Wodór jako paliwo konwencjonalne – pojęcie stosowane w odniesieniu do funkcji wodoru jako nośnika energii uwalnianej pod wpływem procesu spalania (w przeciwieństwie np. do procesu łączenia wodoru i tlenu w ogniwach paliwowych).
Charakterystyka Wodór ma największą z paliw wartość opałową i ciepło spalania (w odniesieniu do masy). Ze względu na bardzo małą gęstość, wodór niekorzystnie prezentuje się na tle innych paliw, jeżeli wartości te zostaną odniesione do objętości. Z tego powodu wodór sprawdza się dobrze jako paliwo w przypadku pojazdów, w których masa odgrywa większą rolę niż objętość (np. rakietach lub statkach kosmicznych). Wodór ma bardzo wysoki współczynnik dyfuzji w azocie (który jest głównym składnikiem powietrza) co skutkuje dużą szybkością płomienia. Granice palności i wybuchowości wodoru przesunięte są silnie w kierunku końców skali, co skutkuje bardzo szerokim zakresem palności i wybuchowości mieszaniny wodoru i powietrza.
+ Porównanie właściwości paliw Parametr Benzyna Metan Propan Wodór Ciepło parowania [kJ/kg] 302 577 388 444 Wartość opałowa [MJ/kg] 44,4 50,0 46,4 120,0 Ciepło spalania [MJ/kg] 46,7 55,5 48,9 141,9 Współczynnik dyfuzji w powietrzu [cm²/s] 0,08 0,20 0,10 0,63 Dolna granica palności [% obj.] 1 5 2 4 Górna granica palności [% obj.] 6 15 10 75 Dolna granica wybuchowości [% obj.] – – – 18,3 Górna granica wybuchowości [% obj.] – – – 59 Temperatura samozapłonu [°C] 222 534 466 585 Energia zapłonu [mJ] 0,25 0,30 0,25 0,02 Prędkość płomienia [cm/s] 30 34 38 270
Podział ze względu na sposób wytwarzania W dyskursie branżowym i popularnonaukowym przyjęły się tzw. kolory wodoru – potoczne etykiety odnoszące się do technologii wytwarzania i zwykle (w przybliżeniu) do profilu emisji gazów cieplarnianych. Nie istnieje jednak jedna, globalnie uzgodniona definicja tych etykiet, a ich znaczenie bywa różnie używane w zależności od kraju i sektora. Z tego powodu w dokumentach regulacyjnych i w analizach coraz częściej stosuje się podejście oparte na intensywności emisji w cyklu życia (LCA) zamiast samych „kolorów”. W Unii Europejskiej używa się m.in. pojęcia „renewable hydrogen” (w tym RFNBO) oraz metod wyznaczania emisji w cyklu życia dla kwalifikacji wodoru jako odnawialnego.
Wodór szary (grey hydrogen) Najczęściej rozumiany jako wodór wytwarzany z paliw kopalnych (głównie z gazu ziemnego) przez reforming parowy (SMR) lub pokrewne procesy, bez CCS – CO2 powstaje i jest emitowany do atmosfery.
Wodór czarny i brązowy (black/brown hydrogen) Zwykle odnoszony do wodoru wytwarzanego przez zgazowanie węgla; „black” bywa łączony z węglem kamiennym, a „brown” z węglem brunatnym.
Wodór niebieski (blue hydrogen) Najczęściej definiowany jako wodór wytwarzany z paliw kopalnych (np. gazu ziemnego w SMR/ATR), ale z zastosowaniem CCS dla ograniczenia emisji CO2 z instalacji. W praktyce sam „kolor” nie przesądza o niskiej emisyjności: wynik zależy m.in. od poziomu wychwytu CO2, zużycia energii w procesie oraz emisji w łańcuchu dostaw surowca (np. metanu).
Wodór zielony (green hydrogen) Najczęściej rozumiany jako wodór wytwarzany przez elektrolizę wody zasilaną energią odnawialną (np. wiatrową, słoneczną). W ujęciu unijnym „renewable hydrogen” wiąże się z kryteriami i metodologią wyznaczania emisji w cyklu życia dla wodoru odnawialnego.
Wodór żółty (yellow hydrogen) Etykieta bywa stosowana dla wodoru z elektrolizy zasilanej energią słoneczną, ale spotyka się też inne użycia (np. „direct water splitting” lub elektroliza z miksu sieciowego), co ilustruje niejednoznaczność części „kolorów”.
Wodór różowy, fioletowy i czerwony (pink/purple/red hydrogen) Kolory te odnoszą się zwykle do wodoru powiązanego z energetyką jądrową: „pink” – elektroliza zasilana energią jądrową, „purple” – wykorzystanie zarówno energii elektrycznej, jak i ciepła z energetyki jądrowej, a „red” – procesy wysokotemperaturowego rozkładu wody, w których większą rolę odgrywa ciepło procesowe.
Wodór turkusowy (turquoise hydrogen) Najczęściej wiązany z pirolizą metanu (rozkład CH4 na H2 i stały węgiel), czyli ścieżką, w której nie powstaje CO2 jako bezpośredni produkt reakcji, a bilans emisji zależy m.in. od źródła energii dla procesu i dalszego postępowania ze stałym węglem oraz emisji w łańcuchu dostaw gazu.
Wodór pomarańczowy (orange hydrogen) Rzadziej spotykana etykieta odnoszona do rozwijanych technologii wytwarzania wodoru z odpadów z tworzyw sztucznych (np. różne odmiany procesów termicznych i katalitycznych).
Wodór biały (white, wodór naturalny/geologiczny) Określenie używane dla wodoru występującego naturalnie w skorupie Ziemi (geologic/natural hydrogen); opisywane mechanizmy jego powstawania obejmują m.in. reakcje wody z minerałami bogatymi w żelazo (np. serpentynizacja) oraz radiolizę.
Wodór z biomasy i wodór uboczny (bez jednolitego „koloru”) Wodór może być wytwarzany także z biomasy (np. w procesach termochemicznych, takich jak zgazowanie) – w zależności od założeń LCA i zastosowanych technologii (np. wychwytu i trwałego magazynowania CO2) możliwe są bardzo różne wyniki emisyjne. Istnieje też wodór jako produkt uboczny procesów przemysłowych (np. w chemii chlorowo-alkalicznej), a jego „ślad węglowy” zależy od kontekstu procesu i źródeł energii uwzględnianych w LCA.
Historia mały|Pojazd de Rivaza thumb|Lampa Döbereinera mały|Silnik Otto i Langena z 1867
Pod koniec XVIII wieku rozpoczęła się w Europie rewolucja przemysłowa – szereg przemian, których konsekwencją było przejście od gospodarki opartej na rolnictwie i produkcji ręcznej do zautomatyzowanej produkcji przemysłowej (opierającej się głównie na mechanicznej produkcji fabrycznej na dużą skalę). Rozwój przemysłu, a w szczególności stosowanych w nim maszyn, spowodował, że po początkowym okresie dominacji drewna jako paliwa zaczęto szukać nowych, bardziej wydajnych źródeł energii.
W 1783 Antoine Lavoisier odkrył, że łatwopalny gaz powstały w reakcji metali z kwasem siarkowym jest odrębnym pierwiastkiem. Hydrogenium, jak został nazwany, ze względu na swoje właściwości świetnie nadawał się na paliwo. Część konstruktorów szybko dostrzegła jego zalety.
W 1807 szwajcarski konstruktor François Isaac de Rivaz zbudował pierwszy pojazd kołowy napędzany silnikiem wodorowym. był jednym z pierwszych silników o spalaniu wewnętrznym. Centralny element silnika stanowił cylinder z komorą spalania, w której poruszał się tłok. Wybuchająca w komorze mieszanka wodoru i powietrza wprawiała tłok w ruch. W kolejnych latach de Rivaz udoskonalił swój pojazd. W 1813 ukończył budowę pojazdu, którego długość wynosiła 6 metrów, waga prawie tonę a każdy ruch cylindra przesuwał pojazd o cztery do sześciu metrów.
W 1820 William Cecil opublikował traktat On the Application of Hydrogen Gas to produce a moving Power in Machinery, w którym opisał zalety silnika napędzanego wodoremPełna nazwa: On the Application of Hydrogen Gas to produce a moving Power in Machinery; with a Description of an Engine which is moved by the Pressure of the Atmosphere upon Vacuum caused by Explosions of Hydrogen Gas and Atmospheric Air..
Oprócz zastosowań w pojazdach łatwopalna natura wodoru znajdowała zastosowanie w innych dziedzinach. W 1823 niemiecki chemik Johann Wolfgang Döbereiner skonstruował lampę, która od nazwiska wynalazcy, nazywana jest Lampą Döbereinera. Lampa składała się z naczynia, w którym znajdował się stężony roztwór kwasu siarkowego. W kwasie tym zanurzony był walec wykonany z cynku. Cynk reagował z kwasem, w wyniku czego wytwarzany był gazowy wodór stanowiący paliwo.
Na początku drugiej połowy XIX wieku dwóch Włochów – matematyk Eugenio Barsanti i inżynier Felice Matteucci – eksperymentowali z silnikami o spalaniu wewnętrznym napędzanymi mieszanką wodoru i powietrza. Usprawnili oni rozwiązanie zastosowane w silniku de Rivaza – cylinder z komorą spalania i ruchomym tłokiem. Z czasem zaczęli stosować poziome tłoki połączone wałem. Udało im się również uzyskać kilka patentów.
W XIX wieku wodór był jednak jedną z wielu substancji, z którymi eksperymentowano. Z czasem wodór zaczął przegrywać z paliwami płynnymi i rozwój technologii wodorowych został wypchnięty z głównego nurtu. W 1867 w Paryżu Nikolaus Otto i Eugen Langen zaprezentowali silnik, w którym energia poruszanych tłoków przekazywana była poprzez zębatkę, nie mechanizm korbowy, jak to miało miejsce do tej pory. Silnik okazał się dużym sukcesem, co przełożyło się na sukces finansowy. Do 1878 konstruktorom udało się wypuścić na rynek prawie pięć tysięcy silników w różnych wersjach. Silnik nie był jednak napędzany czystym wodorem a gazem koksowniczym o zawartości wodoru ponad 50%. Koncepcje Otto i Langena znacznie przybliżyły konstrukcje silnika do współczesnej.
Pomimo ciągłego rozwoju technologia silników spalinowych napędzanych wodorem nie zanotowała znacznego skoku aż do lat 30. XX wieku. Wtedy to , niemiecki inżynier pochodzący z Górnego Śląska, opracował metodę wstrzykiwania wodoru do komory wypełnionej tlenem lub powietrzem. Było to zupełnie nowatorskie podejście w porównaniu z dotychczasowymi układami, w których do komory spalania wstrzykiwana była mieszanka wodoru z tlenem lub powietrzem. Rozwiązanie to pozwoliło na wyeliminowanie niekontrolowanych wybuchów w komorze spalania i ustabilizowanie pracy silnika. Rozwiązanie Errena miało jeszcze jedną zaletę: było możliwe do zastosowania w już istniejących silnikach. Szacuje się, że Errenowi i współpracownikom udało się przebudować w ten sposób kilka tysięcy silników.
Wraz z rozwojem techniki pojawiła się koncepcja zastosowania ciekłego wodoru. Jednym z pierwszych, którzy pracowali nad rozwojem tej koncepcji był właśnie Rudolf Erren. Zaprojektował on prototyp statku powietrznego, który miał być napędzany wodorem. Projekt nigdy nie został jednak zrealizowany.
Technologią ciekłego wodoru interesował się również Igor Sikorski, amerykański konstruktor rosyjskiego pochodzenia. W 1938 wygłosił on wykład na temat przyszłości tej technologii.
W literaturze Zalety wodoru dostrzegli nie tylko sami konstruktorzy i inżynierowie, ale również wizjonerzy. W 1874 francuski pisarz Juliusz Verne, powszechnie uważany za jednego z protoplastów fantastyki naukowej, wydał książkę Tajemnicza wyspa, w której zawarł wizję wodoru jako źródła energii, które w przyszłości zdominuje technikę. Wizja Verne’a miała wpływ na przyszłych badaczy.
Innym dziełem, w którym opisana została wizja zastosowania wodoru jako paliwa był . Zawiera ono opis statku bojowego wyposażonego w silnik napędzany wodorem, dzięki któremu mógł rozwijać ogromne prędkości.
Lata II wojny światowej i okres powojenny Wybuch wojny przestawił europejskie gospodarki na inne tory. Erren próbował wykorzystać pojawiającą się koniunkturę i opracował koncepcję torped z napędem wodorowym. Swój pomysł próbował sprzedać Brytyjczykom, jednak bez skutku. Podobną konstrukcję do silnika Errena zbudował w trakcie wojny radziecki technik wojskowy Borys Szeliszcz, który w trakcie oblężenia Leningradu w 1941 przerobił ponad 100 ciężarówek GAZ-AA tak, aby mogły być napędzane wodorem. Po zakończeniu wojny ceny ropy ponownie spadły, wskutek czego prace nad technologiami wodorowymi ustały na kilka lat.
Badania nad wodorem rozpoczęły się ponownie w latach 50. Jednak już nie samochody były w centrum uwagi naukowców, a rakiety i samoloty.
W latach 1956–1958 firma Lockheed Corporation pracowała nad prototypem samolotu napędzanego wodorem. Projekt miał nosić nazwę Sultan. Ostatecznie zdecydowano się jednak na zastosowanie konwencjonalnego paliwa, a projekt Suntan zarzucono.
Pierwszy udany start rakiety o napędzie wodorowo-tlenowym (silniki RL-10) odbył się 27 listopada 1963 na Przylądku Kennedy’ego (obecnie Przylądek Canaveral) na Florydzie. Była to rakieta o nazwie Atlas LV-3C Centaur-B. W Europie rakiety Ariane były wynoszone na orbitę przy pomocy silników napędzanych wodorem (np. silnika HM-7).