotosyntetyczny proces
produkcji wodoru, w którym energia świetlna (hν) jest wykorzystana do rozbicia
cząsteczki wody na wodór i tlen (1), w obecności biokatalizatora, hydrogenazy.
Przebiega w komórkach glonów (alg), takich jak zielenice, np. Chlamydomonas
reinhardtii, Chlorella fusca, Scenedesmus obliquus [25, 33].
2H 2 O + hν → 2H 2 + O 2 ,
(1)
gdzie:
h – stała Plancka [Js],
ν – częstotliwość fali promieniowania elektromagnetycznego [Hz].
W wyniku biokatalizy pośredniej wodór produkowany jest przez sinice
(np. Nostoc, Anabaena, Oscillatoria, Calothrix) na skutek redukcji atmosferycznego N2 do NH3 (równanie 2) przy udziale nitrogenazy jako katalizatora [33]:
N 2 + 8H + + 8e − + 16ATP → 2 NH3 + H 2 + 16ADP + 16Pi ,
(2)
171
R. Starosta, Czy wodór będzie uniwersalnym nośnikiem energii?
gdzie:
ATP − adenozyno-5'-trifosforan,
ADP − adenozyno-5'-difosforan,
Pi – anion fosforanowy.
Wodór cząsteczkowy może być również pozyskiwany z tzw. mokrej biomasy.
Schemat instalacji przedstawiono na rysunku 6. W pierwszym reaktorze, z udziałem
określonych beztlenowych bakterii (np. Enterobacter aerogenes, Alcaligenes
eutrophus, Caldicellulosiruptor saccharolyticus), przebiega fermentacja węglowodanów do wodoru, dwutlenku węgla oraz kwasów: masłowego, mlekowego i octowego, np. według reakcji (3):
C6 H12O6 + 2H 2O → 4H 2 + 2CO 2 + 2CH 3COOH,
(3)
2CH 3COOH + 4H 2O + hν → 8H 2 + 4CO 2.
(4)
kolektor
separator gazów
węglowodany
kwasy
organiczne
reaktor 1
kwasy
organiczne
reaktor 2
Rys. 6. Schemat instalacji do pozyskiwania wodoru w wyniku fermentacji
„mokrej” biomasy [19]
Fig. 6. Diagram of a installation for producing hydrogen from the fermentation
of wet biomass [19]
Wytwarzanie wodoru przez bakterie heterotroficzne w wyniku fermentacji,
bez udziału energii świetlnej, ma wiele zalet. Do najważniejszych należą: duża
szybkość wytwarzania H2 w porównaniu do biokatalizy oraz możliwość wykorzystania jako surowców odpadów organicznych [33].
W drugim reaktorze (tzw. fotobioreaktorze) w obecności bezsiarkowych bakterii (np. Rhodospirillum rubrum, Rhodopseudomonas sp., Rhodobacter sphaeroides)
z udziałem określonych enzymów (np. hydrogenazy) oraz światła przebiega przemiana kwasów organicznych do H2 oraz CO2. W końcowej operacji, obejmującej
oczyszczanie wytworzonego wodoru, usuwa się dwutlenek węgla [19, 37].
172
ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 96, grudzień 2016
Przemiana związków organicznych stanowiących produkt fermentacji wodorowej na H2 i CO2 wymaga dostarczenia energii, przy czym możliwe jest wykorzystanie energii elektrycznej zamiast energii świetlnej. Prowadzone są badania
nad możliwością uzyskania paliwa wodorowego w wyniku bioelektrolizy ścieków
przemysłowych i komunalnych [33].
Wodór można produkować również z biomasy poprzez jej gazyfikację albo
pirolizę. W wyniku gazyfikacji biomasy powstaje tzw. gaz syntezowy składający
się głównie z H2, CO, CO2, CH4 oraz zanieczyszczeń, np. smoły, grafitu, popiołu.
Biomasę wykorzystywaną do pozyskiwania cząsteczkowego wodoru mogą stanowić rośliny zarówno lądowe jak i wodne, w tym glony charakteryzujące się szybkim przyrostem biomasy, a także odpady pochodzące z sektora rolno-spożywczego
i leśnego, roślinność pochodząca z oczyszczenia rowów melioracyjnych czy odpady
powstałe przy utrzymywaniu zieleni miejskiej [9].
W Stanach Zjednoczonych Ameryki podejmuje się próby pozyskiwania wodoru z hydratów metanu (substancja krystaliczna złożona z cząsteczek wody i metanu)
zalegających na dnie Oceanu Spokojnego. Metan poddaje się reformingowi parowemu, a otrzymany dwutlenek węgla gromadzi się na dnie oceanu [36].
3. MAGAZYNOWANIE WODORU
Ograniczeniem w stosowaniu wodoru jako nośnika energii na szeroką
skalę jest jego magazynowanie. Mimo wielu możliwości wykorzystania wodoru
w energetyce oraz transporcie metody jego magazynowania napotykają trudności
uniemożliwiające wypromowanie wodoru jako paliwa zapewniającego stabilność
i bezpieczeństwo energetyczne. Wodór ocenia się jako dużo bardziej niebezpieczny
nośnik energii niż benzynę, olej napędowy albo metan. Charakteryzuje się niską
energią zapłonu (0,02 mJ) o rząd wielkości mniejszą od paliw węglowodorowych,
ponadto cząsteczka wodoru jest na tyle mała, że dyfunduje przez większość materiałów oraz przyczynia się również do ich korozji [9, 23].
O ile przechowywanie wodoru w zbiornikach stacjonarnych jest opracowane
(najczęściej są to zbiorniki sprężonego gazu lub zbiorniki krioskopowe), o tyle
ciągle nie udało się osiągnąć zadowalających wyników magazynowania wodoru
w pojemnikach przeznaczonych dla samochodów używających H2 jako paliwa.
Główny problem stanowi osiągnięcie zdolności zmagazynowania 5–7 kg H2
w objętości około 60–70 dm3, czyli odpowiadającej pojemności zbiornika na paliwa płynne w samochodach z silnikiem spalinowym. Obecnie najmniejsze zbiorniki
wodoru w samochodach osobowych zajmują ok. 200 dm3. Należy zaznaczyć, że
przechowywanie wodoru w tradycyjnych zbiornikach wymaga stosunkowo dużych
nakładów energii potrzebnych do sprężenia lub skroplenia gazu [39].
W związku z małą gęstością wodoru dla zgromadzenia odpowiedniej ilości
energii obecnie potrzeba zbiorników o dużej objętości i większej masie niż przy
stosowaniu konwencjonalnych paliw. Na przykład dla samochodu osobowego
z silnikiem spalinowym o zapłonie iskrowym w celu pokonania dystansu 700 km
(założony poziom zapotrzebowania na energię to 1560 MJ) potrzeba 13 kg wodoru.
173
R. Starosta, Czy wodór będzie uniwersalnym nośnikiem energii?
Objętość zbiornika H2 o parametrach stanu: 283 K i 0,1 MPa powinna wynosić
wówczas 156 m3. Po sprężeniu wodoru do ciśnienia 70 MPa pojemność zbiornika
będzie równa 260 dm3. Po skropleniu wodoru (temperatura ok. 20 K) pojemność
zbiornika można ograniczyć do 180 dm3 (rys. 7).
650 dm3
260 dm3
50 dm3
66 dm3
Benzyna
LPG
GH2 (283 K,
25 MPa)
GH2 (283 K,
70 MPa)
184 dm3
LH2 (20 K)
Rys. 7. Zapotrzebowanie na paliwo w celu uzyskania energii o wartości 1560 MJ [32]
Fig. 7. Fuel consumption in order to obtain energy of 1560 MJ
Do budowy wysokociśnieniowej butli gazowego wodoru stosuje się często
kompozyty węglowe pokryte od środka powłoką polimerową, której zadaniem jest
niedopuszczenie do dyfuzji wodoru (rys. 8).
Produkowane są zbiorniki gazowego wodoru wykorzystujące tzw. macierze
kapilarne składające się z rur szklanych o średnicy kilku mikrometrów. W pojedynczej macierzy o pojemności 32 dm3 można zmagazynować 1,4 kg wodoru pod
ciśnieniem 12 MPa (rys. 9) [11].
metalowa warstwa ochronna
warstwa z węglowego materiału kompozytowego
warstwa polimerowa chroniąca przed
dyfuzją wodoru
czujnik temperatury
elektromagnetyczny zawór
gazowy
reduktor ciśnienia
czujnik ciśnienia
zawór bezpieczeństwa
Rys. 8. Budowa wysokociśnieniowej butli „TriShield” do magazynowania gazowego wodoru
o ciśnieniu 70 MPa firmy Quantum [32]
Fig. 8. The construction of the high-pressure cylinders "TriShield" for the storage
of hydrogen gas at a pressure of 70 MPa by Quantum [32]
174
ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 96, grudzień 2016
przewód zaworu bezpieczeństwa
kadłub zbiornika
macierz kapilarna
przewód odprowadzający/doprowadzający
Rys. 9. Budowa zbiornika wodoru wykorzystująca tzw. macierze kapilarne [11]
Fig. 9. Construction of a hydrogen tank using a capillary matrices [11]
Problematycznie przedstawia się pomysł magazynowania wodoru w samochodach w postaci ciekłej (LH2). Problem stanowi utrzymanie wodoru w zbiorniku
samochodowym w stanie ciekłym. Istnieje zatem potrzeba zastosowania albo systemu chłodzenia zbiornika ciekłego wodoru, np. w wyniku odparowania ciekłego
azotu bądź izolacji próżniowej. Zbiornik ciekłego wodoru bez układu chłodzenia
umieszczony jest wewnątrz drugiego zbiornika, w którym panuje próżnia – takie
rozwiązanie zastosowano w samochodzie BMW Hydrogen 7. Ciekły wodór można
przechowywać w opisanym zbiorniku jedynie do 14 dni w związku z dyfuzją odparowanego wodoru przez ścianki zbiornika [23].
Innym sposobem magazynowania wodoru jest możliwość wypełnienia zbiorników materiałami, które z wodorem tworzą roztwory stałe lub związki kompleksowe. W tym przypadku problem stanowi mały udział masowy wodoru w stosunku
do masy zbiornika (tab. 1) [8, 12, 38, 43].
Tabela 1. Przykłady faz międzymetalicznych oraz związków kompleksowych
wykorzystywanych do magazynowania wodoru [32]
Table 1. Examples of intermetallic phases and the complex compounds used
for hydrogen storage [32]
Faza
międzymetaliczna
Udział masowy
wodoru [%]
Związek
kompleksowy
Udział masowy
wodoru [%]
Mg2Ni
3,60
NaAlH4
7,5
TiFe
1,86
LiAlH4
10,6
ZrNi
1,85
Mg(AlH4)2
9,3
ZrMn2
1,77
NaBH4
10,7
LaNi5
1,49
LiBH4
18,5
Mg(BH4)2
14,9
Wodór można magazynować w zbiornikach, w których jako adsorbenty wykorzystuje się materiały węgłowe, takie jak nanorurki, grafen lub karbin. Nanorurki
umożliwiają uzyskanie udziału masowego wodoru równego 11%, a stężenie masowe może wynieść 60 kg/m3. Trwają prace badawcze nad możliwością stosowania
R. Starosta, Czy wodór będzie uniwersalnym nośnikiem energii?
175
grafenu do adsorbowania cząsteczek wodoru. Szacowany udział masowy H2 to 8
do 14%, a stężenie masowe – nawet 75 kg/m3. Przewiduje się możliwość użycia
karbinu – wówczas udział masowy wodoru wyniósłby do 50% [5, 14, 42].
Rozważa się możliwość dystrybucji wodoru poprzez wykorzystanie infrastruktury przesyłu gazu ziemnego. Siedemnastoprocentowy udział wodoru nie
wpływa znacząco na bezpieczeństwo eksploatacji rurociągów gazu ziemnego. Wodór
mógłby znaleźć wówczas zastosowanie jako komponent gazu ziemnego, zmniejszający deficyt tego gazu w krajach Unii Europejskiej [16, 23].
4. WYKORZYSTANIE WODORU
Wykorzystywanie wodoru jako paliwa w konwencjonalnych silnikach spalinowych, jak w silniku Wankla, jest możliwe ze względów technicznych i ekonomicznych (tańsze rozwiązanie niż ogniwa paliwowe). Jednak przystosowanie silnika do zasilania tylko tym paliwem wiąże się z koniecznością dokonania wielu
istotnych zmian w konstrukcji elementów i układów silnika. Podstawowe problemy
konstrukcyjne i technologiczne w pojazdach przystosowanych do zasilania wodorem to zapewnienie: zmiennych faz rozrządu, zmiennego kąta wyprzedzenia zapłonu, żeliwnej tulei cylindrowej i chromowanej gładzi cylindrowej (w celu zapobieżenia korozji wodorowej), zwiększonej szczelności zaworu ssącego, wentylowanego karteru (w celu uniknięcia samozapłonu wodoru przedostającego się przez
pierścienie tłokowe), doboru odpowiednich środków smarnych oraz opracowania
układu zasilania [15, 40].
Istnieje możliwość współspalania w silniku wewnętrznego spalania tradycyjnych paliw płynnych, jak również gazowych (LPG, CNG) z udziałem wodoru.
W takich przypadkach często nie ma konieczności interwencji w konstrukcję
silnika. Adaptacji wymaga jedynie układ zasilania. Współspalanie pozwala na ograniczenie emisji węglowodorów, tlenku węgla oraz zadymienia spalin. Zwiększa się
natomiast emisja NOx. Wprowadzenie zasilania wodorem silnika samochodowego
jako dodatku do paliwa oryginalnego powoduje zmniejszenie momentu obrotowego silnika i skłonność mieszanki paliwowo-powietrznej do spalania stukowego
[2, 3, 13, 24].
Koncern Enel uruchomił pierwszą działającą na skalę przemysłową elektrownię stosującą wodór do zasilania turbiny gazowej o mocy 12 MW. Zakład powstał
w miejscowości Fusina niedaleko Wenecji [27].
Za najbardziej perspektywiczny sposób wykorzystania wodoru jako paliwa
transportowego uznaje się zastosowanie go głównie w niskotemperaturowych
ogniwach paliwowych (np. PEMFC lub PAFC) ze względu na wyższą sprawność
tych urządzeń niż silników spalinowych [29, 36].
Ogniwa paliwowe stosuje się jako elektrownie lub elektrociepłownie dużych
(np. ogniwa MCFC lub SOFC) i małych mocy w energetyce rozproszonej (np.
PRMFC albo PAFC). Zaletą ogniw paliwowych jest możliwość ich eksploatacji
w szerokim zakresie zmienności obciążeń elektrycznych, przy zachowaniu wysokiej sprawności przetwarzania energii pierwotnej na użyteczną [6, 7, 26].
176
ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 96, grudzień 2016
W celach energetycznych w przyszłości będzie można pozyskiwać energię
cieplną i elektryczną w wyniku fuzji izotopów wodoru, trytu i deuteru. W tokamakach (reaktorach termojądrowych) plazma utrzymywana jest z dala od ścian reaktora za pomocą silnego pola magnetycznego. Pozwala to na podgrzanie jej do koniecznej temperatury 100–150 milionów stopni Celsjusza i podtrzymanie reakcji
fuzji. Jądra helu produkowane w reakcji fuzji unoszą w formie energii kinetycznej
około 20% energii wyprodukowanej w czasie reakcji. Energia ta przekazywana jest
plazmie. Pozwala to na samo podgrzewanie się plazmy i utrzymanie odpowiedniej
temperatury, koniecznej dla procesu syntezy. Neutrony produkowane w reakcji
unoszą 80% wyzwolonej energii. Ponieważ nie mają one ładunku elektrycznego,
nie są utrzymywane w polu magnetycznym i trafiają w „blanket” – wyłożenie ścian
reaktora, gdzie oddają swoją energię. Przepływające przez blanket medium chłodzące odbiera tę energię [17, 31].
PODSUMOWANIE
Rozwój gospodarki opartej na wodorze jako wtórnym nośniku energii będzie
uzależniony od:
• postępu w dziedzinie bezemisyjnych sposobów uzyskiwania cząsteczkowego
wodoru;
• rozwiązań dotyczących magazynowania wodoru. W przyszłości przewiduje się
wykorzystanie alotropowych odmian węgla, takich jak grafen czy karbin,
jako adsorbentów wodoru;
• rozwoju infrastruktury przeznaczonej do dystrybucji wodoru;
• decyzji administracyjnych.
LITERATURA
1. Alternatywne źródła energii dla rodziny, http://biuro-inzynierskie.com/turbina wiatrowa.html.
2. Biały M., Wendker M., Gęca M., Identyfikacja spalania stukowego w silniku Wankla zasilanym
paliwem wodorowym, Autobusy: Technika, Eksploatacja, Systemy Transportowe, 2012, nr 3.
3. Biały M., Wendeker M., Kamiński Z. et al., Samochody zasilane wodorem, Autobusy: Technika,
Eksploatacja, Systemy Transportowe, 2011, nr 12.
4. Boczar T., Szczyrba T., Ocena wpływu warunków meteorologicznych na sprawność turbin wiatrowych, Pomiary, Automatyka, Kontrola, 2012, nr 58.
5. Brazhe R.A., Olenin I.S., Supracrystalline analogues of carbon nanomaterials for the hydrogen
storage, Journal of Physics: Conference Series, 2012, vol. 345, no. 1.
6. Butlewski K., Ogniwa paliwowe w elektrociepłowniach rolniczych, Problemy Inżynierii Rolniczej,
2013, nr 21.
7. Ceran B., Ogniwa paliwowe w generacji rozproszonej, Poznan University of Technology Academic Journals. Electrical Engineering, 2013.
R. Starosta, Czy wodór będzie uniwersalnym nośnikiem energii?
177
8. Denys R.V., Zavalii I.Y., Paul-Boncour V., Pecharsky V., Characteristic features of the sorption–
desorption of hydrogen by Mg–M–Ni (M= Al, Mn, Ti) ternary alloys, Materials Science, 2013,
vol. 49, iss 2.
9. Dudek M., Dębowski M., Grala A. et al., Produkcja wodoru w procesach biologicznych prowadzonych przez glony, [w:] Interdyscyplinarne zagadnienia w inżynierii i ochronie środowiska, t. 4,
T. Traczewska (red.), Wyd. Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2014.
10. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/28/WE z dnia 23.04.2009 r. w sprawie promowania stosowania energii ze źródeł odnawialnych zmieniająca i w następstwie uchylająca dyrektywy 2001/77/WE oraz 2003/30/WE (Dz.Urz. L 140, 5.06.2009).
11. Eliezer D., Holtappels K., Beckmann-Kluge M., An innovative technology for hydrogen storage
in portable and mobile systems, Proceedings of the 18th World Hydrogen Energy Conference
2010, Essen 2010.
12. Gandia L.M., Arzamedi G., Dieguez P.M., Renewable Hydrogen Technologies: Production,
Purification, Storage, Applications and Safety, Elsevier Science, 2013.
13. Grabowski Ł., Pietrykowski K., Wendker M., Model samochodowego silnika zasilanego wodorem, Autobusy: Technika, Eksploatacja, Systemy Transportowe, 2012, nr 13.
14. Grafenowe zbiorniki na wodór, materiały informacyjne platformy „L.E.M. Nano” Agencji Rozwoju Przemysłu, 2013.
15. Ho T., Karri V., Lim D., Barret D., An investigation of engine performance parameters and artificial intelligent emission prediction of hydrogen powered car, International Journal of Hydrogen
Energy, 2008, vol. 33, no. 14.
16. Hydrogen iniection into natural gas grid, Water Electrolysis and Renewable Energy System,
2013, May, http://www.fuelcelltoday.
17. ITER: the world's largest Tokamak, https://www.iter.org.
18. Krajowy Plan Działania w zakresie energii ze źródeł odnawialnych, Ministerstwo Gospodarki,
2010.
19. Krużewski W., Innowacyjność w zakresie odnawialnych źródeł energii i wizja rozwoju bioenergii, materiały konferencyjne, Upowszechnienie badań na temat odnawialnych źródeł energii oraz
wsparcie ochrony własności intelektualnej z tego obszaru, Kazimierz Dolny 2010.
20. Lewandowski W.M., Proekologiczne odnawialne źródła energii, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 2012.
21. Ludwiczak M., Właściwości i aktywność modyfikowanych perowskitów tytanowych w fotokatalitycznym rozkładzie wody, praca niepublikowana, Uniwersytet im. A. Mickiewicza w Poznaniu,
Poznań 2012.
22. Majchrzak H., Tomasik G., Kwiatkowski M., Wykorzystanie technologii magazynowania energii
do integracji energetyki wiatrowej z systemem elektroenergetycznym, Energetyka, 2012, nr 10.
23. Marzec A., Problemy wodorowego paliwa, Polityka Energetyczna, 2007, t. 10, nr 1.
24. Merkisz J., Indzior M., Bajerlejn M., Daszkiewicz P., Wpływ dodatku wodoru do oleju napędowego na parametry silnika z zapłonem samoczynnym, Czasopismo Techniczne. Mechanika,
2012, nr 109.
25. Moritz M., Biologiczne metody otrzymywania wodoru, Chemik, 2012, t. 66, nr 8.
26. Ochodek T., Michalski M., Mikrobiogazownia z ogniwem paliwowym typu SOFC do wysokosprawnościowej produkcji energii elektrycznej i ciepła, Instal, 2014, nr 3.
27. Olszowiec P., Prąd z wodoru, Energia Gigawat, 2011, nr 3.
28. Pieńkowski L., Energetyka jądrowa w Polsce. Synergia przemysłu węglowego i energii jądrowej,
Polityka Energetyczna, 2006, nr 9.
29. Polakowski K., Samochody elektryczne pojazdami najbliższej przyszłości, Prace Instytutu Elektrotechniki, Politechnika Warszawska, 2011, z. 252.
178
ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 96, grudzień 2016
30. Popławski T., Szeląg P., Wykorzystanie własności podobieństwa procesów do prognozowania
mocy przez turbiny wiatrowe, Rynek Energii, 2011, nr 1.
31. Romaniuk R.S., Fuzja: perspektywa 2050, Elektronika: Konstrukcje, Technologie, Zastosowania,
2013, vol. 54, nr 6.
32. Romański L., Wodór nośnikiem energii, Wyd. Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu,
Wrocław 2007.
33. Sikora A., Produkcja wodoru w procesach prowadzonych przez drobnoustroje, Postępy Mikrobiologii, 2008, nr 47.
34. Sikora R., Zeńczak M., Magazynowanie energii elektrycznej w systemie elektroenergetycznym,
Napędy i Sterowanie, 2011, nr 13.
35. Sroczan E., Programowanie pracy odbiorników i niekonwencjonalnych źródeł energii w budynku
energooszczędnym, XV Sympozjum „Klasyczne i inteligentne sieci oraz instalacje – projektowanie, budowa, eksploatacja”, Poznań 2012.
36. Surygała J., Wodór jako paliwo, WNT, Warszawa 2008.
37. Szewczyk K.W., Biologiczne wytwarzanie wodoru, Postępy Mikrobiologii, 2008, t. 47, nr 3.
38. Szymak P., Metody magazynowania wodoru w platformach podwodnych, Logistyka, 2011, nr 3.
39. Tomczyk P., Szanse i bariery rozwoju energetyki wodorowej, Polityka Energetyczna, 2009, nr 12.
40. Verhelst S., Sierens R., Verstraeten S., A critical review of experimental research on hydrogen
fueled SI engines, SAE Technical Paper, 2006, no. 430.
41. Wasilewski J., Baczyński D., Krótkoterminowe prognozowanie produkcji energii elektrycznej
w systemach fotowoltaicznych, Rynek Energii, 2011.
42. Włudyka M., Karbin – odmiana węgla lepsza niż grafen, http://materialyinzynierskie.pl.
43. Zadorozhnyy V.Y., Klyamkin S.N., Kaloshkin S.D. et al., Mechanochemical synthesis and
hydrogen sorption properties of nanocrystalline TiFe, Inorganic Materials, 2011, vol. 47, no. 10.
HYDROGEN, A UNIVERSAL ENERGY CARRIER?
In connection with the activities of the Parliament and the Council of the European Union to reduce
CO2 emissions and improve energy efficiency are sought for new, more environmentally friendly
methods to generation of electricity and heat, as well as transport fuels. The increasing use of
renewable sources will require the development of methods for storing surplus processed energy. It is
expected that for this purpose may be will use hydrogen as an universal energy carrier. However,
before the economy will be based on hydrogen should be developed inexpensive technologies of H2
production (without carbon dioxide emissions), its storage and transport, and methods of use.
Keywords: hydrogen, fuel, energy carrier.