Uczestniczyłem ostatnio w ciekawej dyskusji na jednej z facebookowych grup, której inicjator zapytał o „najtańsze, najekologoczniejsze i najbardziej wydajne źródło odnawialnej energii elektrycznej”.
Oczywiście, jak to zawsze na tego typu grupach, pojawił się tu szereg zupełnie niepomocnych odpowiedzi (np. drzewo/drewno, koks czy zimna fuzja). Taki jest koloryt grup, na których moderacja nie pilnuje za bardzo porządku, a ludziom się nudzi.
Z oczywistych względów drewno nie jest wydajnym źródłem energii elektrycznej, choć rzeczywiście jest najtańszym i najbardziej ekologicznym paliwem. Problem polega jednak na jego zamianie na energię elektryczną, co na dziś można zrobić w małej skali tylko z pomocą maszyny lub turbiny parowej, albo ewentualnie silnika spalinowego z generatorem gazu drzewnego. Pierwsze rozwiązanie będzie drogie, drugie wymaga sporo własnej pracy, bo zgazowarkę da się dość łatwo zbudować, ale nie są one dostępne komercyjnie w sklepach.
Ale nie te odpowiedzi zdziwiły mnie najbardziej. To, co spowodowało największe moje zdumienie, to sugestia jednego z uczestników, aby wykorzystać panele fotowoltaiczne, ale energię przechowywać nie w akumulatorach, lecz w postaci wodoru!
Co już chyba każdemu wiadome, w naszych warunkach klimatycznych instalacje fotowoltaiczne spisują się całkiem nieźle. Baterie słoneczne (panele fotowoltaiczne) montowane są bowiem coraz częściej na dachach domów, stacji benzynowych, myjni samoobsługowych i budynków użyteczności publicznej. Wreszcie, coraz więcej powstaje instalacji wznoszonych bezpośrednio na gruncie.
Przykładem takiej instalacji niech będzie ta, którą udało mi się wypatrzyć w gminie Biała Piska, z drogi wojewódzkiej nr 667. To jedna z kilku tego typu instalacji w tej gminie, które dziś można podejrzeć na zdjęciach satelitarnych w portalu Google Maps. Nie udało mi się jednak odnaleźć informacji o łącznej mocy tej instalacji (a liczyć paneli na zdjęciu mi się nie chce 😉 ).
Typowa instalacja fotowoltaiczna nie jest wyposażona w akumulator, a energia elektryczna magazynowana jest w sieci. Polega to na tym, że nadwyżkę energii elektrycznej odprowadzamy do sieci elektroenergetycznej, skąd trafia do najbliższych nam budynków, zasilając sąsiadów. Potem, gdy my potrzebujemy skorzystać z prądu, na przykład w zimową noc, pobieramy go z sieci, nie płacąc za to. W chwili obecnej instalacje na budynkach mieszkalnych bilansowane są w ten sposób, że możemy bezpłatnie odebrać 80% energii, którą wysłaliśmy do sieci.
Sprawność przechowywania energii elektrycznej w ten sposób wynosi zatem 80%. Jest to poziom nieco lepszy niż sprawność akumulatorów kwasowo-ołowiowych. Zresztą jak na wszystkie metody magazynowania energii elektrycznej jest to wynik dość dobry.
I tu wjeżdża wodór…
Sama sprawność produkcji wodoru w procesie elektrolizy jest już bardzo niska, bo może sięgać np. poziomu 40-65% [1]. A to dopiero początek, bo problemów jest więcej.
Olbrzymim kłopotem jest przechowywanie wodoru. Ze względu na bardzo niską gęstość tego paliwa należy je sprężać do bardzo wysokich ciśnień, aby móc przechować sensowną jego ilość. Ale i nawet przy ciśnieniu ok. 300 barów gęstość objętościowa energii, którą możemy przechować, jest dziesięciokrotnie niższa, niż w przypadku benzyny! Ma to niebagatelne znaczenie w przypadku pojazdów na wodór.
W stanie skroplonym jest to również bardzo trudne, bowiem trzeba utrzymać temperaturę -250°C, co wymaga sporego nakładu energii. Innym rozwiązaniem jest przechowywanie wodoru w materiałach stałych, tj. w porowatej strukturze wiążącej wodór na drodze absorpcji.
Tak, czy siak, jest to nietrywialne.
Kolejna rzecz, to jego zamiana na powrót w energię mechaniczną albo od razu elektryczną. Tu drogi są dwie.
Na pierwszy rzut oka prostszą może się wydawać jego spalenie w zwykłym silniku spalinowym. Niby nic trudnego, ale ze względu na liczbę oktanową (70) są niemałe problemy ze spalaniem detonacyjnym [2]. Co więcej, sprawność takiego silnika jest żenująco niska i spalanie wodoru spowoduje stratę dużej części energii, którą możemy co najwyżej wykorzystać pod postacią ciepła.
Z drugiej strony do dyspozycji mamy ogniwa paliwowe, ale o nich jest osobny materiał tu w serwisie, więc nie będę tego zagadnienia rozwijał.
Podsumowując: wodór niby jest paliwem przyszłości, ale jak napisałem w 2008 roku, że nie do końca, tak do dzisiaj zdania nie zmienię.
A w małej, przydomowej instalacji, to prąd można efektywnie przechowywać w akumulatorach — kwasowo-ołowiowych lub litowo-jonowych. Wodór raczej proponowałbym wybić sobie z głowy. 🙂
Źródła:
[1] J. Kotowicz, M. Jurczyk, D. Węcel: „Analiza działania generatora wodoru pracującego w środowisku alkalicznym”, „Rynek Energii” 3/2019.
[2] J. Deczyński, B. Żółtowski: „Wodór jako paliwo alternatywne do zasilania silników ze spalaniem wewnętrznym”
Z wodorem jest więcej problemów.
Patrz : https://pl.m.wikipedia.org/wiki/Krucho%C5%9B%C4%87_wodorowa
Śrubunek który się temu oprze musi spełniać specjalne normy. To samo z silnikami . Użycie specjalnych stopów to zwiększenie uzycia chromu, niklu, indu – a tych jest globalny deficyt już teraz.
Baterie niklowo-kadmowe lub niklowo-żelazowe są świetne do stacjonarnego magazynowania energii i tak proste konstrukcyjnie że robiono je chałupniczo w Polsce za czasów komuny a nawet przed na potrzeby górnictwa. Problemem jest cena niklu.
Od czasów wojny nawet stal stopowa jest niesamowicie droga, a z racji gdzie i w jakich warunkach (prawa człowieka) nikel jest wydobywany (patrz np. Norilsk) wątpliwe jest że coś się zmieni, zwłaszcza że kwasówka jest priorytetowo potrzebna w przemyśle chemicznym i przetwórstwie żywności .
Sam wodór da się łatwo produkować przez pyrolizę, tzn rozkład pary wodnej w temp powyżej 800C, czyli np. w elektrowniach słonecznych koncentracyjnych. Są też reaktory jądrowe produkujące bezpośrednio wodór. Problem jednak jest w magazynowaniu, przesyle, użyciu.
Kolejne pytanie to po co nam tyle energii elektrycznej – ludzkości brakuje wody i przestrzeni a nie energii, zwłaszcza elektrycznej. Spojrz na mapę satelitarną świata w nocy – ciemno jest tylko w Korei północnej. Gdyby problemem ludzkości była energia, to już by ją oszczędzano – nie oswietlano z pieniędzy publicznych pustych ulic, boisk, budynków. Przygaszenie ulicy do 80% da się załatwić jedną wizytą w stacji transformatorowej, kazde trafo ma odczepy do regulacji +-20%.
Brak energii to mit . Co roku wszystkie sprzęty agd, oświetlenie – zalicza nowy poziom . sprzęty A+ stoją rzędami na śmietnikach, także w Polsce.
Nie znam rozsądnej osoby w Polsce, narzekającej na rachunek za prąd.
W przemyśle jest podobnie – gdy rachunek jest zbyt wysoki, zwykle modyfikuje się proces. We wszystkich fabrykach w których pracowałem prądem nie przejmował się nikt – maszyny chodziły non stop, nawet w przerwach, ogrzewanie na prąd, oszczędności tylko na największych procesach, ale i to w budżecie zwykle było kroplą .
Może czas zająć się prawdziwymi problemami jak np. przeludnienie ?
Jest jeszcze inny ciekawy sposób na składowanie nadmiaru energii elektrycznej – skraplanie gazów technicznychjak np. metan, azot, tlen.
Od niedawna dostepne są niewielkie chłodziarki cryo jak np takie coś : https://youtu.be/7PWESWqhD8s
skroplony metan ma bardzo wysokie ciśnienie par, można więc nim nabijać auta CNG .
ciekły azot i tlen można zwyczajnie sprzedawać , popyt jest.
Sprawność skraplania jest niska, ale i koszty inwestycji niskie, co daje prosty i tani sposób na magazynowanie oraz transport energii.
Energię można też odzyskać przez wykorzystanie ciśnienia generowanego przy wrzeniu metanu czy azotu – patrz https://en.m.wikipedia.org/wiki/Cryogenic_energy_storage
Nie trzeba też mieć stali stopowych czy innych egzotycznych materiałów.
Dziwi mnie takie stanowcze nie dla wodoru.
Przecież głównym powodem do szukania nośników energii jest to , ze w niedalekiej przyszłości zabraknie paliw kopalnych a cały transport i większość maszyn
Fotowoltaika nie ruszy z miejsca.