Wodór napędza przyszłość

Zespół, w którym Pan pracuje, bada możliwości opracowania mobilnego zbiornika na wodór. Na czym polega trudność w produkcji takich zbiorników do samochodów?

Magazynowanie wodoru to ogólnie trudny temat, a w przypadku pojazdów – nawet szczególnie trudny. Wodór jest najlżejszym pierwiastkiem, i choć w kilogramie wodoru zgromadzone jest rekordowo dużo energii, to taki kilogram zajmuje również rekordowo dużo miejsca. Jest to istotnym ograniczeniem w przypadku pojazdów. Jesteśmy przyzwyczajeni do tego, że bak samochodu jest ukryty gdzieś między tylną kanapą a bagażnikiem i chcemy, żeby tak zostało. Jednocześnie chcemy na jednym tankowaniu przejechać ponad 500 km.

Jak w takim razie magazynuje się wodór?

Metody magazynowania wodoru można podzielić na dwie główne grupy: chemiczne i fizyczne. W chemicznych kryje się największy potencjał, bo chociażby woda zawiera w sobie bardzo dużo wodoru. Problem w tym, że aby go z niej wydobyć, potrzeba więcej energii niż uzyskamy później z samego wodoru. Istnieją jednak inne związki chemiczne, m.in. wodorki metali, z których można korzystać jak z podręcznego magazynu wodoru. Niestety żaden z nich nie jest na tyle sprawny, żeby go stosować praktycznie. Dlatego, czekając na dobry magazyn chemiczny, skupiliśmy się na metodach fizycznych.

Obecnie najczęstszym sposobem magazynowania wodoru jest sprężanie go do wysokiego ciśnienia. W powszechnym użyciu są teraz dwa standardy – 350 oraz 700 bar (atmosfer). Dla porównania, w oponach mamy ciśnienie rzędu 2-5 bar, a w ciśnieniowym ekspresie do kawy 10-15 bar. Duże stalowe butle, które zasilają np. spawarki na budowach, wytrzymują 150-200 bar. Jak widać, przy wodorze musimy pójść dalej, co wymaga znaczącego wzmocnienia konstrukcji. W przypadku zbiorników do pojazdów trzeba też zadbać o ich niską masę, żeby samochód nie był przesadnie ciężki. W Instytucie Wysokich Ciśnień opracowujemy technologię, która pozwala magazynować wodór pod jeszcze wyższym ciśnieniem 1500 bar.

Co w takim razie jest w stanie wytrzymać takie ciśnienie?

Takie zbiorniki wykonuje się z kompozytu węglowego. Wewnętrzną warstwą zbiornika jest tzw. liner, wykonany z tworzywa sztucznego. Pełni taką funkcję jak dętka w kole rowerowym albo piłce – nie przepuszcza gazu. Na linerze nawinięte jest wiele warstw kompozytu – włókna węglowego połączonego żywicą. To kompozyt zapewnia wytrzymałość niezbędną do utrzymania gazu pod bardzo wysokim ciśnieniem. Jest przy tym dużo lżejszy od stali. A my proponujemy do tego nową konstrukcję zbiornika, dzięki której dwukrotnie zwiększymy ciśnienie magazynowanego wodoru. Niestety zwiększymy przy tym jego masę, ale również bezpieczeństwo, tak ważne w urządzeniach codziennego użytku.

Czy na ulicach już dziś można spotkać samochody napędzane wodorem?

Można, ale trzeba mieć dużo szczęścia. W Polsce nie działa jeszcze ani jedna komercyjna stacja tankowania wodoru. Największą flotą aut wodorowych dysponuje Polsat, który kupił w zeszłym roku koło 40 sztuk i wybudował na własny użytek stację tankowania. Możliwe, że później rozpocznie budowę komercyjnych stacji. Istnieją też pojedyncze zarejestrowane sztuki, ale raczej rzadko wyjeżdżają na drogi o własnych siłach.

Czy kiedyś zamiast ropy, tankować będziemy na stacjach wodór?

Oczywiście, to już się dzieje w paru miejscach na świecie, m. in. w Kalifornii czy Japonii Pamiętajmy też, że wodór może napędzać nie tylko nasze auta. Może być wykorzystywany do ciężarówek, autobusów, pociągów, statków, maszyn budowlanych, górniczych. To wszystko są odrębne zastosowania, każde ze swoją własną specyfiką. W niektórych obszarach napęd wodorowy będzie rozwijał się szybciej, w innych wolniej, z innymi technologiami też będzie musiał rywalizować. Ale sukces w jednej dziedzinie, np. autobusach miejskich, automatycznie ułatwi rozwój w innych obszarach.

Jak będzie to wyglądało w przypadku samochodów osobowych?

Problemem jest rozmiar potrzebnej infrastruktury. Jesteśmy przyzwyczajeni, że do najbliższej stacji paliw mamy od domu kilka kilometrów, a na trasie denerwujemy się, gdy musimy na kolejną czekać dłużej niż 15 minut. W Polsce mamy prawie 8 tysięcy konwencjonalnych stacji paliw, a budowa stacji wodorowych, które mają znacząco odmienną konstrukcję, wymaga jeszcze dużo czasu i olbrzymich nakładów finansowych.

Które z  rozwiązań jest bardziej perspektywiczne: baterie czy ogniwa paliwowe?

Silnik elektryczny potrzebuje prądu, a ten może pochodzić z baterii chemicznych, podobnych do tych w naszych telefonach, lub z ogniwa paliwowego połączonego ze zbiornikiem wodoru. Dzisiaj wykorzystanie pojazdów na baterie jest znacznie większe, większość dużych marek samochodów ma takie modele w swojej ofercie, a sieć szybkiego ładowania w wielu krajach pozwala już na swobodne podróżowanie. Pamiętajmy także, że takie baterie można, choć powoli, ładować z dowolnego gniazdka elektrycznego.

Nie przesądza to jednak o zwycięstwie baterii w tym wyścigu w dłuższej perspektywie. Żebyśmy wszyscy mogli przesiąść się do samochodów z bateriami, potrzebna by była istotna rozbudowa sieci elektrycznej, żeby dostarczyć tak duże moce do stacji ładowania. Wodór jest pod tym względem bardziej perspektywiczny.

Źródło: Unsplash

Jak działa ogniwo paliwowe?

Ogniwo paliwowe to urządzenie, które łączy atomy wodoru z atomami tlenu i wytwarza energię elektryczną oraz wodę. Chemicznie proces jest podobny jak przy spalaniu wodoru w powietrzu, co można wykorzystać w wodorowym silniku spalinowym. Ogniwo paliwowe pozwala przeprowadzić ten proces w mniej wybuchowy sposób, przy pomocy membrany przepuszczającej protony. Przypomina to akumulator, którego nie musimy ładować prądem, lecz zasilamy paliwem – wodorem. Ogniwo paliwowe ma znacznie większą sprawność niż spalinowy silnik wodorowy, tzn. z jednego kilograma  wodoru uzyskujemy znacznie więcej energii do napędzania samochodu.

A gdzie już dziś, na większą skalę, stosuje się wodór w motoryzacji?

W zastosowaniach specjalistycznych wodór może już rywalizować z bateriami. Dla miasta inwestującego w „czyste” autobusy nie ma różnicy czy wyda pieniądze na stacje ładowania elektrycznego, czy wodorowe. Istotne są jedynie kwestie dostępności, ceny i koszty eksploatacji. Pod tym względem baterie mają przewagę jakichś 5-10 lat, ale różnica się zmniejsza i możemy spodziewać się, że w polskich miastach będziemy jeździć autobusami zasilanymi wodorem.

Jak wygląda kwestia bezpieczeństwa takich silników? Czy są to rozwiązania bezpieczne?

Wszystkie pojazdy wodorowe są konstruowane od początku do końca z myślą o tym gazie i przechodzą wszechstronne testy bezpieczeństwa. Wodór może być tak samo  niebezpieczny, tak jak niebezpieczny jest prąd w gniazdku, gaz w kuchence czy butli, benzyna w baku samochodu czy elektrolit w baterii. I tak jak z każdą z tych substancji, trzeba umieć się z nim obchodzić. A my już potrafimy to robić,  więc możemy dziś używać wodoru w 100% bezpiecznie. Ma on wręcz pewne zalety w porównaniu do np. gazu ziemnego. Z uwagi na swoją małą masę, bardzo szybko unosi się do atmosfery i nie wywołuje długotrwałych pożarów.

W jaki sposób pozyskuje się zielony wodór?

Wodór zielony to wodór pozyskany z odnawialnych źródeł energii – energii słonecznej, wiatrowej i z biomasy. Nie pozostawia po sobie śladu węglowego. Szary i niebieski, to taki, który pochodzi od paliw kopalnych. Jest to istotne rozróżnienie, ponieważ wodór stosuje się od dawna i w dużych ilościach w przemyśle, jednak pozyskiwany on był głównie z gazu ziemnego. Z punktu widzenia środowiska wykorzystywanie szarego wodoru nie różni się więc znacząco od zasilania samochodu gazem LPG.

Do czego jeszcze wykorzystywać się będzie wodór?

Wodór ma olbrzymie znaczenie nie tylko dlatego, że sam w sobie jest „zielony”, ale również dlatego, że pozwala magazynować energię odnawialną. Aktualnie nadprodukcja takiej energii oddawana jest do konwencjonalnej sieci energetycznej, również z tej sieci czerpiemy energię, gdy zabraknie chwilowo źródeł odnawialnych, czyli wiatru lub słońca. Ten system działa, dopóki źródła odnawialne są niewielkie w porównaniu do źródeł węglowych. Jeżeli jednak chcemy całkowicie przejść na OZE, musimy wytworzyć magazyny energii. I tu do gry wchodzą baterie chemiczne i właśnie zielony wodór.

Dziękuję za rozmowę

Źródło: Materiały prasowe Solaris