Energetyczna przyszłość: Czy wodór to właściwa droga? Prof. dr hab. inż. Jacek Kijeński o mitach i realiach

Mainstreamowa wizja gospodarki wodorowej to mit o doskonałości zielonego wodoru, mającego stanowić panaceum na realne i wirtualne zagrożenia środowiska naturalnego Ziemi (przede wszystkim zmianę klimatu), wynikające w dużej mierze ze stosowania surowców kopalnych jako nośników energii i wsadów do produkcji chemicznej.

Dla uwiarygodnienia tego mitu wykorzystuje się założenie nieuchronności wprowadzenia elektromobliności opartej na wodorze do transportu, dla ograniczenia pozostawianego przez sektor śladu węglowego (zagrożenie być może iluzoryczne) i ratowania stanu atmosfery w dużych aglomeracjach (zagrożenie od zawsze oczywiste).

W rzeczywistości mit ten wygenerowany został i jest podtrzymywany przez entuzjastów, wspieranych przez deweloperów i operatorów źródeł energii odnawialnej – farm wiatrowych i fotowoltaicznych. OZE pracują w sposób nieregularny, zależny od warunków atmosferycznych, ich charakterystyki napięciowo-prądowe są nieliniowe, a w dodatku, na przykład w Polsce, działają w izolacji, z powodu niewystarczającego rozwoju sieci elektroenergetycznej (błędy lat dziewięćdziesiątych ubiegłego wieku). OZE zazwyczaj maksymalizują wytwarzaną moc, ale nie uczestniczą w regulacji zakłóceń częstotliwości sieci elektroenergetycznej (50 Hz) wywołanych ich przyłączeniem do niej. Regulacje te wykonują elektrownie konwencjonalne, ponosząc w pełni ich koszty. Wobec narastającej w świecie presji na rewizję szeregu założeń polityki klimatycznej (zielony (bez)ład), koszty te powrócą do odpowiedzialnych za ich generację. Ale już teraz rzeczywiste koszty pozyskiwania prądu z OZE (fotowoltaika i wiatraki), wobec braku w ich bezpośrednim sąsiedztwie jego odbiorców, wymienionego już braku sieci przesyłowych i ograniczonej pojemności istniejących, stawiają je na granicy rentowności.

Swoją umiarkowaną powszechność zawdzięczają dotacjom, ulgom podatkowym, a przede wszystkim obciążeniu przez system EU-ETS energetyki i przemysłu kosztami emisji CO₂. Koszty te rosną ostatnio lawinowo i na końcu ubiegłego roku sięgnęły 90 EUR za tonę CO₂. Uzdrowieniem ekonomiki OZE byłaby możliwość magazynowania wytwarzanej przez nie energii. Jednak pomimo wysiłków nauki wszczętych już w połowie XIX wieku, nie potrafimy efektywnie magazynować energii elektrycznej w większej skali (poza bateriami i akumulatorami). Na przeszkodzie stoi tu również termodynamika – większość podejmowanych prób tworzenia magazynów energii elektrycznej wymaga kilkukrotnej zmiany rodzaju energii, a takie przejścia mają zawsze ograniczoną sprawność.

Niedoskonałym, ale skutecznym rozwiązaniem dla magazynowania energii elektrycznej z OZE, miał zostać wodór. Wykorzystano tu rozwiązania znane w elektrochemii od początku XIX w. W 1800 r. Nicholson i Carlisle przeprowadzili po raz pierwszy rozpad wody pod wpływem przyłożonego napięcia, z kolei w 1839 r. Schönbein sformułował zasadę działania ogniwa paliwowego, na podstawie której Grove niedługo potem zbudował pierwsze ogniwo. W 1874 r., w kultowej dla wielu pokoleń ,,Tajemniczej wyspie”, Jules Verne włożył w usta kapitana Nemo wiarę, że wodór i tlen, razem lub osobno, staną się powszechnie stosowanym paliwem napędzającym statki i pojazdy. I co? Aż do naszych czasów skonstruowano kilkadziesiąt pilotowych napędów opartych na ogniwie paliwowym, a także silników spalania wewnętrznego. Jednym z takich silników napędzano prototypowy model amerykańskiej latającej superfortecy B-27, w końcu lat 60. XX w.

Dlaczego tylko prototypy? Bo sprawności zarówno elektrolizy, dostarczającej wodór, i procesu jego utleniania w ogniwie nie przekraczają 60%. W powszechnym stosowaniu są jeszcze niższe. Biorąc to pod uwagę i uwzględniając tylko te dwie operacje, uzyskujemy sprawność wykorzystania pierwotnego prądu około 35%. Trudno byłoby zatem konkurować takiemu napędowi np. z najdoskonalszą maszyną cieplną, jaką jest silnik Diesla (sprawność 40%), do którego materiał pędny pozyskiwany jest ze znacznie większą efektywnością i w ilościach o rzędy większych od wodoru. Z kolei spalanie wodoru w maszynach cieplnych jest trudne ze względu na jego niskie objętościowe ciepło spalania (3 razy mniejsze od ciepła spalania gazu ziemnego) oraz zdecydowanie wyższą niż dla gazu temperaturę płomienia, co skutkuje tworzeniem się znacznie większych ilości NOx. Przez blisko 200 lat wykorzystywano jednak wodór jako skuteczny nośnik energii, Lavoisier oświetlił Paryż latarniami na gaz miejski (zawiera ponad 60% wodoru) na krótko przed Rewolucją Francuską, która potem straciła go na gilotynie. Ja sam wychowałem się na warszawskim Powiślu. Przed moim domem na ulicy Czerwonego Krzyża umundurowany pracownik gazowni, która znajdowała się w odległości około kilometra, na ulicy Ludnej, zapalał co wieczór latarnie gazowe aż do początku lat sześćdziesiątych XX w.

Dopiero histeria klimatyczna lat dziewięćdziesiątych zamknęła dwustuletnie koło historii wodorowej. Mainstreamowy świat zaczął domagać się jedynych, obok elektrowni wodnych, jako tako skutecznych OZE – wiatraków i paneli fotowoltaicznych. Wobec tego, że w większości przypadków znajdują się one w miejscach odległych od potencjalnych odbiorców prądu (duże farmy fotowoltaiczne, wiatraki – te ostatnie zresztą i tak za blisko budynków mieszkalnych), pojawił się problem magazynowania dla przesyłu i potem wykorzystania energetycznego zielonego prądu, najlepiej masowego. A zatem powszechna mobilność wodorowa nade wszystko. Argumentacja w tym przypadku oczywista – produkt spalania w ogniwie to czysta woda, a zatem nie pogłębiamy zanieczyszczenia atmosfery, a przede wszystkim pozostawiamy zerowy ślad węglowy. Pomijany skrzętnie we wszystkich mediach fakt, że woda to także gaz cieplarniany i to silniej pochłaniający ciepło niż CO₂, jest i w tym przypadku przemilczany.

Wody się nie boimy, zresztą im wyższa temperatura to i tak jej stężenie w atmosferze jest wyższe (podobnie jak CO₂), niezależnie od tego, w jakim stopniu ocieplenie jest wynikiem działalności człowieka. Dla wielu nie ma znaczenia, że wody słodkiej na Ziemi brakuje (Polska na przykład pod względem jej zasobów jest na 23. miejscu w Europie), a ta rozłożona na wodór i tlen w procesie elektrolizy, odtworzona podczas utleniania H₂ w ogniwie nie bardzo chce wracać z powrotem do gleby. W tym miejscu warto zaznaczyć, że zużycie czystej wody w procesie elektrolizy sięga 9kg/kg wodoru, a więc jest znacząco większe niż w klasycznym reformingu parowym metanu z wychwytem CO₂ (6 kg H₂O/kg wodoru).

Co zatem, w mojej opinii, jest progiem dla masowej i powszechnej implementacji gospodarki wodorowej? Przede wszystkim bilans energetyczny ścieżki od energii z OZE, zasilającej proces elektrolizy, do strumienia prądu elektrycznego z ogniwa paliwowego, zasilającego układ jezdny pojazdu. Uwzględniając obecny stan wiedzy i możliwości praktyczne w obszarze zmian rodzaju prądu, elektrolizy (sprawność), nadania H₂ stanu pozwalającego na efektywny transport lub magazynowanie (wielostopniowe skraplanie lub sprężanie), straty w transporcie i magazynowaniu oraz utlenianie w układzie z ogniwem paliwowym, przy zachowaniu optymalnych warunków, ze 100 kWh energii dostarczonej do elektrolizera po sprężeniu H₂, a następnie konwersji jego energii w ogniwie paliwowym na kole pojazdu, uzyskujemy moc 23 kWh, w wariancie ze skropleniem H₂ zamiast sprężania, moc na kole wynosi 19 kWh.

W konkurencyjnym układzie pojazdu zasilanego elektrycznie, 100 kWh pierwotnej energii elektrycznej po ładowaniu daje z akumulatora (z odzyskiem energii hamowania) 69 kWh. A zatem, nawet biorąc pod uwagę nieco niższą gęstość energii przy zasilaniu elektrycznym, nieco mniejszą sprawność silnika elektrycznego w porównaniu z ogniwem paliwowym oraz związane z obu napędami ograniczenia logistyczne (sieć stacji wodorowych lub punktów szybkiego ładowania), fundamentalne znaczenie ma odpowiedź na pytanie:czy warto pierwotny nośnik energii zamieniać w niebezpieczny i kapryśny wodór?

Ważnym ostrzeżeniem przed ignorującą bilanse energetyczne, i w efekcie ekonomiczne, gospodarką wodorową może być stosowany przez profesjonalnych analityków technicznych i ekonomicznych wskaźnik EROI (Energy Return of Investment). EROI jest definiowany jako stosunek ilości energii efektywnej (użytkowej) dostarczanej ze źródła energii do ilości energii zużytej dla uzyskania tego zasobu energii. Jego wielkość zależy od wielu czynników, między innymi zdyskontowanego kosztu inwestycji źródła energii, ceny paliwa pierwotnego, rodzaju technologii przetwarzania paliwa i sprawności tego przetwarzania. Dla energii jądrowej wartość EROI (J. Majcher et al.) szacuje się na 75, dla węgla – 30, dla gazu ziemnego – 28, a dla wodoru – 0,5. A zatem, według tego wskaźnika, w najlepszym przypadku z energii włożonej w otrzymanie wodoru odzyskujemy w odbiorniku najwyżej połowę. Warto tu zwrócić uwagę, że wartość EROI dla technologii jądrowej 150 razy przewyższa tę dla wodoru. Jak zatem traktować mainstreamowe zapowiedzi, że po uruchomieniu w kraju elektrowni jądrowej będziemy mogli uzyskiwany w niej prąd wykorzystywać do produkcji wodoru?

Powyższe analizy mają dla mnie niezwykle ważne znaczenie, bo niezależnie od ocieplenia klimatu, w którym niekoniecznie działalność człowieka odgrywa decydującą rolę, związanej z nim histerii politycznej i lobbystycznej, gospodarka globalna cierpi na deficyt energii. Nie zmniejsza jej coraz szersze wykorzystywanie OZE (są potrzebne w miksie energetycznym, ale używane odpowiedzialnie, rozważnie, a przede wszystkim na warunkach wolnorynkowych), bo rozwijający się świat to coraz większy konsument energii. Dla przykładu, na 2030 rok prognozuje się na świecie 1,2 mld pojazdów samochodowych, w 2050 r. ma ich być 2,5 mld. Obok wzrostu poziomu życia, potrzeby energetyczne zwiększa masowa nadprodukcja, marnotrawstwo, konieczność łagodzenia klimatu i niestety, rozprzestrzeniające się wojny. A zatem głosząc, że energia z OZE jest prawie za darmo (jest to odległe od prawdy, w Polsce wg J. Majchra roczne koszty generowanej mocy biernej pojemnościowej wprowadzanej z farm wiatrowych i fotowoltaicznych [łącznie ok. 18 GW] przekraczają 16 mld PLN), nie marnujmy tej energii dla realizacji misji, wizji, a może halucynacji.

Czy w realnym świecie zaczyna już być zielono? Nie zielono, ciągle szaro. Koszty wytwarzania zielonego wodoru są obecnie 10-krotnie wyższe, a wodoru niebieskiego 2-4 razy wyższe niż wodoru szarego, wytwarzanego z gazu ziemnego w reformingu parowym. Wobec tego ok. 200 autobusów wodorowych planowanych wg Ministerstwa Klimatu i Środowiska na rok 2025 i ok. 1000 na rok 2030 nie będzie zanieczyszczać atmosfery aglomeracji miejskich, ale ślad węglowy pozostawią w miejscu wytwarzania zasilającego je wodoru. Tylko 2% wytwarzanego na świecie wodoru powstaje w procesie elektrolizy (to wodór o dużej czystości i specjalnym przeznaczeniu). W tym wolumenie zielony wodór to promile. Światowi liderzy (Niemcy, USA) planują uruchomienie szeregu instalacji elektrolizy prądem z OZE. Typowa instalacja to moc 50 MW. W Polsce MKiŚ planowało na dziś taką moc krajową, ale jej nie ma – ,,nie ma i nie będzie”, jak po nieudanych strzałach krzyczy się na stadionach. Myślę, że jakby nawet było, nie będzie to miało znaczenia dla gospodarki.

Trudnych do pokonania progów na drodze do zielonego wodoru jest znacznie więcej. Transport wodoru i składowanie to, jak wspomniałem, strata znaczącej części zawartej w nim energii z OZE. Marzeniem jest przesył rurociągami, jednak współcześnie, ze względu na korozyjność wodoru, rura do jego przesyłu musi być wykonana z materiału niezawierającego niklu, stali węglowych, stali niskostopowych, żeliwa etc. Koszt 1 km rurociągu do transportu wodoru w 2021 r. Nexant oszacował na ponad 1 mln USD. Innym rozwiązaniem byłby przesył rurociągami gazu ziemnego (do 10% wodoru) z membranowym rozdziałem w miejscu odbioru, co zresztą nie eliminuje całkowicie zagrożenia korozją. Wielu operatorów rurociągów gazowych, w tym w Polsce, informowało o gotowości do takiego przesyłu i od ponad 3 lat w niej pozostają. Dla zielonego (bez)ładu nie ma to zresztą znaczenia, bo wciąż nie ma zielonego wsadu. Swoją drogą, przez stulecia przesyłano gaz miejski rurociągami dalekimi od spełniania współczesnych wymogów materiałowych, bez groźnych incydentów. Zasięg przesyłu był umiarkowany, ale czas użytkowania rur długi.

Wreszcie niezwykle ważne sprawy bezpieczeństwa. Wodór w przemyśle chemicznym jest traktowany z należytą powagą i ograniczeniami. Operacje z jego użyciem są przedmiotem wielu dogłębnych analiz ryzyka. Tymczasem w planowaniu jego powszechnego użycia daje się zauważyć pewne lekceważenie zagrożeń, graniczące z frywolnością. W europejskim projekcie badawczym HyLAW, zakończonym w grudniu 2018 roku, skonstatowano, że w żadnym z 18 analizowanych państw UE i kilku znaczących okręgach nie stworzono spójnych, kompleksowych przepisów dotyczących użytkowania stacji tankowania H₂ bądź jego wytwarzania na terenach zaludnionych. Nie dostosowano również europejskich dyrektyw i zaleceń do użytkowania wodoru jako zielonego paliwa. Pan Janusz z wkrętakiem podrasowujący układ ogniwa paliwowego w podziemnym garażu to jedna z czarnych wizji, jakich można doznać przy powszechnej mobilności wodorowej. Na poważnie, katastrofa Hindenburga (na szczęście pożar nie wybuch) w maju 1937 w Lakehurst (New Jersey) na zawsze zakończyła bajecznie zapowiadającą się erę sterowców. Wprawdzie dziś istniejące zaawansowane technologie bezpieczeństwa (czujniki wycieków, systemy awaryjnego odcinania etc.) eliminują większość zagrożeń, ale nie zmieniają właściwości wodoru. Memento Hindenburga powinno towarzyszyć wszystkim decyzjom propagującym wodór ,,w narodzie”. Kilka lat temu na Hawajach wybuch biowodoru generowanego w niewielkim reaktorze zniszczył doszczętnie budynek laboratoryjny jednego z najbardziej renomowanych amerykańskich uniwersytetów.

A zatem „tak” czy „nie” dla gospodarki wodorowej?Z elektromobilności wodorowej (może niekoniecznie opartej na zielonym, a na niebieskim albo wręcz szarym wodorze) nie można jednak zrezygnować. Jej miejsce to transport miejski, kolejnictwo, autostradowy transport heavy-duty – chociaż tu przewiduję trudność w zastąpieniu supermocnych silników wysokoprężnych. Prawdopodobnie również transport morski.

W tym ostatnim najwięksi operatorzy kontenerowców (m. in. Maersk) realizują już kolejną, niezwykle ważną modyfikację gospodarki wodorowej, stosując w wielkich jednostkach napędy na metanol czy amoniak. Dla mnie to spełnienie przesłania, które przez kilkadziesiąt lat przekazywałem studentom technologii chemicznej. Przesłania, że najlepszym co można zrobić dla wodoru, dla zwiększenia gęstości jego energii, to połączyć go z węglem lub azotem.

W swoich zbiorach miałem pocztówkę imieninową z lat trzydziestych XX w., którą dostałem od mamy. Na niej radośni chłopiec i dziewczynka siedzą okrakiem na sterowcu niosącym, zamiast gondoli, 2 kosze z kwiatami. Myślę, że gdyby zastąpić kosze samochodem to byłby najbardziej efektywny (chociaż nieprzesadnie bezpieczny) pojazd elektromobilności wodorowej.

Na koniec chciałbym zaznaczyć, że w odpowiedziach celowo pominąłem obiecywane od wielu lat przez naukę elementy poprawy ciągów eksploatacji wodoru (wysokotemperaturową i ciśnieniową elektrolizę, fotoelektrolizę i jej odmianę bio-, stałe ogniwo paliwowe, stałe magazyny wodoru etc.), bo to ciągle, jak to mówiono w przedszkolu, obiecanki-cacanki.

I jeszcze jedno – podejmowane w różnych krajach strategie obniżenia ceny zielonego wodoru, np. amerykańska ”111” z 2020 r. (obniżenie ceny 1 kg H₂ do 1 USD w ciągu jednej dekady), w dużej mierze zawierają element zawarty w wypowiedzi Mamonia z „Rejsu” Piwowskiego i Głowackiego: „No i, panie, kto za to płaci? Pan płaci, pani płaci, my płacimy. To są nasze pieniądze, proszę pana”.

Prof. dr hab. inż. Jacek Kijeński – ekspert w dziedzinie strategii rozwojowych branż i produktów przemysłu chemicznego, chemii i technologii chemicznej, recyklingu odpadów tworzyw polimerowych, paliw alternatywnych. Były prorektor Politechniki Warszawskiej i dziekan jej dwóch Wydziałów. Były dyrektor Instytutu Chemii Przemysłowej im. Prof. Ignacego Mościckiego. Były prezes SITPChem (4 kadencje). Były wiceprzewodniczący Komitetu Chemii PAN, ekspert NCN i NCBiR. Były Koordynator (2004-2018) Polskiej Platformy Technologicznej Wodoru i Ogniw Paliwowych. Autor ok. 300 publikacji, 55 patentów i licznych projektów procesowych. Przewodniczący Komitetu Biopaliw i Biokomponentów PKN.

Przeczytaj także: Myślenie platformowe, tradycyjne firmy i siła generatywnej AI. Wywiad z Danielem Trabucchim i Tommaso Buganzą, autorami książki „The Digital Phoenix Effect”

Last Updated on 5 sierpnia, 2025 by Anastazja Lach