Wodór to niewidzialny gaz. Zasila ogniwa paliwowe w futurystycznych samochodach i służy do wystrzeliwania rakiet w kosmos. Aby wyprodukować 1 kilogram wodoru, potrzeba około 9 litrów idealnie czystej wody. A to dopiero punkt wyjścia, bo w tle działa szereg procesów pobocznych.

Zależność między wodą a paliwami przyszłości ma wielkie znaczenie ekologiczne. Już teraz część świata walczy z deficytem wody pitnej. Tymczasem stoimy u progu rewolucji wodorowej, a ta w wielu scenariuszach zakłada wzniesienie ogromnych „gigafabryk” produkujących setki tysięcy ton H₂ rocznie. Wszędzie tam, gdzie powstaną instalacje do elektrolizy, konieczne będzie zarządzanie dużą ilością wody.

Można zatem powiedzieć, że wodór – choć sprawia wrażenie najlżejszego i najbardziej eterycznego paliwa – w istocie „pije” wodę. Wędrówka tej cieczy przez system wodorowy jest nie mniej ważna niż sama reakcja wydzielania H₂ i O₂. Od setek lat obserwujemy kolejne wcielenia pary wodnej i nowoczesne sposoby kruszenia cząsteczek H₂O – w starych krakingach parowych i w nowiutkich instalacjach typu PEM (Proton Exchange Membrane).

Woda w świecie paliw: od rafinerii do reaktorów plazmowych

Woda od zawsze była fundamentem w przemyśle paliwowym – włączając paliwa kopalne i nowoczesne źródła energii. W klasycznej rafinerii ropy naftowej woda uczestniczy w chłodzeniu, odsalaniu surowca, usuwaniu zanieczyszczeń oraz w szeregu reakcji chemicznych.

Podobnie ma się sprawa w wytwarzaniu biopaliw i e-paliw. Przy produkcji biodiesla z olejów roślinnych, woda jest niezbędna w procesach estryfikacji oraz w kolejnych etapach oczyszczania końcowego produktu. Kiedy mówimy o e-paliwach (np. e-metanolu czy e-benzynie), zwykle powstają z dwutlenku węgla i wodoru – a wodór z kolei pochodzi z elektrolizy, co ponownie oznacza intensywny pobór wody.

W przypadku bardziej futurystycznych technologii, typu reaktory plazmowe do syntezy amoniaku czy wodoru, tam także bez wody się nie obędzie. Nawet jeśli sama plazma generowana jest z gazu, to wokół instalacji znajdziemy sekcje chłodzenia lub systemy uzdatniania.

Można to porównać do wielkiej sieci kanałów. Jedne kanały to przepływ surowca (ropy, gazu, biomasy), inne to przepływ energii (ciepło, para), ale jest też kanał wody – czasami chłodzącej, czasami uczestniczącej w reakcji. W zależności od technologii.

Oś czasu (1880–2030)

• 1880 – Pierwsze duże rafinerie w Pensylwanii: woda wykorzystywana do odsalania ropy

• 1920 – Rozwój krakingu parowego: woda do podgrzewania i reakcji

• 1950 – Komercyjna elektroliza na skalę przemysłową do produkcji wodoru

• 1980 – Reaktory do syntezy metanolu z wodoru (i CO₂)

• 2020 – Boom na projekty „green hydrogen” i gigafabryki w Arabii Saudyjskiej

• 2030 – Przewidywany rozwój reaktorów plazmowych i dalsza ekspansja e-paliw

Elektroliza: 9 l wody wchodzi, 1 kg wodoru wychodzi

Jednym z najgłośniejszych procesów w kontekście gospodarki wodorowej jest elektroliza, czyli rozbijanie cząsteczek H₂O na wodór i tlen za pomocą energii elektrycznej. Kiedy mówimy o „zielonym wodorze” najczęściej chodzi właśnie o elektrolizę prowadzoną z użyciem prądu z odnawialnych źródeł. Klasyczny wzór reakcji jest prosty: 2 H₂O → 2 H₂ + O₂. Ale to tylko wierzchołek góry lodowej, bo w praktyce instalacja elektrolizera wymaga znacznie więcej zabiegów, szczególnie pod kątem jakości wody.

By wyprodukować 1 kg wodoru, w teorii wystarczy około 9 litrów wody. W praktyce dochodzi woda do chłodzenia i płukania, więc finalny bilans będzie większy. Ponadto sam elektrolizer wymaga ultrapure water – zwykła kranówka zawiera zbyt wiele jonów (wapnia, magnezu, chlorków, siarczanów) oraz rozmaitych cząstek. Stąd też instalacje do elektrolizy często obejmują rozbudowaną stację uzdatniania: najpierw filtr piaskowy, potem odwrócona osmoza (RO), następnie EDI (Electrodeionization), a czasem jeszcze polerka na żywicach jonowymiennych. Wszystko po to, by usunąć nawet śladowe ilości metali.

Po rozdzieleniu wody na wodór i tlen, tlen zwykle wraca do atmosfery lub do medycznych i przemysłowych zastosowań. Natomiast wodór trafia do sprężarek i zbiorników. To, ile wody zużyje cała instalacja, zależy od samej elektrolizy i systemu chłodzenia. Im bardziej efektywne chłodzenie (np. zamknięty obieg z wieżą chłodniczą), tym mniej wody odparowuje.

Pamiętajmy też, że 1 kg wodoru oznacza w przybliżeniu 11 metrów sześciennych gazu. Bez dostępu do wolnej od zanieczyszczeń wody elektroliza jest niemożliwa, a plany o zielonym wodorze mogą szybko upaść przez brak odpowiedniej infrastruktury i taniego źródła H₂O.

Skąd wziąć wodę i jak ją oczyścić, żeby nie zjeść budżetu

Nawet najlepsze koncepcje wodorowe nie mają racji bytu, jeśli brakuje dobrej jakości wody w odpowiedniej ilości. W praktyce inżynierskiej, przed zbudowaniem elektrolizera, trzeba odpowiedzieć na pytanie: Skąd będziemy czerpać wodę i w jaki sposób ją oczyścimy?

Mamy kilka opcji. Najprostsza – woda wodociągowa dostarczana przez miasto. To jednak kosztowne i nie zawsze akceptowalne społecznie, bo woda pitna w wielu regionach to dobro deficytowe. Druga opcja to recykling ścieków komunalnych, np. pochodzących z oczyszczalni miejskiej. W takim przypadku firma wodorowa podpisuje umowę z władzami miasta na odbiór szarej wody, a następnie poddaje ją procesom uzdatniania do poziomu ultrapure.

Trzeci wariant – odsalanie wody morskiej. W rejonach pustynnych, np. na Bliskim Wschodzie i w niektórych regionach Australii, to często jedyne rozwiązanie. Ale odsalanie oraz ewentualnie odparowanie generuje solankę i spory nakład energetyczny. To dodatkowe koszty i wyzwania ekologiczne.

Oczywiście, często występuje scenariusz mieszany – w rafineriach, gdzie już funkcjonują pętle recyrkulacji wody przemysłowej. Taki zakład może posiłkować się wodą z własnej instalacji chłodniczej.

W debacie publicznej słyszymy, że wodór jest czystym paliwem, bo jego spalanie (lub użycie w ogniwach paliwowych) emituje głównie parę wodną. Rzadziej jednak mówi się o tym, że sam proces wytwarzania H₂ penetruje lokalne ekosystemy wodne.

Jeśli zakład jest duży, chłodzenie stanowi spory udział w całkowitym zużyciu wody. Co więcej, w regionach dotkniętych suszą hydrologiczną, pobranie wody z rzeki lub jeziora może wywołać konflikty z lokalnymi rolnikami. Nawet gdy mamy dostęp do morza i odsalamy, dochodzi kwestia solanki – silnie skoncentrowanego roztworu soli. Wypuszczenie jej z powrotem do oceanu zwiększy lokalne zasolenie ekosystemu. Trzeba budować długie rurociągi odprowadzające i rozpylać solankę w miejscach, gdzie nie naruszy to populacji koralowców i ryb. Gdy branża wodorowa chwali się niską emisją CO₂, oceniajmy ją także przez pryzmat zużycia wody i w procesie produkcji paliwa.

Innowacje: jak odsolić, nie solić i nie lać

Na szczęście rynek odpowiada na wodne wyzwania wodorowe szeregiem nowatorskich rozwiązań. Jednym z głośniejszych obszarów badań jest bezpośrednia elektroliza wody morskiej. Zamiast najpierw ją odsalać metodą RO, a potem prowadzić elektrolizę w oddzielnym procesie, budują system, gdzie membrana i katalizatory są odporne na sól i inne zanieczyszczenia. Badacze testują np. elektrody W-NiFe (wolfram–nikiel–żelazo) i membrany AEM – lepiej znoszą kontakt z chlorkami. To byłaby rewolucja.

Inny pomysł to łączenie foto-elektrycznego panelu PV z mini-elektrolizerem, umieszczonym tuż obok wody morskiej lub słonawej. Pomysł polega na tym, że panel generuje prąd i ciepło jednocześnie, a woda jest częściowo podgrzewana, co poprawia efektywność wydzielania wodoru – a przy tym nie ma potrzeby budowania wielkich chłodni.

Kolejną gałęzią innowacji są tzw. HTSE (High-Temperature Steam Electrolysis). Wysoka temperatura pary znacząco zmniejsza zapotrzebowanie na energię elektryczną do rozbicia wody. Dodatkowo, przy wysokiej temperaturze para szybciej odparowuje i nie trzeba aż tak dużych obiegów chłodzących.

Wszystkie te innowacje mają zminimalizować zapotrzebowanie na świeżą wodę, obniżyć koszty i straty środowiskowe. Jeśli wodór ma być naprawdę zielony, a mówimy tu o produkcji rzędu gigaton rocznie w przyszłości, to nie możemy sobie pozwolić, by masowo wysuszyć środowisko.

W dłuższej perspektywie zapewne zobaczymy hybrydowe instalacje, gdzie ciepło z instalacji jądrowej (lub ciepło odpadowe z procesów przemysłowych) napędza wysokotemperaturową elektrolizę, a pewna część wody pochodzi z recyklingu pary. Może to brzmieć jak science fiction, ale biorąc pod uwagę skalę ambicji wodorowych, właśnie takie rozwiązania są koniecznością. Artykuł powstał przy współpracy marki DAFI – producenta ekologicznych urządzeń do filtracji wody.