Zamiast węgla i gazu? Wodór! Naukowcy z Lublina mają pomysł

Sprawa jest prosta: żeby wyprodukować energię cieplną, elektryczną czy zasilić samochód, potrzebne jest paliwo, które zostanie spalone. Od zarania dziejów było nim drewno, potem węgiel, potem paliwa płynne (benzyna, olej napędowy), potem paliwa gazowe (np. gaz LPG do zasilania samochodów). Każde kolejne różni się od poprzedniego m.in. zawartością wodoru: im go więcej, tym paliwo jest bardziej lotne i lepsze do spalania. Niestety, także trudniejsze w użyciu.

W stoczni i w zajezdni

Weźmy metan, czyli gaz ziemny. Używany w transporcie jako LNG – ang. Liquefied Natural Gas – występuje w postaci ciekłej o temperaturze poniżej -162 °C. Podczas skraplania jego objętość redukuje się 630 razy, ale za to znacznie wzrasta wartość energetyczna. Może też występować w postaci sprężonej, jako gaz CNG. Amerykanie i Hiszpanie próbują wdrażać gaz ziemny do zasilania ciężkiego transportu kołowego. Gdańska Stocznia Remontowa zbudowała prom fiordowy zasilany metanem (który został Ekologicznym Statkiem Roku 2010).

A w niektórych polskich miastach tym gazem jest zasilana część autobusów komunikacji miejskiej (takie były na testach także w Lublinie).

Wszyscy chcą wodoru

Skoro im więcej wodoru, tym lepszy efekt spalania, czemu nie użyć samego wodoru? Tak stwierdzili naukowcy z całego świata. I rozpoczęli wielką kampanię na rzecz wodoru, którym można by zasilać np. samochody. Wodór ma jeszcze jedną zaletę – jest najbardziej ekologiczny ze wszystkich paliw. Podczas jego utleniania powstaje para wodna. Nie ma za to dwutlenku węgla, za którego emisję kraje płacą horrendalne kary.

Efekt? W 2004 r. najwięksi w świecie producenci samochodów (DaimlerChrysler, Ford, General Motors, Honda, Hyundai, Nissan, Toyota i Volkswagen) oraz koncerny naftowe (BP, ChevronTexaco, ExxonMobil, Shell), a także producenci ogniw paliwowych przystąpili do sojuszu California Fuel Cell Partnership.

Na razie za drogi

Ojcem przedsięwzięcia był Arnold Schwarzenegger, ówczesny gubernator Kalifornii. Prezydent USA George W. Bush przeznaczył na wodorowy projekt z budżetu federalnego 1 700 000 000 dolarów. Mieszkańcy Kalifornii w ciągu dziesięciu lat mieli się przesiąść z samochodów spalinowych na wodorowe. W stanie miało powstać 200 stacji do zasilania wodorem. Do dziś powstało ich zaledwie kilkanaście.

Równie opornie idzie to w Europie. Cała sieć stacji wodorowych miała powstać na Igrzyska Olimpijskie w Londynie w 2012 r. Już wiadomo że to nierealne. Pojedyncze stacje działają w Berlinie czy na Islandii.

Wszystko przez to, że wodór jako paliwo nie jest jeszcze na świecie wystarczająco rozpowszechniony i… wystarczająco tani. Nikt nie ma jednak wątpliwości, że to paliwo przyszłości.

Nam się udało

Tak uznali również naukowcy z Politechniki Lubelskiej, którzy dwa lata temu rozpoczęli prace nad silnikiem, który będzie zasilany wodorem. Chodziło o opracowanie m.in. technologii zasilania silnika Wankla wodorem, odpowiedniego wtryskiwacza, sterowników i całego oprogramowania. Pieniądze na projekt (którego całkowita wartość to prawie 2 000 000 zł) dała Unia Europejska w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka. A w jego realizację zaangażowano ok. 20 osób.

Udało się. – Technologia została opracowania – mówi prof. Mirosław Wendeker z Politechniki Lubelskiej, kierownik projektu. – Nasz system może znaleźć zastosowanie w domach i małych firmach do produkcji ciepła i energii elektrycznej. Tylko przy użyciu wodoru.
To pierwszy taki system opracowany w Polsce i jeden z pierwszych na świecie. Nad wodorem w silniku Wankla pracują też Japończycy z Mazdy. Tyle że pod kątem użycia go w samochodach, a nie domach.

Silnik w płaszczu

Na czym polega metoda? – Silnik można otulić płaszczem wodnym, podobnym do płaszcza kominkowego, który jest podłączony do instalacji centralnego ogrzewania – wyjaśnia prof. Wendeker. – W wyniku spalania wodoru powstaje energia mechaniczna, która w napędzanej prądnicy zamieniana jest na energię elektryczną. Ciepło wymienione ze ściankami komory spalania oraz ciepło spalin może podgrzewać wodę. Silnik Wankla zasilany wodorem ogrzeje wodę w domu i zasili prądem urządzenia elektryczne.

Ile to kosztuje? Jak wylicza naukowiec, do ogrzania domu, wody i zapewnienia prądu na całą dobę w domu pasywnym o powierzchni ok. 150 metrów kwadratowych potrzeba dziennie 50 kilowatogodzin. Ze spalania 1 kilograma wodoru uzyskujemy ok. 33 kilowatogodzin. Na dobę potrzeba więc około półtora kilograma wodoru.

Elektroliza

Teraz pytanie: skąd weźmiemy wodór i ile za niego zapłacimy? Można go kupić w butli, np. w Zakładach Azotowych w Puławach. Tyle że to kosztuje sporo. – Na razie tańsze będzie wytworzenie wodoru we własnym zakresie, nawet w domu – mówi prof. Wendeker. To możliwe dzięki specjalnemu elektrolizerowi, który stworzyli i opatentowali naukowcy z PL. Elektroliza polega na tym, że pod wpływem prądu z wody powstaje tlen i wodór. A ten możemy zgromadzić w butli w czasach, gdy prądu np. z turbiny wiatrowej lub paneli solarnych jest pod dostatkiem. Zaś spalić możemy w dowolnej chwili, np. w trakcie zimy.

Do wyprodukowania 1 kilograma wodoru musimy zużyć ok. 43 kilowatogodzin prądu. Przy nocnej taryfie opłat za energię to ok. 9,6 zł. Energia uzyskiwana z kilograma wodoru jest podobna do tej, którą otrzymujemy z 4 litrów benzyny. Wychodzi więc ponad dwa razy taniej od zwykłej benzyny. Ale i tak drogo.

Teraz czekamy

– Ciągle brakuje taniego wodoru – przyznaje prof. Wendeker. – Brakuje rynku, który spowoduje, że ten produkt będzie tańszy.

Naukowcy nie mają jednak wątpliwości, że będzie. – To kwestia przyszłości. Musimy szukać innych źródeł energii i ograniczać emisję dwutlenku węgla. Na razie nic nie wskazuje na to, że w najbliższych latach będą dostępne tańsze i bardziej pojemne akumulatory do energii odnawialnej (np. do kolektorów słonecznych). A jak już będzie gotowy rynek, będzie odpowiednie nastawienie firm i polityków, my będziemy mieli gotową technologię – podkreśla prof. Wendeker. – Teraz czekamy na firmy, które będą zainteresowane wdrożeniem naszego systemu w życie.

Technologia przyszłości

– Tego typu systemy są wdrażane na świecie. Ale na razie tylko w krajach wysokorozwiniętych, np. w Kanadzie, które mogą sobie na to pozwolić – komentuje prof. Dobiesław Nazimek, chemik z lubelskiego UMCS. – To technologia przyszłości, ale na razie dosyć droga w użyciu. Jeżeli stanieje, będzie bardzo ciekawym rozwiązaniem.