4 / 2001 - strona startowa

PERSPEKTYWY ENERGETYKI:
Słońce, hydraty, wodór

Mirosław Dakowski

Ważne sprawy widać lepiej z daleka. Spójrzmy na energetykę gatunku Homo sapiens sapiens na przełomie tysiącleci z perspektywy mieszkańca Alfa Centauri. Perspektywa Marsjanina jest za bliska, jest spojrzeniem z naszych opłotków. Inaczej: Proponuję horyzont czasowy jednego wieku, z perspektywą na następne stulecia, nie zaś horyzont 10-ciu czy nawet 25-ciu lat.

Jakościowo ciekawe i pouczające jest spojrzenie na energetykę ludzkości w horyzoncie plus minus pięć tysięcy lat od chwili obecnej (Fig.1). W Grupie Poszanowania Energii przeanalizowaliśmy zużycie energii kopalnych (węgiel, gaz, ropa) w tym okresie. Okazało się, że HWHM krzywej (half width at half maximum, połówkowa szerokość na połowie wysokości) od strony przeszłości wynosi ok. 150 lat. Ludzkość dopiero od jednego czy dwóch wieków czerpie z zasobów nagromadzonych przez ok. 100 milionów lat.

Z drugiej strony krzywej, ze strony najbliższej przyszłości, ze względu na ograniczoność zasobów planety, w najbliższych dwóch stuleciach musi nastąpić radykalne ograniczenie zużycia energii kopalnych.

Może to nastąpić tylko na dwa sposoby: niecywilizowany lub cywilizowany.

Przykładem realizacji scenariusza niecywilizowanego są wojny o źródła energii i o drogi ich transportu:

• Wojna arabsko-izraelska 1973 i jej skutek: zaplanowany pół roku wcześniej w Bilderberg Group (spotkanie w marcu 1973 w Szwecji) czterokrotny wzrost cen węglowodorów [1a].
• Obalenie szacha Iranu 1979, udział "służb" francuskich w intronizacji ajatollaha Chomeiniego, a w wyniku następny "szok cenowy" ropy.
• Wojna iracko-irańska w latach 80-tych, kolejny spadek podaży węglowodorów.
• "Wojna w Zatoce", pierwsza "telewizyjna i zakła-mana wojna" 1990,
• Rzeź Czeczenii i Czeczenów przez Rosję (trwa,chodzi o kontrolę rurociągów z Kazachstanu w kierunku UE).
• Rozbicie Jugosławii, podsycanie nienawiści i rzezi w Bośni, Kosowie i Albanii (trasy najwygodniejszych gazociągów z Morza Czarnego do UE, również przemyt narkotyków).
• Jątrzenie i tępienie Kurdów w czterech państwach [walka o kontrolę trasy Tengiz - Azeri - Bosfor (?!), może Ceyhan? - Morze őródziemne]. Materiał na tanich terrorystów.

Znany energoanalityk powiedział niedawno, że jeśli najtańszą trasą rurociągów z Azji do Europy okazałaby się np. trasa porty Rumunii - Węgry - Austria, to natychmiast pojawi się "Patriotyczny Front Wyzwolenia Siedmiogrodu", lub "PFW Macedonii".

Przejdźmy do analizy wariantu cywilizowanego: Możliwe jest radykalne zmniejszenie (3-4 razy w Polsce) energochłonności gospodarki. O tym problemie pisaliśmy konkretnie oddzielnie - i raczej bezskutecznie. Możliwe też jest wykorzystanie energii termojądrowej. Mamy wspaniały, niezawodny reaktor termojądrowy: Słońce. Tam zachodzą reakcje przemiany czterech protonów w jądro helu (czyli cząstkę alfa). Reaktor na Słońcu pracuje bezawaryjnie od pięciu miliardów lat, bez strajków czy przestojów na załadowanie paliwa, remonty i modernizacje. Powstające odpady są (w sposób doskonały i inżyniersko elegancki) zagospodarowywane wewnątrz instalacji. Poważne oceny przyszłego czasu pracy tego reaktora wskazują na jeszcze ok. 100 miliardów lat.

Tę energię możemy wykorzystywać. Porównanie potencjału wszystkich kopalnych nośników energii z energią dochodzącą rocznie na Ziemię ze Słońca wykazuje, że ta ostatnia jest niewspółmiernie większa. Ta ilość energii słonecznej jest też kilkadziesiąt tysięcy razy większa, niż światowe zużycie energii. Technologie potrzebne do jej wykorzystania już istnieją. Mamy realną szansą wykorzystać ją tu i teraz, z możliwością zaspokojenia rosnących potrzeb naszego gatunku na tysiąclecia.

W tej perspektywie nie wygląda poważnie kruszenie kopii o technologie oparte o reaktory rozszczepieniowe, w dodatku budowanie ich, niestety na naszej planecie.

Technologie wykorzystania zasobów słonecznej energii termojądrowej są nam dane (fotosynteza, fotowoltaika), a tanie sposoby ich wykorzystania już poznane (np. "bio-solids, bio-liquids, bio-gas"). Wskazuje to na możliwość, by połowa krzywej z rys. 1 dotycząca przyszłości wykorzystania energii kopalnych też miała HMHW ok. 150-200 lat, a gospodarka planety rozwijała się harmonijnie. Spośród naftowych "Seven Sisters" taką perspektywę poważnie bada np. Shell [1b].

Część pracy analizującą bardziej szczegółowo te perspektywy podzielę na rozdziały:

• Hydraty metanu jako przejściowe źródło energii między "erą kopalnych" i "erą odnawialnych", oraz jako wygodny sposób transportu energii.
• Wodór jako nośnik energii słonecznej a także wygodny środek transportu.

A. HYDRATY
Co to są hydraty.

Hydraty, zwane często wodzianami, należą do związków chemicznych, w których cząsteczki składowe łączą się przy pomocy sił elektrostatycznych łatwiej polaryzowalnych molekuł. Powstanie i stabilność hydratów spowodowana jest dużym momentem dipolowym cząsteczki wody, umożliwiającym powyższe wiązanie.

Węglowodory lekkie (metan, etan, propan...) dość łatwo elektrostatycznie "przyklejają" spolaryzowane dipolowo cząsteczki wody. Powstające w ten sposób hydraty mają konsystencję "mazi" lub, przy niższych temperaturach i większych ciśnieniach, krystalizują do postaci stałej ("płonący lód"). Hydraty metanu zawierają ilości gazu będące odpowiednikiem 180-200 objętości gazu swobodnego w warunkach normalnych. Powstawanie i rozkład hydratów węglowodorów określane jest w technice jako "proces dość kapryśny". Za tym eufemizmem stoi przyznanie się, że dotąd nie dość systematycznie badano własności hydratów, jak i warunki ich powstawania, magazynowania i rozkładu.

Technicy najczęściej spotykają się ze zjawiskiem hydratyzacji węglowodorów przy wydobyciu, oczyszczaniu, sprężaniu i transporcie gazu ziemnego ("naturalnego"). Ponieważ jednak w znanych złożach gazu ziemnego metan stanowi od 67% (Libia) do 99.5% (Alaska), najczęściej w naszych rozważaniach chodzić będzie o hydraty metanu. Jedynie w złożach libijskich etan stanowi aż 20% masy gazu naturalnego.

Doświadczenia arktyczne - utrudnienia w eksploatacji rurociągów.

Hydraty znane były dotąd głównie z pól wydobycia gazu ziemnego na Alasce, w delcie rzeki Mackenzie (Kanada), na północy Syberii i w Azji Centralnej. Marznąca woda łączy się z wydobywanym gazem - i hydraty oblepiają światło rur wydobywczych, powodują zwiększenie oporów na przepompowniach, lub - w przypadkach skrajniejszych - powodują awarie i wybuchy.

Aby zaradzić podobnym kłopotom, rozwinięto technologie wstępnego usuwania wody, a także kontrolowanego podgrzewania miejsc zagrożonych hydratyzacją i usuwania wody dehydratyzacyjnej. Firmy rosyjskie i amerykańskie przedsięwzięły wielkie wysiłki w celu zapobiegania powstawaniu hydratów w rurociągach i związanych z nimi urządzeniach technologicznych. Tam też, w warunkach Arktyki, nauczono się robić sojusznika z "podstępnego wroga". Prowadzone są prace nad rurociągowym transportem gazu w postaci hydratów. Podobne próby przeprowadzane są też w Kazachstanie, tu transport następuje na odległość 150 km. Wnikliwe badania nad własnościami i lokalizacją złóż tych związków, oraz zmiana podejścia zainteresowanych firm mogą z tego "wroga" uczynić główne źródło energii dla okresu przejściowego między użytkowaniem kopalnych nośników energii a erą energii odnawialnych.

Ocena ilości i rozmieszczenia hydratów.

Na polach wydobywczych Arktyki stwierdzono, że pod skorupą wiecznej zmarzliny gaz przesączający się z głębszych warstw gazonośnych, w warunkach dużych ciśnień i niskich temperatur, tworzy z wodą obecną w szczelinach skał hydraty. Te złoża często mają miąższość kilkuset metrów.

Innym źródłem hydratów w naturze jest metan biogenny, powstający np. przy rozkładzie biomasy w bagnach i tundrach, czy przy podobnych reakcjach dla dennych osadów mórz i oceanów. Już w latach 60-tych geologowie zwracali uwagę na ogromne ilości hydratów nagromadzonych w tundrach i tajgach Syberii, Alaski oraz Kanady (pod warstwami wiecznej zmarzliny), a także pod powierzchniami litoralu morskiego. Najwcześniejsze prace badawcze i poszukiwawcze robiono w Rosji. Jedną z najważniejszych, pionierskich książek z tej dziedziny, mianowicie "Hydraty gazu naturalnego" J. Makogona przetłumaczył z rosyjskiego na angielski prof. W. Cieślewicz (Colorado School of Mines) już w 1978r. Tematyka ta wzbudziła ogromne zainteresowanie w amerykańskim "US Department of Energy", szczególnie w ich "Morgentown Energy and Technology Center" (DOE-METC). Właśnie dla nich prowadzi ogromne prace badawcze i poszukiwawcze firma Geoexplorers International, której duszą i właścicielem jest od ćwierćwiecza Polak, dr Jan Krasoń.

Poniżej omówię ilościową ocenę zasobów hydratów gazu oraz złóż gazu pułapkowanych pod geologicznymi warstwami hydratów. Specjaliści z "Geoexplorers" w roku 1994 badali na zlecenie DOE kilkanaście makroobszarów naszej planety [1]. Od tego czasu wielkie firmy amerykańskie, niemieckie i rosyjskie (Gazprom), czy japońskie związane z JNOC (Japan National Oil Center), poczyniły ogromne postępy. O ostrości konkurencji świadczy fakt, iż w "Świecie Nauki" (Scientific American) z lutego 2000r niemiecki artykuł o "Płonącym lodzie" [2] w ogóle nie wspomina o innych, niż niemieckie, wynikach. Jak sądzę, Autorzy [2] przypuszczają, że wyniki innych badaczy są mało znane czytelnikom - energetykom.

Mapa (p. okładka) ukazuje zbadane obszary występowania hydratów [3]. Obszary nad rzeką Messojach (płn. Syberia) są to ogromne pola gazonośne znane nam jako złoża "Jamburg" oraz "Urengoj". W ostatnich latach udokumentowano tam wielkie zasoby hydratów pod powłoką zmarzliny, a także biohydratów w warstwach dennych ujść Obi i w Zatoce Obskiej (między półwyspami Gydanskim i Jamał). Ogromne nadzieje wiąże się też z obszarami leżącymi dalej na północ, a mianowicie z ujściem Jenisieju i jego Zatoką (m.inn. Wyspa Sibiriakowa).

Badania i poszukiwania przeprowadzone przez "Geo-explorers" obejmują ok. 10% linii brzegowej (litoral) kontynentów. Wyrywkowe badania pozostałych, niezbadanych jeszcze bezpośrednio (choć badanych przez inne firmy) stref możliwej koncentracji hydratów wskazują, że światowy potencjał gazu naturalnego zawarty w pokładach hydratów dla całej planety wynosi między 7 tys. a 50 tys. tcf, tj. od 2*1014 do 1.5*1016 m3. Ogrom tej ostatniej liczby może nam uzmysłowić porównanie, iż gdyby uwolniono taką ilość gazu, to przy grubości warstwy 1 km, mogłaby ona tworzyć koło o promieniu 2200 km. Nie dziwi zatem, że potęgi ekonomiczne i polityczne przywiązują wielką wagę do badań i odkryć zasobów hydratów, a także do powstania odpowiednich technologii w tej dziedzinie.

Zasoby węgla związanego na Ziemi w różnych postaciach obrazuje wykres 3 wzięty poprzez [3] z [8]. Artykuły Krasonia [4,5] są sprawozdaniami z wielkiej konferencji zorganizowanej w 1998r. przez Japan National Oil Center (JNOC): International Symposium on Methane Hydrates, Resources in the Near Future? [6]. Miała ona miejsce na skutek rekomendacji japońskiej Rady Naftowej, która jest organem doradczym Ministry of International Trade and Industry (MITI).

Jednym z najciekawszych wyników były dane uzyskane przez wspólny projekt kanadyjsko-japoński realizowany w delcie rzeki Mackenzie (Terytoria Płn.-Zachodnie, Kanada). Odwiert Mallik był badany wieloma uzupełniającymi się metodami geochemii, geofizyki i petrochemii. Dzięki wielostronności badań, udokumentowano dużą gęstość hydratów na głębokości 900-1100m. Przedstawiano wyniki poszukiwań w Rowie Nankai, znajdującym się jedynie o 50 km. od przemysłowego pasa wyspy Kiusiu, który jest największym użytkownikiem gazu w Japonii. Popierany przez MITI "Nankai Trough Project" rozpocznie wiercenia dla poszukiwań hydratów gazu jeszcze w 1999r. (Yoshihiri Tsui, w [6]). Wg. badaczy japońskich Rów Nankai (przy wyspie Shikoku) zawiera 2.7*1012 m3 w postaci hydratów oraz 1.6*1012 m3 w postaci wolnego gazu. Razem przeszło 4 tys. miliardów m3.

O ogromnych udokumentowanych ilościach hydratów pod dnem Morza Kaspijskiego donosi dwujęzyczne (angielski i rosyjski) czasopismo "Georgian Transport System". Artykuł "The regal gift from Shah Deniz" [7] opisuje pole podmorskie Shah Deniz (leżące na płd.-wschód od Baku) badane i eksploatowane przez BP Exploration. Zasoby tego pola w postaci gazu oraz hydratów zostały ocenione na przeszło 700 mld m3. Pierwsze miliony m3 gazu dziennie są już wydobywane. A jest to jedno z wielu pól na Morzu Kaspijskim. Udokumentowane są ogromne zasoby na dnie Morza Czarnego, intensywne poszukiwania od paru lat prowadzą tam Ukraińcy.

Sposoby eksploatacji.

Fakt, że hydraty są związkami słabo związanymi, narzuca technologie ich otrzymywania do celów tańszego transportu, oraz, równocześnie, technologie ekstrakcji wolnego gazu ze złóż hydratów. Warunki stabilności hydratów ukazuje schematycznie fig.2. Rozważane są (i testowane) technologie przenoszenia hydratów z obszarów ich stabilności chemicznej (t.j. w uproszczeniu, z obszarów naturalnych wysokich ciśnień i niskiej temperatury) na powierzchnię. Tam zmiana tych parametrów powoduje uwolnienie gazu lotnego. Innym z rozważanych sposobów dehydratyzacji jest podgrzanie naturalnych zbiorników hydratów (np. injekcja gorącej pary wodnej). Jeszcze efektywniej można uzyskać dehydratyzację przez wstrzyknięcie związków zastępujących wodę do pokładów surowych hydratów, co powoduje uwalnianie węglowodorów do postaci lotnej i umożliwia ich ekstrakcję. Poglądowo ukazuje te techniki fig.3 wzięta z [3] w oparciu o [9]. Szczegóły tych technologii są obecnie zazdrośnie strzeżone przez firmy, głównie amerykańskie i japońskie, a także rosyjski Gazprom. Ten ostatni usiłuje walczyć tak z przeciekami w rurociągach, jak i przeciekami informacji technologicznych. Hydraty jako konkurencyjny sposób transportu gazu.

Jednym ze sposobów transportu gazu w postaci hydratów są rurociągi. Wymaga to rozwinięcia trochę odmiennej technologii w porównaniu do rurociągów ropy czy gazu. Inną z możliwości jest hydratyzacja gazu do postaci najbardziej skondensowanej (t.j minimalna ilość cząsteczek wody wokół CH4) - i przesyłanie transportem morskim na duże odległości. Obecnie transport gazu do Europy w postaci LNG jest już konkurencyjny cenowo w porównaniu do gazu otrzymywanego z rurociągów dalekiego zasięgu (p. np. [10]). Przyczyna jest prosta - nastąpiło "przywiązanie" cen wszystkich innych nośników do cen ropy [11]. Jednocześnie zaczęto poważnie liczyć wszelkie koszty transportu rurociągowego (również zaspokajanie żądań właścicieli gruntów oraz godziwe opłaty tranzytowe dla państw, przez które przechodzi rurociąg, nie zaś jedynie dla podstawionych firm).

Transport hydratowy może być tańszy. Hydraty można transportować nie w temperaturze -160 oC (jak LNG), lecz tuż poniżej zera oC. Obniża to w sposób zasadniczy cenę statku. Transport w postaci hydratów zmniejsza też ew. niebezpieczeństwo wybuchu czy zamachu terrorystycznego na statek. Nie da się bowiem zrobić efektownej katastrofy (ani "news for TV"), a planistom terroru chodzi o jego spektakularność.

Jak ocenia Krasoń [5], koszt transportu gazu statkami przy użyciu hydratów na standartowych trasach byłby o 24 - 30 % niższy od przewozu LNG. Szczególnie w Polsce warto przyjrzeć się tej sprawie bliżej. Jak dotąd sprawa hydratów była przez lata w PGNiG tematem tabu. Czemu? A np. dr Krasoń proponował cykl nieodpłatnych konferencji dla fachowców w jego Ojczyźnie.

Wnioski: Prace Sympozjum w Japonii [6] i ogólniej - prace geologów, geochemików, geofizyków i gazowników n/t hydratów metanu wykazują jedną z głównych przyczyn powolnego rozwoju wiedzy o hydratach: Konieczne są wspólne prace wielo- i międzydyscyplinarne (w głębokim znaczeniu tych określeń). Ludzie o umysłach syntetycznych, zdolni do podjęcia takich zadań, z trudem przebijają się przez tłum osób nastawionych głównie na szybki zysk. Już obecnie metodyki wykrywania i pomiaru koncentracji hydratów gazu ułatwiają poszukiwania i oceny zasobów pól gazonośnych.

W najbliższej przyszłości okaże się, czy transport gazu naturalnego w postaci hydratów będzie konkurencyjny w stosunku do transportu rurociągowego lub prowadzonego przy pomocy statków LNG. W niedalekiej przyszłości zaś możliwe będzie precyzyjniejsze określenie zasobów hydratów, miejsc ich występowania i najtańszych, a zarazem najbezpieczniejszych sposobów pozyskiwania z nich gazu.

B. ENERGETYKA WODOROWA

Ogromne zasoby energii Słońca dostępne na Ziemi najłatwiej będzie pozyskiwać, transportować, magazynować i używać w postaci wodoru. Jest to niezwykle elastyczny i wygodny nośnik energii. Technologie jego wykorzystania rozwinęły się głównie dzięki programom kosmicznym. Poniżej wykorzystuję pracę magisterską mej studentki Teresy Władyczuk [12].

Obecnie wodór jest zużywany do syntezy amoniaku, produkcji nawozów azotowych, metanolu, kauczuku syntetycznego, smarów, odsiarczania ropy naftowej itd. Trwają badania pozyskiwania wodoru na szeroką skalę i jak najtańszym kosztem, w celu wykorzystania energetycznego. Jako dobry nośnik energetyczny, wodór spełnia szereg istotnych wymogów gospodarki światowej.

• Powszechna dostępność i nieograniczone zasoby.
• Możliwość masowego i taniego przesyłu energii. Transport gazowego wodoru rurociągami na duże odległości jest technicznie opanowany i jest 4-5 razy tańszy od przesyłu energii elektrycznej [13]. Możliwy jest również transport zasobników ze skroplonym wodorem, zwłaszcza do miejsc, gdzie nie opłaca się budować rurociągów.
• Możliwość okresowego magazynowania w celu wyrównania zmiennego w czasie zapotrzebowania na energię.
• Własności wodoru zapewniają łatwą zmianę formy (nośnika) energii. Opanowane są różne metody przetwarzania energii chemicznej wodoru w inne postacie energii.
• Niewielka szkodliwość dla środowiska, zwłaszcza w zakresie emisji CO2, NOX, SO2 i tym podobnych substancji zanieczyszczających. Produktem spalania wodoru jest przecież woda.

Tablica 1.

Porównanie wartości opałowych.

Podstawowe własności wodoru jako nośnika energii zebrane są w Tablicach 1 i 2. Ominę opis konwencjonalnych metod otrzymywania wodoru z paliw kopalnych (por. Tab. 3).

Tablica 2.

Gęstość energii wodoru.

Tablica 3.

Porównanie kosztów produkcji wodoru.

Jedną z ciekawszych propozycji uzyskiwania wodoru [14] jest użycie do tego celu biomasy, bezpośredniego produktu energii Słońca. Oto etapy:

1. Gazyfikacja biomasy, która polega na reakcjach związków organicznych o sumarycznym wzorze CH 1,37O0,6 z parą wodną:
   CH 1,37O0,6 + H2O(g) + ciepło -> CO, H2, CH4, H2O.
2. Parowy reforming metanu:
   CH4 + H2O(g) + ciepło -> CO + 3H2
   Głównym produktem jest wodór i małe ilości CO.
3. Przemiana gazu wodnego:
   CO + H2O(g) -> CO2 + H2
4. Ostatni krok powyższych przemian polega na rozdzieleniu CO2 i H2.

Mieszanina gazów jest oczyszczana za pomocą nagłych zmian ciśnienia. Prowadzi to do otrzymania wodoru wysokiej czystości. Ogólnie proces można zapisać następująco:

CH 1,37O0,6 + H2O(g) + ciepło ¨ CO2 + H2

Sumaryczna sprawność energetyczna procesu wynosi ok. 75%. Koszt uzyskania wodoru przy użyciu tej metody jest na razie o kilkanaście procent wyższy, niż z węgla kamiennego.

Wodór ze Słońca.

Już w latach 80-tych zwrócono uwagę na tzw. HYSOLAR (wodór pozyskiwany przy użyciu promieniowania słonecznego) [15]. Projekt dotyczący niemieckiej Baden Württemberg i Arabii Saudyjskiej. Wykonawcą jest zespół INSOLAR w Niemieckim Instytucie Prób i Badań dla Lotnictwa i Kosmonautyki w Stuttgarcie. Współtwórcą projektu dla strony saudyjskiej jest SANCST tj. Saudyjsko-arabskie Narodowe Centrum Wiedzy i Technologii. Na realizację projektu potrzeba 55 mln. DM. Plan dotyczy budowy trzech fotowoltaicznych instalacji do procesu elektrolizy wody. Największa o mocy 100 kW ma być zainstalowana w Arabii Saudyjskiej. Druga z instalacji o mocy 10 kW będzie stała w Stuttgarcie. Szersze znaczenie może mieć wytwarzanie "słonecznego" wodoru fotolitycznie i fotokatalitycznie. Jest to ważny krok w kierunku wytwarzania wodoru na dużą skalę z wykorzystaniem promieniowania słonecznego. Ogromne znaczenie ma fakt, iż w to przedsięwzięcie zaangażowały się dwa kraje, z których jeden to kraj przemysłowy leżący w Europie (ubogi w energię słoneczną), a drugi, to jeden z najbogatszych w ropę, ale również energię słoneczną, kraj świata.

Istnieje projekt zbudowania na płaskowyżu Tinrhert w Algerii ogromnej słonecznej instalacji do produkcji wodoru, dla potrzeb gospodarki niemieckiej [15]. Na powierzchni około 2500 km2 ma zostać wybudowana elektrownia słoneczna. Pozyskiwany z niej prąd elektryczny umożliwiałby wyprodukowanie wodoru (elektroliza). Wodór byłby przesyłany do Niemiec rurociągiem o średnicy 2 m i długości 3300 km (w tym 200 km pod morzem). Maksymalna prędkość przesyłu to 7,6*106 m3 H2/h czyli 13 PJ/h. Całkowite koszty inwestycyjne wahają się w granicach 20 mld. DM. Transport energii elektrycznej na odległość paru tysięcy kilometrów byłby kilkakrotnie droższy.

W jednym z wariantów (por. fig.5.) ma być zbudowana instalacja PV złożona z ok. miliarda modułów, w innym instalacja zbudowana z wież słonecznych zawierających łącznie 2,7*106 heliostatów (zwierciadeł odbijających promienie Słońca zawsze w tym samym kierunku). Instalacja, pracując 3620h w ciągu roku, wytwarzać ma 63 tys. GWh energii elektrycznej. Przykład trzeci dotyczy instalacji składającej się z 1*106 luster parabolicznych. W tym wypadku roczna produkcja energii to 60 tys. GWh przy 2315 h pracy w ciągu roku. Koszty instalacji, uwzględniające wydajność tych urządzeń, są największe dla ogniw fotowoltaicznych oraz najmniejsze dla luster parabolicznych.

Na powierzchni globu ziemskiego istnieją obszary pustynne o powierzchni około 600 tys. km2 o bardzo dobrych warunkach do przetwarzania promieniowania słonecznego na inne nośniki energii. Jest to głównie Sahara (więcej niż 2300 kWh/m2/a) i Arabia Saudyjska (około 1300 tys. km2 o warunkach ponad 2000 kWh/m2/a). Łącznie obszary te mogą dostarczać rocznie około 3,8*1013 m3 wodoru, czyli 64 tys. EJ/a. Są to liczby ogromne.

Poważnie badana jest zamiana energii słonecznej w piecach słonecznych o mocy 1000 kW (o lustrach parabolicznych) na ciepło (do ok.4000°C) i wykorzystanie go do termicznego rozkładu wody (termoliza-2500°C). Obiecująco wygląda metoda Hotelly, polegająca na elektrolizie pary wodnej w temp. 900°C. Bada się też wykorzystanie bakterii do beztlenowego rozkładu biomasy. Na przeszkodzie nie stoją więc trudności technologiczne, lecz "decyzje polityczne" ograniczające racjonalne myślenie.

Zastosowanie wodoru i wodorków.

Wodór jako paliwo w pojazdach może być stosowany w postaci gazowej (pod ciśnieniem), ciekłej lub wodorków metali. Wodorek nadający się do akumulacji wodoru musi spełniać szereg warunków:

• duża koncentracja wodoru
• niska temp. rozpadu ( < 100 °C )
• duża szybkość absorpcji i desorpcji wodoru
• mała gęstość, gdy ma być stosowany w transporcie
• odporność na tlen i wilgoć
• niedrogi

Wodorki są związkami nietrwałymi i przy odpowiedniej zmianie parametrów (ciśnienia i temperatury) ulegają dysocjacji oddając wodór w postaci gazowej [16]. Mogą być długo przechowywane w temperaturze otoczenia. W celu odzyskania wodoru należy ogrzać zbiornik z wodorkiem. W pojazdach ciepło dysocjacji wodorku może być pokrywane przez ciepło spalin lub wody chłodzącej silnik. Rozpatruje się wodorki wieloskładnikowe, gdyż dwu-składnikowe nie spełniają wszystkich wymogów jednocześnie, bo np.: FeTi - jest najtańszy, lecz absorpcja wodoru zachodzi w wysokiej temp. i pod stosunkowo wysokim ciśnieniem gazowego wodoru, zaś LaNi5 - jest najdroższy, ma dużą gęstość, ale absorbuje wodór już w temp. pokojowej. Przy napędzie pojazdów lądowych wodór może być paliwem dla silników tłokowych, silników Stirlinga, turbin gazowych oraz ogniw paliwowych sprzężonych z silnikami elektrycznymi.

W konwencjonalnym silniku spalinowym już przy niewielkich przeróbkach można zastosować wodór jako paliwo.

Stosowane są obecnie dwa systemy zasilania wodorem silników spalinowych z wykorzystaniem wodorków metali. W pierwszym systemie stosuje się tylko jeden wodorek. W drugim natomiast wodorki nisko- i wysokotemperaturowe. Pierwszy został zrealizowany m.in. w mikrobusie firmy Billings, który był wyposażony w akumulator wodorowy z FeTi. Wodór był wydzielany przez nagrzewanie wodorku ciepłem gazów spalinowych. Samochody Mercedes-Benz 230E były napędzane silnikiem o pojemności 2,3 dm3. Zbiorniki zawierały wodorki TiFeH1,6 oraz MgNiH4. Jednorazowo mieścił się w nich odpowiednik objętości 41 m3 wodoru, co odpowiada 70 GJ energii lub 14 litrom benzyny. Zasięg samochodu bez uzupełniania paliwa wynosił 120 km. Na początku 2001r. firma BMW pokazała seryjne samochody napędzane wodorem gazowym. Silnik o mocy 280 kW pozwala na rozwinięcie prędkości 230 km/h, a zbiornik umożliwia przejechanie bez tankowania 350 km. Zastosowanie wodorowych ogniw paliwowych pozwoli na podwojenie sprawności silnika (sic!) i pomnożenie przez trzy jego zasięgu. Takie prototypy są w stadium jazd próbnych.

Wodór w postaci ciekłej nadaje się do wszystkich typów silników lotniczych. Zalety stosowania napędu wodorowego w samolotach to:

• nie powoduje korozji układu paliwowego ze względu na swoją niską temperaturę i czystość,
• wartość opałowa LH2 (ciekłego wodoru) na jedno-stkę masy jest 2,7 razy wyższa niż kerozyny.
• energia zapłonu wodoru jest ok. 15 razy mniejsza niż ciekłych węglowodorów. Wtryskiwanie małych ilości wodoru do konwencjonalnych silników lotniczych powoduje oszczędność 20% paliwa węglowodorowego. Wodór w tym wypadku można otrzymać katalitycznie z benzyny wprost na pokładzie samolotu.

Wadą stosowania LH2 w lotnictwie jest jego mała gęstość objętościowa w porównaniu z kerozyną (por.Tab.2). Przez to wartość opałowa wodoru na jednostkę objętości stanowi 25% wartości opałowej kerozyny. Poza tym w tem-peraturze ciekłego wodoru niektóre tworzywa metaliczne odznaczają się znaczną kruchością. Prowadzone w Niem-czech badania nad samolotem Airbus A-300 z napędem wodorowym wykazały, że kosztem zmniejszenia masy można zwiększyć zasięg lotu nawet o 65% lub zwiększyć masę użyteczną o 17%.

Sposoby magazynowania

Jedną z podstawowych metod przechowywania ciekłego H2 w bardzo niskiej temperaturze i w podwyższonym ciśnieniu, czyli tzw. kriowodoru, jest metoda wykorzystująca ciekły azot jako izolację. Utrata wodoru na skutek parowania z wielkich zbiorników jest mała, faktycznie wynosi mniej niż 0,1% na dzień. W zbiornikach o pojemności 2600 m3 z izolacją próżniową typu "naczynie Dewara", dobowe ubytki wynoszą zaledwie 0,01%. Ograniczenia przechowywania H2 w postaci ciekłej wynikają z wysokich kosztów zbiorników, a także kosztów energii zużywanej w celu skroplenia gazu (strata na ten cel to 20-25 % energii zawartej w gazowym H2). Technologia przechowywania ciekłego wodoru jest stosowana tylko wtedy, gdy wodór jest konieczny np. jako paliwo do rakiet. Do opanowania metod wytwarzania i magazynowania LH2 doprowadził szybki rozwój technik kosmicznych.

Przechowywanie wodoru w stanie gazowym

Tańszym rozwiązaniem jest przechowywanie gazowego H2 w podziemnych zbiornikach, które gwarantują większą pojemność. Przyszłościowe plany magazynowania gazowego wodoru dotyczą trzech następujących metod :

1. Magazynowanie w kawernach w złożach soli. Kawerny są obecnie wykorzystywane jako magazyny CH4 i innych produktów gazowych: etan, propan itp. Jama ma regularny kształt ze stożkowym sklepieniem. Taki kształt gwarantuje dobrą stabilność jamy, a jest on osiągany dzięki specjalnej technice wypłukiwania soli. Jamy mogą mieć 100 m wysokości i 40-60 m szerokości.
2. Przechowywanie wodoru w zbiornikach skalnych po wyeksploatowanym złożu ropy naftowej lub gazu ziemnego.
3. Zbiorniki ciśnieniowe z włókien. Ważnym krokiem w rozwoju technologii takich zbiorników ciśnieniowych jest sprawa gazoszczelności. Do uszczelniania stosuje się metaliczną wykładzinę. Natomiast mechaniczną wytrzymałość zbiornika gwarantują organiczne i nieorganiczne włókna, które są w stanie utrzymać wysokie ciśnienie przy nieznacznym ciężarze zbiornika. Rezultatem postępu w tej dziedzinie, jest nowa rodzina zbiorników o wielkiej wytrzymałości uzależnionej od materiału włóknistego, od techniki zwijania i przede wszystkim od pojemności zbiornika.

Magazynowanie wodoru w m-sferach.

Interesującym rozwiązaniem przechowywania wodoru w stanie gazowym pod ciśnieniem jest stosowanie szklanych wydrążonych kuleczek, tzw. m-sfer (Fig.6). Mają średnicę między 50-100 mm i grubość ścianek mniej niż 5 mm. Ponieważ przenikalność wodoru, szczególnie przez szkło kwarcowe jest bardzo mocno uzależniona od temperatury, kule można napełnić wodorem w określonej temp. i pod wysokim ciśnieniem. Przy odpowiednim nagrzewaniu wodór wydyfundowuje z m-sfery. Szkło jest bardzo lekkim i równocześnie trwałym materiałem, kule wytrzymują ciśnienia wewnętrzne rzędu 200 Atm. Dotychczasowe jakości kul nie są zadowalające. Wpływa na to tzw. korozja naprężeniowa, jakiej ulega szkło poddawane przez dłuższy czas wysokiemu ciśnieniu. Z tych powodów po pewnym czasie stosowania zawodzi większa część kul. Nie wiemy, czy ten sposób magazynowania H2 będzie w przyszłości odgrywał większe znaczenie. Wskazuje jednak na ogromne możliwości metod nietypowych.

Transport wodoru.

Sposoby transportu wodoru, stanowią poważne zagadnienie energetyki wodorowej . Podstawowe metody przesyłu wodoru to przewóz sprężonego gazu w zbiornikach ciśnieniowych, a ciekłego wodoru w izolowanych cieplnie zbiornikach. Rozważa się możliwość przesyłu H2 gazowego rurociągami. Jest to najlepsze rozwiązanie przesyłu i dystrybucji dużych ilości wodoru dla fabryk.

Tablica 4.

Jednostkowy koszt przesyłu różnych nośników energii w centach ameryk. na kWh i na odległość 160 km [17].

Dostosowanie rurociągów metanowych do przesyłu wodoru wiąże się z dwoma ważnymi zagadnieniami:

1. z technologicznego punktu widzenia, prace dotyczą modyfikacji lub wymiany pewnych elementów instalacji (zawory zamykające, zawory redukujące ciśnienie, szczelność spawów itp.),
2. z ekonomicznego punktu widzenia, pojemność sieci przesyłowej w przeliczeniu na energię ulega zmniejszeniu.

Jako ciekawy sposób transportu energii wodoru opiszę transport Fe3O4 i proszku żelaza (wg.[18]). W Kanadzie mamy tanią energie elektryczną, a więc i tani wodór. Transport ciekłego wodoru na duże odległości jest drogi (i podatny na ataki terrorystów). Prostym i bezpiecznym rozwiązaniem jest cykliczny proces redukcji tlenku żelaza (magnetytu). Proces wykorzystuje transport żelaza drogą morską z Kanady do Hamburga, a magnetytu z Hamburga do Kanady. W Kanadzie magnetyt jest redukowany wodorem w temperaturze 700°C.

Fe3O4 + 4H2 + energia ' 3Fe + 4H2O

Otrzymany proszek żelazowy płynie do Hamburga. W 1 kg tego proszku przywozimy z Kanady 1 kWh energii tzn. 3,6 MJ energii. W Hamburgu jest produkowany wodór metodą przepuszczania pary wodnej nad sproszkowanym żelazem:

3Fe + 4H2O(g) ' Fe3O4 + 4H2 + energia

Oprócz wodoru otrzymujemy magnetyt. Energia pochodząca z procesu utleniania może być użyta do produkcji pary wodnej o temperaturze 700°C i ponownie wykorzystana w procesach utleniania. Dzięki temu przemiany zachodzą bez katalizatora. Magnetyt znów jest przewożony statkiem do Kanady w celu zredukowania go do proszku żelazowego. Sześć kursów z Kanady zastąpiłoby 15 przesyłek z wodorem ciekłym. Te i podobne technologie czekają na -"decyzje polityczne".

Wiele scenariuszy (np. publikacje badaczy Stockholm Energy Institute, Boston [20]) ukazują możliwość zupełnego odejścia od energii rozszczepienia w ciągu ćwierćwiecza. Możliwe i konieczne jest zrezygnowanie z energetyki nośników kopalnych w ciągu obecnego wieku. Takie warunki brzegowe narzucone na badane modele dają stabilne (matematycznie: nieoscylacyjne) rozwiązania równań scenariuszy energetycznych.

Słońce jest stabilnym i dostatecznym źródłem energii dla ludzi. Wodór może być najwygodniejszym nośnikiem energii Słońca, a hydraty metanu - najlepszym naszym łącznikiem do tej epoki.

Literatura
1. J. Krasoń, Study of 21 marine basins indicates wide preva-lence of hydrates, Offshore, Aug.1994
1a. Dope, Inc., Schiller Institute, (EIR) 1986
1b. Shell Int'l Petroleum Comp., Sustained Growth Scenario, London, Aug. 1994
2. Płonący lód, Świat Nauki (Scientific American) luty 2000r
3. J. Krasoń, TABLICE: Geological environments favorable for formation and stability of Gas Hydrates, NET Lab., 2000
4. J. Krasoń, Methane hydrates impetus for reasearch and exploration, Offshore, March 1999, str. 76, nast.
5. J. Krasoń, Industry considers difficulty, cost of pursuing hydrates, Offshore, April 1999 str. 96, 162 nast.
6. International "Symposium on Methane Hydrates, Resources in the Near Future?" JNOC, Chiba, Japan, Oct. 20-22, 1998
7. Georgian Transport System, no1-2 1999, str. 28-31
8. K. A. Kvenvolden, Intern. Conf. on Natural Gas Hydrates,
Annals NY Acad. of Sciences, p. 715, 1994
9. T.S. Collet and V.A. Kuuskraa, Hydrates contain vast stores of world gas resources, OGJ, May 1998, p. 90-95
10. M. Dakowski, Geopolityczne uwarunkowania dywersyfikacji dostaw surowców energetycznych, I Sympozjum "LNG Poland,98", 24-26 czerwca 1998, Jastrzębia Góra
11. A. Avigdan et al., "Tam, gdzie rurociągiem za daleko: LNG", Nafta i Gaz Biznes, luty 1998, str. 72
12. T. Władyczuk, Energetyka wodorowa, praca magisterska, Akademia Podlaska, Siedlce, 1998
13. Veziroglu T. N., Smith D.: Słońce i wodór, niewyczerpalne źródła energii, 1993.
14. Ch Flavin, N. Lenssen, Beyond the Petroleum Age, Designing a Solar Economy , Wordwatch Paper 100, 1991
15. Winter C. J., Nitsch J.: Wasserstoff als Energieträger, Springer - Verlag 1986.
16. Staliński B., Terpiłowski J.: Wodór i wodorki, WNT Warszawa, 1987.
17. Aubrecht G. J.: Energy (second edition), Prentice Hall, 1995.
18. Yěrěm Y.: Hydrogen energy system: production and utylization
of hydrogen and future aspects, Kluwer Academic Publishers, 1995.
19. Schmidtchen U., Behrend E.: Auf dem Weg zur Wasserstoffenergie, Berlin 1997.
20. M. Lasarus et. al., Towards a Fossile Free Energy Future, Stockholm Institute Boston, 1993

1 tcf : skrót od "tryllion of cubic feet", czyli =1012 stóp sześciennych.
1 tcf=28 mld. m3

Prof. dr hab. Mirosław Dakowski