Epidemia korona wirusa choć nieco odracza w czasie zasadnicze decyzje dotyczące polskiej energetyki, to jednak nie likwiduje problemów związanych z produkcją energii. Nie zmienia także na dalszą metę problemów i kłopotów związanych z zatruciem środowiska naturalnego. A przecież umierających z powodu zatrucia powietrza jest znacznie więcej, niż z powodu epidemii wirusowych.

Nasza energetyka jest oparta na węglu, a spalanie węgla uzupełnione jest jedynie w pewnym stopniu energetyką wiatrową i w bardzo niewielkim stopniu gazową oraz wodną. Ta ostatnia jest raczej marginesem, podobnie jak mimo wszystko, dość dynamicznie dzięki dotacjom, rozwijająca się fotowoltaika. W polskim systemie energetycznym rozpaczliwie brakuje dużych, bez-emisyjnych źródeł energii. Takich, jakich rolę w innych krajach spełnia energetyka jądrowa.
Ten kształt energetyki nie tylko odpowiada w dużej części za zanieczyszczenie środowiska, ale i nie zapewnia energetycznego bezpieczeństwa, co tak jaskrawo okazało się latem 2015 roku, gdy nasz system energetyczny od katastrofy uratowały dostawy energii głównie z ukraińskich elektrowni atomowych.

Oczywiście lobbyści różnej maści usiłują wykorzystać obecną epidemię dla swoich celów. Te cele, to głównie utrącanie konkurencji na rynku energetycznym głównie poprzez polityczne decyzje eliminujące konkurencyjne technologie z rynku, lub niedopuszczenie w zarodku do ich rozwinięcia się! I nie ma się co oszukiwać, że obecna struktura wytwarzania energii w Polsce jest właśnie wynikiem działania lobbystycznych układów w ciągu ostatnich 30 lat, a nie żadnych naturalnych procesów rozwojowych w sektorze. Polityka ma tu decydujące znaczenie niestety, a nie zdrowy rozsądek i społeczne potrzeby.

Tak więc nawet czytając energetyczne portale pojawiają się głosy, że korona-wirus sprawić ma złagodzenie w UE wymogów dotyczących ograniczenia emisji i ochrony środowiska. Co za tym idzie nasza polityka energetyczna nie musi już tak aż bardzo prowadzić do zmiany dotychczasowych, nie nowoczesnych przecież, technologii wytwarzania energii, a dominować też winna energetyka o małych kosztach inwestycyjnych, często produkującą energię w sposób bardzo drogi, i niezbyt ekologiczny, o czym się na głos nie mówi tak wiele.

Stop zmianom, skoro mamy epidemię, to zachować należy status quo. Inny rodzaj lobbingu z kolei akcentuje wyłączną konieczność rozwoju wyłącznie drobnych źródeł energii – „energetyki prosumenckiej” przy negowaniu konieczności budowy dużych źródeł energii.

Sugestie podobne są szkodliwe z punktu widzenia społeczeństwa, a byłoby prawdziwą katastrofą na długą metę, gdyby decydenci pod wpływem emocji i stresu spowodowanego stratami gospodarczymi posłuchali tego typu nawoływań! Cenę zapłacilibyśmy wszyscy. Po okresie kryzysu gospodarka musi się odrodzić, a szybszy wzrost ekonomiczny będzie tylko kwestią czasu. Zapotrzebowanie na energię wróci wraz z tym. Inne założenie to założenie degrengolady i końca ludzkości, a przynajmniej naszego kraju.

Wracając do technologii wodorowych, którą to tematykę poruszyłem w poprzednim artykule, nie po to sygnalizowałem trudności i problemy w rozwoju branży, by negować konieczność jej istnienia.

Przeciwnie, uważam inwestycje w technologie wodorowe za pożyteczne i korzystne dla kraju na dalszą metę. Pod warunkiem, że rozwijać będziemy równolegle również inne dziedziny, także wytwarzanie energii z rozszczepienia a później syntezy jąder atomu. Tak, abyśmy w każdej sytuacji i każdym scenariuszu tą energię mieli, zamiast stawiania wszystkiego na jedną kartę. Bo to ostatnie, tak jak przy typowym hazardzie, okaże się katastrofą, jeśli nasza jedyna karta będzie chybiona.

Wracając także do sprawy opłacalnego wytwarzania wodoru jako pierwiastka, energetyka jądrowa może być tu niezwykle pomocna. Chodzi o reaktory wysokotemperaturowe, mogące mieć zastosowanie w wytwarzaniu ciepła przemysłowego, ale też pozyskiwania wodoru na wielką skalę. Typ reaktora HTGR chłodzony helem, może wytwarzać ciepło w celu przemysłowego wykorzystania do 800 st C.
Obecnie aż 95% wodoru produkuje się za pomocą reformingu parowego gazu ziemnego czyli metanu. Proces termiczno-chemiczny rozkłada wodę metodą wiązania wodoru w związek, w którym może on być łatwo zdysocjowany cieplnie, jak choćby wodorek jodu.
W cyklu produkcji wodoru w reaktorach wysokotemperaturowych wykorzystuje się kwas siarkowy i wodorek jodu. Następuje tu reakcja rozkładu kwasu siarkowego na dwutlenek siarki, wodę i tlen. Ale aby proces był efektywny, wymagana jest temperatura 850 st C.
Wykorzystując tu ciepło z reaktora HTGR czyli 800 st C oszczędza się duże ilości gazu ziemnego, a w przyszłości osiągnięcie nieco wyższej temperatury w tych reaktorach w wyniku usprawnienia cyklu siarkowo-jodowego lub elektrolizy wysoko-temperaturowej pozwoli wyeliminować całkowicie emisję dwutlenku węgla.

Problemem, który trzeba będzie rozwiązać, jest kwestia materiału, z którego zbudowany byłby taki reaktor, i w którego wnętrzu temperatury przekraczają 800 stopni. Stal takich temperatur nie wytrzymuje, stąd do produkcji wielu elementów trzeba stosować drogie stopy niklowe i tytanowe. Można też używać czasem elementów ceramicznych.

Natomiast w procesach przemysłowych temperatura 800 st C jest w zupełności wystarczająca, stad reaktory wysokotemperaturowe eliminowałyby w wielkim stopniu gaz ziemny całkowicie go zastępując. Jest to korzystne dla społeczeństwa Polskiego, bo nasz kraj dużych zasobów gazu ziemnego nie ma, a unikamy przy tym emisji.

Program rozwoju reaktorów wysoko-temperaturowych realizowany jest w Polsce w Narodowym Centrum Badań Jądrowych, we współpracy z Japończykami. W planach jest zbudowanie najpierw reaktora doświadczalnego tego rodzaju, o niewielkiej mocy, a potem komercyjnego o mocy 165 MW. Dodajmy, że program ten jest całkowicie odrębny od programu PPEJ, budowy w naszym kraju dużych energetycznych reaktorów jądrowych lekko (albo ciężko) wodnych typu PWR, BWR , bądź HWR, te mają bowiem służyć do produkcji energii elektrycznej.

Oczywiście, proces zamiany tradycyjnego spalania węgla i gazu w procesach przemysłowych na reaktory wysokotemperaturowe, nie będzie się podobał nikomu, kto dziś zarabia na sprzedaży powyższych surowców wykorzystywanych na te cele. Tak więc interes społeczny, a interesy branżowe i grupowe to zupełnie dwie różne sprawy, często ze sobą sprzeczne.

Rozłożenie ryzyka rozwoju sektora energetycznego wymaga inwestowania w wiele różnych jego kierunków, a nie koncentrowanie środków na jednym względem dwóch wybranych z przyczyn politycznych, bo akurat opowiada się za tym wpływowe lobby. Monolityczny rozwój tylko i wyłącznie sektora węglowego przez ostatnie dziesiątki lat, uzupełnionego po 2000 roku energetyką wiatrową, do dziś odbija się czkawką w naszym kraju, nie zapewniając energetycznego bezpieczeństwa i powodując nadmierną, niespotykaną nigdzie indziej w Europie szkodliwą emisję. Nie rozłożono ryzyka, poprzez wielo-kierunkowość rozwoju. Nie zrobiono tego z przyczyn politycznych, a nie dlatego, że technicznie nie było można.

Analizując procesy produkcji energii elektrycznej i ciepła, nietrudno zauważyć, że każdy z tych sposobów posiada jakieś ujemne strony. Spalanie węgla jest w pełni sterowalne i stabilne, lecz wiąże się z zatruciem środowiska naturalnego. Wymaga przy tym ogromnych ilości surowca – z uwagi na bardzo niską wydajność procesu spalania, co ogranicza umiejscowienie elektrowni węglowych w niedalekiej odległości od źródeł surowca. Podobne wady ma również spalanie gazu czy biomasy.

Z kolei energetyka wiatrowa i słoneczna same w sobie są bez-emisyjne, lecz powodują dużą niestabilność w systemie energetycznym i jego zależność od warunków atmosferycznych. Nie można więc zbudować systemu złożonego wyłącznie z elektrowni wiatrowych i słonecznych, potrzebne jest magazynowanie energii, a to z kolei łączy się na dzień dzisiejszy z wysokimi kosztami. Bardziej opłacalne jest więc uzupełnianie OZE energią pochodzącą ze spalania paliw kopalnych bądź elektrowni jądrowych.

Z kolei bez-emisyjne elektrownie jądrowe i wodne mają duże koszty inwestycyjne, dodatkowo budowa hydroelektrowni ingeruje w dużym stopniu w środowisko wodne (konieczność budowy tam i spiętrzania wody). Dodajmy przy tym jednak, że specyficzny typ hydroelektrowni będący de facto odbiorcą energii elektrycznej czyli elektrownie szczytowo-pompowe są najlepszym znanym sposobem magazynowania energii – największa jest skala tego zjawiska. Największym, jednak nie wystarczającym w stosunku do potrzeb. W przypadku Polski nasze szczytowe elektrownie wystarczą zaledwie na 4 godziny ciszy wiatrowej, która jednak może trwać i kilkanaście dni.

Koszty budowy elektrowni jądrowych są wywindowane przez bardzo rygorystyczne wymogi bezpieczeństwa – pasywne, lub zwielokrotnione systemy bezpieczeństwa, potężne kopuły ochraniające reaktor przed uderzeniem samolotu pasażerskiego, lub zatrzymujące potencjalny wybuch wodoru wewnątrz budynku reaktora, bez żadnej konieczności ewakuacji ludzi w razie cięższej awarii. Koszty te, choć znacznie wyższe niż w przypadku reaktorów generacji II budowanych w latach 70 i 80 tych XX wieku, są możliwe jednak do zmniejszenia, w wyniku zmniejszenia ryzyka i mniejszego oprocentowania kredytów na budowę. Mogą to być np. rządowe gwarancje.

Do problemów może nie samej technologii energetyki jądrowej, ale branych pod uwagę przy jej rozwoju pozostaje ciągle bardzo zły pijar, tworzony za wielkie pieniądze ze strony grup interesu popierających konkurencyjne technologie wytwarzania energii. Z tym pijarem można sobie poradzić poprzez odpowiednie i rzetelne technicznie informacje.

Narażę się na kontrę wyznawców poglądów, że system energetyczny można w 100% zbudować na OZE, którzy przedstawią argument, że przecież postęp techniczny nad coraz bardziej wydajnymi magazynami energii jest faktem, a najbardziej obiecujący wydaje się tu być wodór. Czy mają rację? Przyjrzyjmy się temu bliżej:

Wodór nie występuje w przyrodzie w sposób naturalny, trzeba go wpierw pozyskać. Znane są dziś dwie metody produkcji wodoru:

Pierwsza z nich (tzw. wodór błękitny) jest oparta na konwersji metanu czyli CH4, w wyniku której otrzymujemy oprócz wodoru także duże ilości dwutlenku węgla, z którym nie wiadomo co robić. O metodzie tej głównie obecnie stosowanej ze względu na opłacalność, da się wszystko powiedzieć, tylko nie to, że jest ekologiczna.

Wodór można też otrzymywać z węgla a także biomasy. Jeśli chodzi o zgazowanie węgla, to odpowiednia reakcja wygląda następująco: C + H2O = CO + H2

Ale jeśli po wydobyciu na powierzchnię tlenek węgla CO może być łatwo konwertowany parą wodną więc: CO + H2O = CO2 + H2

Jak więc widać oprócz wodoru wydziela się w tym procesie i dwutlenek węgla, z którym nie wiadomo co robić, a jest gazem cieplarnianym. Ten sam więc problem, który występuje przy spalaniu paliw kopalnych. Przy zgazowaniu biomasy z kolei produktem ubocznym będzie tlenek węgla.

Druga metoda (wodór zielony) wykorzystuje rozbicie wody na wodór i tlen, poprzez elektrolizę. Wykorzystuje się tu znaczne ilości energii elektrycznej, którą przecież trzeba wytworzyć wpierw. Sposób ten to ok. 2 do 4% światowej produkcji wodoru. Metoda elektrolizy powoduje konieczność rozwoju elektrolizerów, obecnie w przygotowaniu jest kilkadziesiąt instalacji, z których największa w Niemczech mająca ok. 100 MW.

„Wodór zielony” nie jest jeszcze opłacalny w zastosowaniu na dużą skalę. Na mniejszą owszem np. dla pojazdów samochodowych. Tyle, że nierozwiązanych technicznie problemów jest więcej, na poziomach innych niż produkcja paliwa.

Energię można produkować z wodoru dwojako:

Pierwszym sposobem są ogniwa paliwowe, te dostępne komercyjnie mają od kilku do kilkunastu kW. A więc nie na skalę w przypadku dużej elektrowni i produkcji prądu na wielką skalę. Może i kiedyś się to zmieni, lecz na dziś problemy z koncepcjami budowy ogniw, temperatura, materiały elektrolizerów, skład paliw, predysponuje raczej do budowy małych jednostek.

Wyróżnić możemy:

– ogniwa alkaliczne – do 250 kW mocy, o sprawności 50%, początkowych kosztach inwestycyjnych na poziomie 200 – 700 USD/kW, i o trwałości 5 – 8 tys h (niecały rok),

– ogniwa polimerowe – 0,5 do 400 kW mocy, sprawności 32-49%, początkowych kosztach inwestycyjnych 3000 – 4000 USD/kW, trwałości 60 tys h (niecałe 7 lat),

– ogniwa tlenkowe – do 200 kW mocy, o sprawności 50-70%, początkowych kosztach inwestycyjnych 3000 – 4000 USD/kW, trwałości 90 tys h (trochę ponad 10 lat),

Ogniwa fosforowe – do 11 MW mocy, sprawność 30-40%, kosztach początkowych 4000 – 5000 USD/kW, trwałości 30 – 60 tys h (3,4 do niecałych 7 lat).

Sprawność procesu wytwarzania energii elektrycznej z energii chemicznej wodoru to nie wszystko. Jeżeli przyjąć, że sprawność samego ogniwa to średnio ok. 43%, to całkowita sprawność procesu z uwzględnieniem podziemnego magazynowania wodoru to 29-33%. Technologia ta ma na razie zbyt wysokie koszty i zbyt niską sprawność, by stanowić konkurencję dla technologii opartych na procesie spalania paliw kopalnych czy rozszczepienia jąder atomów uranu. Wadą jej jest również niska trwałość ogniw. Uzyskanie postępu w tym zakresie wymagać będzie dalszych badań podstawowych i rozwojowych w całym łańcuchu procesów konwersji. Przede wszystkim wymagane jest tu udoskonalenie samego procesu elektrolizy.

Innym sposobem pozyskiwania energii z wodoru jest jego spalanie, w turbinach wodorowych. Sprawność takiej turbiny, zakładając że spalałaby wyłącznie wodór wynosiłaby ok. 25 – 29%. Jednakże dzisiejsze turbiny gazowe spalają jedynie 30% wodoru jako paliwa, reszta to gaz ziemny. A więc i emisja CO2, NOx. Aby turbina mogła spalać w 100% wodór, potrzebne jest przekonstruowanie układów palników, występują problemy ze spalaniem stukowym i z przemieszczaniem się płomienia w palniku także w tył, po linii zasilania. Zdecydowanie inżynierowie mają z tą technologią jeszcze sporo pracy, choć bez wątpienia problemy te i inne będą kiedyś rozwiązanie. Jednakże nie ma mowy o stwierdzeniu, że mamy na dziś do czynienia ze sprawdzoną dostępną, gotową technologią do masowej produkcji energii elektrycznej, czy bilansowania systemu z dużym udziałem OZE, jakimi są atom, spalanie paliw kopalnych, czy elektrownie wodne.

Do tego wszystkiego dochodzą trudności w kwestii transportu wodoru i jego magazynowania. Wodór bowiem dyfunduje bardzo łatwo, przenikając przez ścianki naczynia, a materiały szybko korodują. Dzisiaj istniejącymi rurociągami można przepuścić 2 do 8% wodoru, w żadnym razie nie 100%.

Najtańsze i najlepsze magazyny do przechowywania wodoru na skalę przemysłową stanowią podziemne komory po wyrobiskach solnych. Stosowane są również (w USA) podziemne przestrzenie skalne po wydobyciu gazu ziemnego oraz ropy naftowej. Ile takich miejsc jest w Polsce do dyspozycji, pozostawiam do samodzielnego wglądu czytelników.

Dużo droższe i mniej bezpieczne jest magazynowanie wodoru w naziemnych zbiornikach. Niebezpieczeństwo polega na skłonności wybuchowych wodoru – pamiętamy los niektórych sterowców w okresie międzywojennym, a przede wszystkim niemieckiego HINDENBURGA, któremu wodór zapewniał siłę nośną. W 1937 roku doszło do straszliwej katastrofy w wyniku zapłonu wodoru tuż nad ziemia, w czasie wizyty sterowca w USA. To właśnie ta katastrofa przekreśliła dalszy rozwój sterowców jako statków transportowych dalekiego zasięgu, poruszających się w powietrzu na dużych wysokościach. Ciekawe, co powiedzieliby radykalni wyznawcy 100% udziału OZE w systemie energetycznym + magazynowania energii, gdyby ich przeciwnicy z taką intensywnością przywoływali katastrofę wypełnionego wodorem HINDENBURGA, jak oni sami przywołują w nieskończoność Czarnobyl lub Fukushimę!!!

Również ciekaw jestem, czy środowiska „Zielonych” będą się domagali obudowywania magazynów wodoru gigantycznymi kopułami z betonu i stali, zatrzymującymi ewentualny wybuch wewnątrz takiej kopuły. Podobnie jak to ma miejsce z budynkami reaktorów jądrowych. Pytanie chyba jednak retoryczne, bo środowiska te nie przykładają takiej samej miary do bezpieczeństwa w różnych sektorach.

Nawiasem mówiąc, branża jądrowa już podjęła wysiłki, by zneutralizować ewentualne niebezpieczeństwo, poprzez zastąpienie stopów cyrkonu z jakich zbudowane są koszulki prętów paliwowych (pierwiastek ten po reakcji z wodą prowadzi do wydzielania się wodoru) innym materiałem, lub też zastosowanie swoistej izolacji cyrkonu od wody. Wówczas jakakolwiek możliwość wybuchu wodoru (jedynego możliwego w EJ) przestałaby istnieć. Realizowane jest to obecnie np. w USA.

Reasumując, można i trzeba rozwijać równolegle wiele technologii wytwarzania energii na dużą skalę. Jeśli w jednej branży postęp techniczny będzie wolniejszy, w innej będzie szybszy, co da krajowi energetyczne bezpieczeństwo. I przestać wreszcie głosić teorie, że jedna technologia musi koniecznie eliminować drugą! Tak więc wodór i magazyny energii obok atomu, a nie zamiast niego. Rozwój wielokierunkowy.

Materiały źródłowe:

Portal Ogniwa paliwowe – Technologie i Perespektywy artykuł „Energetyka wodorowa – technologie i perspektywy” – Dr inż. Janina Molenda

Polityka Energetyczna – Energy Policy journal ISSN 1429-6675 artykuł „Energetyka wodorowa – podstawowe problemy”. Autorzy: Tadeusz Chmielniak, Sebastian Lepszy, Paweł Mońka