Wspomniany pierwiastek chemiczny (H2) jest najprostszym w budowie i zarazem najlżejszym, rozpoczynającym układ okresowy Mendelejewa. Nie można go zobaczyć, nie ma zapachu, za to obficie występuje na Ziemi. Najwięcej jest go w wodzie, a w stanie wolnym pojawia się w niedużych ilościach w górnych warstwach atmosfery oraz w gazach wulkanicznych, czasem w gazie ziemnym, także w granicie i innych skałach. Można powiedzieć, że jego zasoby są praktycznie niewyczerpywalne. O wodorze po raz pierwszy można było usłyszeć w 1671 roku za sprawą Roberta Boyle’a. Poprzez reakcję kwasów i metali udało mu się uzyskać nieznany dotąd pierwiastek. Interesujący jest fakt nazwania tej substancji „łatwopalnym powietrzem”. Na większą skalę gaz ten wykorzystywano do napełniania sterowców i balonów w XIX i XX wieku. W latach 30. ubiegłego wieku napełniony wodorem sterowiec Hindenburg stanął w płomieniach podczas lądowania w New Jersey w Stanach Zjednoczonych. W śledztwie ustalono, że wodór był składową problemu, a głównymi przyczynami pożaru były elektryczność statyczna i wysoce łatwopalny materiał poszycia sterowca. Wykrycie wycieków wodoru może trudne przez tendencję gazu do uciekania w górę (lżejszy od powietrza). Nie zmniejsza to prawdopodobieństwa zapłonu, ponieważ pojedyncza iskra elektryczności statycznej może wywołać niezauważalny pożar lub eksplozję.
Oczekuje się, że wodór odegra istotną rolę w transformacji energetycznej przemysłu. Najbardziej wydajnymi źródłami pozyskiwania wodoru są procesy chemiczne bazujące na energii pochodzącej z surowców kopalnych. Z upływem lat i coraz większym popytem na ten rodzaj paliwa metody jego pozyskiwania i wytwarzania będą się zmieniały. W porównaniu z popularną benzyną, która w spalaniu uwalnia dwutlenek węgla, przy spalaniu wodoru otrzymuje się parę wodną. To najbardziej przyjazna i czysta opcja dla środowiska. Problemem w uzyskaniu tego czystego źródła energii jest sposób produkcji, w którym znacząca jest emisja dwutlenku węgla. Naukowcy przypisali kolory, by rozróżnić metody produkcji. Wodór może być koloru szarego, niebieskiego bądź zielonego i tylko ten ostatni może odegrać główną rolę w redukcji emisji CO2 do 2050 roku (planowane osiągnięcie neutralności klimatycznej 196 krajów, co oznacza zrównoważenie emisji dwutlenku węgla i innych gazów cieplarnianych związane z ich wychwytywaniem i przechowywaniem. Dążenie do neutralności klimatycznej jest częścią wysiłków mających ograniczyć wzrost średniej temperatury na Ziemi, zgodnie z Porozumieniem Paryskim z 2015 roku).
Szary wodór jest pozyskiwany z gazu ziemnego i z paliw kopalnych, co powoduje przekazywanie dwutlenku węgla do powietrza. Stosowany jest głównie w przemyśle chemicznym do produkcji nawozów i rafinacji ropy naftowej. Ma negatywny wpływ na środowisko, bo w tym procesie z 1 kg wyprodukowanego wodoru do otoczenia uwalnia się około 10 kg dwutlenku węgla. Jest jednak produktem niedrogim i łatwo dostępnym w porównaniu z pozostałymi „kolorami”.
Niebieski wodór także jest pozyskiwany z gazu ziemnego i produkowany z paliw kopalnych, ale dwutlenek węgla nie jest emitowany do środowiska, ponieważ wychwytuje się go w zakładzie produkcyjnym i składuje oddzielnie, zazwyczaj pod ziemią. Wpływ na środowisko jest neutralny w porównaniu z szarym wodorem. Magazynowanie CO2 lub wykorzystywanie go częściowo w przemyśle nie eliminuje jednak całkowicie emisji tego związku do atmosfery. Poza tym nieznane są skutki dla środowiska długotrwałego przechowywania dwutlenku węgla.
Zielony wodór, najbardziej ekologiczny, uzyskuje się z wody przy użyciu odnawialnych źródeł energii elektrycznej: słońca i wiatru, powodując uwolnienie tlenu do atmosfery. Najczystszy proces produkcji zielonego wodoru nazywa się elektrolizą: prąd elektryczny przepływa przez wodę i rozbija ją na pierwiastki składowe: wodór i tlen. Dzięki energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych ślad węglowy produkcji wodoru jest bardzo niski lub zerowy.
Inne metody produkcji wodoru to wykorzystanie biomasy. Zgazowaniu poddawane są np. słoma, odpady biologiczne, trawa. Z kolei sposób biologiczny to fotosynteza i fermentacja z udziałem mikroorganizmów (np. alg) i wytwarzanie przez nie gazu. Nie są to jednak technologie na tyle zaawansowane, by można je było wykorzystywać na skalę przemysłową. Powszechnie stosowany proces przemysłowy produkcji wodoru to tzw. reforming parowy. Polega na reakcji głównie gazu ziemnego z parą wodną w temperaturze ok. 850 °C i pod ciśnieniem 20-50 barów - wytwarza się wtedy CO2 oraz H2. Dodatkowym „produktem” jest gaz resztkowy o palnej charakterystyce, wykorzystywany również do podgrzewania materiałów wyjściowych w reakcji. Ten rodzaj produkcji nie ma jednak przyszłości, ponieważ używa się do niej głównie surowców kopalnych. Oprócz trzech głównych kolorów opisujących proces produkcyjny wodoru stosuje się jeszcze… cztery inne. Czerwony lub purpurowy - w przypadku zasilania elektrolizerów energią jądrową, żółty - w przypadku mieszanki energetycznej kopalnej i odnawialnej, biały - jako produkt odpadowy procesów chemicznych i brązowy - produkowany podczas gazyfikacji węgla.
Główne sektory wykorzystujące zielony wodór to: stalowy, rafineryjny i chemiczny. Znajduje on też zastosowanie w branżach, które wykorzystują bardzo wysoką temperaturę do produkcji np. ceramiki, szkła, cementu, przetwórstwa spożywczego. W przemyśle rafineryjnym wodór stosuje się w produkcji paliw (hydrorafinacja i hydrokraking). Branża chemiczna korzysta z wodoru do produkcji nawozów sztucznych (amoniak) i kaprolaktamu (tworzywa sztuczne) oraz alkoholi oxo (plastyfikatory i farby). Z kolei sektor stalowy nadal stosuje procesy, w których wodór występuje w dosyć małych ilościach, ale emitowana jest duża ilość CO2. Wdrażane są jednak nowe technologie, np. DRI (z ang. Direct Reduced Iron), opierająca się na paliwach gazowych (biometan i wodór). Umożliwia to przyspieszenie dekarbonizacji, ale wciąż nie jest komercyjnie stosowane na większą skalę. Inne gałęzie przemysłowe nie wymagają istotnych zmian technologicznych przy zastępowaniu szarego wodoru zielonym. Skala zastąpienia będzie jednak zależała od rozwiązań regulacyjnych i kosztów „lepszego” ekologicznie wodoru.
Skroplenie wodoru wymaga znacznie więcej energii niż jego sprężenie. W postaci skroplonej musi być przechowywany w temperaturze bliskiej zera absolutnego, tj. ok. 20 K (czyli -252,8 °C), co jest energochłonne i obniża efektywną energetyczność wodoru o ok. 30-40%. Utrzymywanie gazu w tak niskiej temperaturze wymaga zastosowania odpowiednich izolacji i zaworów bezpieczeństwa, które znacząco powiększają koszt tego rozwiązania. Ze względu na parowanie wodoru - wskutek zwiększenia temperatury i konieczność jego odprowadzania, aby uniknąć dużego nadciśnienia mogącego uszkodzić materiał zbiornika - w metodzie tej występują duże straty paliwa i to niezależnie od tego, czy zasilana maszyna jest wykorzystywana.
Ostatnie lata przyniosły sporo pozytywnych zmian w ograniczaniu emisji dwutlenku węgla do atmosfery w pojazdach mechanicznych. Najpierw pojawiły się auta, w których jednostką napędową były baterie elektryczne. Jednostki te mają kilka wad, które wymagają modyfikacji. Przede wszystkim ekonomika podróży zależy od zasięgu, ładowności i czasu ładowania pojazdu. Ten ostatni bywa bardzo długi, a akumulator zajmuje dużo miejsca. Odpowiedzią na te problemy staje się zielony pierwiastek, który coraz częściej stosowany jest jako nośnik energii w ogniwach paliwowych (np. w ciężarówkach, autobusach). Innowacją powoli obejmowany jest tabor kolejowy (szczególnie na terenach trudnych do zelektryfikowania linii). Również transport morski coraz chętniej sięga po paliwa syntetyczne oraz po e-amoniak i e-metanol. Dekarbonizacja może więc objąć również żeglugę dalekomorską. Wróćmy jednak do mniejszych środków transportu. Do popularnych aut elektrycznych i hybrydowych z wolna dołączają jednostki zasilane wodorem. Są wyposażone w silnik elektryczny, który pobiera prąd wytwarzany w reakcji elektrochemicznej. Zachodzi ona, gdy wodór pod wysokim ciśnieniem łączy się z tlenem. Oznacza to, że pojazdy wodorowe - w przeciwieństwie do elektrycznych - mogą wytwarzać prąd samodzielnie. Biorą w tym udział ogniwa paliwowe generujące prąd za pomocą elektrolizy wody. Wodór ze zbiorników jest kierowany do ogniw, gdzie następuje łączenie jonów wodoru z tlenem. W wyniku tej reakcji powstaje woda - jedyna substancja emitowana przez auto. Można uznać, że pojazd wodorowy jest minielektrownią na kołach. Prócz zalety związanej z dekarbonizacją wymienić trzeba także szybkość ładowania zbiornika wodorem (kilka minut) oraz zasięg przejazdu na jednym „tankowaniu” (ponad 600 km). Do wad należą koszty zakupu pojazdu, brak infrastruktury ładowania i wysokie koszty energetyczne (kilogram wodoru wymaga 55-70 kWh energii). W Polsce są dostępne w salonach tylko dwa modele aut wodorowych: Hyundai Nexo i Toyota Mirai II. Nie ma jednak stacji do ich ładowania. Dla porównania: w Niemczech takich punktów było do niedawna ponad sto.
Jednym z najważniejszych wyzwań w wykorzystaniu potencjału wodoru jako czystego nośnika energii odnawialnej jest jego magazynowanie. Ma on najwyższą energię w przeliczeniu na masę ze wszystkich paliw, ale jego niska gęstość w temperaturze otoczenia skutkuje niską energią na jednostkę objętości. Wymaga więc opracowania zaawansowanych metod przechowywania, które mają potencjał wyższej gęstości energii. Jego magazynowanie jest też szczególnie ważne z uwagi na bezpieczeństwo zasilanych nim układów. Pierwiastek silnie reaguje z tlenem w powietrzu. Inne wyzwanie to właściwości wodoru. Cechuje się dużą zdolnością penetracji barier fizycznych. Pokonywanie przeszkód, np. grubych metalowych osłon, to jego specjalność. W efekcie może się wydostawać ze zbiorników. Wyróżnić można dwie podstawowe metody przechowywania tego wymagającego gazu. Pierwsza to metoda fizyczna, polegająca na skraplaniu i sprężaniu H2. Drugą jest magazynowanie chemiczne, znane też jako materiałowe. Druga koncepcja jest niemal pozbawiona wad, ale ciągle jest przedmiotem intensywnych badań, które pozwolą w przyszłości ją upowszechnić. Dzisiaj wykorzystanie tej metody jest nikłe. Znacznie częściej wykorzystuje się sprężanie i skraplanie, ale rozwiązania techniczne wymagają znacznych poprawek i ciągłego doskonalenia. Fizycznie wodór może być gromadzony jako ciecz lub gaz. W przypadku gazu wymagane są zbiorniki wysokociśnieniowe (350-700 bar), natomiast do cieczy potrzeba temperatur kriogenicznych z uwagi na temperaturę wrzenia wodoru pod ciśnieniem jednej atmosfery wynoszącej -252,8 °C.
Nowa koncepcja przechowywania wodoru w postaci ciekłej polega na wykorzystaniu zbiorników hybrydowych z wodorem kriogenicznym i dodatkowo sprężonym. Wodór jest przechowywany w postaci sprężonej cieczy o temperaturze i ciśnieniu wyższym niż standardowy ciekły. Do jego skroplenia potrzeba mniej energii niż w przypadku ciekłego. W zbiornikach hybrydowych jest mniej strat związanych z parowaniem niż w zbiornikach z ciekłym wodorem.
Najczęściej wodór jest magazynowany przez sprężanie. Wady tego sposobu to energochłonność i wysokie koszty. Ponadto butle stosowane do przechowywania gazów technicznych są dostosowane jedynie do ciśnień 200 barów, tymczasem akceptowalny zasięg pojazdów wymaga zbiorników wytrzymujących ciśnienie 800 barów. Rozwiązaniem może być zapewnienie takiej wytrzymałości materiałów na rozciąganie, aby stanowiły barierę dla „atakującego” wodoru. Innowacją w motoryzacji jest IV generacja zbiorników ciśnieniowych, wykonanych z materiałów kompozytowych węglowych (nie metali jak wcześniej). Zbiorniki te mają dodatkowe zewnętrzne powłoki z włókna węglowego odporne na uszkodzenia mechaniczne, a wewnątrz powłoki polimerowe o dużej gęstości stanowiące barierę dla gazu. Urząd Dozoru Technicznego do inspekcji i określania stanu technicznego zbiorników wykorzystuje techniki emisji akustycznej i termowizji aktywnej. Procedura testowa zbiorników sprężonego wodoru opiera się głównie na normie międzynarodowej ISO 15869. Polega na poddawaniu zbiornika różnym niekorzystnym oddziaływaniom, np. płomienia i wysokiej temperatury ogniska, statycznego ściskania zbiornika, pęknięcia (rozsadzenia) hydrostatycznego przy ciśnieniu większym niż 225% ciśnienia roboczego.
Kolejnym rozwiązaniem magazynowania znacznej ilości wodoru może być wykorzystywanie kawern solnych, wyeksploatowanych złóż gazu lub ropy naftowej. Kawerny, uznawane za bezpieczne miejsca służące do przechowywania, są powszechnie używane w Stanach Zjednoczonych i Wielkiej Brytanii. W Polsce użytkowane są dwa zespoły kawern solnych do przechowywania gazu ziemnego: KPMG Mogilno i KPMG Kosakowo. Dzięki lepkości i sprężystości soli odkształcenia ścian przebiegają powoli, co sprawia, że magazyny te charakteryzują się dużą szczelnością. Mogą być zatem skutecznie wykorzystywane również do gromadzenia wodoru.
Szczególnie badanym zagadnieniem jest magazynowanie oparte na materiałach, a więc wodoru związanego w formie ciała stałego lub cieczy. Chodzi o uniknięcie wysokich kosztów. Można wyróżnić pięć głównych typów magazynów: adsorbenty, ciekłe związki organiczne, wodorki proste, wodorki złożone i wodorki chemiczne. Naukowcy sprawdzają m.in. materiały węglowe: węgiel aktywny, grafit, nanorurki i inne struktury niskowymiarowe w zakresie fizykosorpcji i chemisorpcji. Takie materiały powstają najczęściej w wyniku spalania różnych postaci węgla, węglowodorów lub biomasy w obecności katalizatorów i czynników aktywujących. Głównymi zaletami, które przyciągają uwagę badaczy, są: niskie koszty, mała masa, duży stosunek powierzchni do objętości i obecność porów, ułatwiająca adsorpcję wielu cząsteczek wodoru na powierzchni. Wśród bogatych w wodór materiałów rozważany jest szczególny wodorek o nazwie amoniak, występujący w postaci ciekłej. Jego skroplenie i przechowywanie w tej formie nie wymaga tak niskiej temperatury i wysokiego ciśnienia jak skroplenie wodoru, przez co jest energetycznie i ekonomicznie korzystniejsze. Zbiorniki nie muszą zaś być zbudowane z nieprzenikalnych, wielowarstwowych materiałów, dzięki czemu są lżejsze i mniejsze. Niestety, wadą amoniaku jako potencjalnego magazynu wodoru jest niekorzystny wpływ tego związku i ewentualnych produktów ubocznych jego rozkładu na wydajność ogniw paliwowych.
Wodór ma wiele korzystnych właściwości, np. wysoką gęstość energetyczną, brak emisji szkodliwych substancji podczas spalania. Są też jednak pewne zagrożenia, które należy wziąć pod uwagę podczas pracy z wodorem:
W ostatnich latach miało miejsce kilka spektakularnych zdarzeń wybuchowo-pożarowych, zwłaszcza przy tankowaniu i rozładowywaniu H2. Jeden z poważniejszych w skutkach (6 osób rannych) wypadków nastąpił podczas rozładunku cysterny z wodorem w fabryce Ford Motor Company w Dearborn (stan Michigan, USA). Doszło do wycieku i eksplozji wodoru. Uszkodzona została infrastruktura przesyłowa w zakładzie. Z kolei w Ulsan w Korei Południowej w 2020 roku w wyniku wycieku wodoru z cysterny przewożącej gaz doszło do eksplozji i pożaru na stacji ładowania pojazdów. Natomiast podczas rozładunku cysterny z ciekłym wodorem na stacji paliw w Kalifornii został uszkodzony zbiornik, co spowodowało wyciek wodoru. Służby ratownicze musiały ewakuować ludzi z okolicznych budynków i zamknąć drogi. Ostatecznie obyło się bez strat materialnych. Z uwagi na ryzyko stacje ładowania wodoru powinny być wyposażone w systemy kontroli uziemienia. Wszystkie urządzenia i wyposażenie w strefie zagrożenia wybuchem muszą mieć certyfikat ATEX dla gazów grupy IIC, która obejmuje substancje o najwyższym ryzyku wybuchu, takie jak wodór (H2) i acetylen (C2H2). Nieszczelność instalacji przemysłowych i zbiorników to niejedyne potencjalne źródło wycieku. Może się ono pojawić np. w miejscu ładowania baterii kwasowoołowiowych, w którym wydziela się wodór. Mogą tam powstawać chmury o wysokim jego stężeniu, zbierające się pod sufitem pomieszczenia, tworząc silnie wybuchową atmosferę.
„Niewidzialność” wodoru można „zobaczyć” za pomocą detekcji płomienia. Czujka ma za zadanie wykryć i zareagować na obecność płomienia. Wykorzystuje technologie ultrafioletu (UV), podczerwieni (IR), występują również w wersjach kombinowanych jako UV/IR. Po wykryciu płomienia mogą uruchamiać alarm, odłączać np. przewód paliwowy i aktywować systemy gaszenia pożaru. Kotły wodorowe mogą być zabezpieczone w znacznie większym zakresie niż tylko detekcją płomieni. Są zabezpieczenia procesowe minimalizujące ryzyko związane z technologią spalania, np. system zarządzania palnikiem (reagujący na obecność lub brak obecności płomienia w komorze spalania, nadzoruje rozruch i wyłączenie palnika w różnych warunkach pracy), detektory płomienia (przekazują sygnały do zarządzania palnikiem), zabezpieczenia przed cofaniem się płomienia (instalowane w przewodach zasilających w tlen i paliwo w celu zatrzymania płomienia, odcięcie dopływów tlenu i paliwa, zmniejszenie ciśnienia w wyniku cofnięcia się płomienia) i zawody odcinające (odpowiadające za dopływ paliwa i utleniacza do palnika). Wodór jako pierwiastek przyszłości pomimo jego wybuchowych właściwości i innych wad ma ogromny potencjał energetyczny. Jego ekologiczne i wszechstronne zastosowania mogą przyczynić się do zmniejszenia emisji zanieczyszczeń i osiągnięcia zrównoważonej przyszłości energetycznej. Liczne badania naukowe i inwestycje mające na celu opracowanie nowych technologii i rozwiązań pozwolą na bezpieczne i efektywne wykorzystanie tego pierwiastka.
Specjalista ds. Oceny Ryzyka, zajmuje się zagadnieniami ryzyka ogniowego, utraty zysku oraz uszkodzenia maszyn i urządzeń. Inżynier, absolwent Wydziału Mechanicznego Politechniki Gdańskiej, w Grupie ERGO Hestia od 2006 r.
