Szary, niebieski czy różowy – co oznaczają kolory wodoru?

Wodór jest najpowszechniejszym pierwiastkiem chemicznym we wszechświecie. Występuje w gwiazdach oraz obłokach międzygwiazdowych w postaci wolnej, czyli nie towarzyszy mu żaden inny pierwiastek, z którym mógłby stworzyć związek chemiczny. Na Ziemi również jest bardzo powszechny, stanowi bowiem jeden z dwóch składników cząsteczki wody, jednak ze względu na swoją wysoką reaktywność bardzo rzadko można go odnaleźć w postaci wolnej. Jest to problematyczna sytuacja ze względu na to, że wodór, będąc nośnikiem energii, znajduje zastosowanie w szerokim spektrum gałęzi przemysłu. Co więcej - wodór wodorowi nie jest równy, a rozróżnia się je po… kolorach!

Wodór wykorzystuje się przede wszystkim w prężnie rozwijających się w ostatnim czasie ogniwach paliwowych, stanowiących zeroemisyjną alternatywę dla konwencjonalnych spalinowych silników samochodowych oraz dla silników elektrycznych. Dodatkowo znajduje zastosowanie w przemyśle chemicznym, gdzie używany jest do produkcji metanolu i amoniaku, a co za tym idzie do produkcji nawozów. Co więcej, stosuje się go przykładowo przy produkcji tuszów do drukarek, stali, metali specjalnych i paliw syntetycznych, a nawet w przemyśle spożywczym jako dodatek do żywności (E949), który jest wtłaczany do szczelnych opakowań, aby chronić jedzenie przed zepsuciem. 

Wszystkie te możliwości wodoru, w szczególności użycie jako paliwo w ogniwach paliwowych, wymagają jednak maksymalnej czystości tego pierwiastka. Nawet najmniejsze zanieczyszczenia mogą przykładowo prowadzić do spadku wydajności i trwałości systemów urządzeń napędzanych wodorem. Z tego właśnie powodu metody pozyskiwania wolnego wodoru muszą dawać gwarancję jego czystości. Metod tych, które wykorzystuje się na skalę przemysłową, można wyróżnić kilka, a są nimi przykładowo reakcja elektrolizy wody, sucha destylacja węgla czy też parowy reforming metanu. Ze względu na sposób wytwarzania energii potrzebnej do zasilenia tych procesów, powstała klasyfikacja określana jako kolory wodoru. Wodór jest bezwonnym i bezbarwnym gazem, a więc nie może fizycznie posiadać żadnego koloru. Klasyfikacja nie dotyczy zatem jego barwy, a ilości dwutlenku węgla, jaki emitowany jest do atmosfery wskutek procesów produkcyjnych wodoru. 

Wodór z metanu

W związku z tym największe emisje CO₂ będą towarzyszyły pozyskiwaniu wodoru szarego. Podczas jego produkcji istotną rolę będą odgrywały paliwa kopalne, takie jak węgiel i gaz ziemny, które wykorzystywane będą zarówno do wytwarzania energii potrzebnej do zasilenia reakcji oraz w samych procesach produkcji, jakimi w tym przypadku są reforming parowy metanu lub technologie zgazowania węgla. Ilość dwutlenku węgla, która może być emitowana do atmosfery w trakcie pozyskiwania szarego wodoru jest szacowana na 9-12 kilogramów CO₂ na każdy kilogram wytworzonego wodoru cząsteczkowego, co jest bardzo wysokim wynikiem. Tak powstający wodór, którego największym producentem i konsumentem jest Polska, wykorzystuje się do produkcji amoniaku i metanolu oraz w przemyśle rafineryjnym, spożywczym i metalurgicznym. 

Co daje wychwytywanie dwutlenku węgla?

Zdecydowanie mniejsza emisja szkodliwych substancji do atmosfery towarzyszy produkcji niebieskiego wodoru. Ten również powstaje przy wykorzystaniu metod opierających się na paliwach kopalnych, jednak tym razem z zastosowaniem technik wychwytywania dwutlenku węgla, aby ten nie przedostał się do atmosfery. W zależności od zastosowanych technologii ograniczania emisji, redukcja CO₂ przedostającego się do atmosfery może wynosić od kilkunastu do nawet kilkudziesięciu procent, gdzie jednak dane mogą się różnić w zależności od źródła.

• Zobacz również: Grzyby okażą się być kluczem do rozwoju biopaliw? Czym jest mycodiesel?

Wodór z węgla kamiennego i brunatnego

Kolejne kolory wodoru, który wytwarzany jest z paliw konwencjonalnych to wodór czarny i brązowy. Kolory te nie są jednak zbyt często wyróżniane ze względu na to, że procesy ich powstawania wpisują się w ramy wodoru szarego bądź niebieskiego. Sensem stosowania rozróżnienia na wodór czarny i brązowy jest tylko wskazanie tego z jakiego konkretnie surowca powstał. Czarny jest produktem reakcji wykorzystujących węgiel kamienny, a produkcja brązowego wiąże się z wykorzystaniem węgla brunatnego. 

Czym jest turkusowy wodór?

Wodór turkusowy, używany do produkcji tuszów do drukarek, smarów oraz opon, jest produktem reakcji pirolizy metanu lub przetwarzania odpadowych tworzyw sztucznych. Dla pierwszego procesu bazowym surowcem jest gaz ziemny, a więc ponownie mamy do czynienia z paliwem kopalnym. Piroliza metanu charakteryzuje się jednak tym, że węgiel powstający razem z wodorem przybiera postać stałą, co znacząco ułatwia jego magazynowanie i niweluje konieczność jego wyłapywania. W rezultacie emisja szkodliwych substancji do atmosfery jest minimalna, a jeśli w procesie zostanie użyta jedynie energią elektryczna produkowana dzięki źródłom odnawialnym, całkowita ilość wyemitowanego CO₂ staje się niemal zerowa. Z tego powodu w Ameryce Północnej powstały już pierwsze zakłady komercyjnej produkcji turkusowego wodoru, a w niektórych krajach Europy oraz w Australii trwają prace nad zwiększaniem jego produkcji do skali przemysłowej. 

Najbardziej ekologiczny - wodór zielony

Zerową emisyjnością odznacza się natomiast najbardziej pożądany, wodór zielony, którego używa się głównie w transporcie. Wytwarza się go w procesie pirolizy wody, która przy pomocy napięcia elektrycznego po prostu rozdziela cząstki wody na wodór i tlen. Dodatkowo cała energia potrzebna do napędzania procesu pozyskiwana jest ze źródeł odnawialnych, dzięki czemu możliwe jest całkowite wyeliminowanie emisji dwutlenku węgla do atmosfery. Ze względu na ekologiczne korzyści, cały czas trwają prace nad poprawieniem wydajności produkcji zielonego wodoru, która obecnie wynosi 50%-70%. Są one finansowane dzięki Unii Europejskiej, której celem jest uzyskanie zdolności produkowania miliona ton zielonego wodoru rocznie w państwach członkowskich. 

Energetyka jądrowa a produkcja wodoru

Należy w tym miejscu wspomnieć, że jeżeli do zasilenia procesu pirolizy wodnej użyjemy energii jądrowej, to wyprodukowany w ten sposób wodór będzie wodorem różowym (czasem nazywanym też purpurowym, fioletowym lub czerwonym), a nie zielonym, choć emisja dwutlenku węgla wciąż pozostaje zerowa. Właśnie ze względu na to, różowy wodór jest przedmiotem wielu ambitnych planów i projektów, które tyczą się również Polski. Wielu przedstawicieli przemysłu w naszym kraju wiąże spore nadzieje z koncepcją wdrożenia małych, modułowych reaktorów jądrowych (SMR), które otworzyłyby Polsce nowe możliwości w przechodzeniu z szarego wodoru na różowy. 

Kolor żółty?

Wodór żółty jest kolejnym typem wodoru, którego produkcja gwarantuje brak emisji. Nazywa się go podtypem zielonego wodoru, który powstaje w procesie pirolizy wykorzystującej energię słoneczną i nanotechnologię. Koncepcję tą opracowali naukowcy z firmy Hyper Solar z USA. Jest elementem strategii Stanów Zjednoczonych dotyczącej dekarbonizacji przemysłu i transportu, która zakłada położenie dużego nacisku na produkcję wodoru. 

Pozyskiwanie wodoru bezpośrednio ze złóż jest możliwe?

Ostatnim typem wodoru jest natomiast wodór biały, czyli taki, który jest pozyskiwany z naturalnych źródeł geologicznych. Jest to bardzo rzadko występujący na ziemi wodór w stanie wolnym, którego nie trzeba produkować, ponieważ jego małe ilości można nieczęsto spotkać w gazie ziemnym. Jego być może największe światowe złoża znajdują się we Francji, a dokładniej w Lotaryngii, gdzie spodziewano się początkowo odnaleźć metan. Niespodziewane znalezisko może otworzyć przed Francją ogromne możliwości, ale na prognozy będzie trzeba jeszcze poczekać, ponieważ badania złoża wciąż trwają.

Paleta kolorystyczna wodoru jest więc bardzo szeroka, co jest jedną z poszlak wskazujących na to, że pierwiastek ten może stanowić nasze paliwo przyszłości. Takie prognozy sprawiają, że specjaliści z całego świata intensywnie pracują nad badaniami dotyczącymi wdrażania i rozwoju technologii wytwarzania, przesyłania i wykorzystywania wodoru, co możemy coraz częściej obserwować już dziś i prawdopodobnie będziemy obserwować jeszcze przez długi czas.

Źródła: klasterwodorowy.pl, powermeetings.eu, h2wielkopolska.pl, nowakopalniawiedzy.pl, lafrentz.pl

Materiał został przygotowany przez Koło Naukowe Odnawialnych Źródeł Energii “Grzała”
Szymon Chlipała