Z czego powstaje wodór i jak się go pozyskuje?

Wodór jest kluczowym nośnikiem energii przyszłości, jednak w przyrodzie nie występuje w stanie wolnym. Zawsze znajdujemy go w związkach chemicznych, takich jak woda czy węglowodory, co oznacza, że aby go pozyskać, musimy przeprowadzić odpowiednie procesy oddzielające ten pierwiastek od innych składników. Pozyskanie wodoru to złożony proces wykorzystujący różnorodne metody chemiczne, termiczne i elektryczne, które różnią się efektywnością oraz wpływem na środowisko.

Podstawowe źródła wodoru w przyrodzie i konieczność jego pozyskiwania

Wodór jest najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem we wszechświecie, lecz na Ziemi występuje wyłącznie jako część innych związków. Najpopularniejszymi z nich są woda (H2O) oraz węglowodory, takie jak metan. Z tego powodu samodzielne występowanie czystego wodoru w atmosferze jest praktycznie niemożliwe. Aby zdobyć użyteczny wodór, konieczne jest zastosowanie procesów rozdzielających molekuły, które go zawierają.

Wszystkie metody pozyskiwania wodoru wymagają dostarczenia energii, która pełni rolę katalizatora tych przemian. W ten sposób pierwiastek jest odzyskiwany z naturalnych źródeł, a jego produkcja staje się możliwa i opłacalna. Metody te różnią się jednak pod względem skali, technologii i wpływu na środowisko.

Reforming parowy metanu – dominująca technika przemysłowa

Najważniejszym sposobem produkcji wodoru na skalę przemysłową jest reforming parowy metanu. Polega on na reakcji metanu (CH4) z parą wodną w wysokiej temperaturze oraz w obecności katalizatora. W efekcie powstaje mieszanina wodoru oraz tlenku węgla (CO).

Proces nie kończy się na tym etapie – tlenek węgla następnie reaguje z parą wodną w reakcji przesunięcia wodnogazu, w wyniku czego powstaje dodatkowa ilość wodoru i dwutlenek węgla (CO2). To właśnie ta metoda odpowiada za większość globalnej produkcji wodoru, ze względu na efektywność i stosunkowo niskie koszty surowca, jakim jest metan.

Mimo efektywności, produkcja wodoru tą metodą wiąże się z emisją gazów cieplarnianych, co wymaga stosowania rozwiązań ograniczających negatywny wpływ na środowisko.

Zgazowanie węgla – klucz do produkcji wodoru w regionach bogatych w zasoby węgla

Drugą ważną metodą jest zgazowanie węgla. Polega ono na podgrzewaniu węgla do bardzo wysokich temperatur – około 900°C – w warunkach ograniczonego dostępu powietrza. Węgiel reaguje wtedy z parą wodną oraz niewielką ilością tlenu, tworząc tzw. syngaz, czyli mieszaninę tlenku węgla i wodoru.

Następnie syngaz jest oczyszczany, a wodór oddzielany od innych składników przy pomocy zaawansowanych technologii, takich jak adsorpcja zmiennociśnieniowa (PSA) czy membrany separacyjne. Zgazowanie węgla to metoda szczególnie popularna tam, gdzie zasoby tego paliwa są duże i tanie.

Ważnym elementem tego procesu jest technologia CCS (Carbon Capture and Storage), która pozwala przechwytywać dwutlenek węgla powstały podczas produkcji i magazynować go, znacznie redukując emisję gazów cieplarnianych.

Elektroliza wody – zielony wodór z odnawialnych źródeł energii

Najczystszą i najbardziej ekologiczną metodą pozyskiwania wodoru jest elektroliza wody. Proces ten polega na dostarczeniu energii elektrycznej, która rozkłada cząsteczki wody (H2O) na wodór (H2) oraz tlen (O2).

W przypadku tzw. zielonego wodoru energia pochodzi wyłącznie z odnawialnych źródeł energii, takich jak wiatr czy energia słoneczna. Dzięki temu produkcja wodoru jest praktycznie bezemisyjna i przyjazna dla środowiska naturalnego.

Pomimo korzyści ekologicznych, elektroliza wymaga znacznych ilości energii, co do tej pory ogranicza jej zastosowanie do specyficznych warunków oraz regionów z dostępem do tanich odnawialnych źródeł energii.

Inne metody pozyskiwania wodoru – procesy biologiczne i termiczne

Oprócz trzech głównych technologii istnieją także mniej rozpowszechnione metody produkcji wodoru. Wśród nich wymienia się procesy biologiczne oraz termiczne, które wykorzystują odmienne mechanizmy rozkładu związków chemicznych zawierających wodór.

Biologiczne techniki bazują na fenomenie fotosyntezy oraz aktywności mikroorganizmów, które pod wpływem światła oraz enzymów są w stanie rozkładać wodę i wytwarzać wodór. Jednak obecnie są to obszary o charakterze eksperymentalnym, wymagające dalszych badań i rozwinięcia technologicznego.

Procesy termiczne, takie jak dysocjacja termiczna, polegają na rozbiciu cząsteczek na mniejsze atomy przy użyciu wysokich temperatur i często katalizatorów. To podejście również ma potencjał, choć jego zastosowanie na skalę przemysłową jest ograniczone przez wysokie koszty i wyzwania technologiczne.

Znaczenie emisji CO2 i technologie ograniczające jego wpływ

Produkcja wodoru z paliw kopalnych, takich jak metan czy węgiel, wiąże się z emisją dwutlenku węgla do atmosfery, co niekorzystnie wpływa na bilans środowiskowy całego procesu. Aby ograniczyć negatywne skutki, rozwija się i stosuje technologie typu CCS (Carbon Capture and Storage).

Technologia ta umożliwia wychwycenie powstającego CO2 i jego bezpieczne magazynowanie pod ziemią lub w innych strukturach geologicznych. Implementacja CCS jest kluczowa dla zapewnienia zrównoważonego rozwoju i transformacji energetycznej, szczególnie w krajach i regionach intensywnie korzystających z paliw kopalnych.

Podsumowanie

Proces pozyskiwania wodoru jest niezbędny ze względu na fakt, iż nie występuje on naturalnie w stanie wolnym. Dominują trzy główne metody jego produkcji: reforming parowy metanu, elektroliza wody oraz zgazowanie węgla. Każda z nich ma swoje zalety i wady, szczególnie pod względem kosztów, skali i aspektów środowiskowych.

Zielony wodór pozyskiwany przez elektrolizę z energii odnawialnej stanowi przyszłość dekarbonizacji energetyki, choć wymaga znaczących inwestycji i rozwoju infrastruktury. W międzyczasie technologie ograniczające emisję CO2 podczas produkcji wodoru z paliw kopalnych są niezbędne, by sprostać wymaganiom ochrony środowiska i globalnym celom klimatycznym.