Energetyka Wodorowa – Technologie i Perspektywy

Prof. Dr hab. inż. Janina Molenda ″Energetyka Wodorowa – Technologie i Perspektywy″, Raport Ekspertów Sektora OZE 2008

Tematyka energetycznego wykorzystania wodoru staje się kluczowa dla przyszłości energetycznej świata i obecnie jest przedmiotem intensywnych badao i wielkich nakładów finansowych w USA, Japonii i bogatych krajach Europy. Zainteresowanie wodorem jako nośnikiem energii wynika z jego szczególnie korzystnych cech:

  • Wodór reagując z tlenem uwalnia znaczną ilość energii – 143.1 MJ/kg a jedynym produktem reakcji jest woda, co oznacza iż nie są uwalniane żadne zanieczyszczenia do środowiska,
  • Wykazuje predyspozycje do bezpośredniego przetwarzania energii reakcji wodoru z tlenem na energię elektryczną w ogniwach paliwowych, - możliwości magazynowania wodoru są większe niż w przypadku prądu elektrycznego,
  • Istnieją potencjalne możliwości wytwarzania wodoru metodami bezemisyjnymi i niskoemisyjnymi.

Uwarunkowania geologiczne Polski wskazują iż przyszłościową technologią wytwarzania paliwa wodorowego powinno być zgazowanie węgla, którego zasoby mogłyby zapewnić samowystarczalność energetyczną Polski na kilkadziesiąt lat.

Potrzeby badawcze szeroko pojętej gospodarki wodorowej można sklasyfikować w trzech obszarach:

  • Dywersyfikacja źródeł pozyskiwania wodoru tak by koszt uzyskiwanego paliwa był porównywalny z kosztem paliw uzyskiwanych z kopalin (ropy naftowej, gazu ziemnego węgla),
  • Rozwój metod przechowywania wodoru w aspekcie zastosowania w transporcie oraz stworzenie bezpiecznej technologii przesyłania wodoru,
  • Energetyczne wykorzystanie wodoru w ogniwach paliwowych dla wysokoefektywnej generacji elektryczności.

Należy jednak podkreślić, iż mimo wielu aspektów „energetyki wodorowej” kluczem do sukcesu tej idei jest rozwiązanie fundamentalnych zagadnień materiałowych.

Ponieważ ostatecznym celem systemu energetyki wodorowej jest przede wszystkim wytwarzanie energii elektrycznej, najistotniejszym aspektem technologii wodorowych jest użycie wodoru jako paliwa dla ogniw paliwowych. Z jednostki masy paliwa można w ogniwie paliwowym potencjalnie uzyskać przeszło dwukrotnie więcej użytecznej energii niż to ma miejsce w silniku cieplnym. Rozwój technologii ogniw paliwowych zadecyduje w największym stopniu o powodzeniu całego „ programu wodorowego”. Ogniwa paliwowe uznawane są w świecie za najbardziej obiecujące generatory energii elektrycznej zarówno dla elektrowni wielkiej mocy jak i małych, rozproszonych generatorów energii, a także jako źródła elektryczności dla napędu pojazdów mechanicznych. Wysoka sprawność ogniwa paliwowego, pracującego cicho, bo pozbawionego ruchomych części mechanicznych i produkującego minimalne ilości zanieczyszczeń, faworyzuje tę technologię dla przyszłościowych źródeł prądu. Szybkość „ładowania” takiego generatora (napełnienie paliwem) jak i potencjalna odwracalność tego procesu (magazynowanie chwilowego nadmiaru energii elektrycznej w postaci energii chemicznej) to dodatkowe atuty.

Zasadniczym paliwem dla niskotemperaturowych ogniw paliwowych PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell), przeznaczonych do napędu samochodów i przenośnej elektroniki, jest wodór. Wymagany jest tu wysokiej czystości wodór (CO<5ppm) z uwagi na możliwość zatrucia katalizatora platynowego. Wyzwania technologiczne dla tej kategorii ogniw to opracowanie funkcjonalnego elektrolitu protonowego oraz efektywnych katalizatorów z minimalną ilością platyny do redukcji tlenu i utleniania wodoru.

W wysokotemperaturowych ogniwach paliwowych SOFC (Solid Oxide Fuel Cell), przeznaczonych dla stacjonarnej energetyki możliwe jest użycie paliw pochodzących ze źródeł naturalnych takich jak gaz ziemny, gaz syntezowy, koksowniczy lub pochodzący ze zgazowania węgla, biogazu i lekkich frakcji ropy naftowej.

Fundamentalne znaczenie badań naukowych dla rozwoju gospodarki wodorowej

Światowe niepowodzenia w szerokiej komercjalizacji dotychczasowych technologii ogniw paliwowych związane są z usilnym wdrażaniem technologii opartych na materiałach technologicznie niedopracowanych. Zostało to dobrze uchwycone w Raporcie Departamentu Energii USA (2006), gdzie wskazano na potrzebę przełomu w opracowaniu materiałów dla technologii wodorowych. Istnieje przepaść pomiędzy obecnymi możliwościami technologii ogniw paliwowych a potrzebami praktycznej energetyki wodorowej, która byłaby konkurencyjna w stosunku do obecnej, opartej o węgiel i ropę. Przede wszystkim koszt wytworzenia ogniwa paliwowego musi być obniżony o niemal 90% a koszt produkcji energii elektrycznej uzyskiwanej za pośrednictwem ogniw paliwowych do ok. ź dzisiejszych kosztów. Celem nie jest doskonalenie obecnych technologii a przełom naukowy i technologiczny w rozumieniu i sterowaniu chemicznymi i fizycznymi reakcjami wodoru z materią. Należy wskazać na specyfikę tak postawionego zadania, w którym konieczne jest współdziałanie wielu specjalistów różnych dziedzin, gdyż problemy techniczne przekraczają klasyczne bariery pomiędzy naukami takimi jak fizyka, chemia czy inżynieria materiałowa. Jest tu szczególnie miejsce dla technologii nanomateriałów, których właściwości są niezwykle obiecujące w tej dziedzinie (np. nanoelektrolity pozwolą obniżyć temperaturę pracy ogniw SOFC do 600oC z obecnych 1000oC , co jest kluczem do komercjalizacji tej technologii; nanokatalizatory pozwolą także znacznie podnieść efektywność reakcji elektrodowych itd.). Zrozumienie na poziomie atomowym podstawowych procesów związanych z katalizą w każdej z tych dziedzin jak również wykorzystanie nanokatalitycznych cząstek i struktur wywoła skorelowany postęp we wszystkich kierunkach. Technologia nanomateriałów dla technologii wodorowych może odnieść spektakularny sukces. W Europie dopiero pojawiły się pierwsze sygnały (w 7 PR) konieczności powrotu do podstawowych badań materiałowych. Konieczny jest długoterminowy, silnie stymulowany program badań podstawowych skorelowany z istniejącymi programami badawczymi w tej dziedzinie. Na świecie, głównie w USA, Japonii i krajach Europy Zachodniej powstały centralne, priorytetowe i wysoko finansowane programy badawcze (jak np. tzw. Projekt Busha w USA) dla uzyskania znaczącego i przełomowego postępu w tej dziedzinie.

W Polsce, gdzie prace badawczo-rozwojowe w zakresie ogniw paliwowych nie zostały podjęte w dostatecznej skali, sytuację ocenić należy jako bardzo niekorzystną, bo prowadzącą w przyszłości do koniecznych zakupów gotowych, bardzo drogich urządzeń z ogniwami paliwowymi różnych Inwestycje kategorii. W mojej ocenie w Polsce istnieje znaczący potencjał naukowo-badawczy w dziedzinie technologii wodorowych i ogniw paliwowych. Istnieje zaplecze i tradycje naukowo-badawcze dla wyrafinowanych technologii materiałów ceramicznych. Polscy naukowcy mają znaczące osiągnięcia w zakresie badań materiałowych dla ogniw paliwowych. Mamy specjalistów w zakresie wszystkich zagadnień dotyczących konstrukcji ogniw paliwowych - począwszy od opracowania materiałów elektrodowych, elektrolitu i interkonektorów, oraz technologii otrzymywania cienkowarstwowych tworzyw ceramicznych, modelowania przepływów masy i energii poprzez konstrukcję i uszczelnienie stosu aż do zagadnień związanych z testowaniem efektywności i czasów życia ogniw. Tematyka ta, tak gwałtownie rozwijająca się w świecie w Polsce jest zupełnie niedoceniana przez władze państwowe. Brak jest polskiego programu w zakresie technologii wodorowych i ogniw paliwowych. Nasze ośrodki indywidualnie współpracują z ośrodkami zagranicznymi przyczyniając się do rozwoju tych technologii w innych krajach. Podejmowane są próby budowy polskiego ogniwa paliwowego typu SOFC oraz PEMFC, praktycznie bez wsparcia finansowego. Pomimo usilnych starań Środowiska naukowego nie został uruchomiony narodowy program w dziedzinie ogniw paliwowych , jak również nie uruchomiono ani jednego grantu zamawianego ( 2 granty zamawiane zostały złożone w 2005 roku i nie doczekały się realizacji). W takiej sytuacji ambicje polskich badaczy realizują się w ramach współpracy europejskiej, co odbędzie się jednak ze szkodą dla rozwoju naszej własnej technologii. Stworzenie kompleksowego polskiego programu badawczego, którego finalnym celem jest opracowanie technologii i konstrukcja ogniw paliwowych pozwoli na bezpośredni efekt gospodarczy oraz uczyni z nas liczącego się partnera w Europie.

Polska jako kraj o ogromnych aspiracjach cywilizacyjnych i znaczący producent energii elektrycznej nie może dłużej zaniedbywać problematyki energetyki wodorowej tak w zakresie badań jak i przedsięwzięć o charakterze utylitarnym. Konieczne jest wsparcie grup badawczych aktywnie działających w tematyce wodorowej, a także zainteresowanie najlepszych uniwersyteckich ośrodków badawczych, PAN oraz produkcyjnych tematyką dotyczącą technologii wodorowych. W warstwie organizacyjnej wymaga to stworzenia narodowego programu badawczego w zakresie technologii wodorowych i ogniw paliwowych. Należy włączyć Polskę do strategicznego europejskiego programu „ Wspólna Inicjatywa Technologiczna na rzecz Ogniw Paliwowych i Technologii Wodorowych”, utworzonego na mocy decyzji Rady Europy z października 2007 r. Uczestnictwo w tym strategicznym Programie pozwoli Polsce na partnerski udział w rozwoju i korzystaniu z nowoczesnych technologii energetycznych. Program energetyczny Polski do roku 2030 musi uwzględniać technologie wodorowe dla wytwarzania energii, gdyż to właśnie wodór jest uważany za nośnik energii przyszłości.

Inicjatywy polskich środowisk naukowych w dziedzinie energetyki wodorowej

Powstałe w 2004 r. Polskie Stowarzyszenie Wodoru i Ogniw Paliwowych wychodzi naprzeciw tym potrzebom. Jest inicjatywą polskich środowisk naukowych związanych z uczelniami, instytucjami naukowo-badawczymi i Centrami Doskonałości oraz z lokalnie działającymi organizacjami związanymi z ochroną środowiska.

Podstawowym celem Stowarzyszenia jest propagowanie i upowszechnianie rozwoju technologii wodorowych i ogniw paliwowych oraz konsolidacja środowisk naukowych i ośrodków badawczo-rozwojowych polskiego przemysłu wokół zagadnień związanych z szeroko rozumianą energetyką wodorową. Istotną częścią aktywności Stowarzyszenia jest prowadzenie działalności edukacyjnej zmierzającej do popularyzacji w społeczeństwie idei nowych, ekologicznie czystych źródeł energii i nowych metod technicznych jej przetwarzania i wykorzystywania. Prowadząc aktywną działalność edukacyjną w zakresie technologii wodorowych liczymy na to, że wychowane kolejne pokolenie polskich inżynierów i decydentów pozwoli na tak potrzebny Polsce skok cywilizacyjny w zakresie nowych technologii wytwarzania energii.

Członkami Stowarzyszenia są pracownicy wyższych uczelni i instytutów naukowo-badawczych (obecnie ponad sto osób, w tym ponad pięćdziesiąt profesorów). Liczebność i struktura Stowarzyszenia wskazują na potężny potencjał intelektualny. Polskie Stowarzyszenie w tym aspekcie wyróżnia się na tle europejskich Stowarzyszeo. Członkami wspierającymi są uczelnie i instytuty badawcze. Stowarzyszenie należy do EHA (European Hydrogen Association) oraz inicjatywy PATH (Partnership for Advancing the Transition to Hydrogen).

Z inicjatywy Stowarzyszenia organizowane są corocznie warsztaty naukowe z zakresu technologii wodorowych dla studentów i młodych pracowników nauki, cykle wykładów popularnonaukowych w Technicznym Uniwersytecie Otwartym AGH. Wydawany corocznie Biuletyn przedstawia osiągnięcia Polskiego Środowiska w zakresie ogniw paliwowych i technologii wodorowych.

Wydarzeniem roku 2007 było Pierwsze Polskie Forum Ogniwa Paliwowe i Technologie Wodorowe, które odbyło się w Zakopanem (5-7 września 2007). W Forum udział wzięli wybitni specjaliści zagraniczni oraz wszystkie polskie ośrodki, związane z technologiami wodorowymi. Honorowym gościem Forum był profesor Jerzy Buzek. Celem Forum była prezentacja i dyskusja osiągnięć polskich środowisk naukowych w dziedzinie ogniw paliwowych i technologii wodorowych oraz konsolidacja środowisk naukowych i ośrodków badawczo-rozwojowych polskiego przemysłu wokół zagadnień związanych z energetyką wodorową.

Jak dowiodło zakopiańskie Forum w Polsce istnieje znaczący potencjał naukowo-badawczy w dziedzinie technologii wodorowych i ogniw paliwowych, który należy właściwie zagospodarowad dla przyszłości energetycznej Polski.

Prof. dr hab. inż. Janina Molenda

Prof. dr hab. inż. Janina Molenda jest profesorem zwyczajnym Wydziału Inżynierii Materiałowej i Ceramiki AGH. Jest również prezesem Polskiego Stowarzyszenia Wodoru i Ogniw Paliwowych.

Analiza pochodzi z publikacji pt. Raport Ekspertów Sektora OZE 2008 wydanej przy okazji Kongresu pt. Energetyczny Przełom przez Kancelarię Prawną Chałas i Wspólnicy.