Wodorowy zawrót głowy

Wodór (z greckiego słowa hydro genes, czyli tworzący wodę) jest najlżejszym, najprostszym i najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem we wszechświecie. Szacuje się, że jego atomy stanowią 91 procent wszystkich atomów wszechświata. Czysty wodór nie jest szkodliwy ani trujący, nie ma smaku i zapachu. Zmieszany z powietrzem lub tlenem, po zetknięciu z iskrą, wybucha, tworząc wodę. Na Ziemi w stanie wolnym występuje rzadko, najczęściej w gazach wulkanicznych i górnych warstwach atmosfery. Skrapla się w temperaturze minus 253 stopnie C. Najwięcej wodoru znajduje się w wodach morskich i lądowych, także w ropie naftowej i gazie ziemnym. Łatwo go otrzymać z wody w procesie elektrolizy.

Zdaniem naukowców, pozyskiwanie wodoru na małą skalę, np. w domu, z wody w kranie, jeszcze długo będzie nieopłacalne. Przyszłością są duże elektrownie napędzane ekologicznymi źródłami energii (np. promieniami słońca), które będą produkować wodór dla przemysłu, transportu i milionów indywidualnych odbiorców. Jak się ocenia, na powierzchni globu ziemskiego istnieją obszary o powierzchni ok. 2 mln km2 dobrze lub bardzo dobrze nasłonecznione (strefa podzwrotnikowa), gdzie panują dogodne warunki do pozyskiwania wodoru z wody przy udziale energii promieniowania słonecznego. Są również koncepcje budowy sztucznych wysp na oceanach, na których potrzebny do elektrolizy wody morskiej prąd elektryczny byłby wytwarzany z energii fal morskich.

Pracowite Słońce

W eksperymentowaniu z technologią wodorową przodują Niemcy, Japonia i USA. Japońska Agencja Nauki i Technologii Przemysłowej uruchomiła w 1993 r. "New Sunshine Program", którego celem jest m.in. stworzenie międzynarodowego systemu pozyskiwania energii z wodoru - World Energy Network WE-NET. Przewiduje on stworzenie wizji globalnej sieci energetycznej umożliwiającej wytwarzanie wodoru z wody morskiej przy udziale tzw. odnawialnych źródeł mocy np. promieni słonecznych pozyskiwanych na Saharze. Do realizacji programu zaproszono naukowców z całego świata, w tym również z Polski. - Uzyskany w elektrowniach słonecznych płynny wodór może być transportowany np. statkami do elektrowni oddalonych nawet o 20 tys. km, przetwarzany w nich na prąd elektryczny i wysyłany do indywidualnych odbiorców. W razie wycieku z tankowca wodór nie zatruje środowiska tak jak np. ropa, ale po prostu się rozpuści w powietrzu. Rezultat końcowy systemu WE-NET nie jest jeszcze do końca zdefiniowany. Podlega on ciągłym modyfikacjom, bowiem Japończycy rozważają różne warianty technologiczne, ale do 2020 roku wizja ma być dopięta na ostatni guzik - mówi prof. Andrzej Miller, dyrektor Instytutu Techniki Cieplnej Politechniki Warszawskiej, współtwórca programu.

Na podobny pomysł wpadli również Niemcy. Ich projekt zakłada zbudowanie na płaskowyżu Tinrhert w Algierii ogromnej słonecznej instalacji do produkcji wodoru dla potrzeb gospodarki niemieckiej. Na powierzchni ok. 2500 km kwadratowych przewiduje się budowę baterii słonecznych umożliwiających pozyskiwanie energii do produkcji wodoru z wody. Wyprodukowane paliwo w formie gazu byłoby przesyłane rurociągiem o średnicy 2 m na długości 3300 km (w tym 200 km na dnie Morza Śródziemnego) do odbiorców w Niemczech. Inny wariant, podobnie jak w projekcie japońskim, zakłada transport skroplonego gazu tankowcami.

W Niemczech silniki spalinowe napędzane wodorem są stosowane np. w oczyszczalniach ścieków. Montuje się w nich baterie słoneczne lub wiatraki, pozyskujące energię potrzebną do przeprowadzenia hydrolizy wody. Uzyskany w jej wyniku tlen służy do intensyfikacji procesów biologicznych w oczyszczalni, a wodór, w mieszaninie z biogazem, napędza silnik spalinowy sprzężony z prądnicą. Wytworzony prąd i ciepło zużywane są na potrzeby oczyszczalni.

Wodór w baku

W 1900 r. po drogach jeździło ok. 8000 pojazdów silnikowych, obecnie liczba ta wzrosła do 525 milionów. Już dziś samochody są odpowiedzialne za 24 procent dwutlenku węgla emitowanego w Europie, i 17 procent w skali całego świata. Odsetek ten będzie się zwiększał bowiem według prognoz, do roku 2050 liczba samochodów na świecie może przekroczyć 2 miliardy. O ile nie dopadnie nas zapowiadany kryzys energetyczny, zdaniem naukowców dosłownie zadusimy się ich spalinami. Nauka szuka więc wszelkich możliwości redukcji zanieczyszczeń. Opracowane ogniwa paliwowe napędzane wodorem umożliwiają w pojazdach przemianę energii chemicznej tego pierwiastka na energię elektryczną. Jedynym produktem ubocznym takiego procesu jest woda. Wodorowe ogniwa paliwowe jeszcze 20 lat temu były wielkie i drogie. Wykorzystywano je głównie w promach kosmicznych i rakietach (biały "dym" towarzyszący ich startom to nic innego jak obłoki pary wodnej). Fakt wykorzystywania wodoru w programach kosmicznych sprawiał, że pomysł napędzania nim aut wydawał się zbyt fantastyczny, by zajmować się nim na szerszą skalę. Jednak wielu konstruktorów umiało patrzeć w przyszłość. Firma Daimler-Benz (obecnie DaimlerChrysler) już od 1974 przeprowadza próby eksploatacyjne samochodów osobowych, dostawczych i autobusów marki Mercedes, napędzanych wodorem. Na razie samochodowe ogniwa paliwowe nie są jeszcze przystosowane do pozyskiwania wodoru z wody, ale potrafią robić to np. z metanolu (składnika ropy naftowej) lub z gazu ziemnego. - Proces zaczyna się od wyizolowania wodoru w urządzeniu zwanym reformerem. Następnie wodór i tlen trafiają do ogniwa paliwowego. Platynowy katalizator przyspiesza zachodzącą reakcję, w której dwie dwuatomowe cząsteczki wodoru rozkładają się na cztery dodatnie jony i cztery ujemne elektrony. Elektrony są następnie przechwytywane przez swobodne atomy tlenu i wywołują powstanie prądu elektrycznego, który napędza silnik - tłumaczy prof. Jerzy Merkisz, dyrektor Instytutu Silników Spalinowych i Podstaw Konstrukcji Maszyn Politechniki Poznańskiej.

Mercedes A koncernu Daimler-Benz wyposażony w zasilane metanolem ogniwa paliwowe ma zasięg 450 km i rozwija prędkość maksymalną 145 km/h. Niestety, efektem pracy tego ogniwa jest nie tylko para wodna, ale i pewne ilości dwutlenku węgla (jednak znacznie mniejsza niż z pojazdów napędzanych benzyną czy olejem napędowym). Tworzone są również auta z napędem hybrydowym tzn. posiadające zarówno klasyczny silnik spalinowy, jak i wspomagający go silnik elektryczny zasilany ogniwami wodorowymi. Rozwiązanie to umożliwia w czasie jazdy korzystanie z zalet obu silników, co zapewnia dobre przyspieszenie oraz mniejsze zużycie paliwa i mniejszą emisję spalin. Zdaniem naukowców, po wyczerpaniu się zasobów ropy naftowej czysty wodór, którego spalanie nie daje żadnych zanieczyszczeń, stanie się jednym z podstawowych paliw silników spalinowych. Czystym wodorem w postaci sprężonego gazu napędzane są m.in. BMW 750 h oraz Honda FCX. Ten ostatni model ma zasięg 355 km i osiąga 150 km/h. Sprężony wodór zabezpieczony jest w aucie w specjalnej kuloodpornej butli z kompozytu. USA rozpoczęło realizację programu "FreedomCAR", którego celem jest wspieranie rozwoju wodorowych ogniw paliwowych. Mają one uniezależnić kraj od dostaw ropy naftowej i zapewnić mu "bezpieczeństwo gospodarcze". Honda FCX jest pierwszym na świecie samochodem napędzanym wodorem, który otrzymał homologację amerykańskiej Agencji Ochrony Środowiska. Pięć takich samochodów testowanych będzie w ruchu ulicznym Los Angeles. General Motors planuje rozpocząć masową produkcję aut na ogniwa paliwowe napędzane wodorem w 2010 roku. Zakłada się, że w 2020 roku wodór będzie stanowić 15 procent używanego w Niemczech paliwa. Prototypowy model auta na wodór mają także Włosi i Chińczycy. Pierwszą w Europie eksperymentalną stację oferującą wodór w postaci płynnej lub gazowej zbudował w Monachium koncern paliwowy Aral. Podobne stacje są już w USA i Japonii.