211service.com
Szum o wodorze
Mocno promowane są samochody na wodór i ogniwa paliwowe. Departament Energii USA umieścił je w centrum uwagi swoich wysiłków na rzecz czystej energii. Stan Kalifornia zapowiedział, że w ciągu najbliższych kilku lat zbuduje autostradę wodorową, ze stacjami paliw wodorowymi co 20 mil wzdłuż głównych autostrad. General Motors wydaje ponad jedną czwartą swojego budżetu badawczego na pojazdy z ogniwami paliwowymi, a Larry Burns, wiceprezes GM ds. badań i rozwoju oraz planowania, powiedział w lutym, że do 2010 r. firma będzie miała opłacalny komercyjnie pojazd na ogniwa paliwowe.
Jednak pomimo całego tego szumu, samochody wodorowe prawdopodobnie pozostaną gorsze od najlepszych benzynowo-elektrycznych pojazdów hybrydowych, takich jak Toyota Prius, praktycznie pod każdym względem pod względem kosztów, zasięgu, rocznych rachunków za paliwo, wygody i bezpieczeństwa do co najmniej 2030 r. Prius będą miały nawet niższą ogólną emisję wielu zanieczyszczeń niż samochody napędzane wodorem, który prawdopodobnie będzie dostępny na stacjach paliw w przewidywalnej przyszłości. A przedwczesne dążenie do samochodów wodorowych podważyłoby wysiłki na rzecz ograniczenia emisji dwutlenku węgla zatrzymującego ciepło, które powodują globalną zmianę klimatu.
Aby samochody wodorowe stały się zarówno praktyczne z punktu widzenia konsumenta, jak i pożądane z punktu widzenia ochrony środowiska, będą wymagały co najmniej trzech głównych przełomów technologicznych. Ponadto naród będzie musiał radykalnie zmienić swoją politykę energetyczną w kierunku odnawialnych źródeł energii, takich jak wiatr i słońce.
Nie zrozum mnie źle. Jestem zdecydowanym zwolennikiem wodoru jako możliwego paliwa na przyszłość. W rzeczywistości pomagałem nadzorować program Departamentu Energii dotyczący czystej energii, w tym wodoru, przez większą część lat 90. – w tym czasie dziesięciokrotnie zwiększyliśmy finansowanie technologii wodorowych. Uważam, że dalsze badania nad wodorem pozostają ważne ze względu na jego potencjał do zapewnienia wolnego od zanieczyszczeń substytutu ropy po 2030 roku.
Ale wyjście poza badania i rozwój w tym momencie do faktycznego budowania infrastruktury wodorowej – jak wielu zwolenników – jest zarówno nieuzasadnione, jak i nierozsądne. Jak podsumował Peter Flynn, profesor inżynierii na Uniwersytecie Alberty w badaniu z 2002 r. dotyczącym prób komercjalizacji pojazdów na gaz ziemny: Przesadne twierdzenia podważyły wiarygodność alternatywnych paliw transportowych i opóźniły ich akceptację, zwłaszcza przez dużych komercyjnych nabywców.
Przyjrzyjmy się pokrótce, dlaczego samochody napędzane wodorem wciąż nie mają sensu.
To jest drogie
W gospodarce wodorowej głównym nośnikiem energii byłby wodór wytwarzany z wolnych od zanieczyszczeń źródeł energii. Cel ten opiera się na dwóch filarach: wolnym od zanieczyszczeń źródle wodoru i urządzeniu do czystego przekształcania tego wodoru w użyteczną energię (ogniwo paliwowe).
Wodór nie jest tak łatwo dostępnym źródłem energii jak węgiel czy wiatr. Jest ściśle związany w cząsteczkach, takich jak woda (H20) i gaz ziemny (składający się głównie z metanu lub CH4), więc jego wydobycie i oczyszczanie jest drogie i energochłonne. Obecnie ponad 95 procent wodoru w USA wytwarza się z gazu ziemnego, ponieważ jest to najtańsza metoda. Jednak dostarczanie wodoru z gazu ziemnego do zbiornika samochodu zasilanego ogniwami paliwowymi w formie użytkowej kosztuje cztery razy więcej niż benzyna o równoważnej ilości energii. Wodór ze źródeł wolnych od zanieczyszczeń, takich jak odnawialne źródła energii, jest jeszcze droższy. Według najbardziej kompleksowych, infrastruktura wodorowa zbudowana wokół istniejących lub prawie komercyjnych technologii kosztowałaby ponad 600 miliardów dolarów badanie wykonane przez Argonne National Laboratory.
Ogniwa paliwowe to małe, modułowe urządzenia elektrochemiczne, podobne do akumulatorów, ale mogące być zasilane w sposób ciągły. Ogniwo paliwowe pobiera wodór i tlen oraz wytwarza energię elektryczną i ciepło; jego jedynymi emisjami są woda. Brzmi to jak panaceum na energię, ale dziś, ponad 160 lat po zbudowaniu pierwszego ogniwa paliwowego i po wydatkach publicznych i prywatnych o wartości ponad 15 miliardów dolarów, technologia ogniw paliwowych wciąż nie odniosła większego sukcesu komercyjnego.
Wyzwania techniczne są ogromne. We wrześniu 2003 r. panel Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych zajmujący się podstawowymi potrzebami badawczymi w zakresie gospodarki wodorowej, pod przewodnictwem profesora fizyki i elektrotechniki MIT Mildred Dresselhaus, poinformował, że ogniwa paliwowe do transportu są 100 razy droższe niż silniki spalinowe. Najbardziej dojrzałe systemy magazynowania wodoru, wykorzystujące ultrawysokie ciśnienie, zawierają siedem do 10 razy mniej energii na jednostkę objętości niż benzyna i wymagają znacznej ilości energii sprężania. Zaledwie w zeszłym miesiącu prestiżowy panel National Academy of Sciences stwierdził, że takie przechowywanie ma niewiele nadziei na długoterminową praktyczność. W raporcie opublikowanym w tym miesiącu przez Amerykańskie Towarzystwo Fizyczne stwierdzono, że należy odkryć nowy materiał, aby rozwiązać problem z przechowywaniem.
Panel Departamentu Energii zauważył, że koszt produkcji wodoru musiałby zostać obniżony czterokrotnie, aby wodór był ekonomicznie konkurencyjny w stosunku do dzisiejszych paliw kopalnych. Niezbędne byłyby również znaczne postępy w infrastrukturze wodorowej i bezpieczeństwie. Panel doszedł do wniosku, że luki te nie mogą być wypełnione przez stopniowe postępy w obecnym stanie techniki, ale zamiast tego wymagają rewolucyjnych przełomów koncepcyjnych.
Jeśli wydaje się, że minie dużo czasu, zanim zobaczymy komercyjnie opłacalny produkt na rynku, nie powinno to być niespodzianką. Przełomy, które rewolucjonizują technologię energetyczną, są rzadkie. Energia wiatrowa i słoneczna potrzebowały około 20 lat, aby odnotować dziesięciokrotny spadek cen, po poważnych inwestycjach rządowych i sektora prywatnego w badania i rozwój oraz ich wdrażanie – i nadal stanowią one znacznie mniej niż jeden procent produkcji energii elektrycznej w USA.
Pojazdy napędzane paliwami alternatywnymi (AFV) są większym wyzwaniem, ponieważ muszą pokonać bilion dolarów inwestycji w infrastrukturę tankowania benzyny. Dwie główne próby komercjalizacji pojazdów opancerzonych w ciągu ostatnich dwóch dekad – pojazdów elektrycznych i pojazdów na gaz ziemny – nie powiodły się, mimo że energia elektryczna i gaz ziemny są powszechnie dostępne i niedrogie. Natomiast wodór jest nigdzie trudno dostępny i jest stosunkowo drogi. Nasze samochody i nasza infrastruktura paliwowa są zaprojektowane z myślą o paliwach płynnych, które mają wysoką gęstość energii i są łatwiejsze w obsłudze niż gazy rozproszone, takie jak wodór.
Opierając się na moich rozmowach z ekspertami w całym kraju, uważam, że jest mało prawdopodobne, aby samochody wodorowe osiągnęły nawet pięcioprocentowy udział w rynku do 2030 r. Ale nie powinniśmy się spieszyć z wdrażaniem samochodów wodorowych.
To nie jest koniecznie czyste
Powszechnie uważa się, że wodór jest z natury dobry dla środowiska. Ale w rzeczywistości wodór nie jest bardziej ekologiczny niż źródła energii wykorzystywane do jego produkcji. Jak zauważył panel National Academy, jest bardzo prawdopodobne, że paliwa kopalne będą głównym źródłem wodoru przez kilka dziesięcioleci. Wszelkie przedwczesne dążenie do samochodów wodorowych nieuchronnie oznaczałoby, że wodór pochodziłby z najtańszego obecnie źródła, gazu ziemnego. Jednak biorąc pod uwagę ograniczenia w dostawach gazu w Ameryce Północnej, zamienilibyśmy importowany gaz na importowaną ropę.
Co ważniejsze, samochód na ogniwa paliwowe napędzany wodorem pochodzącym z gazu ziemnego nie zapewnia znaczących oszczędności w zakresie emisji gazów cieplarnianych w porównaniu z zaawansowanymi pojazdami hybrydowymi napędzanymi olejem – jak w 2003 r. Badanie MIT zakończył. Najlepsze nowe hybrydy znacznie zmniejszyły zużycie paliwa, a tym samym emisję gazów cieplarnianych. Napędzany benzyną o niskiej zawartości siarki Prius z 2004 roku emituje o 90 procent mniej emisji z rury wydechowej niż przeciętny nowy samochód.
Jednak najtańszy wodór jest brudny. W oparciu o stacje paliw wodorowych, które Royal Dutch/Shell zaproponował zbudować, całkowita emisja tlenków azotu z pojazdu zasilanego ogniwami paliwowymi byłaby potroić najlepszych nowych samochodów.
Co równie ważne, taka strategia odwróciłaby gaz ziemny od wielu lepszych zastosowań. Chociaż pojazdy napędzane wodorem pochodzącym z gazu ziemnego nie zapewnią znacznej redukcji emisji gazów cieplarnianych w porównaniu z najlepszymi hybrydami napędzanymi benzyną, przejście na gaz ziemny może znacznie zmniejszyć emisje z elektrowni. Generator opalany węglem uwalnia do powietrza ponad 1000 kilogramów dwutlenku węgla na każdą megawatogodzinę wyprodukowanej energii elektrycznej. Z kolei najlepsze elektrownie gazowe uwalniają tylko około 350 kilogramów dwutlenku węgla na wytworzoną megawatogodzinę.
Podobnie jedna megawatogodzina energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych, jeśli zostanie wykorzystana do produkcji wodoru dla pojazdu zasilanego ogniwami paliwowymi, pozwoliłaby zaoszczędzić około 230 kilogramów dwutlenku węgla w porównaniu z Priusem napędzanym benzyną. To około 770 kilogramów mniej niż oszczędności wynikające z zastąpienia energii węglowej – a te oszczędności można osiągnąć bez wydawania setek miliardów dolarów na pojazdy napędzane ogniwami paliwowymi i infrastrukturę wodorową. Jak stwierdzili David Keith z Carnegie Mellon i Alexander Farrell z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley w analizie z lipca 2003 r. Nauka magazyn: Dopóki emisje CO2 z wytwarzania energii elektrycznej nie zostaną praktycznie wyeliminowane, znacznie bardziej opłacalne będzie stosowanie nowej, neutralnej pod względem emisji CO2 energii elektrycznej (np. wiatrowej lub jądrowej) w celu zmniejszenia emisji poprzez zastąpienie energii elektrycznej wytwarzanej z paliw kopalnych.
Kongres USA nie uchwali jednak przepisów, zgodnie z którymi nawet 10 procent energii elektrycznej w 2020 r. będzie pochodzić ze źródeł odnawialnych. Oznacza to, że samochody wodorowe nie będą miały realnej wartości jako strategia globalnego ocieplenia do roku 2030. Analiza przeprowadzona w 2004 r. przez Pacific Northwest National Laboratory wykazała, że nawet przy przełomach technologicznych i dużym nacisku na zmniejszenie emisji dwutlenku węgla wodór nie przenika do transportu sektora w znaczący sposób do roku 2035.
Obecnie dostarczanie odnawialnego wodoru do samochodu w formie użytkowej jest zaporowo drogie, co odpowiada cenie benzyny w cenie od 6 do 10 dolarów za galon. Potrzebujemy wielkiego przełomu w produkcji wodoru neutralnego pod względem emisji CO2, a także znaczących postępów w dziedzinie ogniw paliwowych i przechowywania wodoru, zanim samochody wodorowe staną się prawdopodobną konkurencją.
Podczas gdy przez następne dwie dekady prowadzimy badania i rozwój, musimy, jeśli mamy uniknąć katastrofalnego globalnego ocieplenia, uczynić nową, neutralną pod względem emisji CO2 elektryczność naszym najwyższym priorytetem. Marzec 2003 analiza przez grupę naukowców kierowaną przez Kena Caldeirę z Lawrence Livermore National Laboratory i opublikowano w: Nauka Magazyn doszedł do wniosku, że jeśli wrażliwość klimatyczna znajduje się w środku obecnie prognozowanego zakresu, nawet stabilizacja przy ociepleniu o 4°C wymagałaby instalowania 410 megawatów mocy wolnej od emisji dwutlenku węgla każdego dnia, czyli pięć razy więcej niż przewidywano.
Podczas gdy pojazdy wodorowe mogą mieć ograniczoną wartość zastępującą floty napędzane silnikami wysokoprężnymi w bardzo zanieczyszczonych miastach przed 2030 r., jest mało prawdopodobne, aby samochody na ogniwa paliwowe odniosły do tego czasu sukces na rynku masowym. Ani polityka rządowa, ani inwestycje biznesowe nie powinny opierać się na przekonaniu, że samochody wodorowe odniosą znaczący sukces komercyjny w perspektywie krótko- lub średnioterminowej.
Joseph J. Romm pełnił funkcję asystenta sekretarza ds. efektywności energetycznej i energii odnawialnej w administracji Clintona. Ten artykuł jest oparty na materiale z jego książki Szum o wodorze: fakty i fikcja w wyścigu o uratowanie klimatu , opublikowanym w tym miesiącu przez Island Press. Aby uzyskać więcej informacji o książce, przejdź do www.coolcompanies.org .