Jak produkuje się wodór?

Ponieważ w ramach globalnej walki ze zmianami klimatycznymi przemysł zwraca się w stronę zrównoważonych źródeł energii, wodór okazuje się czystą i uniwersalną alternatywą dla paliw kopalnych. Jednak pełne wykorzystanie potencjału tego paliwa zależy od opracowania i wdrożenia efektywnych, oszczędnych i nieszkodliwych dla środowiska technologii produkcji. 

Jedną z największych wad wodoru, uniemożliwiającą jego powszechne stosowanie, wciąż jest jego niekonkurencyjna cena za jednostkę wytworzonej energii elektrycznej w porównaniu z konwencjonalnymi paliwami kopalnymi. W związku z tym, ulgi podatkowe oraz inne zachęty administracyjne są bardzo ważne dla dalszego rozwoju gospodarki opartej na wodorze, ponieważ rekompensują wyższe koszty związane z produkcją i wykorzystaniem. 

Istnieją różne technologie produkcji wodoru, które różnią się pod względem opłacalności technicznej, finansowej i szkodliwości dla środowiska. Poniżej podano przegląd najczęściej stosowanych technologii produkcji, a także niektórych metod eksperymentalnych, które są nadal w fazie opracowywania. 

Wodór jako nośnik energii posiada szereg istotnych zalet z technicznego punktu widzenia, a mianowicie:

• Wysoką zawartość energii na jednostkę masy w porównaniu z paliwami konwencjonalnymi 
• Potencjalnie zerową wielkość emisji dwutlenku węgla w miejscu zużycia, gdy jest używany w ogniwie paliwowym 
• Brak strat energii wskutek długotrwałego przechowywania, co stanowi znaczącą przewagę nad akumulatorami 
• Szeroki zakres zastosowań, w tym transport i magazynowanie energii

Jednak istnieją przeszkody dla jego powszechnego zastosowania w przemyśle, wynikające głównie z dostępności infrastruktury i kosztów.

W porównaniu z benzyną bezołowiową, wodór ma wysoką gęstość energii na jednostkę masy, ale nie na jednostkę objętości. Gęstość energii na jednostkę masy jest około trzykrotnie wyższa dla benzyny, co powoduje, że wodór jest atrakcyjny w zastosowaniach, w których znaczenie ma masa, np. transport na duże odległości.

Niska gęstość objętościowa wodoru wymaga jednak zastosowania dodatkowych metod jego przechowywania, polegających zwykle na sprężaniu gazowego wodoru lub skraplaniu przy użyciu technik kriogenicznych. Mimo, że metody te powodują zwiększenie gęstości, wprowadzają dodatkowe trudności operacyjne i powodują zużycie energii na przemianę wodoru i jego utrzymywanie w kontrolowanym stanie, co wymaga specjalistycznej infrastruktury. Ponadto, jego łatwopalność i małe rozmiary cząsteczek zwiększają ryzyko wycieku, dlatego w całym łańcuchu wartości wymagane są zatem rygorystyczne procedury bezpieczeństwa. 

Wodór szary, który jest obecnie najczęściej spotykany w przemyśle, może być produkowany przy użyciu dwóch metod termochemicznych: reformingu parowego metanu (SMR) i reformingu autotermicznego (ATR).

W obu metodach: SMR oraz ATR surowcem wyjściowym jest węglowodór, zwyklegaz ziemny, który składa się głównie z metanu (CH₄). W metodzie SMR metan jest wstępnie podgrzewany i w reformerze w obecności katalizatora łączony z parą wodną o wysokiej temperaturze (H₂O). W metodzie ATR para jest podawana do reformera wraz z kontrolowaną ilością tlenu gazowego (O₂), który powoduje spalanie. W przeciwieństwie do metody SMR, metoda ATR nie wymaga zewnętrznego źródła ciepła dla procesu reformingu metanu. 

W ekstremalnych warunkach temperaturowych panujących w reformerze w obu procesach katalizator wspomaga dysocjację cząsteczek metanu i wody, rozrywając ich wiązania chemiczne. W wyniku krakingu termicznego powstaje strumień gazu produktowego, który zawiera pożądany wodór, a także tlenek węgla i śladowe ilości dwutlenku węgla. Gazy węglowe są zwykle zatrzymywane na złożach adsorberów bezpośrednio za reformerem, natomiast wodór przepływa przez komorę, gdzie może być magazynowany i wykorzystany później, gdy zajdzie taka potrzeba. 

W aplikacjach, w których dwutlenek węgla jest uwalniany do atmosfery, powstający wodór nazywany jest "wodorem szarym". Z kolei sekwestracja CO₂ powoduje, że wodór jest nazywany "niebieskim".

Metoda ATR jest bardziej energooszczędna od metody SMR, ponieważ nie wymaga zewnętrznego źródła ciepła. Dodatkowo kontrolowane dozowanie tlenu w reformerze pozwala znacząco ograniczyć emisję tlenku węgla, dzięki czemu strumień dwutlenku węgla jest czystszy niż w metodzie SMR. Metoda ta idealnie nadaje się do produkcji niebieskiego wodoru. Metoda ATR jest jednak trudniejsza do kontrolowania i monitorowania, zwłaszcza jeśli chodzi o spalanie, ze względu na większe zagrożenia bezpieczeństwa. 

Nieszkodliwość niebieskiego wodoru dla środowiska zależy of efektywności i skalowalności technologii CCS, które ciągle są przedmiotem prac badawczo-rozwojowych.

Wodór turkusowy jest produkowany w procesie pirolizy metanu, w której gaz ziemny jest bezpośrednio podgrzewany do temperatur wyższych od 900°C (1652°F), w których rozpada się na gazowy wodór i węgiel w postaci stałej. Węgiel w stanie stałym, jako produkt uboczny, jest wychwytywany znacznie łatwiej niż w stanie gazowym.

Jeśli ciepło niezbędne do pirolizy pochodzi ze źródeł odnawialnych takich, jak energia słoneczna lub geotermalna, turkusowy wodór staje się jeszcze czystszym nośnikiem energii. Mimo, że ta metoda produkcji jest obiecująca, wciąż znajduje się we wczesnych etapach rozwoju i jej komercjalizacja wymaga prób na większą skalę, oraz sprawdzenia, czy wychwytywany węgiel może być trwale magazynowany.

Zielony wodór uważany za złoty standard wodoru pozyskiwanego w sposób zrównoważony jest produkowany w procesie elektrolizy wody z użyciem odnawialnych źródeł energii, takich jak energia słoneczna, wiatrowa czy wodna.

Elektroliza wody to proces rozkładu cząsteczek wody (H₂O) na wodór (H₂) i tlen (O₂) z wykorzystaniem energii elektrycznej. Elektrolizer składa się z dwóch elektrod - anody i katody, oraz elektrolitu - roztworu przewodzącego, który umożliwia przepływ jonów między elektrodami. 

Gdy przez układ przepływa prąd stały, na katodzie zachodzi redukcja polegająca na odbieraniu elektronów. Powoduje to przyciąganie ujemnie naładowanych anionów z elektrolitu, celem uzupełnienia niedoboru spowodowanego przyciąganiem elektronów przez katodę. Na anodzie zachodzi utlenianie, co powoduje uwalnianie elektronów i migrację dodatnio naładowanych kationów w kierunku anody. 

Na katodzie dodatnio naładowane atomy wodoru (H+) uzyskują elektrony i powstaje gazowy wodór, natomiast na anodzie cząsteczki wody tracą elektrony, uwalniany jest gazowy tlen i powstają nowe jony wodoru poruszające się w kierunku katody. 

W rezultacie następuje rozkład wody na cząsteczki wodoru i tlenu. Zielony wodór jest magazynowany, natomiast tlen może być całkowicie bezpiecznie uwalniany do atmosfery. 

W sytuacji nadwyżek energii odnawialnej zielony wodór to zrównoważony sposób jej gromadzenia, aby w razie potrzeby mógł być dostarczany do sieci. W przeciwieństwie do magazynowania energii w akumulatorach, zmagazynowany wodór nie ulega degradacji w miarę upływu czasu, jest więc to przydatne rozwiązanie zwłaszcza do okresowego lub długoterminowego magazynowania energii.

Jednak zgodnie z prawami termodynamiki ilość energii potrzebnej do procesu elektrolizy w celu wyprodukowania wodoru jest większa niż ilość energii możliwa do uzyskania z produktu. Według aktualnych szacunków National Renewable Energy Laboratory, efektywność procesu elektrolizy jest rzędu 70-80% co oznacza, że tylko ta część energii odnawialnej wykorzystanej do przeprowadzenia procesu jest potem dostępna jako potencjalna energia w otrzymanym wodorze.

Poza tym, infrastruktura wodorowa obejmująca m.in. elektrolizery jest wciąż w powijakach, a możliwość jej wykorzystania na szerszą skalę wymaga rozbudowy i zwiększenia efektywności. 

Istnieją również mniej rozpowszechnione metody produkcji wodoru, np. wykorzystujące energię jądrową, fotokataliza wody oraz metody biologiczne i biochemiczne.

Produkcja wodoru zasilana energią jądrową
Elektroliza wody zasilana energią jądrową to potencjalna metoda produkcji wodoru na dużą skalę bez emisji gazów cieplarnianych - określanego nazwą "wodoru różowego" - metoda jednak wciąż w fazie rozwoju. Ponieważ elektrownie jądrowe działają w sposób ciągły, są one stabilnym źródłem energii do produkcji wodoru i nie niosą za sobą wyzwań wynikających z przerw w dostawach, występujących w przypadku energii odnawialnej. Jednak przeszkodą dla szerszego stosowania są obawy społeczeństw dotyczące bezpieczeństwa jądrowego, składowania odpadów i możliwość proliferacji.

Fotokataliza wody
Fotokataliza wody, wykorzystująca bezpośrednio energię słoneczną, polega na zastosowaniu materiałów półprzewodnikowych pochłaniających światło słoneczne do rozkładu cząsteczek wody na wodór i tlen bez użycia energii elektrycznej. Fotony padające na półprzewodnik fotokatalizatora powodują wzbudzanie elektronów, które dostarczają energię powodująca reakcję chemiczną, przypominającą fotosyntezę u roślin.

Droga do masowego zastosowania tej metody jest jednak daleka i konieczne są dalsze badania celem opracowania ekonomicznie opłacalnych materiałów fotokatalitycznych. Wstępne testy wskazują jednak, że efektywność jest znacznie większa niż w przypadku elektrolizy z wykorzystaniem prądu elektrycznego. 

Biologiczne i biochemiczne metody produkcji wodoru 
Innym możliwym, ale niszowym procesem przyszłościowej produkcji wodoru użytkowego jest biofotoliza, która wykorzystuje naturalną zdolność fotosyntezy glonów i sinic do pozyskiwania wodoru z akwenów wodnych. Oprócz tego, reakcje enzymatyczne mogą potencjalnie służyć jako katalizator produkcji wodoru z biomasy lub wody. 

Metody te są nadal na etapie czysto eksperymentalnym, ale ważne jest, aby zbadać granice i możliwości produkcji wodoru dla rozwijającej się gospodarki opartej na wodorze, jako efektywnej, realnej metodzie redukcji emisji gazów cieplarnianych przez przemysł. 

Podjęcie właściwych decyzji o produkowaniu i wykorzystaniu wodoru w sposób efektywny wymaga uwzględnienia czynników finansowych, technicznych i uwarunkowań środowiskowych. Udoskonalenie i zwiększenie ilości różnych technologii produkcji wodoru sprawi, że jego wykorzystanie w wielu różnych zastosowaniach stanie się bardziej opłacalne. 

Obecnie produkcja szarego wodoru przy użyciu metod SMR i ATR wciąż dominuje, ale zachęty podatkowe powodują zwiększenie produkcji niebieskiego wodoru, w której stosuje się technologie wychwytywania dwutlenku węgla, aby zmniejszyć negatywny wpływ na środowisko. Zielony wodór, produkowany w procesie elektrolizy z wykorzystaniem energii odnawialnej, to bardziej zrównoważone rozwiązanie, ale skalowalność i opłacalność tej metody wymaga dalszego postępu technologicznego. 

Nowe metody takie, jak piroliza metanu i fotokataliza wody to obiecujące alternatywy, ale wciąż są one w fazie powstawania i wymagają dalszych prac badawczo-rozwojowych. Wieloaspektowe podejście, wykorzystujące różne metody produkcji, w połączeniu z politykami wsparcia i ciągłymi innowacjami to niezbędne warunki wstępne do tego, aby wodór stał się podstawą zrównoważonego zaopatrzenia w energię.