Rodzaje wodoru – podział, kolory i znaczenie w energetyce

Wodór to wyjątkowo istotny nośnik energii, który zyskuje strategiczne znaczenie w procesie unowocześniania rynku paliwowego. Użytkownicy często mają jednak problem ze zrozumieniem różnic w jego rodzajach – w odpowiedzi należy wskazać na podział z uwagi na stany skupienia (gaz, czyli sprężony wodór oraz ciecz), jak również na rynkowy podział bazujący na barwach, określających ekologiczny charakter pozyskiwania wodoru. Należy również odróżnić umowną paletę kolorystyczną samego gazu od wodorków, które są rzeczywistymi związkami chemicznymi tego pierwiastka z innymi atomami.

Co oznaczają kolory wodoru?

Kategoryzacja oparta na palecie barw to całkowicie umowny mechanizm, który pomaga branży zidentyfikować, jak bardzo dana technologia produkcji obciąża środowisko naturalne. Chociaż sam gaz nie posiada żadnej barwy, przypisany mu odcień ułatwia ocenę, jaki ślad węglowy pozostawia sposób jego pozyskiwania.

Tematyka wodorowa jest silnie powiązana z koncepcjami takimi jak transformacja energetyczna oraz dekarbonizacja, prowadzącymi ostatecznie do stanu pożądanego przez globalną gospodarkę, jakim jest neutralność węglowa. W naszym kraju ramy dla tych zmian wyznacza Polska Strategia Wodorowa, która przewiduje, że zrównoważona gospodarka wodorowa i nowoczesna energetyka wodorowa są najlepszą drogą do celu, jakim jest całkowita zeroemisyjność przemysłu. Innowacyjne technologie wodorowe stanowią jeden z najważniejszych etapów tej ewolucji.

Jak powstaje zielony, szary i niebieski wodór?

Aby wyczerpująco odpowiedzieć na pytanie „Jakie są rodzaje produkcji wodoru?”, należy wymienić najważniejsze, powszechnie stosowane procesy:

• elektroliza wody
• reforming parowy metanu (SMR)
• piroliza metanu
• gazyfikacja węgla

Za najbardziej pożądany i ekologiczny wariant uważa się zielony wodór. Powstaje on w wyniku rozszczepienia cząsteczek wody prądem dostarczanym przez odnawialne źródła energii (OZE), takie jak słońce czy wiatr. W procesie tym urządzeniem roboczym jest elektrolizer, a najczęściej stosowane rozwiązania to elektroliza alkaliczna oraz elektroliza PEM.

Obecnie w światowym przemyśle dominuje szary wodór. Jest to niestety gaz wysoce nieekologiczny, ponieważ wytwarza się go z surowców takich jak gaz ziemny lub inne paliwa kopalne, czego ubocznym efektem jest potężna emisja dwutlenku węgla. Podstawową metodą pozyskiwania go jest reforming parowy metanu (SMR), choć w użyciu są też inne warianty konwencjonalne, np. reforming autotermiczny.

Rynkowym etapem pośrednim jest niebieski wodór. Wytwarza się go niemal tak samo jak gaz szary, jednak producenci dodatkowo instalują zaawansowane układy wychwytujące, czyli technologie CCS (Carbon Capture and Storage) oraz technologie CCU (Carbon Capture and Utilization). Zastosowana w ten sposób sekwestracja CO2 znacząco łagodzi negatywny wpływ na klimat.

Jakie są pozostałe kolory wodoru?

Sektor energetyczny dzieli wodór na wiele innych kategorii, poszukując docelowego ideału, jakim jest wysoce wydajny i niskoemisyjny surowiec. Gaz generowany wskutek gazyfikacji węgla kamiennego to brudny, wysokoemisyjny czarny wodór, z kolei przy wykorzystaniu węgla brunatnego produkuje się tzw. brązowy wodór (zamiennie znany jako brunatny wodór). W geologicznych, podziemnych uwarunkowaniach natury uwięziony jest natomiast biały wodór, czyli wodór naturalny.

Kolejną alternatywą jest piroliza metanu, której wynikiem jest turkusowy wodór. Zamiast szkodliwych ulatniających się oparów cieplarnianych, produktem ubocznym tej reakcji jest stały węgiel. Z kolei gaz zasilany cieplnie i elektrycznie z elektrowni jądrowych nosi nazwę różowego, fioletowego, purpurowego lub czerwonego wodoru. Jeśli energię do elektrolizy czerpie się bezpośrednio ze słońca, wytwarza się żółty wodór.

Innymi ekologicznymi alternatywami jest gaz wytwarzany z biomasy – określany jako biowodór. Należy również pamiętać o wodorze odpadowym, który powstaje mimowolnie w różnych chemicznych zakładach produkcyjnych. Cennym związkiem chemicznym przy tych transformacjach jest również gaz syntezowy (syngaz).

Jakie są izotopy i formy chemiczne wodoru?

Rozróżniamy 3 izotopy wodoru:

prot – najpopularniejszy wariant na Ziemi, składający się w jądrze z jednego protonu.

deuter – stabilny izotop o budowie obejmującej jeden proton oraz jeden neutron, chętnie używany w energetyce nuklearnej.

tryt – niestabilny wariant radioaktywny, zbudowany z jednego protonu i aż dwóch neutronów.

Istotne jest też odróżnienie form molekularnych. Pojedyncze, wysoce reaktywne atomy to niestabilny atomowy wodór. Standardowo w naturze spotykamy jednak gaz w formie dwuatomowej – to tzw. cząsteczkowy wodór (H2). Wyróżnia się w nim dodatkowo specyficzne izomery spinowe jąder, które w nauce funkcjonują jako ortowodór i parawodór.

Jak stan skupienia wpływa na magazynowanie wodoru?

Sama generacja gazu to ułamek sukcesu – kluczowe jest to, w jaki sposób zorganizowane jest magazynowanie wodoru i jego bezkolizyjny transport. Aktualnie najpopularniejszym standardem rynkowym jest sprężony wodór, który zatrzymuje się w fazie lotnej przy potężnej kompresji, rzędu 350 bar (symbol H35) lub 700 bar (H70). To bazowe rozwiązanie na stacjach napędzających transport na paliwo wodorowe. Nowoczesna stacja wodorowa oferująca tankowanie wodoru operuje na skrajnie ścisłych restrykcjach, takich jak normy SAE J2601 oraz ISO 17268. Zanim gaz trafi do pojazdu, jest skrupulatnie oczyszczany np. poprzez systemy PSA (adsorpcja zmiennociśnieniowa).

Gdy głównym założeniem logistycznym staje się potężna gęstość wodoru objętościowa, rozwiązaniem z wyboru jest ciekły wodór (LH2). Wymaga on jednak mrożenia gazu do pułapu około -253 stopni Celsjusza oraz wysoce wyspecjalizowanych instalacji osłonowych, w tym urządzeń jakimi są dedykowane zbiorniki kriogeniczne. Powszechniejsze i łatwiejsze w obsłudze rozwiązania ciśnieniowe polegają z kolei na wytrzymałości, jaką dają odpowiednio wzmacniane zbiorniki wysokiego ciśnienia.

Zarówno wariant gazowy, jak i ciekły, rewelacyjnie sprawdzają się jako źródło zasilające dla systemów typu ogniwa paliwowe, z których pozyskuje się zwrotnie prąd elektryczny. To klucz w układance power to gas, gdzie odnawialna elektryczność tworzy zielone paliwo na poczet rezerw sieciowych.

Wodorowy generator mocy GEH2 – zeroemisyjna alternatywa dla biznesu

Praktycznym przykładem wykorzystania potencjału wodoru w transformacji energetycznej przedsiębiorstw jest oferta Enerii, obejmująca innowacyjny wodorowy agregat prądotwórczy GEH2. Ten bezemisyjny generator o mocy 110 kVA (88 kW) opiera się na rozwiązaniach firmy EODev i dostarcza w pełni czystą energię elektryczną. Praca urządzenia nie powoduje żadnej emisji dwutlenku węgla, tlenków azotu (NOx), drobnych zanieczyszczeń cząsteczkowych ani nieprzyjemnych zapachów. Dodatkowo agregat charakteryzuje się cichym działaniem oraz natychmiastowym rozruchem, a energia cieplna wytwarzana przez chłodzone powietrzem ogniwo paliwowe może być odzyskiwana bezpośrednio do celów grzewczych w trybie kogeneracji.

Wodorowy agregat GEH2 to rozwiązanie niezwykle uniwersalne. Doskonale sprawdza się w miejscach odizolowanych, takich jak wyspy czy przekaźniki telekomunikacyjne, a także w środowiskach wrażliwych, w tym w przestrzeniach zamkniętych i tunelach. Znajduje również zastosowanie na placach budów, podczas organizacji wydarzeń plenerowych oraz w strefach objętych szczególną ochroną przyrody. Z powodzeniem funkcjonuje jako generator awaryjny zabezpieczający kluczową infrastrukturę, m.in. obiekty Data Center, szpitale, lotniska czy banki. Dzięki wyposażeniu w inteligentne systemy pokładowe i moduł łączności 4G, użytkownik może stale monitorować pracę floty poprzez chmurę, kontrolując jej lokalizację, zużycie, stan rezerw wodoru czy ewentualną konieczność konserwacji.

Eneria odgrywa kompleksową rolę we wdrażaniu tej innowacji. Jako oficjalny partner i dystrybutor nie tylko oferuje sprzedaż agregatów, ale odpowiada za montaż urządzeń GEH2 we własnym zakładzie produkcyjnym, ich rygorystyczne testowanie, uruchamianie u klienta oraz pełną obsługę gwarancyjną i serwisową. Adaptacja takich rozwiązań w przemyśle stanowi istotny krok w stronę budowy nowoczesnej, zrównoważonej i neutralnej dla klimatu gospodarki.