WODÓR - PALIWO PRZYSZŁOŚCI
Czesław KOLANEK
Wojciech WALKOWIAK
Instytut Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn POLITECHNIKI WROCŁAWSKIEJ
Kopalne nośniki energii napędzają światową gospodarkę. Wykorzystanie węgla, ropy, gazu ziemnego i uranu to jednak nic innego jak przetwarzanie i niszczenie zasobów naturalnych - katastrofalne w skutkach dla człowieka i środowiska. Nowa ekonomia stawia na energię słoneczną i odnawialne źródła energii jako podstawę przyszłościowego modelu cywilizacji. [Hermann Scheer (przewodniczący Europejskiego Stowarzyszenia ds. Wykorzystania Energii Słonecznej EUROSOLAR. W 1999r. został wyróżniony Alternatywną Nagrodą Nobla)].
1. WSTĘP
Odnawialne źródła energii to energia i światło słoneczne, energia wodna, biomasa i siła wiatru. Odnawialnymi surowcami są rośliny, z których można produkować w zasadzie wszystkie towary, wytwarzane obecnie przez przemysł chemiczny na bazie surowców kopalnych.
Wspólnym bezpośrednim źródłem wszystkich odnawialnych zasobów jest Słońce. Potencjał energii słonecznej i odnawialnych surowców przekracza wielokrotnie potencjał paliw kopalnych.
Słońce dostarcza kuli ziemskiej piętnaście tysięcy razy więcej energii w skali roku niż wynosi roczne zużycie energii atomowej i paliw kopalnych. W porównaniu z rocznym światowym zużyciem energii same tylko Włochy otrzymują sześciokrotnie więcej energii słonecznej. Roczna fotosyntetyczna wydajność flory przewyższa dziesięć tysięcy razy światową produkcję przemysłu chemicznego w skali roku.
Zastąpienie potencjału bogactw kopalnych energią słoneczną jest zatem możliwe.
Potencjał energii słonecznej charakteryzują trzy wspólne cechy, które są przeciwieństwem zasadniczych cech zasobów kopalnych.
Po pierwsze jej zasoby są tak długo niewyczerpywalne, jak długo będzie istniał system energii słonecznej. Oznacza to mniej więcej okres pięciu miliardów lat w dalszej historii Ziemi. Już sam ten fakt może zapobiec światowemu kryzysowi ekologicznemu.
Po drugie: Przetwarzaniu tych zasobów w energię i materiały wtórne (ciepło, paliwa, elektryczność) nie towarzyszy emisja zanieczyszczeń lub - tak jak w przypadku biomasy - jest ona tak nieznaczna, że nie zagraża globalnemu środowisku naturalnemu.
Po trzecie: Energia słoneczna jest w całości lub częściowo dostępna wszędzie, a zatem jej pozyskiwanie musi przebiegać decentralnie i regionalnie.
Do wykorzystania zasobów energii słonecznej nie potrzeba globalnych łańcuchów dostaw, a jedynie technik przetwarzania energii, które można stosować lokalnie. Ponieważ zasoby te nie występują w formie skoncentrowanej, korzystanie z nich prowadzi do uruchomienia niezliczonej liczby małych urządzeń, odchodzenia od nielicznych wielkich inwestycji na korzyść inwestycji małych, odchodzenia od zakupu energii obcej na korzyść regionalnego i indywidualnego samozaopatrzenia w energię.
Oznacza to uwolnienie się od bytowych zależności, jakie niesie gospodarka zasobami kopalnymi. Jednocześnie umożliwia to sprzężenie obszarów pozyskiwania tych zasobów z obszarami ich zużycia.
Wykorzystanie zasobów opartych o energię słoneczną oznacza w dalszej kolejności powstawanie regionalnych rynków ich występowania przy dalszym istnieniu globalnych rynków techniki - ale dla decentralnie stosowanych technik przetwarzania energii.
Taki układ prowadzi do zwiększenia równości szans wszystkich gospodarek narodowych - i to zarówno pod względem regionalnego pozyskiwania zasobów energii, jak i trwałej regionalizacji obiegów gospodarczych.
Ponadto prymarne formy gospodarki - rolnictwo i leśnictwo, dostarczające surowca do produkcji przemysłowej, nabiorą całkowicie nowego znaczenia.
W historii cywilizacji ludzkiej epoka energii słonecznej zapowiada przejście od aglomeracji do deglomeracji. Ponieważ działalność gospodarcza musi podążać w ślad za źródłami energii, decentralizacja źródeł energii prowadzi do jej terytorialnego rozproszenia. Światowa gospodarka słoneczna ze względów technicznych uniemożliwi koncentrację zasobów i kapitału.
Ze względu na niewyczerpywalność zasobów energii słonecznej będzie w końcu mógł powstać trwały model cywilizacji ludzkiej. A ponieważ słońca nie można sprywatyzować, nikt nie będzie mógł zagrozić jego podstawom.
Możliwe i celowe jest więc zastąpienie paliw kopalnych energią słoneczną.
2. ENERGIA SŁONECZNA
Ze względu jednak na cykliczną [roczną, dobową i baryczną (pogodową)] jej dostępność, energię słoneczną należy przetwarzać i akumulować.
Przetwarzanie można realizować w:
o helioelektrowniach polowych - promieniowanie słoneczne jest bezpośrednio przetwarzane w energię elektryczną w ogniwach fotowoltaicznych,
o elektrowniach heliotermicznych - promieniowanie słoneczne skupiane jest za pomocą zwierciadeł walcowych na systemie rur, w których krąży woda; powstająca para wodna napędza turbiny zespołów prądotwórczych,
o helioelektrowniach wieżowych - zwierciadła skupiają promieniowanie słoneczne na wieży gdzie powstają bardzo wysokie temperatury, wykorzystywane do wytwarzania ciepła i prądu elektrycznego,
o helioelektrowniach kominowych - powietrze ogrzane w cieplarni o olbrzymich rozmiarach odprowadzane jest na zewnątrz przez wysoki (kilometrowy) komin; powstająca różnica ciśnień wymusza ruch powietrza napędzający turbiny powietrzne sprzęgnięte z agregatem prądotwórczym,
o heliociepłowniach dyskowych - talerzowe zwierciadła wklęsłe służą do lokalnego wytwarzania energii cieplnej.
Wytworzony prąd elektryczny i ciepło można wykorzystać na bieżące potrzeby działalności przemysłowej i do celów bytowych a nadwyżki zakumulować lub eksportować za pośrednictwem międzykontynentalnych sieci przesyłowych.
Zakumulowany prąd elektryczny można wykorzystać jako autonomiczne źródło energii do napędu pojazdów (samochodów). Dostępne dziś akumulatory energii elektrycznej mimo wysokiej sprawności elektrycznego układu napędowego nie są zbyt atrakcyjne. Porównanie gęstości energetycznej różnych, pojazdowych nośników energii przedstawiono na rys. 1.
Rys. 1 Gęstość energetyczna pojazdowych nośników energii: ON-olej napędowy, OR-olej rzepakowy, H2-wodór; [na podst. 5].
Zerowa emisja spalin i minimalny hałas samochodów elektrycznych oraz zalety trakcyjne takiego napędu przyczyniły się do osiągnięcia przez nie statusu produkcji małoseryjnej, ale zastosowanie tych rozwiązań jest nadal ograniczone.
Podstawowe parametry pojazdu elektrycznego w ostatnim okresie oraz prognozę na rok 2003 przedstawia rys. 2.
Rys. 2 Przyspieszenie i zasięg pojazdów elektrycznych na przełomie wieków [na podst. 6].
Głównymi problemami stają się - mały zasięg, masa użyteczna zmniejszona przez ciężkie akumulatory, długie ładowanie, przesunięcie emisji spalin na elektrownie, a także znaczne koszty wytwarzania.
Alternatywnym rozwiązaniem może być zastosowanie wodoru jako nośnika energii, a prąd, wytworzony z odnawialnych źródeł energii, będzie można wykorzystać do jego produkcji.
Ten z kolei będzie dostarczany do ośrodków gospodarczych za pośrednictwem rurociągów i tankowców.
Teoretycznie można ogrzewać nim domy, napędzać generatory w elektrowniach i silniki trakcyjne.
W praktyce trzeba jeszcze włożyć wiele pracy, by rozwiązać problemy związane z wytwarzaniem, gromadzeniem, transportem i wykorzystaniem wodoru.
3. WYSTĘPOWANIE I WŁAŚCIWOŚCI WODORU
Wodór należy do pierwiastków bardzo rozpowszechnionych w Przyrodzie. [3, 4]
W stanie wolnym występuje w górnych warstwach atmosfery i w gazach wulkanicznych.
Na naszej planecie wodór występuje prawie wyłącznie w związkach: w postaci wody, węglowodorów (ropa naftowa, gaz ziemny) i wszystkich związków organicznych występujących w organizmach żywych.
We Wszechświecie wodór stanowi 79% całej jego masy. Atomy wodoru to 94% populacji wszystkich atomów w poznanym Wszechświecie.
Wodór stanowi 80% atmosfery Słońca, a również w atmosferze gwiazd ma on znaczną przewagę ilościową nad innymi pierwiastkami.
Gęstość wodoru:
o gazowego (273 K, 1013 hPa) wynosi 90 g/m3,
o ciekłego 70,8 kg/m3,
o krystalicznego 88 kg/m3.
Jest on więc najlżejszym pierwiastkiem w każdym stanie skupienia.
Przewodność cieplna wodoru wynosząca 0,1745 W/(m·K), podobnie jak i ciepło właściwe o wartości 14,195 kJ/(kg·K) (w 273 K) są największe ze wszystkich gazów.
Wartość opał...
pepele