Od pewnego czasu toczy się dyskusja nad tematem, co w przyszłości może zastąpić gaz ziemny jako paliwo zasilające koty grzewcze. Jednym z kierunków jest miedzy innymi przygotowanie podgrzewaczy wody pod kątem spalania wodoru lub mieszanek gazowych zawierających wodór. Dokument ten jest krótkim, ale szerokim wprowadzeniem dotyczącym wodoru.

1. 1
Wodór, jako potencjalne paliwo grzewcze przyszłości
1 WSTĘP
Od pewnego czasu toczy się dyskusja nad tematem, co w przyszłości może zastąpić gaz ziemny jako
paliwo zasilające koty grzewcze. Jednym z kierunków jest miedzy innymi przygotowanie podgrzewaczy
wody pod kątem spalania wodoru lub mieszanek gazowych zawierających wodór. Dokument ten jest
krótkim, ale szerokim wprowadzeniem dotyczącym wodoru.
"A co będą palić zamiast węgla?" "Wodę",
odpowiedział Harding.
"Woda!" krzyczał Pencroft, "woda jako paliwo dla parowników i silników! Woda
do podgrzewania wody!"
"Tak, ale woda rozkładała się na swoje pierwotne elementy", odpowiedział Cyrus
Harding, "i rozkładała się niewątpliwie, wskutek elektryczności, która następnie
stanie się potężną i możliwą do opanowania siłą, dla wszystkich wielkich odkryć,
przez pewne niewytłumaczalne prawa, wydając się być zgodnymi i kompletnymi
w tym samym czasie. Tak, moi przyjaciele, wierzę, że woda pewnego dnia
zostanie użyta jako paliwo, że wodór i tlen, które ją tworzą, używane pojedynczo
lub razem, dostarczą niewyczerpanego źródła ciepła i światła, o natężeniu,
którego węgiel nie jest w stanie zapewnić"
Jules Verne (1874), Tajemnicza wyspa
Niektórzy wyobrażają sobie przyszłość energetyczną całkowicie opartą na wodorze, z całkowitą
redystrybucją energii - dosłownie, ponieważ każdy byłby w stanie produkować własny wodór. Niektórzy
widzą możliwości wykorzystania wodoru na niszowych rynkach, takich jak niezawodne wytwarzanie
energii elektrycznej, lub na małą skalę w sektorze transportu, na przykład w autobusach. Niektórzy są
bardziej sceptyczni i mówią, że wodór pozostanie wieczną obietnicą. Dokument ten zawiera krótkie
wprowadzenie dotyczące wodoru, jego źródeł, sposobu wykorzystania oraz mocnych i słabych stron
tego paliwa.
1.1 Co to jest wodór?
Wodór jest najprostszym pierwiastkiem we wszechświecie, a także najbardziej obfitym: stanowi około
75 procent całej masy we wszechświecie. Jest to pierwszy pierwiastek w układzie okresowym i składa
się tylko z jednego protonu i jednego elektronu. W swoim normalnym stanie gazowym jest bezbarwny,
bezwonny i bez smaku. Ważną zaletą w zakresie zrównoważonego rozwoju jest to, że wodór spala się
w sposób bardzo czysty. W przypadku spalania z czystym tlenem (2H2 + O2 → 2H2O) emitowana jest
tylko woda, a płomień jest prawie niewidoczny. Podczas spalania wodoru z powietrzem wydziela się
woda oraz wszystkie inne gazy, które są składowymi powietrza (głównie azot) - płomień jest w tym
przypadku wyraźnie widoczny. Wodór jest prawie idealnym paliwem pod względem redukcji smogu
podczas spalania: ponieważ nie zawiera węgla ani siarki, a podczas spalania nie są wytwarzane CO,
CO2, SOx lub sadza oraz inne cząstki stałe. Pozwala to na bardziej optymalne spalanie (tj. wyższe
wskaźniki powietrze-paliwo), co skutkuje niższą temperaturą spalania, a co za tym idzie, również
niższym poziomem emisji NOx .

2. 2
Zamiast spalania wodoru można go również wykorzystać elektrochemicznie w ogniwie paliwowym,
gdzie energia z reakcji chemicznej jest zamieniana na energię elektryczną i cieplną (Romm, 2005).
Najbardziej popularne/obiecujące typy ogniw paliwowych zostały opisane w załączniku II.
1.2 Krótka historia
Theophrastus Bombastus von Hohenheim (a.k.a. Paracelsus) po raz pierwszy "odkrył" wodór poprzez
zmieszanie kwasów z metalami, w wyniku czego powstał gaz palny: gaz wodorowy. Pierwszym, który
odkrył, że wodór jest odrębną substancją, był Henry Cavendish w 1766 roku. Eksperyment Cavendisha
został powtórzony w 1785 roku przez Francuza Antoine'a Lavoisiera, który badał tlen i wodór.
Jedno z pierwszych zastosowań wodoru było w przemyśle lotniczym, aczkolwiek nie w samolotach,
lecz w zeppelinach, czyli sterowcach - z ekologicznego punktu widzenia nie jako paliwa, lecz przede
wszystkim w celu zapewnienia możliwości unoszenia statku powietrznego. Wykorzystywano tutaj
właściwość wodoru, będącego najlżejszym gazem. Rozwiązanie przestało być stosowane w 1937 roku,
kiedy to wielki sterowiec Hindenburg stanął w płomieniach podczas dokowania na lądowisku koło
Nowego Jorku. Początkowo zakładano, że bezpośrednią przyczyną katastrofy był wodór, ale później
okazało się, że spowodowała ją wysoce łatwopalna farba - ale wtedy jako skutek katastrofy, wodór miał
już zniszczoną reputację. Jednak wodór pozostał popularnym przedmiotem badań. NASA zapewniła
istotny impuls w zakresie badań nad ogniwami paliwowymi, a dwa kryzysy naftowe w latach
siedemdziesiątych XX wieku ponownie wzbudziły ogólne zainteresowanie możliwościami
wykorzystania wodoru jako paliwa. Pod koniec lat osiemdziesiątych XX wieku do agendy
międzynarodowej włączono kolejną kwestię: zrównoważony rozwój. Było to w dużej mierze zasługą
Komisji Brundtlanda Narodów Zjednoczonych, która w swoim raporcie z 1987 roku zatytułowanym
"Nasza wspólna przyszłość" stwierdziła, że "pod względem ryzyka zanieczyszczenia gaz jest
zdecydowanie najczystszym paliwem, z ropą naftową na drugim miejscu i węglem na trzecim miejscu".
Ale wszystkie one stwarzają trzy powiązane ze sobą problemy związane z zanieczyszczeniem
atmosfery: globalne ocieplenie, przemysłowe zanieczyszczenie powietrza w miastach oraz
zakwaszenie środowiska" (WCED, 1987, s. 176).

3. 3
Wodór, wstęp do 1. spotkania grupy roboczej
Rys 1: Przejście na pierwotne źródła energii. Źródło: Dunn (2002, s. 239). Wszelkie prawa zastrzeżone
Ze względu na tę zmianę w kierunku zrównoważonego rozwoju i świadomości ekologicznej, wodór
powrócił do łask i spotkał się z ponownym zainteresowaniem. Zwolennicy wodoru i gospodarki
wodorowej powołują się na trend "dekarbonizacji", aby uzasadnić przejście na wodór. Nieco podobną
tendencją jest tutaj przejście od stałych źródeł energii poprzez ciecze do gazowych źródeł energii
(Rifkin, 2002), patrz ilustracja 1. Chociaż wodór jest dostępny w dużych ilościach, prawie nie istnieje w
czystej postaci; wiąże się np. z wodą i paliwami kopalnymi. Innymi słowy, żeby wykorzystać wodór jako
paliwo, musi być produkowany w czystej formie.
1.3 Produkcja - szary, niebieski i zielony wodór
Obecnie, każdego roku produkuje się około 70 Mt wodoru, z czego prawie całość jest produkowana z
paliw kopalnych, zwłaszcza gazu ziemnego (76%) i węgla (23%) (EIA, 2019). Nie jest to zrównoważona
forma produkcji wodoru ("szary wodór"), ale jak dotąd najbardziej opłacalna. W większości przypadków
produkowany wodór jest wykorzystywany bezpośrednio na miejscu jako surowiec do rafinacji ropy
naftowej oraz do produkcji m.in. nawozów amoniakalnych.
Obecnie najbardziej powszechnym i najtańszym sposobem produkcji wodoru jest reforming parowy
(SMR). W wielostopniowym procesie gaz ziemny reaguje z parą wodną i katalizatorem, tworząc wodór,
którego głównym produktem ubocznym jest dwutlenek wegla, czyli CO2. Efektywność energetyczna
SMR wynosi około 70 %. Ale jaka jest wartość dodana wodoru w stosunku do gazu ziemnego? W końcu
"dla większości praktycznych zastosowań, gaz ziemny może robić to co robi wodór" (Bossel et al., 2003:
s. 13), a przejście z gazu ziemnego na wodór oznacza utratę wydajności systemu.
Drugim co do wielkości paliwem kopalnym wykorzystywanym do jego produkcji jest węgiel. Wodór jest
tu produkowany poprzez gazyfikację węgla, w wyniku której emitowane są również ogromne ilości CO2
Trzecim paliwem kopalnym jest ropa naftowa; wodór może być produkowany np. z benzyny poprzez
częściowe utlenianie. Jest to proces stosowany komercyjnie, ale emituje więcej CO2 niż produkcja w
ramach SMR.

4. 4
Wyżej wymienione procesy produkcyjne z wykorzystaniem paliw kopalnych emitują ogromne ilości CO2,
co oznacza, że gdy chcemy, aby procesy te były zrównoważone, CO2 musi być sekwestrowany poprzez
wychwytywanie i składowanie dwutlenku węgla (CCS) lub wychwytywanie i wykorzystanie dwutlenku
węgla (CCU). Kiedy wodór jest produkowany z paliw kopalnych i emisji CO2 jest wychwytywany (albo
przed spaleniem, albo po spaleniu) i sekwestrowany jest nazywany "niebieskim wodorem".
Inną formą produkcji niebieskiego wodoru z paliw kopalnych jest piroliza metanowa, obiecująca
technologię CCU, w której metan (tj. gaz ziemny) jest silnie rozbijany w dużych temperaturach
do wodoru gazowego i węgla stałego . Stały węgiel może być składowany lub używany jako produkt
np. w innej reakcji chemicznej.
Ostatnią omawianą tu możliwością produkcyjną jest taka, która nie stanowi bezpośredniej konkurencji
dla systemu energetycznego opartego na paliwach kopalnych jest elektroliza. W procesie elektrolizy
woda jest rozkładana na wodór i tlen za pomocą energii elektrycznej, który generowany przez
odnawialne źródła energii jest neutralny pod względem emisji CO2 ("zielony wodór"). Minusem jest to,
że proces ten jest niezwykle energochłonny. Podczas gdy obecnie komercyjne urządzenia do
elektrolizy mają sprawność energetyczną na poziomie około 70 %, energia elektryczna wykorzystywana
w procesie musi być również produkowana, co poważnie zmniejsza ogólną sprawność systemu. Z
drugiej strony, wodór wytwarzany w procesie elektrolizy jest niezwykle czysty - co jest warunkiem
wstępnym np. dla ogniw paliwowych PEM.
1.4 Przechowywanie i dystrybucja
Po wyprodukowaniu wodoru musi on być rozprowadzony do użytkownika - lub wykorzystany na
miejscu, w przypadku gdy jest on produkowany lokalnie. Dlatego też to, jak wyglądać będzie
infrastruktura wodorowa , zależy w dużej mierze od sposobu produkcji (upstream) i wykorzystania
(downstream). Duże, scentralizowane zakłady produkcyjne wydają się być najbardziej wydajne, ale ten
wzrost wydajności może być zrekompensowany przez straty w dystrybucji. W każdym przypadku wodór
musi być przechowywany w jakiejś formie, czy to przed transportem, w trakcie transportu, czy po nim.
WODÓR PŁYNNY Gęstość energetyczna ciekłego wodoru jest wysoka, co jest dużą zaletą w zakresie
magazynowania i transportu. Jednak skraplający się wodór wymaga dużych ilości energii: około 30 do
40 % pierwotnej energii użytkowej wodoru. Raz skroplony wodór musi być przechowywany w bardzo
wysoko izolowanym zbiorniku (ponieważ temperatura wrzenia wodoru wynosi -253°C), co powoduje,
że jego przechowywanie jest kosztowne - nawet bardziej, gdy szybkość odparowywania wodoru
ciekłego może wynosić nawet 4 % dziennie (!).
SPRĘŻONY WODÓR. Inną możliwością magazynowania i transportu wodoru jest gaz sprężony.
Metoda ta jest znacznie tańsza niż skraplający się wodór, ale jej wadą jest niska gęstość energetyczna,
choć ta rośnie wraz z ciśnieniem. Sprężony wodór może być przechowywany w zbiornikach
ciśnieniowych (cysternach) lub pod ziemią. Podziemne składowanie może być stosunkowo proste z
technologicznego punktu widzenia, ale dla jego powodzenia niezbędna jest akceptacja społeczna.
Dystrybucja sprężonego wodoru może odbywać się zarówno drogą lądową, jak i rurociągami. W
przypadku transportu drogowego, będzie to praktyczne tylko na stosunkowo niewielkich odległościach.
W przypadku większych odległości, transport rurociągami jest bardziej realną opcją. Obecnie w Europie
znajduje się kilkaset kilometrów rurociągu wodorowego - zazwyczaj z i do dużych obszarów
przemysłowych, gdzie wodór jest produkowany i zużywany.
1 Zobacz na przykład https://www.tno.nl/en/focus-areas/energy-transition/roadmaps/towards-co2-neutral-fuels- ad-
feedstock/hydrogen-for-a-sustainable-energy-supplyly-optimising-production-hydrogen/ember-methane- pirolisis/ (ostatni dostęp
14 stycznia 2020 r.).

5. 5
Rozbudowa tej istniejącej sieci wymaga dużych inwestycji kapitałowych i wiąże się z wysokim ryzykiem,
ponieważ nie jest jeszcze pewne, jakie będzie przyszłe zapotrzebowanie.
Zamiast tworzyć nową sieć dystrybucji wodoru można wykorzystać istniejącą sieć gazu ziemnego;
pozwoliłoby to uniknąć znacznych inwestycji kapitałowych. Jak wspomniano powyżej, magazynowanie
wodoru stanowi sporo wyzwań i najłatwiejszym rozwiązaniem dla zastosowań stacjonarnych wydaje
się być nie magazynowanie, lecz dystrybucja w sieci gazu ziemnego. Obecna europejska sieć gazowa
ma około 260 000 km gazociągów wysokociśnieniowych obsługiwanych głównie przez operatorów
systemów przesyłowych oraz 1,4 mln km gazociągów średnio- i niskociśnieniowych obsługiwanych
przez operatorów systemów dystrybucyjnych. Wodór ma jednak swoje cechy charakterystyczne:
ponieważ jest najlżejszym gazem, jest bardzo lotny, a ponadto jest bardzo reaktywny, co sprawia, że
w kontakcie z wodorem, stal staje się krucha. Wykorzystanie obecnych gazociągów do transportu
wodoru zależy zatem od wielu czynników, w tym od materiału, ciśnienia roboczego, wieku i ogólnego
stanu rurociągów (Dodds i Demoullin, 2013). Ponadto, ponieważ wodór ma niższą gęstość
energetyczną niż gaz ziemny, jego mieszanka zmniejszy zawartość energii w dostarczanym gazie, choć
wydaje się, że mieszanka zawierająca do 30% wodoru, nie będzie stanowić problemu dla urządzeń
gospodarstwa domowego, takich jak kotły (EIA, 2019). Istnieje kilka badań, w których stwierdza się
możliwość wykorzystania sieci gazu ziemnego w celu bezpiecznej dystrybucji wodoru do użytkowników
końcowych, przy stosunkowo niewielkich dostosowaniach. Kilka długoterminowych scenariuszy
poważnie rozważa taką opcję (Cătuţi i in., 2019).
WODÓR WBUDOWANY. Inną możliwością magazynowania i dystrybucji wodoru jest włączenie go do
dużych cząsteczek, takich jak amoniak (NH3) i ciekłe organiczne nośniki wodoru (LOHC, np. kwas
mrówkowy (CH2O2)). Wadą jest to, że przejście z wodoru na LOHC lub amoniak i powrót do energii
wodorowej kosztuje energię, a więc stanowi stratę efektywności. Zaletą jest to, że nośniki te mają
logiczną przewagę nad wodorem w zakresie przechowywania i dystrybucji, na przykład amoniak
skrapla się w temperaturze -33°C i zawiera 1,7 razy więcej wodoru na m3 niż sam skroplony wodór
(EIA, 2019).
WODORKI METALI Interesującą i obiecującą formą magazynowania wodoru jest chemiczne wiązanie
wodoru z metalem, na przykład poprzez chłodzenie. W efekcie wodór może być uwalniany przez
ogrzewanie lub reakcję katalityczną. Wodorki występują w wielu formach i typach; istnieją
nieodwracalne i odwracalne wodorki, różne stopy uwalniające wodór pod różnymi ciśnieniami i
temperaturami - typowo potrzebne jest dostarczenie ciepła, aby uwolnić wodór, a im więcej ciepła jest
dodawane, tym wyższe jest ciśnienie uwalniania - ale wszystkie wodorki mają swoje specyficzne
właściwości. Ogólnie rzecz biorąc, zaletą wodorków jest ich wysoka gęstość objętościowa, ale z drugiej
strony wodorki mogą przechowywać tylko od 2 do 6% masy wodoru, co oznacza, że na przykład
przechowywanie 5 kg wodoru w samochodzie oznaczałoby zbiornik paliwa o pojemności od 83 do 250
kg. Wyzwaniem jest tu znalezienie "idealnego wodorku": lekkiego wodorku, który można szybko
napełniać, rozładowywać przy żądanej prędkości, ciśnieniu i temperaturze i który jest konkurencyjny
cenowo w stosunku do obecnych systemów magazynowania paliwa.
1.5 Zastosowanie:
Niniejszy rozdział opisuje zestaw zastosowań wodoru i jest podzielona na trzy części:
- zastosowanie wodoru w zastosowaniach stacjonarnych,
- zastosowania przenośne i
- zastosowanie w sektorze transportu.
1.5.1 Zastosowania stacjonarne
Zwolennicy wodoru opowiadają się za wykorzystaniem wodoru w połączeniu z ogniwami paliwowymi
do lokalnego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła - jest to doskonały przykład rozproszonego

6. 6
wytwarzania energii elektrycznej; kluczowy składnik tzw. inteligentnych sieci. Po długim okresie badań
i rozwoju oraz związanej z tym redukcji kosztów, ogniwa paliwowe mogą stać się realną opcją w
przyszłości.
Generowanie wysokiej niezawodności
Energia elektryczna staje się coraz ważniejsza w życiu człowieka. Tak samo jak energia elektryczna
stała się niezbędna w naszym życiu osobistym i zawodowym, tak samo wszyscy chcemy, aby była ona
dostępna zawsze, zatem przez 100 % czasu. W przypadku przedsiębiorstw, które chcą mieć
nieprzerwane zasilanie, ogniwa paliwowe mogą być ciekawą opcją, ponieważ nie mają one ruchomych
części, które mogą się zepsuć. Dodatkową zaletą jest to, że ogniwa paliwowe emitują znikome ilości
zanieczyszczeń powietrza w miastach i wytwarzają zarówno energię elektryczną, jak i ciepło, czyli sa
formą kogeneracji, osiągając wysoką sprawność ogólną - to znaczy, o ile ciepło jest także
wykorzystywane na cele grzewcze lub jako ciepło procesowe. Nisza rynkowa dla energii o wysokiej
niezawodności okazała się jednak trudna do uruchomienia, ponieważ generalnie nowe obiekty
przemysłowe i handlowe dążą do osiągnięcia najniższego początkowego kosztu kapitału, a nie
najniższego kosztu cyklu życia czyli kosztów eksploatacji. Ponadto doposażenie budynku w energię
elektryczną i ciepło z ogniw paliwowych zwykle również nie jest korzystne, ponieważ w budynku
znajdują się już zwykle systemy ogrzewania i chłodzenia, których koszty kapitałowe zostały już pokryte
na etapie inwestycji.
Rynek mieszkaniowy
Kotły
Istnieje wiele rozwiązań dotyczących kotłów przygotowanych do pracy na wodór i opalanych wodorem.
W zasadzie istnieją trzy opcje:
(1) dostosowanie obecnych kotłów gazowych,
(2) kotły dwupaliwowe (w tym "przygotowane na wodór") oraz
(3) kotły wodorowe (Frazer Nash, 2018 r.).
Ad 1: Dostosowanie istniejących kotłów do spalania wodoru wodorowego wymaga na przykład
zastosowania innego palnika i urządzenia wykrywającego płomień - rozwiązanie takie jest możliwe,
"chociaż z uwagi na brak miejsca wewnątrz urządzeń może być w praktyce trudne do zrealizowania"
(Frazer-Nash, 2018, s. 29).
Ad 2: Spośród tych trzech opcji, kotły dwupaliwowe są najbardziej otwarte na rozmaite rozwiązania
(1) Kocioł może być zaprojektowany do zmiany różnych rodzajów gazu bez konieczności zmiany
elementów.
(2) Może być również tak, że kocioł jest zaprojektowany na gaz ziemny, ale z myślą o przełączeniu na
wodór. Kocioł jest następnie konfigurowany do wstępnego spalania gazu ziemnego, a gdy wodór będzie
już w zasięgu ręki, niektóre elementy można szybko i łatwo wymienić (tzn. jest gotowy na wodór).
(3) Kocioł, który jest gotowy do pracy na mieszaninie gazu ziemnego i wodoru.
Ad 3: Podczas projektowania nowego kotła można zoptymalizować spalanie do 100 % wodoru. Nie ma
powodu, by zakładać, że kocioł wodorowy nie mógłby zaoferować podobnej wydajności, żywotności i
niezawodności jak obecne urządzenia grzewcze na gaz ziemny²
Ogniwa paliwowe
Firmy z branży ogniw paliwowych dążą do wprowadzenia ogniw paliwowych na rynek ogrzewania
mieszkań, ponieważ postrzegają je jako doskonały nośnik zarówno energii elektrycznej, jak i ciepła. Ale
są wady: Ogniwa paliwowe PEM (zob. załącznik II) przeznaczone do pokrycia zapotrzebowania na
energię elektryczną w domu jednorodzinnym, wytwarzają znacznie więcej ciepła niż przeciętne zużycie
w domu, co zmniejsza jego ogólną wydajność. Ma to również negatywny wpływ na rentowność
ekonomiczną.
Rynek wytwarzania wodoru na miejscu
Budynki komercyjne i zakłady produkcyjne zużywają duże ilości zarówno energii elektrycznej, jak i

7. 7
ciepła. Istnieje kilka dojrzałych technologii, które mogą zapewnić skojarzone wytwarzanie ciepła i
energii elektrycznej (CHP), na przykład turbiny gazowe, silniki tłokowe i turbiny parowe. Podobnie jak
na rynku mieszkaniowym, istnieją przedsięwzięcia dotyczące spalania wodoru na potrzeby
tego rynku. Na przykład, niektóre turbiny gazowe są przystosowane do spalania mieszanki gazu ziemnego
i wodoru lub czystego wodoru³ . Podobnie jak w sektorze mieszkaniowym, może to być również
rynek systemów opartych na ogniwach paliwowych. Okazało się jednak, że trudno jest konkurować z
dominującymi obecnie technologiami. Systemy ogniw paliwowych dla budynków komercyjnych i fabryk
napotykają na te same bariery co w wypadku segmentu mieszkaniowego.
1.5.2 Zastosowania mobilne
Rynek zastosowań mobilnych (laptopy, tablety, smartfony itp.) szybko się rozwija. Każde z tych
"urządzeń" musi być zasilane, a ponadto potrzebują one coraz większej mocy, ponieważ stają się coraz
bardziej wyrafinowane (warto tu wspomnieć o kolorowych wyświetlaczach, większych wyświetlaczach,
Wi-Fi itp.). Do tej pory dominującym źródłem zasilania były baterie (akumulatory), ale alternatywę dla
obecnie stosowanych rozwiazań mogą stanowić mini ogniwa paliwowe. Nie jest to jednak
prawdopodobne w najbliższej przyszłości, ponieważ baterie uległy znacznej poprawie, a producenci
urządzeń przenośnych poszukują nowych technologii w celu zmniejszenia zużycia energii.
1.5.3 Sektor transportu
W tej części omówiony zostanie głównie transport drogowy, a jedynie pokrótce omówione zostaną inne
formy transportu.
W 1900 r. w USA sprzedano w sumie 4 192 samochody, z czego 22,3 % napędzane było silnikiem
spalinowym (ICE). Większość samochodów napędzana była parą (40,1 %) i energią elektryczną
(37,6%). Pięć lat później całkowita liczba sprzedanych samochodów osiągnęła 21 692; udział
samochodów wyposażonych w ICE (silnik spalinowy) wzrósł do 86,2 % (Geels, 2005).
Zalety samochodu elektrycznego były oczywiste: był cichy, bezwonny, łatwy do uruchomienia i jazdy,
ale również wady były jasne: ograniczony zasięg działania i wady cenowe utrzymujące się do dziś.
Silniki parowe nie były też tak ciche jak samochody elektryczne, ale za to tańsze. ICE miał większy
zasięg, szybciej startował, ale był bardzo głośny i zanieczyszczający środowisko naturalne. Tak więc
tankowanie naszego samochodu benzyną wydaje się w dzisiejszych czasach bardzo logiczne i
łatwiejsze, ale w rzeczywistości jest wynikiem zmiany koncepcji, która miała miejsce około stu lat temu
(Geels, 2005).
W przyszłości samochody mogą stać się częścią systemu energetycznego jako nośnik energii
elektrycznej lub wodorowej i dostarczać energię do naszych domów w postaci energii elektrycznej lub
wodoru. Zmienia się sieć energetyczna; rozproszone wytwarzanie energii elektrycznej prawdopodobnie
stanie się ważniejsze, zmieniając sztywne, jednokierunkowe sieci energetyczne w elastyczne,
inteligentne sieci, w których odbiorca energii elektrycznej może stać się producentem. Jednak
producenci samochodów niechętnie inwestują w pojazdy z wodorowymi ogniwami paliwowymi z
powodu braku infrastruktury do tankowania. Z drugiej strony przedsiębiorstwa energetyczne niechętnie
inwestują w infrastrukturę tankowania wodoru, gdy nie ma samochodów do tankowania. Dlatego też
producenci samochodów opracowują trzy różne strategie:
(1) reforming metanolu lub nawet benzyny do wodoru w celu napędzania ogniw paliwowych,
(2) samochody z bezpośrednimi wodorowymi ogniwami paliwowymi oraz
(3) ICE napędzane wodorem.
2 https://www.theengineer.co.uk/domestic-hydrogen-appliances/ (ostatni dostęp 15 stycznia 2020 r.).
3 https://www.cibsejournal.com/technical/in-the-pipeline-is-hydrogen-a-potential-low-carbon-replace-for- natural gas/ (ostatni
dostęp 15 stycznia 2020 r.)

8. 8
Ponieważ istnieje wiele opcji (np. pojazdy napędzane silnikiem ICE (zasilane benzyną lub wodorem),
pojazdy elektryczne zasilane wodorem z ogniw paliwowych (FCEV) (z reformingiem pokładowym lub
bez), hybrydowe pojazdy elektryczne zasilane benzyną (HEV), hybrydowe pojazdy elektryczne zasilane
metodą plug-in (PHEV) (zasilane benzyną, wodorem lub (m)etanolem), akumulatorowe pojazdy
elektryczne (BEV)) i jeszcze więcej różnic w założeniach i szacunkach kosztów, nie ma jasnego obrazu
odnośnie tego , co jest najlepszą opcją.
Obecnie zarówno pojazdy z napędem elektrycznym, jak i pojazdy napędzane wodorem (ogniwami
paliwowymi) poszukują niszowych rynków (np. samochody leasingowe, taksówki czy transport
publiczny), czekając na swoją szansę. Wydaje się, że pojazdy z napędem elektrycznym są na drodze
wyłamania się z niszy - prowadzi tutaj Tesla- ale jak widzieliśmy sto lat temu, że może się to zmienić
bardzo szybko.
Transport drogą powietrzną i wodną jest również w dużym stopniu uzależniony od paliw kopalnych. W
sektorze morskim wodór jest w fazie eksperymentalnej w przypadku ICE (albo spalanie wodoru, albo
spalanie wodoru za pomocą amoniaku), jak również w przypadku ogniw paliwowych (EIA, 2019). Sektor
lotniczy również eksperymentuje z wodorem, aczkolwiek w małych samolotach. Dlatego też potrzeba
jeszcze wielu badań i prac rozwojowych, ale ilość opcji paliwowych dla samolotów jest ograniczona, co
stwarza możliwości dla wodoru. Jednak jego niska gęstość energii w stanie gazowym jest poważną
wadą.
1.6 Spojrzenie w przyszłość - mocne i słabe strony
Istnieje wiele pierwotnych źródeł energii: paliwa kopalne, energia słoneczna, energia wiatrowa, energia
pływów, energia geotermalna i energia otoczenia, biomasa, itp. W celu wykorzystania energii
pozyskanej z tych pierwotnych źródeł często korzystamy z nośnika energii. Najczęściej używanym
obecnie nośnikiem jest energia elektryczna, ale jest ich o wiele więcej, jak np. sprężone powietrze,
gorąca woda i oczywiście wodór.
Jak wspomniano wcześniej, tak jak każdy nośnik energii, wodór ma wiele zalet i wad, a także szans i
zagrożeń. Są one przedstawione w analizie SWOT (strony mocne, słabe, szanse i zagrożenia)
w tabeli 1. Mocne i słabe strony,
szanse i zagrożenia są kategoryzowane według trzech poziomów wielopoziomowych
4
perspektywa: nisza, koncepcja i krajobraz (Geels, 2005). Czasami te poziomy
nakładają się na siebie, a czasami trudno jest dokonać wyraźnego rozróżnienia. Na przykład, "potencjał
magazynowania energii o dużej gęstości" jest klasyfikowany jako siła niszowa, podczas gdy
potencjalnie ma on również wpływ na poziom systemu. Chodzi o to, że najpierw trzeba to przetestować
i zastosować na rynku niszowym, zanim wodór jako czynnik przechowujący wejdzie na poziom
systemu.

9. 9
Tabela 1 ilustruje, że wodór ma wiele mocnych i słabych stron, możliwości i zagrożeń na wszystkich
poziomach.
(Kontynuacja tabeli na następnej stronie)
4 Perspektywa wielopoziomowa stanowi ramy przejściowe, w których stwierdza się, że przejście np. z systemu energetycznego opartego na paliwach
kopalnych na system oparty na energii odnawialnej z udziałem wodoru następuje poprzez wzajemne oddziaływanie procesów na różnych poziomach.
Poziom niszowy składa się z małych przestrzeni, na których odbywają się działania innowacyjne, które mogą wejść w zakres stosowanej koncepcji przez
okna możliwości. Reżim socjotechniczny jest dominującym dynamicznie stabilnym reżimem (np. reżim oparty na paliwach kopalnych), a egzogeniczne
zmiany krajobrazowe (np. wojna, kryzysy gospodarcze) wywierają presję na istniejący reżim (Geels, 2005).
Wodór nie jest źródłem energii, ale jej nośnikiem - i
dlatego musi być produkowany.
Wodór ma wysoką gęstość energii masowej, ale na
przykład w przypadku magazynowania, bardziej
istotnym parametrem jest gęstość energii
objętościowej. Gęstość energii objętościowej wodoru
jest bardzo niska.
Wodór jest najbardziej obfitym
pierwiastkiem we wszechświecie.
Jest on składnikiem wody, dlatego
też jego zaopatrzenie jest
praktycznie nieograniczone.
Wodór ma dużą gęstość
energii masowej.
Duża różnorodność zasobów do
produkcji wodoru zwiększa
bezpieczeństwo dostaw energii.
Krajobraz
Mocne
strony
Słabe strony
Nisza
Kilka demonstracji już się odbyło, co
dowodzi, że wodór jest realną opcją
zarówno w zastosowaniach
stacjonarnych, jak i w sektorze
transportu.
Potencjał do magazynowania energii
o dużej gęstości.
Potencjał niskich i przewidywalnych
kosztów O&M.
Niski poziom hałasu w przypadku
stosowania w ogniwach paliwowych.
Przemysłowe wykorzystanie wodoru jest dobrze
znane, technologia wykorzystywana w nowych
zastosowaniach jest wciąż stosunkowo niedojrzała i
niesie ze sobą niepewność. Brak komponentów i
sprawdzenia systemu w praktyce.
Słaba sieć zaopatrzenia (konsultanci, inżynierowie,
przedsiębiorcy itp.)
Magazynowanie: magazynowanie cieczy i sprężonego
gazu jest dobrze znane, ale magazynowanie z
zastosowaniem wodorków nie ma jeszcze miejsca.
Dostosowanie gęstości składowania do ekonomicznie
akceptowalnego poziomu jest głównym problemem
związanym z magazynowaniem.
Koncepcja
Doświadczenie w wytwarzaniu,
dystrybucji i zastosowania wodoru na
dużą skalę, w tym know-how w
zakresie bezpieczeństwa i obsługi.
Duża różnorodność zasobów do
produkcji wodoru, zarówno z paliw
kopalnych, jak i odnawialnych źródeł
energii, co sprawia, że jest on
wszechstronnym nośnikiem energii
podczas przechodzenia z paliw
kopalnych na odnawialne źródła
energii.
Zdolny do radzenia sobie z
wahaniami mocy i dlatego idealny do
integracji z nieciągłymi odnawialnymi
źródłami energii.
Zmniejszone oddziaływanie na
środowisko w porównaniu z
konwencjonalnymi źródłami energii.
Brakujące kody i normy (kwestie bezpieczeństwa,
specyfikacje techniczne itp.).
Koszty zakupu są wysokie w porównaniu z
technologiami już istniejącymi.
Aspekty bezpieczeństwa wodoru ciekłego lub pod
wysokim ciśnieniem.

10. 10
Możliwości ZagrożeniaNisza
Nowe możliwości zastosowań
Wymiana/redukcja użycia
baterii, paliwa diesel.
Problem typu jajko czy kura pomiędzy infrastrukturą
wodorową a konsumpcją. Wodór jako nośnik nie jest
jeszcze dobrze znany i akceptowany.
Potencjalni użytkownicy końcowi nie mają
doświadczenia i mogą reagować niechętnie, dlatego
też potencjał rynku jest niepewny.
Koncepcja
Dywersyfikacja przedsiębiorstw
w sektorze energetycznym.
W dłuższej perspektywie czasowej, im
wyższa
cena paliw kopalnych z powodu
wzrostu
kosztów wydobycia tym większe
zalety wodoru.
Rozwój wodoru jako
nośnika do przechowywania energii
z odnawialnych źródeł energii.
Nieodpowiednie ramy prawne (normy,
przepisy, zezwolenia na montaż).
Postrzegany jako być może nienajlepsza
alternatywa dla zastąpienia benzyny/oleju napędowego
w związku z
kwestiami bezpieczeństwa, koniecznością konwersji
energii elektrycznej do wodoru, a następnie z powrotem
do
energii elektrycznej, a zmiany w infrastrukturze
wymagają
żeby to wszystko było wykonalne. Pozostaje to w
bezpośredniej konkurencji
z technologiami magazynowania energii elektrycznej.
Dużo przeszkód, zwłaszcza kosztowych i niska
efektywność, to ogranicza możliwość wprowadzenia na
szeroką skalę
technologii wodorowej. Potrzebne są działania
badawczo-rozwojowe
aby zmniejszyć straty energii podczas pracy,
poprawić stabilność i obniżyć koszty
infrastruktury.
Walka z wbudowanym generowaniem energii
i tego typu infrastrukturą dystrybucji (zarówno
stacjonarne, jak i
i mobilne zastosowania , tzn. przedsiębiorstwa
wytwarzające i producenci pojazdów).
Fałszywa konkurencja, ponieważ paliwa kopalne są
dotowane (Dunn, 2002).
Krajobraz
Bardziej restrykcyjne normy emisji
dwutlenku węgla mogą być
zachętą do przyspieszenia rozwoju
technologii wodorowych.
Ograniczenie wpływu na
środowisko naturalne.
Obecne przepisy dotyczące emisji gazów
cieplarnianych nie są wystarczającym bodźcem.
Tabela 1: Analiza SWOT dla wodoru. (Źródła:
http://www.epsrc.ac.uk/research/landscapes/Documents/LandscapeEnergy.pdf (ostatni
dostęp 28 sierpnia 2010 r.),
http://www.hsaps.ife.no/Presentations_pdf/Greece/HydrogenTechnologyEvaluation.pdf
(ostatni dostęp 28 sierpnia 2010 r.)
http://www.hy-co-era.net/datapool/page/27/swot_en.pdf (ostatni dostęp 13 stycznia 2020 r.)

11. 11
ANEKS I - Odnośniki
Amos, W.A. (1998), Costs of storing and transporting hydrogen, National Renewable Energy
Laboratory, November 1998. Dostępny pod adresem:
https://www.google.com/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=1&ved=2ahU
KEwjgrZXh5YDnAhXJEVAKHeSJA8AQFjAAegQIAhAC&url=https%3A%2F%2Fwww.nre
l.gov%2Fdocs%2Ffy99osti%2F25106.pdf&usg=AOvVaw0nS826AXPKQo-OLlyjd-f8 (ostatni
dostęp 13 stycznia 2020)
Bossel, U., Eliasson, B. and Taylor, G. (2003), The future of the hydrogen economy: bright or bleak?
2003 Seminarium na temat ogniw paliwowych, 3-7 listopada 2003 r., Miami, Floryda, USA.
Dostępny pod adresem:
https://www.google.com/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=1&ved=2ahU
KEwiM9_iq5IDnAhVFJ1AKHakDA9oQFjAAegQIBhAC&url=https%3A%2F%2Fplanetforl
ife.com%2Fpdffiles%2Fh2report.pdf&usg=AOvVaw0GFkni-hx_q9TP42YCNRD- (ostatni dostęp
13 stycznia 2020)
Cătuţi, M., Egenhofer, C. and Elkerbout, M. (2019), The future of gas in Europe: Review of recent
studies on the future of gas. CEPS Research Report No. 2019/03, August 2019. Dostępny pod
adresem: https://www.ceps.eu/ceps-publications/the-future-of-gas-in- europa/ (ostatni dostęp w
styczniu 2020 r.)
Dodds, P.E. and Demoullin, S. (2013), Conversion of the UK gas system to transport hydrogen,
International Journal of Hydrogen Energy, 38, str. 7189–7200. Dostępny pod adresem:
https://reader.elsevier.com/reader/sd/pii/S0360319913006800?token=8F5FE505F1
89B90BD48CB4262ECDBD5C0E07A9B4BDBB9856D0E25701891DEAE1B25EA980C61
6A440F11C24C4EA581446 (ostatni dostęp 15 stycznia 2020 r.)
Dunn, S. (2002), 'Hydrogen futures: towards a sustainable energy system', w
International Journal of Hydrogen Energy, 27, str. 235-264
EIA (2019), The future of hydrogen - Seizing today's opportunities. Raport przygotowany przez MAE
na szczyt G20 w Japonii. Dostępny pod adresem https://www.iea.org/reports/the-future-of-
wodór (ostatni dostęp 15 stycznia 2020 r.)
Frazer-Nash (2018), Appraisal of Domestic Hydrogen Appliances - Prepared for the Department of
Business, Energy & Industrial Strategy. Dostępny pod adresem
https://assets.publishing.service.gov.uk/government/uploads/system/uploads/attach
ment_data/file/699685/Hydrogen_Appliances-For_Publication-14-02-2018-PDF.pdf (ostatni
dostęp 15 stycznia 2020 r.)
Geels, F.W. (2005), "The dynamics of transitions in socio-technical systems: a multi-level analysis of
the transition path pathway from horse-drawn cars to automobiles" (1860)
- 1930)", w: Technology Analysis & Strategic Management, 17 (4), s. 445-476
Rifkin, J. (2002), The hydrogen economy: the creation of the world energy web and the redistribution
of power on earth. Pingwin. Nowy Jork

12. 12
Romm, J.J. (2005), The hype about hydrogen: fact and fiction in the race to save the climate.
Island Press. Waszyngton
Verne, J. (1874), The mysterious island, tłumaczenie: W.H.G. Kingston, Limited Editions Club, 1959.
Dostępny pod adresem:
http://books.google.com/books?id=gosoDqvVDN8Crintsec=frontcoverq=the+m
ysterious+island&cd=1#v=onepage&q=&f=false (ostatni dostęp 13 stycznia 2020 r.)
Światowa Komisja ds. Środowiska i Rozwoju (1987), Our Common Future,
Oxford: Oxford University Press. Dostępny pod adresem:
https://www.google.com/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=4&ved=2ahU
KEwiO4eDL44DnAhXJEVAKHeSJA8AQFjADegQIBBAC&url=https%3A%2F%2Fsustaina
bledevelopment.un.org%2Fcontent%2Fdocuments%2F5987our-common-
future.pdf&usg=AOvVaw293_rr5E8NxDhKDKPVja0e (ostatni dostęp 13 stycznia 2020)

13. 13
ANEKS II OGNIWA PALIWOWE
Opisane tu ogniwa paliwowe stosują wodór jako paliwo i wykorzystują tlen jako utleniacz. Ogniwo
paliwowe składa się z elektrody ujemnie naładowanej (anody) i elektrody dodatnio naładowanej
(katody), które są oddzielone od siebie elektrolitem. Elektrolity te mogą być wykonane z wielu
materiałów, na przykład z ceramiki lub plastikowych membran. Ilustracja 2 przedstawia zasadę
działania Wymiennego Protonowego Membranowego Ogniwa Paliwowego (PEMFC, znanego również
jako Polimerowe Elektrolitowe Membranowe Ogniwo Paliwowe). Każde ogniwo paliwowe wytwarza
mniej niż jeden wolt, ale poszczególne ogniwa można układać w stosy, aby uzyskać wymagane
napięcie. W pewnym sensie, ogniwo paliwowe jest podobne do akumulatora, ale z jedną zasadniczą
różnicą: akumulator zawiera własne paliwo, podczas gdy ogniwo paliwowe jest stale zasilane z
zewnętrznego źródła.
Ogniwo paliwowe PEM jest prawdopodobnie najbardziej znanym typem ogniwa paliwowego, głównie
dlatego, że ten typ ma największy potencjał do zastąpienia silnika spalinowego (ICE). Niskie
temperatury pracy (50-100°C) czynią go interesującym dla zastosowań w sektorze transportu i
zastosowań przenośnych, ale w mniejszym stopniu dla zastosowań stacjonarnych w budynkach,
ponieważ niska temperatura pracy sprawia, że mniej nadaje się do kogeneracji (wytwarzania zarówno
energii elektrycznej jak i ciepła). Wodór stosowany w tym ogniwie paliwowym musi być bardzo czysty,
ponieważ katalizator platynowy jest bardzo wrażliwy na tlenek węgla. Jest to poważna wada, ponieważ
wodór produkowany np. z gazu ziemnego przez zewnętrzny reformer jest mniej czysty, co znacznie
skraca czas życia PEMFC.
Ilustracja 2: Zasada działania ogniwa paliwowego PEM. Źródło: Wikimedia Commons,
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Fuel_cell_still.gif (ostatni dostęp 16 stycznia 2020 r.).
1 Paliwo wodorowe zostaje przekierowane do anody po jednej stronie ogniwa podczas gdy tlen z powietrza przekierowywany jest do katody po drugiej stronie
ogniwa
2 W obrębie anody katalizator platyny powoduje rozpad wodoru na dodatnie jony wodoru (protony) i naładowane ujemnie elektrony.
3 Membrana elektrolitu polimerowego pozwala przejść tylko dodatnio naładowanym jonom. Ujemnie naładowane elektrony muszą przemieszczać się wzdłuż
zewnętrznego obwodu do katody tworząc prąd elektryczny.
4 W obrębie katody elektrony i dodatnio naładowane jony wodoru łączą się z tlenem tworząc wodę, która wypływa z ogniwa.

14. 14
Alkaliczne ogniwa paliwowe (AFC) są jednym z najstarszych i najbardziej rozwiniętych typów ogniw
paliwowych i były używane przez NASA podczas misji kosmicznych. Temperatura pracy jest
stosunkowo niska (do około 100°C), a jako elektrolit stosowany jest wodorotlenek potasu. Wadą AFC
jest to, że muszą one pracować na czystym tlenie, lub przynajmniej oczyszczonym powietrzu, aby
zapobiec reakcji CO2 w powietrzu z elektrolitem.
Fosforowe ogniwa paliwowe z kwasem fosforowym(PAFC) wykorzystują kwas fosforowy jako elektrolit
i mają temperaturę roboczą 150-200°C. Ze względu na te wysokie temperatury pracy tego typu ogniwa
paliwowe są interesujące dla kogeneracji. Chociaż jest to jedna z najbardziej dojrzałych technologii
ogniw paliwowych, cena za kW jest znacznie wyższa niż w przypadku istniejących źródeł energii. Zaletą
PAFC jest to, że nie ma na nią wpływu tlenek węgla, więc zewnętrzny reformer nie wpływa na
żywotność ani wydajność.
W ogniwach paliwowych z roztopionym węglanem (MCFC) jako elektrolit stosowany jest ciekły węglan.
Ten typ ogniwa paliwowego ma pewne zalety w porównaniu z PAFC i PEMFC: ze względu na wysoką
temperaturę pracy (około 650°C) ten typ ogniwa nie potrzebuje zewnętrznego reformera, ale może
wykorzystywać własne wewnętrzne ciepło do produkcji wodoru z (np.) gazu ziemnego. Zwiększa to
również jego sprawność elektryczną w zastosowaniach stacjonarnych, która może sięgać nawet 50
procent (w porównaniu z 35-40 procentami w przypadku PAFC i PEMFC zasilanych gazem ziemnym),
a nawet wyższą ogólną sprawność w przypadku zastosowania w kogeneracji (Romm, 2005). Ponadto,
ze względu na wysoką temperaturę pracy MCFC są tolerancyjne na tlenek węgla i mogą używać niklu
jako katalizatora zamiast drogiej platyny, która jest używana w PAFC i PEMFC. Wysoka temperatura
pracy sprawia jednak, że ogniwo paliwowe potrzebuje więcej czasu, aby osiągnąć warunki pracy, co
sprawia, że nie nadaje się do zastosowania w sektorze transportu. Ponadto, ogniwa paliwowe są dość
duże.
Stałe tlenkowe ogniwa paliwowe (SOFC) mają wysoką temperaturę pracy wynoszącą około 1000°C i
wykorzystują jako elektrolit ceramikę stałą. Elektrolit ceramiczny ma tę przewagę nad ciekłym
elektrolitem, że może być odlewany w dowolnym kształcie, np. rurki. Wysoka temperatura pracy
pozwala na pracę tego typu ogniwa bez zewnętrznego reformera, co sprawia, że nadaje się ono do
kogeneracji. Z drugiej strony, ponieważ jako elektrolit wykorzystuje on ceramikę stałą, ten rodzaj ogniwa
paliwowego napotyka na inne problemy niż wymienione powyżej, na przykład niedopasowanie
rozszerzalności cieplnej materiałów (Romm, 2005).
Powyższe ogniwa paliwowe są najbardziej powszechnymi typami i pokazują różnorodność i możliwości
ogniw paliwowych, ale każde z nich ma swoje specyficzne zalety i wady. Chociaż nadal konieczne są
szeroko zakrojone badania, można wyróżnić oddzielenie w pierwszych zastosowaniach komercyjnych
wyżej wymienionych typów: wysokotemperaturowe ogniwa paliwowe wymagają więcej czasu na
osiągnięcie ich temperatury pracy, co czyni je mniej atrakcyjnymi do stosowania w samochodach
osobowych, ciężarowych itp. Jednak ich wysoka temperatura pracy może być wykorzystywana do
produkcji pary, co czyni je bardziej atrakcyjnymi dla kogeneracji - w dużych elektrowniach, ale także w
lokalnej małej kogeneracji (CHP). Zaletą wszystkich typów ogniw paliwowych jest to, że w
przeciwieństwie do ICE, turbin gazowych, kotłów gazowych itp. wytwarzają one zerową lub bardzo
niską emisję szkodliwych substancji. Ponadto, ogniwa paliwowe emitują mniej hałasu.
Na podstawie materiałów do dyskusji na spotkanie grupy roboczej WG1 „Wsparcie dla oceny
technicznej ogrzewaczy pomieszczeń i ciepłej wody” przygotowanych przez VHK, opracował:
J.Starościk – Prezes Zarządu Stowarzyszenia Producentów i Importerów Urządzeń Grzewczych oraz
Członek Pool of Experts Swizerland Global Enterprise
Warszawa 27.02.2020