W drodze do czystej energii czy zero emisji – zero technologii

W założeniach polityki Unii Europejskiej ciągle dominuje walka o poprawę czystości atmosfery widzianej przez pryzmat ilości emitowanego CO₂, znajdująca swoje odzwierciedlenie m.in. w odpowiednich dyrektywach. Przed nami zatem wiele trudnych wyborów, a także obowiązek weryfikacji rzeczywistego wpływu dwutlenku węgla na klimat Ziemi.

Podstawowym narzędziem walki o poprawę czystości atmosfery jest niezłomne, acz utopijne dążenie do eliminacji surowców mineralnych z wytwarzania energii i jej nośników, a także z chemicznych i pokrewnych procesów wytwarzania. Kolejnym argumentem przemawiającym za tą drogą realizacji polityki klimatycznej determinującej drogi rozwoju cywilizacji jest wyczerpywanie się złóż tych surowców, wprawdzie w przypadku ropy naftowej odsuwane systematycznie w czasie o kilkadziesiąt lat (jako punkt apogeum wydobycia) i spowalniane przez odkrywanie coraz to nowych złóż łupkowych, piaskowych i konwencjonalnych etc., ale jednak nieuchronne. Radykalni wizjonerzy i wojownicy klimatu domagają się niezwłocznego wprowadzenia zastępczych źródeł i nośników energii, a także surowców dla przemysłu (OZE). Są wśród nich naturalne źródła energii (światło słoneczne, woda, wiatr, a także pławy oceaniczne) i uważana za wszechmocną biomasa, przerabiana do nośników energii na drodze fermentacji aerobowych i anaerobowych (biogaz), zgazowania (przede wszystkim w wariancie ko- z innymi źródłami elementarnego węgla i wodoru), wreszcie w wariantach biologicznych wykorzystujących metabolity mikroorganizmów (algi do otrzymywania oleju i wodoru). Metody te, poza otrzymywaniem biogazu, nie zostały dotąd wiarygodnie zweryfikowane rynkowo (ekonomika, skala, gama otrzymywanych produktów), a ponadto grożą konkurencją z produkcją żywnościową niezwykle istotną w kontekście obserwowanej progresji demograficznej (9 mld ludzi w roku 2050). Przed nami zatem wiele trudnych wyborów, a także obowiązek weryfikacji rzeczywistego wpływu CO₂ na klimat Ziemi.

Nie ulega jednak wątpliwości, że pomijając ten ostatni element wykorzystanie mineralnych źródeł surowcowych, przede wszystkim do pozyskiwania energii i jej nośników w obecnej postaci istotnie zagraża czystości atmosfery, człowiekowi i środowisku naszej planety w ogóle. Spalanie i termiczne przetwórstwo węgli brunatnych i kamiennych w wielkiej skali jest źródłem cząstek stałych, WWH i ich aerozoli (aerozole miejskie), NO_x, SO₂ i licznych metali i metaloidów, o co najmniej szkodliwym działaniu na organizmy żywe. Dotyczy to także spalania ropopochodnych, ale także bioolejów w silnikach spalania wewnętrznego czy kotłach. Docelowo te metody pozyskiwania energii, a niekoniecznie przerabiane nimi obiekty pochodzenia mineralnego należy wyeliminować.

Wodór lekiem na całe zło

Gospodarka wodorowa (termin wprowadzony w 1970 roku przez General Motors Co. dla określenia nowego modelu gospodarki opartego na wodorze jako nośniku energii), dziś jako element powszechnej elektromobilności, jest przedstawiana jako jeden z „leków na całe zło”, jakie człowiek czyni sobie, swojemu ożywionemu i nieożywionemu środowisku naturalnemu w pogoni za coraz godniejszym życiem i rozwojem cywilizacyjnym.

Wyjątkowe miejsce w hierarchii czystych nośników energii zawdzięcza wodór temu, że w idealistycznym wariancie może on być otrzymywany wyłącznie z najczystszego bezemisyjnego surowca – wody, w dodatku stale odnawialnego i ogólnie dostępnego na drodze elektrolizy, która w przypadku prowadzenia jej przy użyciu prądu elektrycznego pochodzącego z OZE (wiatr, promieniowanie słoneczne czy energia wody) jest procesem zeroemisyjnym. Z kolei wykorzystanie chemicznej energii wodoru w silnikach wewnętrznego spalania (zarówno wysokoprężnych, jak i o zapłonie iskrowym), czy w ogniwach paliwowych jest również procesem wolnym od emisji GHG. Wydawałoby się zatem, że posiadamy gotowe, niezwykle cenne rozwiązanie pozyskiwania energii.

Gdyby nie fakt, że od wizji powszechnego stosowania paliwa wodorowego, po raz pierwszy sformułowanej przez kapitana Nemo w „Tajemniczej wyspie” Juliusza Verne’a (rok 1874), ciągle dzieli nas (Polskę i świat) kilka głębokich nisz technologicznych i przepaść organizacyjna. W dalszej części tekstu dokonam zestawienia współczesnego stanu posiadania i potencjału gospodarki wodorowej z zadaniami jakie stawia przed sobą świat w trudnym do zdefiniowania obszarze „zrównoważonego rozwoju”.

Największa światowa inicjatywa promująca implementację gospodarki wodorowej – International Partnership for Hydrogen and Fuel Cells in the Economy (IPHE), stanowiąca wzorzec dla organizacji rządowych i ponadrządowych, sformułowała następujące główne zadania warunkujące prowadzenie energetyki wodorowej: badania i rozwój, wytwarzanie wodoru, jego transport i magazynowanie, przepisy i standardy dla paliwa wodorowego, technologie ogniw wodorowych oraz promocja i stwarzanie społecznej aprobaty dla gospodarki wodorowej. Ciągłe nasze zdziwienie budzi traktowanie ogniw paliwowych jako jedynej słusznej technologii konwersji energii chemicznej wodoru na moc, chociaż w przypadku IPHE niewątpliwie wynika to ze struktury zadaniowej inicjatywy.

Spróbujmy określić stopień zaawansowania zadań IPHE w zgodzie z kryteriami zrównoważonego rozwoju.

Mapa drogowa rozwoju zielonych technologii produkcji wodoru

W ujęciu proekologicznym, zawartym na przykład w założeniach wszystkich wariantów elektromobilności wodorowej, wodór powinien być otrzymywany z wody w jednym z efektywnych wariantów elektrolizy przy wykorzystaniu prądu pochodzącego z konwersji OZE, bądź bezpośrednio w procesach chemicznej konwersji biomasy. United States Department of Energy (DOE) przedstawił w pierwszym dziesięcioleciu obecnego wieku mapę drogową rozwoju zielonych technologii produkcji wodoru przy założeniu ceny poniżej 4 USD/kg w dystrybutorze. Perspektywa czasowa mapy uwzględnia efekty średnioterminowe (lata 2020-2030) i długoterminowe (lata 2030-2040). Reforming parowy metanu – najpowszechniej stosowana w wielkiej skali metoda produkcji wodoru – ma być w najbliższej przyszłości (lata 2020-2030) zastępowana w wielkiej skali przez zgazowanie biomasy, a w formie rozproszonych źródeł H₂ przez elektrolizę zasilaną z OZE.

Rozwiązania scentralizowane na średnioodległą przyszłość to elektroliza wody zasilana z wiatraków włączonych do centralnej sieci średnionapięciowej, zgazowanie węgla(!) połączone z sekwestracją (najlepiej) chemiczną CO₂ i wreszcie fotoelektroliza wody przy użyciu energii solarnej. Rozwiązanie rozproszone dla tego okresu to paliwa ciekłe z procesów fermentacji i wodór z mikrobiologicznej konwersji biomasy.

Rozwiązania dla okresu po roku 2030 to wysokotemperaturowa elektroliza wody w wielkiej skali (wspomagana ciepłem z HTR) i również prowadzona w wielkiej skali fotoliza wody. W wizji tej średnioodległą przyszłość określa się jako fazę biomasy, a tę po roku 2030 jako fazę solarną. Oczywiście fazy zastosowań poszczególnych technologii i wykorzystania określonych surowców nie są w tej genealogii oddzielone ostrymi granicami czasowymi (chociaż mogą do tego doprowadzić odpowiednie regulacje prawne, analogicznie do tego, co obserwujemy obecnie w prawodawstwie Unii Europejskiej odnośnie strategii zagospodarowania odpadów).

Vincent Van Gogh napisał kiedyś w liście do swojego brata Theo, że „postęp nie następuje skokowo, a jest sumą wielu małych kroków”. Ta chętnie przytaczana opinia jest w rozwoju wielu dziedzin techniki i w ogóle cywilizacji wygodnym alibi. Usprawiedliwia bowiem, dlaczego rozwiązania zaproponowane przed kilku czy kilkunastu laty jako wielomilowe kamienie rozwoju tych dziedzin są na tym samym lub bliskim poziomie doskonałości praktycznej, co w momencie, kiedy je ogłaszano. Przecież wykonano tak wiele kroków, tj. zrealizowano tysiące projektów. Dotyczy to również szeregu rozwiązań znajdujących się na diagramie DOE i w strategii IPHE.

Zanim je zanalizujemy, należy podkreślić, że wypieranie z biegiem lat fazy biomasy przez fazę solarną jest logiczne, chociaż uzasadnienie tego nie leży wcale w przewidywanym intensywnym rozwoju technik i technologii pozwalających efektywnie przeprowadzać konwersję energii słonecznej na moc użytkową. Moim zdaniem, biomasa zniknie w niedalekiej przyszłości z listy źródeł surowców i nośników energii w ramach podporządkowania absolutnemu priorytetowi rozwoju cywilizacji – wyżywieniu rozrastającej się w niektórych regionach świata niemal wykładniczo populacji. Niezbyt przyjazną, chociaż skuteczną wizję nowego wykorzystania areałów rolnych i nieużytków, zmiany charakteru upraw oraz wykorzystania odpadów rolnych jako bazy żywieniowej przedstawiono ostatnio w kolportowanej w UE „strategii fińskiej”. Wróćmy jednak do rozwiązań z roadmap OED odsuwanych w czasie jako cele bliższej lub dalszej przyszłości.

Masowe zgazowania biomasy

Procesy zgazowania biomasy były już od wczesnych lat dziewięćdziesiątych ubiegłego wieku prezentowane w wersji pilotowej (Schwarze Pumpe, Carbo-V, Silva Gas etc.), podobnie jak kompleksowe koncepcje biorafinerii (na przykład ECN). Ciągle jednak pozostają w stadium wizji i koncepcji propagandowych, a są nieobecne chociażby, co pokażemy poniżej, pośród technologii masowego pozyskiwania wodoru.

Główne ograniczenia masowego stosowania zgazowania biomasy leżą, co było oczywiste od zarania prób nad jego wykorzystaniem, w niejednorodności i zmienności strumienia surowcowego, dużej i zmiennej zawartości w nim wilgoci, a zatem konieczności wstępnej standaryzacji wsadu (problem zawartości wody próbuje się usunąć w niestety kosztownym wariancie gazyfikacji wodą w stanie nadkrytycznym), w korozyjnym charakterze środowiska reakcyjnego, w zanieczyszczeniach otrzymywanego gazu wodorowego węglowodorami, a przede wszystkim produktami smolistymi, wreszcie w koszmarnym dla odpowiedzialnych za ochronę środowiska składzie wód poprocesowych, o wskaźnikach gorszych od ścieków rafineryjnych. Wymienione progi można oczywiście pokonać, jednak kosztochłonność takich działań jest jasna dla każdego technologa i trudno oczekiwać tu wyraźnej tendencji spadkowej.

Osobne zagadnienie to problem skali, w tej wielkiej, niezbędnej dla układów scentralizowanego wytwarzania H₂, pojawia się problem logistyki i składowania obwarowanego bardzo rygorystycznymi regulacjami prawnymi.

Autor niniejszego tekstu jest od dawna orędownikiem ko-zgazowania różnych strumieni węglopochodnych (odpady komunalne, biomasa, węgle niskiej jakości, odpady tworzyw polimerowych etc.) po wstępnej toryfikacji rozwiązującej wiele problemów procesowych, logistycznych i składowania. Jednak niepowodzenia ekonomiczne na przestrzeni wielu już lat prób wielkotonażowej (powyżej 70 tys. t/rok) w niemieckiej Schwarze Pumpe obok Merseburga, będącej pionierską instalacją ko-zgazowania nakazują zachowanie dystansu wobec realności szerokiej implementacji praktycznej takiego rozwiązania.

Prąd z energii wiatru wcale nie jest „za damo”

Elektroliza wody zasilana prądem pochodzącym z siłowni wiatrowych włączonych do sieci krajowej to kolejny etap w sekwencji czasowej niekonwencjonalnych technologii pozyskiwania wodoru wg ODE i IPHE. Jego główna zaleta to całkowita bezemisyjność, zarówno z punktu widzenia kontrowersyjnego CO₂, jak i rzeczywiście nieprzyjaznych emisji, lotnych związków organicznych, WWH, aerozoli, cząstek stałych etc., charakteryzująca etap pozyskiwania energii elektrycznej i etap elektrochemiczny.

Proces elektrolizy odznacza się jednak wysoką konsumpcją prądu, pomimo wieloletniego rozwoju ciągle jeszcze dosyć niską sprawnością i wysokimi kosztami produkcji. Z kolei prąd elektryczny pochodzący z konwertowanej w wiatraku energii wiatru wcale nie jest „za darmo”, jak głoszą od lat wizjonerzy ekologiczni i inwestorzy wykorzystujący boom zrodzony z wizji zrównoważonego rozwoju. Sprawność energetyki wiatrowej bardzo zależy od wysokości wiatraków, róży wiatrów w ich lokalizacji i jest równie chimeryczna jak warunki atmosferyczne w naszej szerokości geograficznej.

Jak policzyliśmy wspólnie z A. Kędziorą, wyprodukowanie tony wodoru na godzinę wymaga działania 26 wysokosprawnych wiatraków, trudno zatem mówić o rozproszonej wysokotonażowej produkcji tego nośnika energii. Za realne można natomiast przyjąć rozwiązanie, w którym układ 2 wiatraków zasila modułowy elektrolizer zabezpieczający zapotrzebowanie wodorowej stacji dystrybucyjnej wydającej około 100 kg wodoru na dobę, tj. ilość odpowiadającą wymaganiom obsługi „autostrady wodorowej” dziś i w najbliższej przyszłości. Przewiduje się, że po roku 2030 wydajność takich stacji wzrośnie do 300 kg/dobę, co także mogłoby być pozyskiwane w lokalnych elektrolizerniach wiatrowych.

Nierozwiązanym problemem jest niestety wysoka cena pozyskiwanego wodoru znacząco przewyższająca cenę H₂ pozyskiwanego z surowców mineralnych, nawet produkowanego w wytwórniach scentralizowanych, gdzie jest ona dodatkowo obciążona kosztami transportu/przesyłania i magazynowania.

Jedynie około 4% wytwarzanego na świecie wodoru jest produktem elektrolizy. Wysokie koszty procesu powodują, że jego stosowanie jest ukierunkowane w przeważającej części na otrzymywanie wodoru dużej czystości. Postęp w rozwoju metod elektrolizy jest intensywny. Od szeregu lat z klasycznymi elektrolizerami alkalicznymi konkurują na rynku elektrolizery membranowe (Proton Exchange Membrane Electrolysis, PEM) produkowane przez szereg renomowanych firm, jak Simens, Hydrogenics, Giner Electrochemical System, czy H-TEC Systems. Elektrolizery te są drogie, ze względu na koszt katalizatorów z metali szlachetnych, membran i stosowania do budowy aparatów materiałów o wysokiej odporności na korozję. Ekonomikę procesu PEM pogarsza dodatkowo stosowanie większych gęstości prądowych niż e elektrolizerach alkalicznych.

Kolejnym kierunkiem rozwoju w poszukiwaniu wzrostu sprawności elektrochemicznego rozkładu wody jest elektroliza w ogniwach tlenkowych, zawierających stały elektrolit, w którym mogą się poruszać tylko niektóre jony (w tym przypadku protony). Elektrolizery ze stałymi tlenkami jako elektrolitami mogą pracować w wysokich temperaturach, a zgodnie z termodynamiką zużycie prądu elektrycznego w procesie elektrolizy maleje ze wzrostem temperatury. Tego typu elektrolizery były pioniersko stosowane w Niemczech jeszcze w latach siedemdziesiątych XX w. Milowym krokiem w ich rozwoju miało być pod koniec lat osiemdziesiątych XX w. odkrycie przez Ivaharę właściwości przewodzenia protonów przez perowskity typu ABO₃ (mieszane tlenki baru lub strontu i ceru lub cyrkonu).

W elektrolizerach perowskitowych przewodząca protony membrana jest nieprzepuszczalna dla jonów tlenkowych i cząsteczkowych gazów. Sprawność prądowa tych układów może sięgać 95%. Dodatkowo elektrolizery te w temperaturach 750-900°C mogą być wykorzystane do realizacji mieszanej elektrolizy H₂O i CO₂ (w tym zakresie temperatur DG elektrolizy wody jest porównywalne z DG elektrolizy ditlenku węgla) prowadzącej do gazu syntezowego, którego skład można komponować regulując proporcję strumieni H₂O i CO₂.

Co z czwartą zasadą termodynamiki?

Walther Nernst, noblista z Wąbrzeźna, miał powiedzieć: „Pierwszą zasadę termodynamiki znaleźli Mayer, Joul i Helmholz, drugą sformułowało 2 fizyków – Clausius i Thompson. Trzecią zasadę odkryłem ja. Jak więc widać, czwarta zasada nie istnieje”. Ignorując drugą zasadę termodynamiki, wyznaczającą na przykład przepaść, jaka dzieli propagandowy model „gospodarki o obiegu zamkniętym” od możliwości jej dosłownej realizacji, nawet przy największym zaangażowaniu emocjonalnym i sukcesie organizacyjnym, wizjonerzy, entuzjaści ekorozwoju, a przede wszystkim twórcy niekonwencjonalnych proekologicznych rozwiązań procesowych zakładają, że przyszłość przyniesie wraz z postępem możliwość zignorowania termodynamicznych fundamentów spójności świata. To jest możliwe w fotochemii i chemii jądrowej, ale dla koncepcji technologicznych opartych na klasycznych procesach chemicznych i biologicznych nowej furtki realizacyjnej, a więc swoistej czwartej zasady nie należy oczekiwać.

Dotyczy to również perspektyw rozwoju elektrolizy. Standardowy potencjał tworzenia wody wynosi 1,48 V, w zoptymalizowanych warunkach nowoczesny elektrolizer membranowy czy alkaliczny działa przy napięciu 2,0 V i gęstości prądowej 2,00 Acm^-2. W porównaniu z 1,49 V, około 1,35 razy wyższe napięcie stosowane w wytwarzaniu wodoru w procesie elektrochemicznym daje sprawność nie przekraczającą 75%. W bilansie „od elektrolizy do koła pojazdu” należy jeszcze dodać straty związane ze sprężaniem lub skraplaniem wodoru, jego magazynowaniem, transportem, wreszcie przetworzeniem jego energii w silniku bezpośredniego spalania lub ogniwie paliwowym. W efekcie uzyskujemy nakład energetyczny 1,6-2 razy większy od uzysku energii w maszynie napędzającej pojazd.

Tym samym dochodzimy do stwierdzenia, że elektroliza może stać się racjonalnym źródłem paliwa dla pojazdów jedynie w przypadku taniego źródła prądu elektrycznego, a wobec wymogów kryteriów „zrównoważonego rozwoju” źródła wywodzącego się z OZE, bądź z siłowni jądrowych. A zatem, postęp w obniżaniu ceny 1 kWh prądu o etykiecie OZE jest na dziś o wiele bardziej istotny niż postęp w technologii elektrolizy. Kiedy jednak cena energii elektrycznej (pamiętajmy o jej systemowym uśrednianiu) przekroczy dolne bariery, to jaki będzie sens zamiany prądu w inny nośnik energii w jakichkolwiek zastosowaniach?

Współcześnie, za przyszłe rozwiązania alternatywne dla pozyskiwania wodoru z wody w stosunku do elektrolizy uważa się fotoelektrolizę i termolizę. Oba mają poważne ograniczenia, w pierwszym przypadku najbardziej istotnym jest brak odpowiednich materiałów fotoelektrodowych – najlepszy znany fotokatalizator TiO₂ jest bezużyteczny ze względu na wysokie nadnapięcie wydzielania H₂ na jego powierzchni, inne, jak związki arsenu, są toksyczne, a pozostałe (np. ZnO, poza tym wybór jest na razie niewielki) niewystarczająco aktywne. Termoliza wody jest procesem niekorzystnym termodynamicznie i wymagającym bardzo wysokich temperatur (ilościowo zachodzi przy takim wspomaganiu jak podczas katastrofy w Czarnobylu).

Zgazowania węgla perspektywą pozyskiwania nośników energii

Zgazowanie węgla, moim zdaniem proces o ogromnym potencjale, jest mimo wszystko przez twórców światowego drogowskazu implementacji gospodarki wodorowej widziany jako dominujący proces wytwarzania H₂ na przełomie lat trzydziestych i czterdziestych obecnego wieku. Wprawdzie obciążony narzutem CCS (z sekwestracji podziemnej CO₂ UE wycofała się 2 lata temu, wobec tego prawdopodobnie skazany na tzw. sekwestrację chemiczną, pod prąd termodynamiki), proces zgazowania węgla musi być dla świata perspektywą pozyskiwania nośników energii do czasu znalezienia nowych źródeł energii, dziś jedynie przewidywalnych, jak fuzja (niekoniecznie zimna) jądrowa czy opanowanie efektywnej konwersji energii naszej gwiazdy (niekoniecznie w formie naziemnej fotowoltaiki).

Szkoda, że nasze władze rządowe ogłosiły ostatnio deklarację od odejścia od technologii węglowych w dodatku obarczoną nie do końca chyba słuszną tezą, że rodzime zapasy węgla wystarczą na 30 lat. Niepriorytetowe traktowanie czystych technologii węglowych doprowadzi do pogłębienia się luki technologicznej w stosunku do światowych liderów, a w tym przypadku jest to nieuzasadnione (tradycje rozwojowe polskiej karbochemii, kilkakrotne już podejścia do uruchomienia tego procesu w wielkiej skali, ostatnio w Oświęcimiu, ostatnie projekty realizowane w Instytucie Chemii i Przetwórstwa Węgla i GIG etc.) i szkodliwe (dziewiąte w świecie zasoby węgla kamiennego to jednak narodowy skarb i posag na drogę zrównoważonego rozwoju). Tu warto zwrócić uwagę, że tłamszeni unijną krytyką dotyczącą stanu naszej atmosfery staramy się ograniczać aktywność gospodarczą związaną z węglem kamiennym, podczas gdy rzeczywistymi trucicielami są węgiel brunatny (najbrudniejszy nośnik energii) i zawierające go stałe paliwa odpadowe.

Zgazowanie węgla i ciężkich pozostałości rafineryjnych to w świecie już klasyka (blisko dwadzieścia procent produkcji wodoru). Z kolei wariant podziemny (wymyślony przez Siemensa jeszcze w 1867 roku), skierowany początkowo do kopalni, w których występowały trudności wydobycia węgla metodami konwencjonalnymi, lansowany szeroko w wizji zrównoważonego rozwoju to typowy oddalający się cel.

Mendelejew napisał w 1888 roku po zwiedzeniu kopalń w Zagłębiu Donieckim: „nadejdzie zapewne taka epoka, że węgla nie trzeba będzie wydobywać i będzie go można tam, w głębi ziemi przetwarzać na palne gazy, które rurami można przekazywać na duże odległości”. I rzeczywiście, poważne implementacje praktyczne proces przeżył w latach trzydziestych właśnie w kopalniach Zagłębia Donieckiego i Kuźnieckiego w ZSRR.

Bez wielkich sukcesów od tamtego czasu najciekawsze rozwiązania nie wychodzą poza skalę dużych pilotów. Zlokalizowany, kontrolowany podziemny pożar złoża, jakim jest w istocie podziemne zgazowanie, stanowi ekstremalne wyzwanie dla geologii, technologii, bezpieczeństwa procesowego i ochrony środowiska. Wydaje się, że zdecydowanie bardziej efektywnym kierunkiem wykorzystania potencjału intelektualnego, technicznego i technologicznego będzie położenie nacisku na problem jak optymalnie poprowadzić ten proces w naziemnym generatorze (najlepiej w układzie kogeneracyjnym), a nie na odpowiedź na pytanie: jak w ogóle poprowadzić go bezpośrednio w złożu.

Na pewno zadaniem na przełom lat trzydziestych i czterdziestych XXI w. jest poligeneracja – zgazowanie węgla połączone z reformingiem parowym metanu. W tym obszarze najbardziej ambitnym, ale i najbardziej efektywnym rozwiązaniem jest integracja w jednym generatorze procesów CGTL (coal and gas to liquid), CTL (coal to liquid) i GTL (gas to liquid). Zalety takiego rozwiązania to efektywne wykorzystanie energii cieplnej, zmniejszenie zapotrzebowania na tlen, a nawet możliwość wykorzystania katalitycznych własności popiołów ze zgazowania węgla w reformingu metanu.

Bez wątpienia, o czym już wielokrotnie pisałem, najbardziej efektywnym sposobem wykorzystania odpadów masowych tworzyw polimerowych (poliolefiny, PVC) jest ich zgazowanie, także w wersji kogeneracji w procesach ze zgazowaniem węgli, a nawet z odpadami komunalnymi. Zawartość wodoru w odpadach polimerowych jest wysoka, porównywalna z ciężkimi frakcjami ropy naftowej, odpady te stanowią wobec tego atrakcyjne wzbogacenie każdego wsadu do procesu gazyfikacji.

Przyszłość z gazem koksowniczym

Gaz koksowniczy i przemysłowe gazy odpadowe są źródłem wodoru o dużym lokalnym znaczeniu praktycznym. Zawartość wodoru w gazie koksowniczym sięga ok. 55%, gazy wodorowe z pirolizy i krakingu katalitycznego zawierają 60-85% H₂, gazy wydmuchowe z hydrorafinacji – 23-35% H_­2, gazy wydmuchowe z produkcji NH­₃ zawierają około 60% H₂. Obecnie wykorzystywane są one w większości jako gazy opałowe o średniej jakości, a niektóre z nich (wydmuchowe gazy rafineryjne) są wręcz spalane w pochodniach.

Dotychczas istotnym ograniczeniem pozyskiwania wodoru z gazów odpadowych jest bariera rentowności wykorzystania procesu PSA (pressure swing adsorption) do wydzielania H₂ ustawiona na poziomie zawartości około 70% w strumieniu. Wprawdzie przemysłowych gazów odpadowych nie umieszczono w agendach DOE i IPHE, nie ma jednak wątpliwości, że gaz koksowniczy będzie towarzyszył hutnictwu stali dużo dłużej niż do lat czterdziestych obecnego wieku, podobnie jak dużo dłużej trwało będzie wytwarzanie na wielką skalę paliw z ropy naftowej i produkcja amoniaku, a także wytwarzanie metanolu (nie wymienialiśmy go wcześniej, bo CH₃OH nie jest niestety wytwarzany w Polsce; gaz wydmuchowy w procesach jego produkcji zawiera 70-80% H₂).

Rozkład wody przy użyciu zielonych alg?

Udział procesów biologicznych w produkcji wodoru jest znaczący wg wytycznych DOE i IPHE dla okresu solarnego. Wykorzystanie mikroorganizmów w rozkładzie wody może mieć charakter bezpośredniej biofotolizy, kilkuetapowej biofotolizy niebezpośredniej, fotofermentacji, bioelektrolizy, a także ciemnej fermentacji. Od wielu już lat w procesach tych pokłada się wielką nadzieję jako w efektywnym sposobie konwersji energii Słońca docierającej do powierzchni Ziemi. Kilkanaście lat temu w USA próbowano wdrożyć na wielką skalę rozkład wody przy użyciu zielonych alg i cyjanobakterii. Proces ma jednak znaczące ograniczenia, wymaga anaerobowych warunków (prężność tlenu poniżej 0,1%) i nawet na nasłonecznionych obszarach charakteryzuje się niską sprawnością konwersji pochłoniętego promieniowania słonecznego.

W znacznie bardziej złożonym procesie biofotolizy niebezpośredniej z udziałem cyjanobakterii i alg, powstająca pierwotnie w procesie fotosyntezy biomasa w etapie ciemnej anaerobowej fermentacji w komórkach alg jest przekształcana w glukozę i kwas octowy, ten drugi rozkładany następczo do wodoru. Etapy anaerobowe procesu są bardzo czułe na tlen, w procesie wydzielają się znaczące ilości CO₂, a efektywność wykorzystania energii słonecznej jest równie niska jak w przypadku fotolizy bezpośredniej.

Duże oczekiwania od lat wiąże się z procesem fotobiologicznego rozkładu związków organicznych, takich jak białka, kwasy tłuszczowe czy sacharydy w metabolizmie purpurowych bakterii bezsiarkowych (Pure Non-Sulphur Bacteria, PNS). Proces ten, znany od lat czterdziestych XX w., ciągle nie doczekał się implementacji praktycznej.

W materiałach propagandowych dotyczących wykorzystania metod biotechnologicznych w procesach wytwarzania wodoru wielokrotnie wymienia się bioelektrolizę (Microbial Elcstrolysis). Ten elegancki w koncepcji proces polega na utlenianiu związków organicznych na pokrytej biofilmem bakteryjnym anodzie. Powstające w procesie protony, po przejściu przez selektywną porowatą przegrodę, wydzielają się na platynowej katodzie elektrolizera. Szereg szczepów bakteryjnych takich jak Geobacter, Clostridium, Desulfuromonas, Pseudomonas czy Klebsiella może być wykorzystanych w tym połączeniu zdolności metabolicznych bakterii z klasyczną elektrolizę. Surowcem dla procesu mogą być ścieki komunalne lub odpady pofermentacyjne. Wewnątrzkomórkowy transport elektronów w filmie bakteryjnym do powierzchni platynowej elektrody pozwala obniżyć wartość napięcia niezbędnego do przebiegu elektrolizy (do około 1,2 eV).

Biologiczne metody pozyskiwania wodoru, od lat urzekają elegancją i koncepcyjną prostotą rozwiązań. Dlaczego zatem w agendach implementacji metod wolnych od surowców mineralnych zajmują tak odległe w czasie miejsce, skoro już na przełomie wieków, wraz z pojawieniem się koncepcji wodoryzacji energetyki wskazywano na ich znaczący potencjał i bliską gotowość implementacji.

Prawdopodobnie jest to wynik negatywnych doświadczeń z innymi masowymi wdrożeniami biotechnologii, przede wszystkim niepowodzenia obiecywanego już 15 lat temu masowego procesu alkoholowej fermentacji celulozy. Owszem, potrafimy realizować ten proces, ale w niewielkiej skali i zamiast w warunkach zbliżonych do fermentacji skrobi, jedynie w kosztownej wersji, przy użyciu wyizolowanych enzymów. Kolejnym niepowodzeniem była produkcja olejów przez algi.

Termodynamika elektrolizy a termodynamika życia

Nie ma żadnej wątpliwości, że będące obiektem zainteresowania wytwórców i użytkowników wodoru wymienione procesy biotechnologiczne są kosztochłonne dziś i prawdopodobnie jeszcze dosyć długo będą. Kondycja mikroorganizmów podejmujących wyzwania produkcyjne wymaga kontrolowanego środowiska, nieobecności tlenu w etapach anaerobowych, a nawet stabilności naświetlania. Bez wątpienia są one trudniejsze do realizacji niż z sukcesem powszechnie stosowana anaerobowa fermentacja metanowa. I jeszcze termodynamika. Wprawdzie, jak wspomniano wcześniej, ścieżka biologiczna pozwala oszukać klasyczną termodynamikę elektrolizy, jednak ciągle do pokonania pozostaje bariera „termodynamiki życia”. W większości wymienionych wcześniej procesów decydującą rolę odgrywają etapy metaboliczne. Zwiększenie ich produktywności jest celem rozwiązań technologicznych, ale celem całego życia na Ziemi, od pojedynczych komórek począwszy, jest obniżenie entropii, a nie maksymalizacja wydajności procesów metabolicznych. Ta sprzeczność interesów decyduje o tym, że drożdże wytwarzają wino, a nie dużo bardziej pożądaną wódkę, że trudno jest zmusić algi do wytwarzania znaczących ilości oleju, że nie potrafimy przy użyciu biomasy drobnoustrojów hydrolizować bezpośrednio celulozy i przede wszystkim, że zwiększenie stężenia produkowanych metabolitów zabija ich wytwórców. Pokonanie tej bariery to największe wyzwanie dla implementatorów biotechnologicznego otrzymywania chemikaliów masowych, w tym także wodoru.

***

„Obok Orła znak Pogoni, poszli nasi w bój bez broni…” – to fragment „W krwawym polu” pięknej patriotycznej pieśni Wincentego Pola (1915 r.), która miała podtrzymać ducha patriotycznego żołnierzy polskich na polach bitewnych Wielkiej Wojny i tych, którzy ich wspierali na liniach frontów. Był on melancholiczną oceną przewagi serca nad umysłem w przeszłych i przyszłych zrywach wyzwoleńczych naszego narodu.

Zachowując wielki szacunek dla okoliczności, w których powstał i sprawy, której dotyczył można go doskonale odnieść do obudowanych regulacjami prawnymi celów i sposobów światowej walki o powstrzymanie zmian klimatu Ziemi, a także do agend czasowych i road maps jej realizacji. Sprawa jest wielka, chociaż możliwości wpływu człowieka na bieg rzeczy są według autora znacząco przeceniane. Niezależnie od tego proponowane rozwiązania, a przede wszystkim konieczne w nieodległej perspektywie czasowej znaczące ograniczenie stosowania paliw (w tym materiałów pędnych) pochodzenia mineralnego, są w realistycznej ocenie pozbawione narzędzi. Dotyczy to również gospodarki wodorowej.

Wbrew deklaracjom twórców bezemisyjnych technologii i ich implementatorów w praktyce, a także opiniom polityków i mediów, poziom doskonałości technologicznej tych procesów jest odległy od wymaganego dla konwencjonalnych technologii standardu i w wielu przypadkach nie będzie mógł być poprawiony (termodynamika).

Przede wszystkim żadne z proponowanych na przyszłość rozwiązań nie spełnia podstawowej zasady kapitalizmu – uzyskania bezwzględnego dodatniego efektu ekonomicznego (zostanie to szczegółowo wskazane w drugiej części niniejszej analizy). Większość z nich w szerokim zakresie granic bilansowania, nie poprawia stanu środowiska naturalnego i pozostawia znaczący ślad węglowy.

Tak jak w naszych zrywach narodowowyzwoleńczych są również straty: realizowana polityka klimatyczna (koszty emisji i sekwestracji) zahamowała znacząco dalszy rozwój konwencjonalnych metod pozyskiwania wodoru, które i tak na długo pozostaną jedynymi możliwymi, choć niekoniecznie słusznymi; nacisk na zastępowanie konwencjonalnych materiałów pędnych biopaliwami przyczynił się do wzrostu cen żywności w niektórych regionach świata (np. kukurydzy i soi w USA), a plantacje trzciny cukrowej dedykowane produkcji etanolu wypierają lasy deszczowe w Brazylii. Takie przykłady można by mnożyć.

Autor niniejszej analizy jest głęboko przekonany o decydującym wpływie niestabilności słońca na klimat naszej planety. Nie ma to żadnego wpływu na dyskusję przeprowadzoną w niniejszej analizie. Daje jednak pewną satysfakcję przy wykorzystaniu pradawnej mądrości ludowej jako przestrogi dla bezwarunkowej realizacji koncepcji gospodarki wodorowej. Przy obecnym stanie wiedzy nie porywajmy się z motyką na słońce.

Zachęcam do lektury drugiej części opracowania poświęconej perspektywom (elektro)mobilności wodorowej.

Proces zgazowania węgla musi być dla świata perspektywą pozyskiwania nośników energii do czasu znalezienia nowych źródeł energii, dziś jedynie przewidywalnych

Biomasa zniknie w niedalekiej przyszłości z listy źródeł surowców i nośników energii w ramach podporządkowania absolutnemu priorytetowi rozwoju cywilizacji

 

Wyprodukowanie tony wodoru na godzinę wymaga działania 26 wysokosprawnych wiatraków, trudno zatem mówić o rozproszonej wysokotonażowej produkcji tego nośnika energii

Jacek Kijeński

Instytut Chemii Przemysłowej im. prof. Ignacego Mościckiego

Wydział Budownictwa, Mechaniki i Petrochemii, Politechnika Warszawska Filia w Płocku

Artykuł ukazał się w magazynie “Energetyka Cieplna i Zawodowa” nr 6/2018. Tematyka publikacji poruszana jest na konferencji Ochrona Środowiska. Energetyka. Ciepłownictwo. Przemysł. 19-20 lutego Katowice.