Wodór i tlen
Pisząc o nowoczesnych technologiach wodorowych, nie sposób we wstępie pominąć, jak ważną rolę pełnią wodór i tlen. Oba pierwiastki występują dookoła nas, wspólnie tworzą cząsteczkę wody. Są budulcem związków organicznych, dzięki nim oddychamy i żyjemy. Tlen to najważniejszy dla nas składnik powietrza w atmosferze Ziemi, wodór to najczęściej występujący pierwiastek w kosmosie. Łączenie tych dwóch pierwiastków i rozdzielanie ich przy pomocy napięcia, czyli energii elektrycznej, najprawdopodobniej zdominuje wszelkie dyskusje o wodorowych technologiach przyszłości.
Wodór jako paliwo
Wodór w naszym otoczeniu występuje głównie w związkach z innymi pierwiastkami. Oznacza to, że w stanie chemicznym wolnym, dwuatomowym (H2), występuje na Ziemi niezwykle rzadko. Pierwsze wzmianki o produkcji czystego wodoru pochodzą z XVI w., kiedy to znany medyk z Bazylei Paracelsus, działając kwasem na metal, uzyskał łatwopalny gaz, który nazwał „palnym powietrzem”. Kolejni chemicy potwierdzali jego teorię, która w wielu przypadkach znajduje zastosowanie do dziś. Właściwości fizykochemiczne wodoru interesowały kolejne pokolenia inżynierów i chemików, którzy doceniali łatwość jego spalania, także wybuchowość, nad którą w miarę upływu czasu i badań zapanowali. Gdybyśmy chcieli spalić (czyli utlenić) taką samą jednostkę masy lub objętości węgla czy gazu ziemnego oraz wodoru, okazałoby się, że najwięcej energii otrzymamy ze spalania wodoru – nawet cztery razy więcej. Jednak badania nad wykorzystaniem wodoru jako paliwa znacząco utrudniał fakt, że trudno go magazynować ze względu na małe rozmiary cząsteczki i jego lotność. W praktyce wodór posiada zdolność przenikania przez każdą powierzchnię. W efekcie wszelkie prace nad szerokim zastosowaniem technologii wodorowych były zahamowane aż do XX wieku.
Technologie wodorowe a ekologia
Temat technologii wodorowych powrócił w ostatnich latach w kontekście zmieniającej się gospodarki, ochrony środowiska i zasobów naturalnych Ziemi oraz ekologii. Opracowana i doskonalona technologia produkcji energii elektrycznej z użyciem wodoru jako paliwa, w urządzeniu nazwanym ogniwem paliwowym, charakteryzuje się bowiem obojętnym oddziaływaniem na środowisko naturalne. Stosowanie tej technologii nie powoduje emisji szkodliwych cząstek do atmosfery lub środowiska, nie powstają również toksyczne lub szkodliwe odpady.
Ogniwo paliwowe jest urządzeniem, w którym dochodzi do reakcji utleniania paliwa, ale w warunkach innych niż wysokotemperaturowe reakcje wybuchowe. Do wytworzenia energii elektrycznej w ogniwie paliwowym potrzebne jest paliwo (i może to być wodór) oraz tlen, a także odpowiednio przygotowane otoczenie reakcji chemicznej, czyli elektrolit. W wysokich temperaturach reakcja tlenu i wodoru jest gwałtowna i głośna, krótko rzecz ujmując – wybuchowa, co związane jest z powstaniem pewnej ilości energii w krótkim czasie. W ogniwach paliwowych ta sama reakcja jonów wodoru i tlenu przebiega wolno i bez płomienia. W większości pozycji literaturowych nazywa się ją „zimnym spalaniem”. W wyniku procesów chemicznych w urządzeniu elektrochemicznym – ogniwie paliwowym – powstaje prąd elektryczny i zostaje wydzielona pewna ilość ciepłej wody, która jest odpadem reakcji. Czyni to z całego procesu obojętną dla środowiska reakcję chemiczną bezgłośną i bezdrganiową, co stanowi dodatkowy atut.
Zastosowanie technologii wodorowych
O popularności tego rozwiązania na rynku, podobnie jak i innych technologii, decyduje zazwyczaj ich testowanie i rozwijanie w przemyśle militarnym. Produkcja energii elektrycznej za pomocą ogniw paliwowych na skalę ogólnoświatową rozpoczęła się w połowie XX wieku. Szczególny nacisk na rozwój tej technologii położono w Stanach Zjednoczonych, gdzie od 1965 roku pracowano nad projektem napędu okrętu podwodnego i zamiany dotychczas używanej energii jądrowej na energię pochodzącą z ogniw paliwowych. Po próbach na jednostkach o dużej mocy ogniwami paliwowymi zajęły się również firmy produkujące małe jednostki pływające (łodzie ratunkowe, interwencyjne i łodzie motorowe) oraz samoloty. W USA ogniwa paliwowe zastosowano do napędu pojazdów kosmicznych takich jak Apollo, Gemini, Skylab. Nieco później, bo w 2006 roku, podjęto próby wprowadzenia technologii ogniw paliwowych jako źródeł zasilania na platformach wiertniczych i jednostkach FPSO (Floating Production, Storage and Offloading Unit), służących do przerobu i transportu ropy naftowej. W tym samym czasie, ale na mniejszą skalę, ogniwo paliwowe wykorzystywano jako jednostkę zasilania energetycznego UPS (Uninterruptible Power Supply) dla obiektów umiejscowionych poza siecią elektroenergetyczną. Znajdują one zastosowanie jako baterie dla urządzeń przenośnych. Ogniwo paliwowe było i jest doskonałym urządzeniem, które pozwala na wytworzenie energii elektrycznej w każdym miejscu, w zaplanowanej ilości i przewidzianym czasie, pod warunkiem odpowiedniej dostępności paliwa i tlenu.
Pod koniec lat dziewięćdziesiątych XX wieku ogniwami paliwowymi zainteresował się przemysł motoryzacyjny i zapewnił temu rozwiązaniu dużą popularność. Światowe marki samochodowe zaczęły wprowadzać na rynek prototypy samochodów elektrycznych, gdzie ogniwo paliwowe zastępowało silnik spalinowy lub współpracowało z silnikiem elektrycznym i akumulatorem.
Źródła wodoru
Tak, technologie wodorowe nie są nowe… Należy jednak zaznaczyć, że użycie wodoru w ówczesnych technologiach związane było z pozyskaniem go z paliw kopalnych. Te technologie, które rozwinęły się w XX wieku, opierały się na pozyskiwaniu wodoru z reformingu np. gazu ziemnego. Wydobycie i przetwarzanie paliw kopalnych pociągało za sobą niekorzystne zmiany środowiska. Dotychczasowe technologie wytwarzania wodoru nie spełniały podstawowego warunku dla ich popularyzacji i rozwoju – nie były obojętne dla środowiska. Wraz z popularyzacją energetyki odnawialnej perspektywa się zmieniła. Odnawialne źródła energii przetwarzają naturalne zasoby Ziemi, jak promieniowanie słoneczne, wiatr, wodę, ciepło wnętrza Ziemi i stają się konieczną alternatywą dla konwencjonalnej energetyki. To właśnie energetyka odnawialna przyczynia się do tego, że prace nad technologiami wodorowymi nabierają tempa.
Jednym z najbardziej znanych sposobów produkcji wodoru jest elektroliza wody, a więc rozkład wody na tlen i wodór cząsteczkowy pod wpływem napięcia (energii elektrycznej). Perspektywa produkcji wodoru cząsteczkowego na dużą skalę w ten sposób nabiera znaczenia. Jeśli elektrolizer zasilany będzie zieloną energią pozyskiwaną z ogniw fotowoltaicznych lub elektrowni wiatrowych, które umiejscowione będą na dostatecznie dużym zbiorniku wodnym, by wody jako produktu do reakcji nie zabrakło, wówczas możliwa jest przemysłowa produkcja wodoru z pominięciem paliw kopalnych.
Technologia wodorowa zatacza więc ogromne koło, wpisując się również w naturalny obieg wody w przyrodzie. Fotowoltaika czy elektrownie wiatrowe, korzystając z naturalnych zasobów Ziemi, np. promieni słońca lub wiatru, są w stanie wyprodukować energię elektryczną potrzebną do elektrolizy wody, choć produkcja ta jest mocno ograniczona zarówno klimatem, jak i pogodą. Dzięki wykorzystaniu odnawialnych źródeł energii i produkcji zielonej energii elektrycznej, możliwe jest zasilenie elektrolizerów, które wyprodukują wodór i tlen. Wykorzystując wodór w ogniwach paliwowych w transporcie, przemyśle lotniczym, przemyśle wojskowym, energetyce lub w służbie zdrowia, nie produkujemy odpadów, toksycznych związków chemicznych, więc chronimy środowisko naturalne Ziemi.
Porozumienie sektorowe na rzecz gospodarki wodorowej
Instytut Badań Edukacyjnych wspiera inicjatywy związane z rozwojem technologii wodorowych poprzez podejmowanie działań takich jak podpisanie „Porozumienia sektorowego na rzecz rozwoju gospodarki wodorowej”. W treści dokumentu wspomniano o zidentyfikowanych potrzebach rozwijającego się sektora w zakresie zapewnienia wysoko wykwalifikowanego personelu, poprzez przygotowanie nowoczesnych programów kształcenia i szkolenia, zgodnych z ustawą o ZSK, a także dostosowanie istniejących kwalifikacji rynkowych do wymagań kształtujących się łańcuchów dostaw i wykorzystania wodoru. W działaniach tych będą uczestniczyć pracownicy IBE, w tym zastępca dyrektora IBE Jakub Koper, który jest przedstawicielem Instytutu w Radzie Koordynacyjnej do spraw Gospodarki Wodorowej. W grupach roboczych (Wytwarzanie wodoru, Rozwój kadr dla gospodarki wodorowej i edukacja społeczna, Rozwój dolin wodorowych oraz współpraca interesariuszy) Instytut reprezentują: Maciej Tauber, Michał Nowakowski, Elżbieta Strzemieczna, Monika Drzymulska-Derda oraz Ziemowit Socha.
O autorce:
Monika Drzymulska-Derda – ekspertka kluczowa w Zespole Zintegrowanego Systemu Kwalifikacji IBE. Prowadzi prace w zakresie koordynacji badań kompetencji w sektorach, opracowania ram sektorowych, wdrażania SRK w przedsiębiorstwach i instytucjach edukacyjnych. Współpracuje przy prowadzeniu cyklicznej analizy zapotrzebowania na zawody, kwalifikacje i umiejętności. Zajmuje się również powiązaniami pomiędzy szkolnictwem branżowym i kwalifikacjami rynkowymi.
Współpracuje z Ośrodkiem Rozwoju Edukacji. Jest współautorką programu nauczania dla zawodu „technik urządzeń i systemów energetyki odnawialnej”, konsultuje zgodność opracowywanych materiałów z podstawami programowymi. Nauczyciel dyplomowany, egzaminator egzaminów zawodowych dla zawodu technik urządzeń i systemów energetyki odnawialnej.
Posiada wykształcenie kierunkowe w zakresie inżynierii energii (Politechnika Częstochowska), skończyła studia podyplomowe „Odnawialne źródła energii i gospodarka odpadami” (Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu) oraz studia pedagogiczne (Międzywydziałowe Studium Kształcenia i Doskonalenia Nauczycieli).
