Projekt okładki i stron tytułowych Anna Kulikowska

Ilustracja na okładce @thepond057/freepik

Wydawca Adam Filutowski

Koordynator ds. redakcji Adam Kowalski

Redaktor Joanna Forysiak

Produkcja Mariola Grzywacka

Dział reklamy Magdalena Bystrzycka (magdalena.lewocka@pwn.pl)

Dział marketingu marketing.pwn@pwn.pl

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwo Naukowe PWN S.A.: Michał Latusek

Recenzja: prof. dr hab. inż. Jakub KupeckiDyrektor Narodowego Centrum Badań Jądrowych,Centrum Technologii Wodorowych, Instytut Energetyki - Państwowy Instytut Badawczy

Książka, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując jej część, rób to jedynie na użytek osobisty.

Szanujmy cudzą własność i prawo.

Więcej na www.legalnakultura.pl

Polska Izba Książki

Copyright ? by Wydawnictwo Naukowe PWN SA

Warszawa 2025

ISBN 978-83-01-24870-3

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2025 r. (Wydanie I)

Warszawa 2025

Wydawnictwo Naukowe PWN SA

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 69 54 321; faks 22 69 54 288

infolinia 801 33 33 88

e-mail: pwn@pwn.com.pl; reklama@pwn.pl

www.pwn.pl

Wstęp

Żyjemy w przełomowym momencie historii cywilizacji ludzkiej na planecie Ziemia. Jeszcze za życia naszych dzieci wyczerpiemy niemal wszystkie łatwo dostępne zasoby ropy naftowej i gazu ziemnego, które przez minione dekady były główną siłą napędową niespotykanego wcześniej rozwoju gospodarczego i cywilizacyjnego dla ogromnej większości społeczeństw Ziemi. Zanim jednak opróżnimy te tanie złoża, czekają nas coraz potężniejsze kataklizmy związane z ocieplaniem się klimatu, głównie spowodowane spalaniem paliw kopalnych. One bowiem, przy wszystkich zaletach, mają tę podstawową wadę, że w procesie ich spalania kumuluje się w najniższej warstwie atmosfery coraz większa ilość energii, która generuje szybko nasilające się kataklizmy przyrodnicze; w ich wyniku dojdzie do exodusu setek milionów ludzi z krajów najbardziej dotkniętych zmianami klimatu do krajów bogatych, gdzie z kolei katastrofy klimatyczne będą powodowały materialne zniszczenia o kosztach idących w biliony dolarów rocznie.

Te dwie przyczyny - wyczerpywanie się złóż paliw kopalnych oraz walka z ocieplaniem się klimatu Ziemi - spowodowały, że ludzkość zaczęła poszukiwać źródeł energii, które byłyby w stanie pokryć światowe zapotrzebowanie na nią, a jednocześnie nie powodowałyby emisji zanieczyszczeń do atmosfery. Okazało się, że zasoby czystych i odnawialnych źródeł energii, takich jak słońce, wiatr, woda i biomasa, są wystarczające do pokrycia, nawet z wielkim naddatkiem, obecnych i przyszłych potrzeb energetycznych ludzkości. Użycie ich jednak wiąże się z koniecznością poniesienia ogromnych nakładów finansowych, jednak wielokrotnie niższych od kosztów szkód, jakie czekają nas, gdy tego nie zrobimy.

Z reguły prąd wytworzony w tych czystych, odnawialnych źródłach może być wprowadzony bezpośrednio do sieci. Są jednak przypadki, w których służy on do wytworzenia czystego wodoru potrzebnego w licznych technologiach przemysłowych zamiast wodoru produkowanego z węgla lub z gazu ziemnego. Wodór może też być używany do eliminacji napędów benzynowych lub dieslowskich, a także znakomicie nadaje się do magazynowania energii produkowanej przez farmy wiatrowe czy fotowoltaiczne. Obecnie rolę takiego stabilizatora podaży energii odgrywa gaz ziemny, ale wodór z powodzeniem może go zastąpić.

To tylko kilka przykładów praktycznego zastosowania wodoru w gospodarce światowej. Od czasu pierwszych lotów kosmicznych w latach sześćdziesiątych XX wieku wiele mówiło się o możliwości zastosowania wodoru jako paliwa czystego i mającego największą wartość energetyczną, ale w XX wieku tania i łatwo dostępna energia z paliw kopalnych blokowała jakikolwiek postęp, tym bardziej że w owych czasach prawie nikt nie przejmował się emisją dwutlenku węgla do atmosfery, nawet nie traktując tego gazu jako zanieczyszczenie.

Obecnie to się zmieniło i nie jest przypadkiem, że w ostatnich kilku latach aż 60 państw rozwiniętych gospodarczo ogłosiło strategie wodorowe na następne dekady. Właśnie teraz przeżywamy okres, w którym kończy się epoka eksperymentów, prototypów, projektów pilotażowych i ludzkość wchodzi w fazę pierwszych wielkich przedsięwzięć inwestycyjnych związanych z gospodarką wodorową w przemyśle, transporcie i energetyce. Najbliższe lata będą stanowiły okres badania przydatności wodoru w wielu zastosowaniach na pełną skalę techniczną i wiele wskazuje na to, że w następnej dekadzie światowy rynek wodoru będzie już w pełni rozwinięty, a pierwiastek ten w wielu przypadkach konkurencyjny cenowo i niekiedy nawet nie do zastąpienia przez inne nośniki energii.

Celem napisania tej książki jest chęć zapoznania szerokiego kręgu osób niebędących specjalistami w zakresie energetyki z metodami wytwarzania wodoru, jego magazynowaniem i transportem oraz z różnorodnymi zastosowaniami w praktyce. Ostatni rozdział poświęcono krótkiemu omówieniu polskiej strategii wodorowej i strategii wiodących państw świata.

Starałem się, aby przekaz był możliwie prosty, bez wchodzenia w nadmierne szczegóły, które często zamazują główną linię narracji. Książka przedstawia stan wiedzy na początek 2025 roku i zdaję sobie sprawę, że następne miesiące i lata z pewnością przyniosą nowe odkrycia i usprawnienia, gdyż dziedzina, o której piszę, rozwija się niezwykle dynamicznie. Niemniej uważam, że opisy metod otrzymywania wodoru, jego transportu, magazynowania i stosowania mogą być przydatne dla wzbogacenia wiedzy o roli tego pierwiastka w dziejącej się na naszych oczach transformacji energetycznej. Szczególnie dużo informacji zaczerpnąłem załącznika nr 9 do Polskiej Strategii Wodorowej do roku 2030, którym jest obszerne opracowanie (514 stron) pod kierunkiem profesora Jakuba Kupeckiego zatytułowane Analiza potencjału technologii wodorowych w Polsce do roku 2030 z perspektywą do 2040 roku. Jest to moim zdaniem świetnie napisane kompendium aktualnej wiedzy na temat przyszłości gospodarki wodorowej zarówno w naszym kraju, jak i w skali światowej.

Obecnie w wielu dyskusjach na temat przyszłości czystego wodoru w światowej gospodarce słyszy się skrajne głosy - od entuzjazmu do sceptycyzmu. Uważam, że jak zwykle prawda leży pośrodku. Wodór zapewne nie będzie stanowił panaceum na wszystkie przyszłe problemy energetyczne, ale stanie się niezbędnym elementem nowego światowego systemu bazującego na powszechnym zastosowaniu odnawialnych źródeł energii. Tam, gdzie energia elektryczna czy cieplna nie mogą być bezpośrednio użyte lub ich użycie jest nieopłacalne, znajduje się miejsce dla technologii wodorowych. Takie jest przesłanie tej książki.

Rozdział 1Nasz wodorowy świat

To fascynujące, że w całym naszym ogromnym wszechświecie zdecydowanie dominuje wodór. Szacuje się, że stanowi on około 75% jego masy, ale aż 92,7% wszystkich atomów, z których jest zbudowana materia kosmosu. Pozostałe 7,2% atomów to hel, natomiast atomy wszystkich innych pierwiastków to tylko 0,1% składu wszechświata.

Nie zawsze tak było. Według najbardziej uznanej przez naukowców teorii nasz wszechświat narodził się w wyniku niewyobrażalnie wielkiego wybuchu 13-14 miliardów lat temu [1.7]. Słynny astrofizyk Paul Davies [1.1] pisze, że "w momencie zero wszechświat miał zerową wielkość i zaczął się rozszerzać z nieskończoną szybkością. Nastąpiła ekspansja samej przestrzeni, w której ekspandowała materia. W chwili Wielkiego Wybuchu powstały nie tylko energia i materia, lecz także przestrzeń i czas". Trzeba przyznać, że brzmi to wszystko jak science fiction, a przecież jest rzetelną wiedzą naukową. Naukowcy obliczyli [1.6], że jeśli hipoteza Wielkiego Wybuchu jest prawdziwa, to w pierwszej sekundzie, kiedy temperatura wynosiła miliardy stopni, ukształtowały się pierwsze elementy materii: protony, neutrony, elektrony, neutrina. Po stu sekundach temperatura spadła do miliarda stopni, co pozwoliło na tworzenie się jąder wodoru i helu. Po dalszym obniżaniu się temperatury sformowały się atomy wodoru, których część ulegała syntezie, tworząc atomy helu. Musiał jednak upłynąć miliard lat, aby z tych pierwiastków powstały całe galaktyki. Ten proces trwa nadal. To dzięki syntezie termojądrowej świecą wszystkie gwiazdy wszechświata, w tym także nasza najbliższa gwiazda - Słońce. W jego wnętrzu panuje niewyobrażalnie wysoka temperatura około 15 miliardów stopni, spowodowana nieustannie trwającą reakcją termojądrową, w której wodór łączy się ze swoim izotopem deuterem, tworząc hel i na odwrót - atomy helu rozpadają się na deuter i wodór. W książce Nadchodzi era Słońca [1.5] piszę: "Wytworzona w jądrze Słońca energia przenoszona jest przez promieniowanie i turbulencję ku warstwom zewnętrznym, stanowiącym jego atmosferę. W jej powierzchniowej warstwie, fotosferze, którą widzimy gołym okiem, temperatura wynosi już "tylko" około 6 tysięcy stopni, ale ponad nią jest jeszcze chromosfera i korona Słońca. Z korony energia już bezpośrednio emitowana jest w kosmos, a jej moc jest dla nas wprost niewyobrażalna, bo kształtuje się na poziomie 3,9 razy 10 do potęgi dwudziestej megawatów. Do Ziemi dochodzi tylko malutka cząstka, bo zaledwie mniej niż jedna miliardowa. Ta malutka cząstka stanowi i tak ogromną ilość energii, źródło życia na naszej planecie". Warto dodać, że wszystkie te procesy termodynamiczne zawdzięczamy wodorowi.

Energia Słońca jest bez wątpienia najważniejszą przyczyną życia na Ziemi, ale niejedyną. Drugą jest woda, a to przecież najprostszy ze związków chemicznych, łączący silnym wiązaniem wodór z tlenem.

To jeszcze nie wszystko. W ostatnich dekadach naukowcy odkryli, że wodór odgrywa też dużą rolę w DNA wszystkich istot żywych. Podwójna helisa, zawierająca wszystkie nasze geny, jest utrzymywana w ryzach dzięki bardzo silnym wiązaniom wodorowym. Wodór wchodzi też w skład białek, cukrów, węglowodanów, gdyż wszystkie te związki zbudowane są głównie z trzech pierwiastków: węgla, wodoru i tlenu.

Wprawdzie na powierzchni Ziemi wodór występuje niemal wyłącznie w formie związków chemicznych, to jednak znacznie więcej jest go w skorupie ziemskiej i w wyższych warstwach atmosfery. Szacuje się, że we wnętrzu naszej planety jego udział masowy wynosi poniżej 1% i w wyniku reakcji chemicznych albo dysocjacji wody pod wpływem promieniotwórczości przedostaje się on na powierzchnię przez szczeliny skalne. Tam jest absorbowany głównie przez bakterie glebowe, tak że jego stężenie w dolnej warstwie atmosfery jest znikome, na poziomie 0,5 ppm, czyli 0,5 części na milion [1.6]. Stężenie to szybko rośnie i na wysokości 90 km nad Ziemią udział wodoru w atmosferze wynosi 95% z powodu rozpadu cząsteczek wody pod wpływem promieniowania kosmicznego [1.7].

Wodór jest więc wszechobecny w całym wszechświecie, a na naszej planecie daje życie, znajduje się w skorupie ziemskiej oraz w atmosferze.

Obecnie ludzkość potrafi już korzystać z energii słonecznej dla zaspokajania swoich potrzeb energetycznych. Oto nieuchronnie zbliża się czas, kiedy także wodór będzie powszechnie stosowany do wytwarzania czystej energii i do jej magazynowania. Warto więc się zaznajomić z jego właściwościami.

Wodór, o masie atomowej jeden, ma trzy izotopy [1.4]. Wszystkie posiadają tylko jeden elektron krążący po orbitach, a różnią się jedynie składem jądra. Zdecydowanie dominujący jest podstawowy izotop, który naukowcy nazwali protem. Ma on w jądrze tylko jeden proton i w 99,985% reprezentuje wodór występujący w przyrodzie. W tym opracowaniu ten izotop będzie nazywany wodorem.

Drugim izotopem jest deuter. Zawiera on w jądrze poza jednym protonem także jeden neutron. Występuje w wodzie, ale w niezwykle małym stężeniu 115 ppm. To on tworzy z wodorem tzw. ciężką wodę, stosowaną w reaktorach jądrowych jako moderator ze względu na to, że ma właściwość spowalniania tzw. neutronów prędkich w reaktorach jądrowych. Deuter wykorzystywany jest także do produkcji bomby wodorowej. Zachodzi w niej reakcja syntezy atomów trytu z deuterem, co prowadzi do wyzwolenia ogromnej ilości energii. Właśnie tryt jest trzecim izotopem wodoru. Ma on w jądrze jeden proton, ale i dwa neutrony. Jest silnie radioaktywny, nietrwały, z półokresem rozpadu 12,33 lat. W bombie wodorowej jest wytwarzany z litu dopiero w trakcie wybuchu, w wyniku bombardowania jego jąder neutronami z bomby uranowej lub plutonowej o małej mocy, stosowanej jako zapalnik dla reakcji termojądrowej.

My jednak nie będziemy się zajmować technikami jądrowymi, produkcją bomby wodorowej ani nawet fascynującymi pracami badawczymi nad fuzją termojądrową dla uzyskania czystej energii dla celów pokojowych. Skupimy się na tych zastosowaniach wodoru, które mają znaczenie w gospodarce i już teraz dojrzały do tego, aby wdrażać je na wielką skalę w przemyśle, transporcie i energetyce.

Oto kilka podstawowych właściwości wodoru.

- Jest to gaz bezbarwny, bez smaku i zapachu. Nie jest toksyczny, a jedynym efektem jego spalania jest energia cieplna i woda, jest więc paliwem czystym, nieemitującym żadnych zanieczyszczeń atmosfery.

- To najlżejszy ze wszystkich gazów. W warunkach normalnych (przy temperaturze 273°K i ciśnieniu 1013 hPa) jego gęstość wynosi 90 g/m3, a więc jest około 14 razy lżejszy od powietrza. To oznacza, że w razie wycieku z jakiejś nieszczelności natychmiast się rozprasza w wolnym powietrzu, nie stwarzając zagrożenia pożarowego.

- Pali się w powietrzu, gdy jego udział objętościowy zawiera się w granicach 4-75%. W atmosferze czystego tlenu jego granice palności rozszerzają się do 4,1-94%. Ale uwaga: przy stężeniach w granicach 18,3 -59% gwałtownie wybucha.

- Temperatura samozapłonu wodoru jest znacznie wyższa niż benzyny i wynosi 585°C, jednak już w znacznie niższych temperaturach zapala się on pod wpływem iskry elektrycznej lub źródła ognia, a energia potrzebna do tego zapłonu jest bardzo mała.

- Gęstość wodoru można znacznie zwiększyć przez jego skroplenie, ale temperatura skroplenia jest bardzo niska, wynosi bowiem -252°C, czyli zaledwie 21 stopni powyżej zera bezwzględnego. Wodór w stanie ciekłym ma jednak gęstość 70,8 kg/m3, a więc niemal 800 razy większą od jego gęstości w warunkach normalnych.

- Wodór ma największą wartość opałową ze wszystkich paliw [1.9]. Z 1 kg wodoru można otrzymać 120 MJ energii, a więc 2,7 razy więcej niż z 1 kg benzyny i 5 razy więcej niż z 1 kg węgla kamiennego. Ze względu jednak na to, że jest to gaz bardzo lekki, zwykle stosuje się go w stanie sprężonym. Wtedy 1 kg wodoru przy sprężeniu do 350 barów ma objętość 46 litrów, a przy sprężeniu 700 barów już tylko 26 litrów, a więc niewiele.

- Bardzo ciekawą właściwością wodoru jest jego zdolność do rozpuszczania się w wysokich temperaturach w metalach takich jak nikiel, platyna czy miedź; szczególnie łatwo rozpuszcza się w palladzie i w niobie. Jest fascynujące, że w jednym metrze sześciennym tych rzadkich pierwiastków może się rozpuścić nawet 870 m3 wodoru. Ta właściwość jest wykorzystywana do jego magazynowania (patrz rozdział 3).

- Ze względu na to, że cząsteczki wodoru są wyjątkowo małe, wykazują dużą przenikalność przez gumę i materiały porowate, a w podwyższonych temperaturach także przez stal i inne metale, powodując w ich strukturach tzw. kruchość wodorową. Stanowi to poważny problem dla jego magazynowania.

- Wodór ma największą przewodność cieplną ze wszystkich gazów, a więc znakomicie nadaje się do odprowadzania ciepła z urządzeń, które muszą być chłodzone.

Wodór wykazuje więc wiele zalet, które mogą być wykorzystywane w różnych sektorach gospodarczych. W następnych rozdziałach omówiono metody jego otrzymywania, magazynowania, transportu i praktycznego zastosowania.

Literatura

1.1. Davies P., Ostatnie trzy minuty, Copernicus Center Press, Kraków 2016.

1.2. Fuć P., Ziółkowski A., Wodorowa alternatywa, Przegląd Komunalny 2022, 10.

1.3. Kocoń J., Reakcje syntezy jądrowej jako najważniejsze zjawisko w przyrodzie, Rocznik Towarzystwa Naukowego Warszawskiego 2000, 62-63.

1.4. Kruger P., Hydrogen as an energy carrier, w: tenże, Alternative Energy Resources, John Wiley and Sons, Hoboken 2006.

1.5. Nowicki M., Nadchodzi era słońca, PWN, Warszawa 2012.

1.6. Olszowiec P., Wodór z głębi Ziemi, Energia Gigawat 2016, 9.

1.7. Pniewski J., Wodór i gospodarka wodorowa a klimat, Nauka o klimacie, https://naukaoklimacie.pl/aktualnosci/wodor-i-gospodarka-wodorowa-a-klimat [dostęp: 11.08.2025].

1.8. Polkinghorne J., Istnienie świata, PAX, Warszawa 1988.

1.9. Prusek A., Tytko R., Energia wodoru, Aura 2018, 12.

Rozdział 2Wytwarzanie wodoru

Wodór jest pierwiastkiem niezwykle reaktywnym, dlatego w przyrodzie nie występuje w stanie wolnym, ale stanowi składnik wielu związków chemicznych. Połączony jest w nich silnymi wiązaniami, dlatego otrzymywanie gazowego wodoru wymaga użycia dużej energii. Badacze jednak już dawno nauczyli się go traktować jako odrębną substancję.

Pierwsze wzmianki o wodorze pochodzą z pism słynnego szwajcarskiego lekarza i alchemika z XVI wieku Paracelsusa. Działając na żelazo kwasem solnym, zauważył, że ulatnia się gaz, który po połączeniu się z powietrzem i źródłem ognia wybucha. Gaz ten nazwał więc "palnym powietrzem".

Dopiero ponad 200 lat później, bo w roku 1766, angielski chemik Henry Cavendish, przeprowadzając liczne eksperymenty z oddziaływaniem kwasów na różne metale, skonstatował, że zawsze otrzymuje ten sam gaz. Uznał, że jest to flogiston - substancja uchodząca z metalu w reakcji z kwasem, po której metal już na kwas nie reaguje. Wywnioskował stąd, że metal składa się z substancji palnej - flogistonu - oraz z substancji niepalnej. Chociaż hipoteza ta została wkrótce obalona, to jemu zawdzięczamy określenie gęstości owego gazu oraz odkrycie, że produktem jego spalania jest woda.

Uczonym, który obalił hipotezę Cavendisha w 1783 roku, był znany francuski fizyk i chemik Antoine Lavoisier. Opisał on reakcję chemiczną zachodzącą w czasie kontaktu metalu z kwasem, w wyniku której powstają gaz i woda. Gaz ten nazwał hydrogenium, czyli "tworzącym wodę". Tak oto rozpoczynała się kariera wodoru jako gazu znacznie lżejszego od powietrza oraz mającego wielki potencjał energetyczny.

Warto dodać, że już w 1806 roku szwajcarski konstruktor François Isaak de Rivaz skonstruował silnik dwusuwowy napędzany wodorem, a w 1807 roku użył go do napędu samochodu. Niestety, wodoru wystarczało na przejechanie bardzo krótkiego dystansu, przez co zdecydowanie bardziej konkurencyjne okazały się maszyny parowe i to one w XIX wieku zrewolucjonizowały przemysł oraz transport zarówno lądowy, jak i morski.

Niemniej jednak eksperymentowania z wodorem nie zarzucono. W 1821 roku słynny Michael Faraday odkrył, że spalając wodór, można uzyskać prąd stały, a w 1839 roku Alphonse Becquerel skonstruował pierwszy elektrolizer, czyli urządzenie produkujące wodór z wody pod wpływem prądu elektrycznego. Pod koniec XIX wieku, w 1898 roku, Jamesowi Dewarowi udało się skroplić wodór. W latach trzydziestych XX wieku odkryto dwa inne izotopy wodoru, deuter i tryt, a także ciężką wodę. Jednocześnie na coraz większą skalę zaczęto wykorzystywać wodór w technologiach przemysłowych i tak jest do dzisiaj.

Obecnie istnieje wiele metod wytwarzania wodoru, które różnią się przede wszystkim źródłami energii potrzebnymi do tego celu. Aby uprościć opis konkretnej metody, do literatury światowej wprowadzono pojęcie "kolorów" wodoru [2.32].

- Wodór czarny i brązowy otrzymuje się, używając węgla kamiennego lub brunatnego.

- Wodór szary otrzymywany jest w procesie reformingu parowego metanu (czyli gazu ziemnego) lub ze zgazowania koksu.

- Wodór niebieski jest z gazu ziemnego, ale powstały w wyniku reformingu dwutlenek węgla magazynuje się w podziemnych zbiornikach i nie uchodzi on do atmosfery (metoda CCS, Carbon Capture and Storage) lub jest wykorzystywany do produkcji syntetycznych paliw (metoda CCU, Carbon Capture and Utilization).

- Wodór zielony powstaje wtedy, gdy do jego otrzymania użyta jest energia wyłącznie ze źródeł odnawialnych, takich jak wiatr czy słońce.

- Wodór nazwany jest różowym lub turkusowym, gdy ta energia pochodzi z elektrowni jądrowej.

- Wodór żółty uzyskuje się przy użyciu prądu sieciowego, w którym miesza się energia z paliw kopalnych z energią ze źródeł odnawialnych.

- Wodór biały, zwany też złotym, pochodzi z naturalnych złóż geologicznych.

Według raportu Międzynarodowej Agencji Energii (International Energy Agency, IEA) [2.33] światowa produkcja wodoru w 2023 roku wyniosła 97 milionów ton, natomiast stowarzyszenie Hydrogen Europe, które corocznie zbiera wszystkie dane o wodorze w Unii Europejskiej [2.8], w swoim raporcie podaje, że w Polsce w 2022 roku wyprodukowano 785 tysięcy ton wodoru szarego, co daje nam trzecie miejsce w Europie po Niemczech (1,74 miliona ton) i Holandii (971 tysięcy ton) i siódme w skali światowej. Trzeba dodać, że polskie moce przerobowe są jeszcze większe i wynoszą około 1,1 miliona ton wodoru rocznie; w 2022 roku zostały wykorzystane w 71%. Największym producentem wodoru jest Grupa Orlen (55%), ale niewiele ustępuje mu Grupa Azoty (43%). Szczegóły technologii, w których wodór jest używany, opisane są w rozdziale 5, natomiast w tabeli 2.1 przedstawiono dane o wielkości produkcji wodoru w poszczególnych zakładach przemysłowych w 2022 roku. Widać z nich, że możliwości produkcyjne w zakładach petrochemicznych i rafineryjnych Grupy Orlen są niemal w pełni wykorzystywane, ale w Grupie Azoty tylko w 62% z powodu trudności, jakie napotyka produkcja nawozów sztucznych w Polsce ze względu na silną konkurencję w związku z importem tanich nawozów z Białorusi i z Rosji. Grupa ta posiada więc znaczne rezerwy w produkcji wodoru szarego, który w najbliższych latach mógłby być używany na przykład do napędu pojazdów wodorowych. Pozwoliłoby to na szybkie otwarcie rynku, zanim wodór szary zostałby zastąpiony zielonym lub niebieskim. Przecież obecnie samochody elektryczne ładowane są prądem w dużej mierze pochodzącym ze spalania węgla i nikt nie protestuje.

Tab. 2.1. Moce produkcyjne szarego wodoru w Polsce i jego produkcja w 2022 roku według Hydrogen Europe [2.8]

Grupa

Zakład

Moce produkcyjne (tys. t/r)

Produkcja 2022(tys. t/r)

Wykorzystanie mocy(%)

Orlen

Płock

233

191

82

Gdańsk

169

138

82

Włocławek

92

57

82

Jedlicze

58

48

83

Azoty

Puławy

215

133

62

Kędzierzyn

139

86

62

Police

105

65

62

Tarnów

51

31

61

Inne

42

36

85

Razem

1104

785

Warto dodać, że nie tylko w Polsce wodór jest wytwarzany z paliwa kopalnego. Obecnie w skali globalnej niemal 100% produkcji stanowią wodór szary i czarny. Wiele wskazuje na to, że wkrótce ta sytuacja ulegnie zmianie, wszystkie liczące się kraje wysoko rozwinięte opracowały bowiem w ostatnich latach ambitne strategie produkcji i wykorzystania wodoru zielonego (patrz rozdział 6). Na rys. 2.1 przedstawiono diagram ilustrujący różne metody wytwarzania wodoru, zarówno te, które od wielu lat są w użyciu, jak i te, które znajdują się jeszcze w fazie badawczo-rozwojowej.

Obecnie najbardziej rozpowszechnioną metodą otrzymywania wodoru jest reforming parowy gazu ziemnego [2.14], [2.25]. Proces jest prowadzony w reaktorze, do którego doprowadza się gaz ziemny i parę wodną. W temperaturze 700-900°C przy ciśnieniu 30-40 barów w obecności katalizatora niklowego zachodzi rozerwanie wewnętrznych sił w metanie i w wodzie zgodnie z wzorem:

CH4 + H2O 3H2 + CO

(2.1)

Rys. 2.1. Metody wytwarzania wodoru (opracowanie własne)

W wyniku tej reakcji powstaje mieszanina wodoru z tlenkiem węgla, nazywana gazem syntezowym, który może być paliwem albo też punktem wyjścia do produkcji metanolu, cennego związku niezbędnego w wielu procesach chemicznych.

Jeśli jednak głównym zamiarem jest otrzymanie jak największej ilości wodoru, tlenek węgla traktuje się przegrzaną parą wodną w temperaturze 360°C, otrzymując wodór oraz dwutlenek węgla zgodnie z reakcją:

CO + 2H2O 4H2 + CO2

(2.2)

Resztki nieprzereagowanego gazu ziemnego spala się, a uzyskane ciepło wykorzystuje do przeprowadzenia podstawowej reakcji.

Aby w procesie reformingu metanu otrzymać 1 tonę wodoru na użytek przemysłowy, trzeba zużyć 2 tony gazu ziemnego, 4,5 tony wody w postaci pary wodnej i 5,2 MWh ciepła. Jako wynik tego procesu otrzymuje się jednak również dwutlenek węgla. Teoretycznie emisja tego gazu wynosi 5,5 tony na tonę wodoru [2. 16]. W praktyce wytworzenie 1 tony wodoru metodą parowego reformingu metanu wiąże się z emisją CO2 w ilości 13,7 miliona ton [2.25], chociaż inne źródła podają, że ta emisja zawiera się w granicach 9-12 ton [2.2], [2.14].

Trzeba przyznać, że w parowym reformingu metanu zużywa się w Polsce około 3 miliardów m3 rocznie gazu ziemnego, co stanowi około 15% zużycia krajowego. Eliminacja tego gazu przez zastąpienie go produkcją zielonego wodoru pozwoliłaby na przykład na znaczne zmniejszenie jego importu, a więc wielką oszczędność dla budżetu państwa.

Również emisja dwutlenku węgla jest znacząca, gdyż nawet przyjmując dane podane w pracy prof. Kupeckiego [2.14], wynosi ona ponad 7 milionów ton rocznie. Już wkrótce zostanie objęta europejskim systemem uprawnień do emisji (system ETS). Jeżeli cena uprawnień będzie się zawierać w granicach 80-100 euro za tonę CO2, koszty wytwarzania szarego wodoru z gazu ziemnego bardzo mocno obciążą cenę produkcji nawozów sztucznych i paliw. Konieczne jest więc jak najszybsze podjęcie działań prowadzących do odejścia od parowego reformingu gazu ziemnego na rzecz otrzymywania wodoru ze źródeł odnawialnych.

Można też wybrać inną drogę. Powstający w tym procesie dwutlenek węgla da się wychwytywać i magazynować pod ziemią, zgodnie z metodą znaną pod nazwą CCS (Carbon Capture and Storage), jeśli w pobliżu jest taka możliwość. Tak wytworzony wodór będzie się nazywał niebieskim. Dotychczas jednak metoda ta nie była w Polsce stosowana, a i ona pociąga za sobą znaczne koszty. Jeszcze inną możliwością jest wykorzystanie dwutlenku węgla do produkcji metanolu. Metodę tę nazwano CCU (Carbon Capture and Utylization). Obecnie ten ważny związek chemiczny uzyskuje się z tlenku węgla i wodoru. Można jednak zastąpić tlenek węgla dwutlenkiem węgla, stosując odpowiednie warunki ciśnienia i temperatury w obecności katalizatora. W wyniku tej reakcji otrzymuje się metan lub metanol. W obydwu przypadkach unika się emisji CO2 do atmosfery, a stosując metodę CCU, otrzymuje się cenny związek chemiczny. W wielu ośrodkach naukowych, w tym także w Polsce [2.34], trwają intensywne prace związane z tego rodzaju zagospodarowaniem CO2.

Parowy reforming metanu nie jest jedyną metodą wytwarzania gazu syntezowego, z którego można otrzymać wodór. Gaz ten wytwarza się także bez użycia wody oraz gazu ziemnego przez pirolizę węgla kamiennego [2.6], [2.29]. W naszych miastach do dziś znajdują się budynki starych gazowni, obok których stoją wielkie cylindryczne zbiorniki na gaz miejski. Jeszcze w latach siedemdziesiątych ubiegłego wieku w wielu polskich miastach gaz ten był powszechnie używany do ogrzewania mieszkań, a także w kuchniach, łazienkach i zakładach przemysłowych.

Proces wytwarzania gazu miejskiego polegał na pirolizie węgla w szczelnie zamkniętych retortach bez dostępu tlenu, w temperaturze 1200°C. W tych warunkach powstawał gaz zawierający około 55% wodoru, 25% metanu, 8% tlenku węgla i 7% azotu. Zawierał on także niewielkie ilości innych substancji, takich jak smoły pogazowe, amoniak, związki siarki, naftalen. Po oczyszczeniu z tych domieszek gaz miejski był magazynowany we wspomnianych cylindrycznych zbiornikach z ciężkim, ruchomym sklepieniem, które służyło do wytwarzania niezbędnego ciśnienia w sieci gazociągu. Trzeba przyznać, że wprowadzenie do powszechnego użytku gazu miejskiego w miastach w XIX wieku (także do oświetlania ulic) było wielkim osiągnięciem cywilizacyjnym. Jego era skończyła się dopiero po II wojnie światowej wraz z budową rozległej sieci rurociągów gazu ziemnego pochodzącego zarówno ze źródeł krajowych, jak i importowanego ze Związku Radzieckiego, a po jego upadku - z Rosji. Jego cena okazała się znacznie niższa niż gazu miejskiego.

Bardzo podobny proces pirolityczny, prowadzący do otrzymania gazu syntezowego, jest stosowany w koksowniach [2.11], [2.14]. Z koksującego węgla kamiennego otrzymuje się gaz koksowniczy oraz koks, które są niezbędne w hutach żelaza i stali. Proces przebiega bez dostępu tlenu, w wyniku czego otrzymuje się gaz zawierający po oczyszczeniu 50-60% wodoru, 25-30% metanu, 6-10% tlenku węgla, 3-8% azotu 2-4% węglowodorów, a także 3% dwutlenku węgla i 0,3% siarkowodoru. Gaz ten ma dużą wartość opałową, wynoszącą około 42 MJ/kg. Również z niego można odseparować wodór do celów przemysłowych. Połowa gazu musi być przeznaczana do opalania baterii koksowniczych, ale druga połowa może zostać przeznaczona na produkcję gazu syntezowego lub wodoru.

Klasyczną metodą zwiększenia zawartości wodoru w gazie syntezowym jest i tu parowy reforming metanu, ale obecnie bada się możliwość poddania reformingowi węglowodorów z całego, nieoczyszczonego gazu koksowniczego, zawierającego m.in. smołę, benzol i wiele węglowodorów. W tej metodzie otrzymuje się gaz wzbogacony w wodór do poziomu 62-70%, a przy tym zawartość tlenku węgla wzrasta do 22-25%. Udział dwutlenku węgla jest w granicach 3-12%. Dopiero na tym etapie gaz ten jest rozdzielany na część wykorzystywaną w koksowni i tę, z której odseparowany jest wodór. Podobno w ten sposób można uzyskać nawet o 60% więcej wodoru niż w metodzie klasycznej. Trzeba jednak dodać, że obie metody wykorzystania wodoru z gazu koksowniczego są jeszcze w fazie badawczej. W październiku 2023 roku w Koksowni Przyjaźń w Dąbrowie Górniczej podpisano umowę między Jastrzębską Spółką Węglową a Instytutem Technologii Paliw i Energii na wybudowanie i eksploatację instalacji badawczej do wytwarzania czystego wodoru z gazu koksowniczego. Badania mają potrwać dwa lata i jeśli się powiodą, możemy w Polsce uzyskać znaczące źródło wodoru, aktualne plany zmniejszania wydobycia węgla kamiennego w naszym kraju nie obejmują bowiem węgla koksującego, służącego do produkcji koksu dla hut stali. Trzeba dodać, że Jastrzębska Spółka Węglowa jest największym producentem tego rodzaju węgla w Europie.

Znacznie bardziej rozpowszechnioną metodą otrzymywania wodoru niż piroliza jest zgazowanie węgla [2.30]. Jest to reakcja węgla z parą wodną w bardzo wysokiej temperaturze przy niedoborze tlenu (tzw. półspalanie węgla). W jej wyniku powstaje gaz syntezowy; w jego skład wchodzą głównie wodór i tlenek węgla, który, reagując z wodą, zostaje transponowany do dwutlenku węgla. Ostatecznie zawartość wodoru w gazie wzrasta do 40-50%, a zawartość tlenku węgla wynosi w granicach 25-50%, zależnie od rodzaju węgla, rodzaju reaktora, w którym następuje gazyfikacja, oraz sposobu jej prowadzenia. Niestety produktem tej reakcji jest też dwutlenek węgla, którego udział wynosi 15-30%, a więc bardzo dużo. Obecnie prowadzone są badania nad jego absorpcją w samym reaktorze, z użyciem tlenku wapnia. Warto dodać, że metoda otrzymywania wodoru przez zgazowanie węgla kamiennego jest na wielką skalę wykorzystywana w Chinach, które dysponują dużymi złożami węgla, natomiast gaz ziemny muszą importować.

Bardzo kuszące jest wykorzystanie organicznych odpadów komunalnych do produkcji gazu syntezowego (nazywanego w skrócie syngazem) lub wodoru na drodze pirolizy lub ich zgazowania. Liczne badania [2.6], [2.15], [2.17], [2.18], [2.23] wykazują, że z 1 kg odpadów można uzyskać nawet 0,24 kg syngazu. Jeśli są to odpady zmieszane, wartość opałowa gazu jest niewielka, gdyż zawiera się w granicach 10-15 MJ/Nm3, ponieważ znaczne ilości energii są niezbędne do wysuszenia odpadów. Gdy jednak pirolizie poddawane są odpady z polietylenu, propylenu, stare opony czy tekstylia, wartość opałowa syngazu może osiągać 45-50 MJ/Nm3, czyli być nawet większa niż metanu, którego wartość opałowa wynosi 36 MJ/Nm3.

Obecnie trwają intensywne prace badawczo-wdrożeniowe dotyczące tej bardzo obiecującej metody otrzymywania energii z odpadów komunalnych, ale istnieją już także komercyjne oferty, na przykład szwedzkiej firmy Metacon [2.14]. Proponuje ona wytwornice wodoru o czystości nawet 99,999% z biogazu pochodzącego z oczyszczalni ścieków, z wysypisk miejskich czy z organicznych odpadów przemysłowych. Wydajność generatora wodoru zawiera się w granicach 50-250 Nm3/h. Stosowany jest w nim proces parowego reformingu węglowodorów, przy którym co prawda powstaje dwutlenek węgla, ale nie jest on traktowany jako gaz cieplarniany, gdyż pochodzi z materii organicznej, która ten gaz kiedyś zaabsorbowała z atmosfery, a teraz on tam powraca.

Podobne urządzenie oferuje polska firma H2MM. W mobilnym kontenerze produkowany jest wodór o czystości 99,97% z metanolu pochodzącego z biomasy, w ilości 9,8-16,2 kg H2/h. Również i w tym procesie powstaje dwutlenek węgla w ilości około 7 ton na wytworzenie 1 tony wodoru, ale także nie jest on traktowany jako gaz cieplarniany.

W opisanych metodach otrzymywany jest gaz syntezowy, stanowiący cenny półprodukt w zakładach chemii organicznej, w petrochemii i w metalurgii, wykorzystywany także na dużą skalę do produkcji energii elektrycznej w turbinach gazowo-parowych [2.14]. Metoda ta znana jest pod nazwą zintegrowanego cyklu gazyfikacji IGCC (Integrated Gasification Combined Cycle). Warto podkreślić, że stosując ją, osiąga się sprawność procesu produkcji prądu dochodzącą do 55-60%, co jest nieosiągalne przy zastosowaniu klasycznej turbiny parowej. Elektrownie pracujące w cyklu IGCC na terenie Unii Europejskiej znajdują się m.in. na Sycylii (512 MW), w Hiszpanii (318 MW), w Czechach (350 MW) i w Holandii (253 MW). Niestety, również przy wykorzystaniu gazu syntezowego, podobnie jak w metodzie reformingu metanu, produktem ubocznym jest dwutlenek węgla w dużych ilościach emitowany do atmosfery [2.14].