I Perspektywa wykorzystania wodoru w mikroskali

OKIEM STUDENTA

PERSPEKTYWA WYKORZYSTANIA WODORU W MIKROSKALI

TRUDNO NIE ZAUWAŻYĆ ROSNĄCEJ POPULARNOŚCI WODORU W MEDIACH, PREDYKCJACH I POWSTAJĄCYCH INSTALACJACH. JEGO WYKORZYSTANIE POZOSTAJE JEDNAK Z WIELU WZGLĘDÓW PROBLEMATYCZNE.

Jest to pierwiastek o niskiej gęstości w warunkach normalnych: w celu magazynowania i transportu wymaga sprężenia do ciśnienia z zakresu 150-800 bar; proces ten jest wysoce energochłonny. Nawet po tak znacznym sprężeniu gęstość energetyczna tego paliwa pozostawia wiele do życzenia, a jego przechowywanie i transport wiążą się z dalszymi wyzwaniami. Cząsteczka H2, ze względu na niewielki rozmiar, dyfunduje przez materiały, a w dodatku jest bezwonna, bezbarwna i bez smaku. Dlaczego zatem wodór, pomimo tak niewygodnych cech, nazywany jest paliwem przyszłości? W znacznej mierze dlatego, że może być produkowany i wykorzystywany do celów energetycznych w sposób zeroemisyjny i neutralny dla środowiska. To właśnie ten aspekt sprawia, że liczne wady wodoru tracą na znaczeniu.

Wyzwania małej energetyki

Z roku na rok zagadnienia związane z energetyką dotykają każdego z nas w coraz większym stopniu. Rośnie społeczna świadomość jej wpływu na środowisko, a realizacja unijnych i państwowych celów klimatycznych nieustannie nabiera tempa. Równie istotny okazuje się wzrost cen surowców, takich jak ropa naftowa, węgiel czy gaz ziemny. W klasycznym modelu, do jakiego jesteśmy przyzwyczajeni, każdy budynek zużywa pewną ilość energii, której cena i dostępność uzależnione są między innymi od sytuacji politycznej i rynkowej. W efekcie każda zmiana ceny surowca lub marży w łańcuchu dostaw przenoszona jest finalnie na odbiorcę, co często przekłada się na znaczny wzrost rachunków. W Polsce można zauważyć dwie główne metody obrony przed rozchwianym rynkiem energii. Z jednej strony widać szybki wzrost liczby mikroinstalacji, za sprawą którego przez ostatni rok moc zainstalowana w fotowoltaice podwoiła się i wynosi teraz ponad 10 GWp1. Z drugiej strony, oprócz wytwarzania energii, prowadzona jest również redukcja jej zużycia i zwiększanie efektywności energetycznej. Oznacza to coraz częstsze termomodernizacje, wykorzystanie efektywnych źródeł ciepła i implementację inteligentnych rozwiązań w doborze materiałów, usytuowaniu i projektach budynków. Sprzężenie obu tych trendów może przyspieszyć popularyzację budownictwa na miarę XXI wieku, zużywającego kilkukrotnie mniej energii pierwotnej przy jednoczesnym jej pozyskaniu ze źródeł odnawialnych. Warunkiem realizacji tego scenariusza jest wykorzystanie sezonowego magazynowania energii. Tę właśnie rolę może spełniać wodór, którego produkcja, magazynowanie i zużycie mogą być prowadzone w obrębie gospodarstwa domowego, osiedla czy też budynku przemysłowego.

Dom wodorowy w praktyce

Jak realizowana jest wizja samowystarczalnego budynku, produkującego własną energię i magazynującego ją w skali sezonowej? Sercem takiej instalacji jest elektrolizer. To w nim zachodzi podział cząstki wody na wodór i tlen. Sprawność tego procesu mieści się w przedziale 60-80%2, przy czym energia cieplna związana ze stratami wewnętrznymi może zostać wykorzystana do ogrzewania budynku lub ciepłej wody użytkowej. Istnieją też rozwiązania, w których ciepło odpadowe z elektrolizera wykorzystywane jest do napędzania sprężarki absorpcyjnej, przygotowującej

Maciej Parmee Student III roku na Wydziale Mechanicznym Energetyki i Lotnictwa Politechniki Warszawskiej na kierunku energetyka. Członek Studenckiego Koła Naukowego Energetyki SGH

wodór do magazynowania. Źródłem energii elektrycznej do zasilania elektrolizera i innych urządzeń mogą być panele fotowoltaiczne lub turbina wiatrowa, a dobrym rozwiązaniem jest połączenie obu tych instalacji. Nadwyżka produkcji z paneli podczas słonecznych dni umożliwia uzyskanie zapasu wodoru, a całoroczna praca turbiny zmniejsza zapotrzebowanie na objętość magazynu. W dni z ujemnym bilansem produkcji i zużycia energii, które najczęściej zdarzają się zimą, zmagazynowany wcześniej wodór trafia do stosu ogniw paliwowych. Następuje w nim proces odwrotny do tego w elektrolizerze – w wyniku otrzymujemy wodę i energię elektryczną. Jego sprawność nie jest niestety wysoka, wynosi około 70%, przy spełnieniu warunku wykorzystania ciepła odpadowego3. By móc osiągnąć samowystarczalność budynku, musi on również zużywać jak najmniej energii. Oznacza to budowę w wysokim standardzie energetycznym, minimalizację strat i bezpośrednie wykorzystanie energii promieniowania słonecznego do ogrzewania. Implementacja wodoru przebiega zatem równolegle ze zmniejszaniem zapotrzebowania na energię, co w dłuższej perspektywie może być korzystne zarówno dla naszych finansów, jak i dla środowiska.

Magazyny wodoru i akumulatory elektryczne

W domach samowystarczalnych technologie te nie konkurują ze sobą, a uzupełniają się. Akumulatory cechują się większą sprawnością magazynowania energii i niższą ceną przy małej instalacji. Obarczone są jednak stosunkowo krótką żywotnością i ograniczoną liczbą cykli pracy. Cena magazynu akumulatorowego rośnie liniowo wraz ze wzrostem jego pojemności. Natomiast w przypadku wykorzystania wodoru główny koszt stanowią urządzenia przeznaczone do jego produkcji, sprężenia i utleniania. Jest on zatem lepszym rozwiązaniem przechowywania energii w większych ilościach i na dłuższy czas. Współpraca obu systemów wygląda zatem następująco: w skali dobowej, maksymalnie tygodniowej, do bilansowania wytwarzania i zużycia służą akumulatory. Elektrolizer uruchamiany jest w momencie produkcji energii przekraczającej zapotrzebowanie do zużycia przez budynek i napełnienia akumulatorów elektrycznych. Taki schemat działania pozwala na efektywne bilansowanie w skali dobowej i zmagazynowanie energii na zimę.

Mikrosieci wodorowe

Całkowita zmiana źródeł pozyskiwania energii wymusza nowe, innowacyjne rozwiązania. Popularyzacja wykorzystania wodoru w energetyce budynków może korzystnie wpłynąć na tempo i sposób dążenia do neutralności klimatycznej. Przy wykorzystaniu źródeł niesterowalnych w skali krajowej, każda zainstalowana jednostka magazynująca zwiększa stabilność systemu i obniża cenę energii. Zinformatyzowana sieć elektroenergetyczna, w której skład wchodziłyby osiedla z własnymi magazynami energii, cechowałaby się większą stabilnością i zmniejszonym ryzykiem blackoutu.

*** Jesteśmy świadkami zmian w całej strukturze i organizacji współczesnej energetyki. Decyzje dotyczące gospodarowania energią mają coraz większą wagę, tempo wdrażania rozwiązań zwiększających efektywność energetyczną rośnie, a dotychczasowi konsumenci stają się prosumentami. Rozwój produkcji rozproszonej wymaga nowych, innowacyjnych rozwiązań. Wodór znajduje swoje miejsce właśnie w tej roli – jest medium, którego wykorzystanie może pozwolić na sprostanie nadchodzącym wyzwaniom w energetyce budynków.

Przypisy

1 https://wysokienapiecie.pl/73113-moc-fotowoltaiki-w-polsce/ 2 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2589299119300035 3 https://www.mae.com.pl/oferta-mae/baza-wiedzy/odnawialne-zrodla-energii/ogniwa-paliwowe