📻 WODÓR W ROLI magazynu energii

Technologia, która będzie doskonalona i może dokonać prawdziwego przełomu.

AUDIO REO. Posłuchaj nagrania tekstu, czyta Hubert Augustyniak. 8’42”

Szybki rozwój transportu bazującego na wykorzystaniu wodoru, mikroinstalacji domowych oraz zapotrzebowania na wodór ze strony przemysłu stalowego i rafineryjnego spowodują, że technologia produkcji i magazynowania wodoru będzie doskonalona.

Odnawialne źródła energii rozwijają się coraz szybciej. Proces ten zapewne jeszcze przyspieszy, biorąc pod uwagę, że koszt uruchomienia nowej instalacji staje się każdego roku coraz niższy. Jednocześnie bez magazynów energii będzie nam utrudniać życie fakt silnej zależności pracy elektrowni wiatrowych od pogody, czy też instalacji solarnych, zależnych od poziomu nasłonecznienia. Sumaryczna generacja energii elektrycznej ww. OZE w nocy lub w dni bezwietrzne jest niższa. Z drugiej strony w wielu krajach coraz częściej słychać, że przy silnie wietrznej pogodzie elektrownie wiatrowe wyprodukowały więcej prądu niż wynosiło zapotrzebowanie w danym systemie krajowym. Tak zdarzyło się ostatnio chociażby w Niemczech. Wiadomo też, że elektrownie słoneczne wytwarzają energię elektryczną w ciągu dnia, kiedy popyt na prąd – zwłaszcza ze strony odbiorców indywidualnych – jest najmniejszy.

A gdyby dało się magazynować nadmiar wytwarzanej energii?

Można to zrobić i to na wiele różnych sposobów. Najwięcej magazynów energii elektrycznej na świecie to elektrownie szczytowo-pompowe. Na drugim miejscu są magazyny bateryjne. Ale rozwija się także wiele takich technologii, które pozwoliłyby na wykorzystanie energii ze źródeł odnawialnych do wyprodukowania paliwa, które dałoby się praktycznie zmagazynować. A w czasie niedoboru energii w systemie przerobić z powrotem na prąd.

Takim paliwem, które może być wyprodukowane z nadmiarowej energii słonecznej albo wiatrowej jest np. sprężone powietrze. Technologia CAES – compressed air energy storage – została przedstawiona w tym artykule.

Wady i zalety magazynów wodoru

Jednak za najbardziej obiecujące medium uznaje się obecnie wodór, chociażby dlatego, że instalacje do magazynowania energii z zastosowaniem wodoru charakteryzują się wysoką gęstością energii. A im więcej energii znajduje się w tej samej masie paliwa, tym więcej można go zmagazynować i tym większa moc takiego magazynu. W porównaniu do innych magazynów energii, zastosowanie wodoru pozwala na stosunkowo długi okres przechowywania paliwa oraz możliwość szybkiego reagowania na potrzeby systemu.

Do wad tego rozwiązania należy stosunkowo niska sprawność całego łańcucha przetwarzania energii (30%), wysokie nakłady inwestycyjne, a także ograniczona żywotność niektórych elementów instalacji (ogniwa alkaliczne, elektrolizery polimerowe). Jeśli chodzi o zastosowanie wodoru w ogniwach paliwowych (np. w transporcie), dochodzi do tego jeszcze brak rozwiniętej infrastruktury dystrybucji wodoru.

Nie najwyższa sprawność

Międzynarodowa Agencja Energii opracowała mapę drogową dla technologii wodorowych i ogniw paliwowych. W raporcie tym oszacowano, że sprawność samego procesu elektrolizy wody wynosi 65-80%. Samo sprężenie wodoru zachodzi ze sprawnością 90%. Jednak największa rozpiętość sprawności dotyczy samych ogniw paliwowych i – w zależności od zastosowanej technologii – waha się od 30 do 70%. Jeżeli przyjąć, że sprawność ogniwa to 43%, to całkowita sprawność procesu, z uwzględnieniem podziemnego magazynowania wodoru, wynosi 29-33%. Wodór może być również spalany w turbinie gazowej o obiegu prostym i wówczas sprawność całkowita będzie nieco wyższa, w okolicy 25-29%.

Synteza wciąż tańsza od elektrolizy

Obecnie wodór na skalę przemysłową pozyskiwany jest w procesie syntezy amoniaku i metanolu. Najczęściej surowcem jest gaz ziemny, ale także płynne paliwa wodorowe oraz węgiel. Elektroliza wody w celu produkcji wodoru jest procesem powszechnie znanym, ale jest rzadko stosowana ze względu na wysokie koszty tej technologii. Łączna moc takich instalacji na świecie nie przekracza 8 GW. Jednak wykorzystanie w tym procesie odnawialnych źródeł energii znacznie obniża koszty i należy spodziewać się, że spadek cen OZE sprzyjać będzie rozwojowi technologii otrzymywania wodoru w procesie elektrolizy.

Poziom zaawansowania

Najbardziej dojrzałą technologią, spośród tych, które już teraz są stosowane komercyjnie, są elektrolizery alkaliczne, które charakteryzuje wyższa sprawność oraz najniższy jednostkowy nakład inwestycyjny. Jednak ostatnio szybko rozwija się technologia z zastosowaniem elektrolizerów polimerowych z membraną protonową oraz z elektrolitem stałym (ang. solid oxide). Próbuje się również uzyskiwać wodór z wykorzystaniem ciepła – także słonecznego – zamiast prądu, jednak te technologie znajdują się jeszcze w fazie demonstracyjnej.



Ogniwo paliwowe (ang. fuel cell)
Urządzenie do konwersji energii chemicznej wodoru na elektryczną.
Rodzaje ogniw paliwowych zasilane wodorem (w fazie komercyjnej)
alkaliczne                      ang. alcaline fuel cell                     AFC
polimerowe                   ang. polymer electrolyte fuel cell   PEFC
z kwasem fosforowym    ang. phosphoric acid fuel cell        PAFC
węglanowe                     ang. molten carbonate fuel cell     MCFC
tlenkowo ceramiczne      ang. solid oxide fuel cell               SOFC



Sposób przechowywania

Jeżeli chodzi o pojemniki do przechowywania na szerszą skalę wytworzonego wodoru, najbardziej predestynowane do tego celu są podziemne komory po wyrobiskach solnych. Są w zasięgu obecnych możliwości technicznych, względnie tanie i oferują najwyższy poziom bezpieczeństwa. Atrakcyjne są również podziemne przestrzenie skalne powstałe po wydobyciu gazu ziemnego oraz ropy naftowej. Kilka takich zbiorników eksploatuje się obecnie na potrzeby przemysłu petrochemicznego, dwa z nich znajdują się w Stanach Zjednoczonych. Z pewnością są rozwiązaniem tańszych niż gromadzenie wodoru (ciekłego lub sprężonego) w zbiornikach powierzchniowych.

Dobre perspektywy

Magazyny energii w postaci sprężonego wodoru wytworzonego w procesie elektrolizy wody nadają się pod względem technicznym do bilansowania mocy szczytowej systemu elektroenergetycznego. Ich szerszemu wykorzystaniu nie sprzyjają obecnie stosunkowo niska sprawność oraz konieczność poniesienia wysokich nakładów inwestycyjnych. Wskaźniki te przemawiają na korzyść instalacji sprężonego i skroplonego powietrza oraz elektrowni szczytowo-pompowych.

Należy jednak wziąć pod uwagę szybki rozwój transportu bazującego na wykorzystaniu wodoru, mikroinstalacji domowych oraz zapotrzebowania na wodór ze strony przemysłu stalowego i rafineryjnego. Dlatego należy spodziewać się, że technologia produkcji i magazynowania wodoru będzie doskonalona, co zwiększy konkurencyjność wykorzystania wodoru do produkcji prądu w ogniwach paliwowych oraz w turbinach gazowych.


Od redakcji

W Polsce program „Magazynowanie wodoru” realizuje Narodowe Centrum Badań i Rozwoju. Na badania trafi ponad 30 mln zł. Jego celem jest opracowanie technologii magazynowania wodoru, a w szczególności konstrukcja prototypu zasobnika wodorowego do zastosowań mobilnych.

Henryk Majchrzak
Z energetyką związany od 1986 roku. Praktyk, pasjonat, a z racji wykształcenia także i naukowiec. Jest autorem dwóch monografii dotyczących funkcjonowania elektroenergetyki. W latach 2010-15 odpowiadał za krajowy system przesyłowy jako prezes spółki Polskie Sieci Elektroenergetyczne S.A. Obecnie specjalizuje się w dziedzinie innowacyjnych technologii wytwarzania prądu i ciepła.