Wodór – paliwo przyszłości

Rozwiązaniem problemów związanym z ograniczeniem emisji zanieczyszczeń, wyczerpywaniem się paliw kopalnych oraz ciągłemu zwiększaniu się zapotrzebowania na energię cieplną i elektryczną jest wodór – nowe, perspektywiczne źródło energii.

Obecnie głównym czynnikiem warunkującym rozwój technologii energetycznych jest niskoemisyjność. Dąży się do tego, aby procesy spalania w energetyce były wysokosprawne i emitowały jak najmniej substancji szkodliwych dla środowiska. Dużym problemem jest emisja tlenków azotu, tlenków węgla, tlenków siarki, pyłów oraz wielu innych szkodliwych związków powstających w dużych ilościach podczas reakcji spalania paliwa. Toksyczne związki, wpływają na powstawanie kwaśnych deszczy, są prekursorami powstawania w glebie związków mutagennych, obniżają również odporność organizmu oraz powodują choroby alergiczne.

Kolejnym problemem, który jest mam przedstawiany to obawa przed wyczerpaniem się paliw kopalnych. Od lat zapotrzebowanie na energię rośnie, powodem jest stale rozwijający się przemysł oraz wzrost poziomu życia w krajach rozwiniętych a zwłaszcza w krajach rozwijających się.

Mogłoby się wydawać, że technologie energii odnawialnych, które są ogólnodostępne rozwiążą ten problem, jednak ich wykorzystanie również jest ograniczone przez warunki naturalne i klimatyczne danego obszaru kuli ziemskiej. Jedocześnie stosunek potrzebnej powierzchni do ilości uzyskanej energii jak i sprawność większości tych urządzeń jest znacznie niższa niż w przypadku klasycznych metod konwersji energii.

Rozwiązaniem problemów związanym z ograniczeniem emisji zanieczyszczeń, wyczerpywaniem się paliw kopalnych oraz ciągłemu zwiększaniu się zapotrzebowania na energię cieplną i elektryczną jest wodór – nowe, perspektywiczne źródło energii (…)

Wodór – odkrycie pierwiastka

Wodór jako gaz był już znany za sprawą szwajcarskiego lekarza i przyrodnika Paracelsusa (właśc. Phillippus Aureolus Theophrastus Bombastus von Hohenheim), któremu jako pierwszemu udało się wydzielić wodór w pierwszej połowie XVI wieku. Dokonał tego w reakcji kwasu octowego z żelazem a powstały gaz nazwał „palnym powietrzem”. W 1671 roku brytyjski chemik i fizyk Robert Boyle potwierdził istnienie tego gazu w pracy „New Experiments Touching the Relation Betwixt Flame and Air”.

Wyodrębnienie wodoru jako pierwiastka miało miejsce w roku 1766, dokonał tego angielski fizyk i chemik Henry Cavendish a po około dwudziestu latach francuski chemik i przyrodnik Antoine Lavoisier odkrył, że ten palny gaz jest składnikiem wody i nadał mu nazwę hydrogene – tworzący wodę.

Charakterystyka i właściwości wodoru

Wodór (oznaczany symbolem H od łac. hydrogenium) jest to pierwiastek chemiczny, niemetal z bloku s układu okresowego. Najprostszy możliwy pierwiastek o liczbie atomowej 1, składający się z jednego protonu i jednego elektronu. Jest pierwiastkiem najczęściej występującym we wszechświecie. Jest lekki, bezwonny, bezbarwny, nietoksyczny, około 14 razy lżejszy od powietrza. W atmosferze występuje jako gaz w postaci cząsteczkowej H₂ w bardzo małym stężeniu około 0,55 ppm. Poza tym głównie występuje w wiązaniach chemicznych w postaci wody, węglowodorów i innych związkach organicznych. Jest gazem łatwopalnym a z powietrzem tworzy mieszaniny wybuchowe w granicach stężeń 4-75%. Niska gęstość powoduje przenikanie tego pierwiastka przez różne materiały, nawet przez stal. Pozostałe główne właściwości wodoru przedstawiono w tab. 1.

Zastosowanie wodoru

Wodór znalazł zastosowanie już w XVIII wieku za sprawą Jaquesa Charlesa, francuskiego konstruktora, który w 1783 roku zbudował i napełnił wodorem balon. Niemalże sto lat później w roku 1851 Henri Jules Giffard zgłosił patent maszyny parowej do napędu balonów i rok później odbył się pierwszy lot, rozpoczynający erę sterowców.

W roku 1935 skonstruowany został ostatni luksusowy transatlantycki sterowiec „Hindenburg” wykorzystujący w swym balonie wodór. Podczas cumowania 6 maja 1937 roku na lotnisku Lakehurst sterowiec spłonął. Głośna katastrofa sterowca wypełnionego wodorem zakończyła 150-letnią historię wykorzystania wodoru w balonach i sterowcach.

Obecnie wodór ma bardzo szerokie zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu, np. w przemyśle petrochemicznym, rafineryjnym, chemicznym, farmaceutycznym, kosmetycznym, spożywczym, metalurgicznym, szklarskim, w energetyce do chłodzenia generatorów oraz jako gaz do badań laboratoryjnych. Natomiast jako paliwo na skalę komercyjną może mieć zastosowanie w układach wytwarzania energii cieplnej w kotłach wodnych i parowych, w wytwornicach pary, jak również w zasilaniu turbin parowych i gazowych oraz silników cieplnych i ogniw paliwowych.

Wśród klientów indywidualnych duży potencjał wykorzystania wodoru jest w produkcji ciepłej wody użytkowej, centralnego ogrzewania, produkcji prądu elektrycznego, a nawet do domowych kuchenek i piecyków gazowych.

Spalanie wodoru zamiast konwencjonalnego paliwa jest korzystane dla środowiska patrząc na emisję zanieczyszczeń. Z substancji szkodliwych mogą się wydzielać tylko tlenki azotu (ze względu na skład powietrza, którego się używa jako utleniacza), a przy spalaniu w czystym tlenie produktem ubocznym będzie tylko para wodna. Obecnie bardzo dużo uwagi poświęca się bardziej przyjaznym środowisku napędom pojazdów, gdzie tradycyjna paliwo można byłoby zastąpić wodorem.

Zastosowanie wodoru jako paliwa do zasilania silników nie jest nowym pomysłem. Po raz pierwszy wodór zastosował francusko-szwajcarski wynalazca Francois Isaac de Rivaz w pierwszym silniku tłokowym skonstruowanym w 1806 roku. Pięćdziesiąt lat później Jean-Joseph Étienne Lenoir w Hippomobilu, trójkołowym pojeździe stosuje również silnik zasilany wodorem. Jak widać już od 1800 roku prowadzono próby wykorzystania wodoru jako paliwa spalanego w silnikach samochodowych po czym zaprzestano rozwijania tej technologii za sprawą łatwiejszego w produkcji i przechowaniu paliwa jakim była benzyna i olej napędowy. Dopiero w XX wieku pojawiają się jednostkowe pojazdy zasilane wodorem.

W 1933 roku Norweska firma energetyczna Norsk Hydro przerobiła małą ciężarówkę na zasilanie wodorem. W czasie II wojny światowej w 1941 r. Rosjanin Borys Szeliech przerobił 200 ciężarówek GAZ-AA na wodór. Lata 60. XX wieku to nie tylko próby zastosowania wodoru w pojazdach z silnikami spalinowymi i elektrycznymi, gdzie wytwarza się energię elektryczną w ogniwach paliwowych, ale również w silnikach lotniczych i napędach rakietowych.

Pod koniec lat 50. NASA rozwija produkcję ogniw paliwowych związanych z misją podboju kosmosu. W 1959 roku Harry Karl Ihrig przerobił ciągnik rolniczy Allis-Chalmers, na zasilanie z ogniw paliwowych. W 1966 r. amerykański naukowiec Roger Billings przerobił Forda Model A na wodór a w 1967 r. w firmie GM Corp. powstaje furgonetka „Electrovan” gdzie ogniwa paliwowe zasilane są ciekłym wodorem i tlenem. W 1970 roku dr Karl Kordesch austriacki chemik i wynalazca zbudował alkaliczne ogniwo paliwowe generujące moc 6 kW, które przez ponad trzy lata napędzało jego samochód. Samochód ten był w stanie pokonać 300 km bez tankowania.

Późniejsze lata przyniosły kolejne próby wykorzystania wodoru, w 1988 r. skonstruowano w ZSRR Tupolewa Tu-155 na wodór. Zastosowanie wodoru do silników spalinowych okazało się nie takie proste z wielu powodów, m.in. do komory spalania doprowadzane jest powietrze, które w swoim składzie ma duże ilości azotu stąd w wyniku spalania powstają bardzo szkodliwe tlenki azotu. Dodatkowo bardzo wysoka temperatura spalania wodoru powoduje duże obciążenia termiczne pracujących elementów silnika, co stanowi bardzo duże wyzywanie dla materiałów i konstrukcji silników. Problem ten rozwiązuje zastosowanie ogniw paliwowych w napędach elektrycznych, gdzie energia elektryczna jest wytwarzana na bieżąco w zależności od zapotrzebowania.

W latach 90. firmy pokazują pierwsze konstrukcje koncepcyjne samochodów elektrycznych z ogniwami paliwowymi. W 1994 koncern Daimler-Benz zaprezentował samochód NECAR 1 z ogniwem o mocy 50 kW i zbiornikami sprężonego wodoru. W 1996 roku Toyota przedstawiła samochód RAV4 z ogniwem 10 kW i zbiornikiem, gdzie wodór był zmagazynowany w wodorkach metali.

Na targach motoryzacyjnych Tokyo Motor Show w 2007 roku Toyota zaprezentowała model samochodu zasilany ogniwami paliwowymi, który do seryjnej produkcji wszedł w 2014 roku. Obecnie wiele firm oferuje samochody z ogniwami paliwowymi, Hyundai Tucson FCEV, wprowadzony w 2013 r., Honda Clarity FCAV 2016 r. i wiele innych.

Oprócz samochodów osobowych ogniwa paliwowe znalazły zastosowanie w samochodach ciężarowych, autobusach (np. Solaris Urbino 12 Hydrogen, Ursus City Smile Fuel Cell Electric Bus), łodziach, lokomotywach, motocyklach i rowerach. Pierwszym na świecie pociągiem zasilanym ogniwami paliwowymi był Coradia iLind zbudowany w 2018 r. przez zakład Alstom w Salzgitter w Niemczech kursujący w Dolnej Saksonii.

Więcej przeczytacie w artykule Bartosza Dawidowicza „Wodór – jako paliwo” w wydaniu 4/2020 „Fizyki w Szkole”