211service.com
Wolna od zanieczyszczeń gospodarka wodorowa? Nie tak szybko
Pomyśl o wodorze — czystym paliwie przyszłości. Spala się tlenem, aby wytworzyć parę wodną i tylko parę wodną - bez sadzy, bez podtlenku azotu, bez dwutlenku węgla z potencjalnym ociepleniem cieplarnianym. W styczniowym orędziu o stanie Unii prezydent Bush ogłosił nową ważną inicjatywę. Zaproponował 1,2 miliarda dolarów na finansowanie badań, które, jak powiedział, pozwoliłoby Stanom Zjednoczonym na bycie światowym liderem w opracowywaniu czystych, napędzanych wodorem samochodów. Zachęceni nowym wsparciem federalnym, powiedział Bush, nasi naukowcy i inżynierowie pokonają przeszkody w przenoszeniu tych samochodów z laboratorium do salonu, tak aby pierwszy samochód prowadzony przez dziecko urodzone dzisiaj mógł być napędzany wodorem i wolny od zanieczyszczeń. Jego niespodziewane ogłoszenie spotkało się z entuzjastycznym aplauzem.
Teraz mamy bardziej pesymistyczny obraz gospodarki wodorowej: ogromne kopalnie odkrywkowe pokrywające znaczną część Pensylwanii, Illinois, Utah i Kolorado. Miliardy ton dwutlenku węgla są co roku wyrzucane do atmosfery z zakładów produkujących wodór – poprzez spalanie paliw kopalnych – węgla, ropy naftowej i gazu ziemnego.
Gdzie jest prawda? Niewątpliwie gdzieś pomiędzy, ale prawdopodobnie wiąże się to z intensywnym spalaniem paliw kopalnych.
Kluczowym faktem jest to, że wodór nie jest źródłem energii. To tylko sposób na jej przechowywanie i transport. Chociaż wodór jest pierwiastkiem najobficiej występującym we Wszechświecie (a w bliższym sąsiedztwie stanowi 90 procent atomów na Słońcu i Jowiszu), na Ziemi praktycznie nie ma wodoru. Nasza grawitacja jest tak słaba, że zasadniczo cały nasz pierwotny wodór — z wyjątkiem tego, który związał się w cięższe związki — uciekł w kosmos miliardy lat temu. Tak więc paliwo wodorowe musi być produkowane przez ekstrakcję z wody i metanu. Z paliwa wodorowego uzyskujesz tylko energię, którą wkładasz w wydobycie lub spalanie węgla w tym procesie.
Woda może zostać rozłożona na wodór i tlen za pomocą prądu elektrycznego, w procesie znanym jako elektroliza. Zwykłe ciepło też załatwi sprawę. Powyżej 2700 C woda ulega samoistnemu rozkładowi. Przy wystarczająco gorącym ogniu (np. pożary szybów naftowych w Kuwejcie) woda rozkłada się, a następnie ponownie łączy, gdy ostygnie nad studnią.
Ale rozszczepianie wody jest drogie i nie potrzebujemy tlenu. Istnieje znacznie tańszy sposób na produkcję wodoru: rozpylona para na rozżarzone węgle, z której wydobywa się głównie wodór (40 procent) i tlenek węgla (50 procent), mieszanina znana jako gaz wodny. To najtańszy sposób na wytwarzanie wodoru. Niestety, wytwarzany wraz z nim tlenek węgla jest silnie trujący. Aby wydobyć ostatnią część energii, tlenek węgla może zostać spalony, co zamienia go w dwutlenek węgla, będący gazem cieplarnianym.
Produkcja gazu wodnego rozpoczęła się na dobre w latach 70. XIX wieku. Innym powszechnie wytwarzanym gazem w tamtych czasach był gaz węglowy, wydobywany z węgla kamiennego przez ogrzewanie go w środowisku beztlenowym. Gaz węglowy trafiał do latarni ulicznych i domów, a bardziej niebezpieczny gaz wodny był wykorzystywany przez przemysł. Gaz wodny jest nadal szeroko stosowany w produkcji stali oraz w tak zwanym procesie Fishera-Tropscha, który jest używany do produkcji benzyny syntetycznej i alkoholi.
W latach 20. XX wieku odkrycie dużych podziemnych rezerw metanu stanowiło tańszą alternatywę dla gazu węglowego. Ponieważ nie był produkowany, nazywano go gazem ziemnym, nazwą używaną do dziś. Metan zastąpił również węgiel do produkcji gazu wodnego. Podobnie jak w przypadku węgla, wytwarzanie wodoru z metanu daje obfitość tlenku węgla, który po spaleniu staje się dwutlenkiem węgla.
Ale wiadomości nie są takie złe. Przy tej samej dostarczonej energii, produkcja wodoru ze zrzutów metanu powoduje, że do atmosfery trafia o połowę mniej dwutlenku węgla niż spalanie paliw kopalnych. Dzieje się tak głównie dlatego, że ogniwa paliwowe na bazie wodoru są bardziej wydajne niż silniki spalinowe. Ponadto trwają poważne programy badawcze mające na celu znalezienie sposobu na sekwestrację dwutlenku węgla, niezależnie od tego, czy pochodzi on z produkcji wodoru, czy z innego procesu, w którym spalane są paliwa kopalne. Jednym tanim rozwiązaniem mogłoby być zakopanie go w wyeksploatowanych szybach gazowych i naftowych. Mój pesymistyczny zakład jest jednak taki, że sekwestracja będzie kosztowna. Politycy zdecydują się wyrzucić dwutlenek węgla do atmosfery i zapłacić ukrytą cenę zanieczyszczenia, zamiast prosić społeczeństwo o zapłatę z góry ceny przy pompie.
Mimo to wodór jest daleki od idealnego paliwa samochodowego. Nawet w swojej najgęstszej postaci (ciecz) wodór ma tylko jedną trzecią więcej energii na litr niż benzyna. Jeśli jest przechowywany jako sprężony gaz w 300 atmosferach (bardziej praktyczna opcja), dostarcza mniej niż jedną piątą energii na objętość jako benzyna. Tak niska gęstość energii oznacza, że przechowywanie paliwa zajęłoby dużo miejsca w samochodzie napędzanym wodorem lub, alternatywnie, niewielki zbiornik paliwa poważnie ograniczyłby zasięg pojazdu między tankowaniami. Opracowywana technologia pozwalająca na wyższe ciśnienie zwiększyłaby atrakcyjność samochodów wodorowych.
Znane amerykańskie rezerwy gazu ziemnego znikną za kilkadziesiąt lat lub wcześniej, jeśli zaczniemy używać go w samochodach. Kluczowym założeniem stojącym za rozwojem gospodarki wodorowej wydaje się być przekonanie, że w Stanach Zjednoczonych i na całym świecie istnieją ogromne, nieodkryte rezerwy gazu ziemnego. Ale nawet jeśli to przekonanie okaże się błędne, zawsze możemy wrócić do wytwarzania wodoru z węgla; mamy tego dość na sto lat, jeśli nie mamy nic przeciwko kopalniom odkrywkowym.
Uważam, że gospodarka wodorowa jest nieunikniona. Podobno robią to wielcy inwestorzy, którzy tworzą obiekty portowe dla przyszłego importu dużych ilości skroplonego gazu ziemnego.
Wierzę też, że wodór zostanie wytworzony dowolną najtańszą metodą. Na krótką metę moglibyśmy wrócić do elektrolizy zasilanej energią elektryczną z elektrowni jądrowych. W tej chwili energia jądrowa jest droga, w dużej mierze, jak sądzę, z powodu przepisów wynikających z postrzeganego ryzyka radioaktywności. Uważam jednak, że dwutlenek węgla w atmosferze stanowi o wiele większe długoterminowe zagrożenie dla środowiska i zdrowia niż elektrownie jądrowe. Doświadczyliśmy niebezpieczeństw związanych z energią jądrową w Czarnobylu. Dla gospodarki opartej na węglu równowartość Czarnobyla to nie tylko globalne ocieplenie; to jest wojna. Widzieliśmy to w Iraku. Podsumowując, wolę wodór wytwarzany w elektrowniach jądrowych niż w metanie.
Kiedy energia elektryczna wytwarzana z energii słonecznej staje się tańsza niż gaz ziemny czy węgiel, możemy pozostawić paliwa kopalne w ziemi i cieszyć się tym, co najlepsze ze wszystkich światów. Tania energia słoneczna jest nieunikniona i nie będziemy musieli tynkować stanu Kalifornia ogniwami słonecznymi, aby czerpać z tego korzyści. Na kilometr kwadratowy światła słonecznego znajduje się 1000 megawatów energii słonecznej — odpowiednik dużej elektrowni jądrowej. Nawet jeśli tylko 10 lub 20 procent energii słonecznej jest pozyskiwane jako energia elektryczna, powierzchnia ogniw słonecznych nie będzie dużo większa niż to, co obecnie przeznaczamy na elektrownie jądrowe, gazowe lub węglowe. Energię można przechowywać w nocy (oraz w pochmurne dni) w wodorze. Nadchodzi słoneczna przyszłość.
Stworzenie gospodarki wodorowej to dobry cel. Ale w niedalekiej perspektywie, z wyjątkiem odrodzenia energetyki jądrowej, przejście na wodór będzie prawdopodobnie oznaczać rosnące uzależnienie od importowanego gazu ziemnego i dalsze zanieczyszczenie atmosfery dwutlenkiem węgla. Pomimo optymizmu prezydenta Busha jest bardzo mało prawdopodobne, aby pierwsze samochody dzisiejszych dzieci były napędzane czystym wodorem. Ale może samochody ich dzieci będą. A w dłuższej perspektywie przejście na wodór może ułatwić przejście na gospodarkę zasilaną energią słoneczną.