Metan i wodór jako paliwa samochodowe wywołują obawy natury technicznej i ekonomicznej. Te drugie próbują rozwiać m.in. Polsat i Orlen, te pierwsze specjaliści w dużej mierze rozwiali.
Na początek krótka uwaga o gazie, którego głównym składnikiem jest metan. Gaz ten bywa różnie nazywany, w zależności od pochodzenia i stanu skupienia. Wydobywany ze złóż określany jest jako gaz ziemny, a gdy powstaje z odpadów, mówi się, że to biogaz. Z kolei biometan to biogaz oczyszczony i zawierający dostatecznie dużo metanu, aby nadawał się do napędzania pojazdów. Sprężony metan to CNG (ang. compressed natural gas), skroplony – LNG (ang. liquified natural gas). Jeśli gaz ulegający sprężeniu lub skropleniu powstał z odpadów, wówczas określa się go odpowiednio jako bio-CNG, względnie CBG (ang. compressed biogas) oraz jako bio-LNG lub LBG (ang. liquified biogas).
Niezależnie od tych rozróżnień, paliwem jest zawsze organiczny związek chemiczny o wzorze CH4, zwany metanem. Jego zawartość w CNG, LNG i ich odpowiednikach z przedrostkiem bio- wynosi 90–98%. Orientacyjnie przyjmuje się, że 1 m3 (0,7 kg) gazu sprężonego pod ciśnieniem 20–25 MPa równa się 1 litrowi benzyny, a 1 kg gazu skroplonego odpowiada z grubsza 1 l oleju napędowego. Ciekły metan przechowywany jest w temperaturze –162°C.
Wodór jest pod kilkoma względami „paliwem idealnym”. Pierwiastkiem najbardziej rozpowszechnionym w przyrodzie, „paliwem gwiazd” i rakiet kosmicznych. Jego wartość opałowa wynosi bezkonkurencyjne 33,33 kWh/kg, gdy metanu 13,9, a benzyny 12. Główny problem polega na tym, że trudno zgromadzić go dostatecznie dużo w ograniczonej przestrzeni, aby te rewelacyjne właściwości wykorzystać. Skrapla się w temperaturze –253°C. W samochodach używany jest obecnie jako paliwo do silników spalinowych oraz do ogniw paliwowych produkujących energię elektryczną. Według uproszczonego przelicznika 1 kg wodoru równa się 6 l benzyny.
Prawie nowość
Infrastruktura do przechowywania i dystrybucji wspomnianych gazów nie jest nowinką techniczną. Stanowi natomiast nowość w motoryzacji, a i to nie do końca. Metan jako sposób obniżenia ilości szkodliwych składników spalin zaczął się rozpowszechniać w latach 90. XX wieku. W Europie zainteresowano się nim bardziej kilka lat temu na kanwie „ochrony” klimatu oraz korzyści finansowych z jego stosowania. CNG jest łatwiejsze i tańsze do uzyskania, ale użyteczne tylko w pojazdach pokonujących trasy najwyżej o zasięgu regionalnym. Droższe i trudniejsze w przechowywaniu LNG może być stosowane w pojazdach długodystansowych. W ostatnich latach powstało dostatecznie dużo stacji tankowania, aby można było bez większych przeszkód używać ciężarówek na LNG.
Z wolna na rynku pojawiają się również autobusy dalekobieżne na skroplony metan. Ekonomiczny sens używania gazu w dowolnej postaci podważyła niedawna huśtawka cen tego paliwa. Niemniej jako biometan będący paliwem odnawialnym, gaz nadal budzi zainteresowanie i w ramach „podejścia systemowego” dostrzega się korzyści z jego stosowania. Produkowany z odpadów i stosowany w pojazdach może mieć nawet „ujemną emisję” CO2, co pozwala uczynić zadość unijnej polityce „dekarbonizacji”. Do rozsądku przemawia zaś możliwość wykorzystania z pożytkiem odpadów. To, co zostaje po pozyskaniu biogazu, nadaje się na nawóz.
Wodór jako „paliwo przyszłości” wzbudza rosnące zainteresowanie, ale jest jeszcze droższy i trudniejszy w przechowywaniu niż metan. Najtańsza metoda produkcji wodoru z gazu ziemnego jest zarazem największym obciążeniem dla środowiska, a pozyskiwanie go poprzez elektrolizę z wody jest uznawane za ekologiczne, o ile energia elektryczna do tego procesu pochodzi ze źródeł odnawialnych. Można go też produkować z biomasy, podobnie jak biogaz. W zależności od metody produkcji, wodorowi nadaje się symbolicznie kolor. Np. gdy powstał z reformingu parowego gazu ziemnego jest szary, gdy z elektrolizy z użyciem energii odnawialnej – zielony. Gdy energii dostarczyła elektrownia jądrowa, wodór „robi się” różowy.
Sprężyć, skroplić, zatankować
W Polsce działa kilku dostawców infrastruktury do tankowania gazu, tak metanu, jak i wodoru. Oferują obiekty stacjonarne oraz mobilne, przydatne na wstępnym etapie wdrażania nowego paliwa, często wraz z samym paliwem. Przykładowo Gaslux czy przedstawiciele ASF i BRC FuelMaker specjalizują się w CNG, Duon i FAS Poland w LNG, a AirProducts w wodorze. Także wyspecjalizowana w komponentach i kompletnych systemach wysokociśnieniowych HD Tech ma w ofercie m.in. stację tankowania wodoru.
Stosunkowo najłatwiej i najtaniej jest stosować CNG. Wystarczy dostęp do sieci gazowniczej i sprężarka. Część ofert dotyczy sprężarek przydomowych lub zdolnych obsłużyć niewielką flotę firmową. Umożliwiają one tzw. wolne tankowanie. Wykorzystywane przy tym sprężarki mają małą wydajność, ale są energooszczędne. Ponieważ gaz wtłaczany jest powoli ze sprężarki wprost do zbiornika pojazdu, nie wzrasta jego temperatura iż nie trzeba stosować chłodnic, aby „upchnąć” go więcej. Wolne tankowanie na kilku stanowiskach jest często wystarczająco wydajne, aby spełnić potrzeby flot spędzających połowę czy 1/3 doby w bazie.
Szybkie tankowanie CNG, będące normą m.in. na stacjach ogólnodostępnych wymaga zgromadzenia dużej ilości gazu pod wysokim ciśnieniem w magazynie stacji. Służy do tego sprężarka modułowa podnosząca ciśnienie gazu pobieranego z sieci. Sprężony gaz jest przechowywany pod ciśnieniem 20 MPa w zbiorniku magazynowym złożonym zwykle z zestawu butli. Stąd poprzez dystrybutor ze szczelnym złączem przedostaje się samorzutnie do zbiornika pojazdu. Gdy po zatankowaniu kilku pojazdów, ciśnienie w zbiorniku magazynowym spadnie, sprężarka włącza się i wtłacza kolejną porcję gazu do chwili osiągnięcia oczekiwanego ciśnienia.
Wśród elementów instalacji jest m.in. osuszacz i filtr, a także chłodnica obniżająca temperaturę sprężonego gazu. Jednak ich obecność nie zmienia ogólnej zasady funkcjonowania stacji.
Różne zastosowania
CNG uzyskuje się również poprzez regazyfikację LNG. Regazyfikacja to zmiana fazy ciekłej na gazową. Instalacja, która do tego służy często jest elementem stacji LNG. Dzięki niej stacja może oferować jednocześnie gaz skroplony i sprężony. Uzyskany w ten sposób sprężony gaz może być używany nie tylko do napędu pojazdów, ale w procesach przemysłowych czy po prostu do ogrzewania obiektów pozbawionych dostępu do sieci gazowniczej. Z 1 m3 LNG uzyskuje się 600 m3 gazu sprężonego.
Główne elementy stacji LNG to zbiorniki kriogeniczne, czyli „termosy” przechowujące skroplony gaz w niskiej temperaturze i pompy kriogeniczne tłoczące gaz do dystrybutorów. Stacja oferująca dodatkowo CNG ma wysokociśnieniową pompę kriogeniczną, która podaje LNG do parowników atmosferycznych, gdzie dochodzi do regazyfikacji. Stąd gaz, już pod postacią CNG trafia do zbiornika buforowego (magazynu) połączonego z dystrybutorami CNG. Stację oferującą zarówno LNG, jak i CNG określa się niekiedy skrótem LCNG.
Dystrybucja LNG odbywa się w podobny sposób jak benzyny i oleju napędowego. Gaz dowożony jest do stacji cysternami kriogenicznymi. Sieć stacji tankowania LNG stale się powiększa, ale można również względnie małym kosztem zapewnić sobie własne źródło tego paliwa. Dystrybutorzy LNG oraz działający w porozumieniu z nimi producenci pojazdów na LNG oferują usługi stacji mobilnych. Wówczas tankowanie odbywa się wprost z cysterny, nierzadko mającej postać tank-kontenera wyposażonego w dystrybutor. Urządzenia pomiarowe stanowią część instalacji i umożliwiają rozliczanie kosztów wydanego paliwa.
Podręczny nośnik
Mobilne stacje okazują się praktycznym, doraźnym rozwiązaniem również dla flot korzystających z wodoru. Wodór dla pojazdów jest obecnie najczęściej przechowywany w postaci gazowej. W zbiornikach magazynowych stacji przechowuje się go pod ciśnieniem 40–50 MPa lub 85–100 MPa. Do stacji wodór może być dowożony pod ciśnieniem 17–21 MPa za pomocą wyspecjalizowanych zestawów ze zbiornikami rurowymi. Dostarczony wodór jest sprężany i wtłaczany do zbiornika magazynowego, skąd trafia do zbiorników pojazdów w ten sam sposób jak CNG. Możliwa jest również produkcja wodoru na miejscu poprzez elektrolizę wody.
Podejmuje się również eksperymenty ze stosowaniem w pojazdach wodoru skroplonego. Korzyści są takie same jak w przypadku LNG: na pokładzie można zgromadzić więcej paliwa, zapewniając autu większy zasięg. W 1 m3 mieści się 71 kg skroplonego wodoru. Dystrybucja skroplonego wodoru może odbywać się podobnie jak LNG przy użyciu cystern kriogenicznych.
Międzynarodowa Agencja Energetyczna podaje, że najlepszym sposobem transportowania wodoru na odległość do 1500 km są gazociągi. We Francji, Niemczech, Belgii i Holandii działają już gazociągi wodorowe. Do przesyłania wodoru można również przystosować istniejącą sieć gazowniczą, a pochłania to około 15% kosztu budowy nowego gazociągu. W Polsce rozważa się już taką możliwość. Wodór byłby przesyłany wraz z gazem ziemnym w stężeniu przewyższającym 5%.
Do transportu na duże odległości opłaca się wodór skroplić (tak jak metan). Można przy tym użyć amoniaku jako „nośnika” wodoru. Amoniak skrapla się już w temperaturze –33°C i zajmuje w zbiorniku o połowę mniej miejsca niż czysty wodór. Amoniak można zastąpić również innym nośnikiem.
Co komu źle pachnie
Po co komu paliwa takie jak metan i wodór, skoro jest prąd? Szczególnie, że wspomniane gazy trzeba sprężyć lub skropić i gdzieś dostarczyć, do czego potrzebna jest dodatkowa energia. Prędzej czy później i tak dochodzimy do „gniazdka w ścianie”, a po drodze znaczną ilość energii marnujemy, niekiedy więcej niż można jej uzyskać z otrzymanej porcji paliwa.
Lecz metan i wodór są wygodnymi nośnikami energii, znacznie bardziej wydajnymi w stosunku do objętości od obecnie stosowanych baterii. Można nimi zasilać powszechnie używane silniki spalinowe, a producenci już oferują jednostki napędowe, które łatwo adaptują się do różnego typu paliw.
Głównym elementem różniącym wariant na olej napędowy czy HVO od wodorowego jest głowica cylindrów. Gaz można stosunkowo łatwo i szybko tankować. W pojeździe można go zgromadzić dostatecznie dużo, aby zapewnić zasięg satysfakcjonujący użytkowników w różnych segmentach transportu także na długich dystansach. Połączenie wodorowego ogniwa paliwowego jako swoistej „elektrowni” i napędu elektrycznego godzi jazdę „zeroemisyjną” z pokonywaniem dużych odległości bez częstych i długich postojów na uzupełnienie energii.
Rekompensata z nawiązką
Gdy w silniku spalany jest metan, powstają szkodliwe dla zdrowa związki, a także będący teraz „na cenzurowanym” dwutlenek węgla. Produktem spalania mieszanki wodoru i powietrza w cylindrach są tlenki azotu. Z tlenkami można poradzić sobie, optymalizując proces spalania i dodając katalizator SCR. Pod tym względem korzystniejsze jest ogniwo paliwowe, z którego wskutek spalania wodoru wydostaje się jedynie para wodna. Niektórzy zwracają uwagę, że para też jest gazem cieplarnianym, ale trudno ograniczać jej „emisję”, bo parują przede wszystkim oceany. Z kolei biometan umożliwia zrekompensowanie wydalonego z rury wydechowej CO2 uprawą roślin, które dostarczają odpadów do jego produkcji. Czasem zrekompensowanie z nawiązką, jak wspomniałem na wstępie.
Rzeczywisty wpływ pojazdów na paliwa alternatywne, w tym metan lub wodór na środowisko zależy m.in. od ich pochodzenia oraz energii włożonej w zmianę stanu skupienia tych paliw i jest trudny do określenia. Lecz co najmniej równie trudne jest oszacowanie oddziaływania elektrycznych pojazdów zasilanych bateriami. Wiąże się nie tylko z określeniem źródła energii elektrycznej, którą są ładowane, ale również zbadaniem skutków pozyskiwania surowca i produkcji baterii oraz ich utylizacji.
Bezpieczeństwo użytkowania pojazdów gazowych i elektrycznych wydaje się zbliżone. Metan i wodór są bezpieczne, o ile przechowuje się je i tankuje zgodnie z przyjętymi wymogami, a instalacja na stacji i w pojeździe jest sprawna. Na tej samej zasadzie gwarantem bezpieczeństwa baterii jest prawidłowa obsługa i systemy nadzorujące jej stan i działanie. Mimo to należy pamiętać, że i metan, i wodór, i nowoczesne akumulatory to najnowsza odsłona „igrania z ogniem”, które praktykujemy odkąd pierwszy z ludzi zasiadł przy ognisku i coś sobie przy nim upiekł.
Paliwa alternatywne: dotacje przyciągają
W Japonii, a czasem również w Europie mówi się o gospodarce opartej na wodorze jako podstawowym źródle energii m.in. dla transportu lądowego. Praktycy zwracają uwagę, że koszt otrzymania wodoru sprawia, że nie jest konkurencyjny wobec paliw ropopochodnych. Mimo to przedsiębiorcy wiążą spore nadzieje z wodorem, rozbudzane przez dostępność rządowych programów dofinansowania. Jednym z inwestorów jest właściciel Polsatu Zygmunt Solorz, który kontroluje spółkę energetyczną ZE PAK.
Jedna z jej spółek-córek PAK-PCE Stacje H2 planuje wybudować stacje tankowania wodoru w pięciu polskich miastach, co ma kosztować 57,4 mln zł. Przewiduje się, że będą gotowe do końca czerwca 2024 roku. W lutym 2023 roku spółka ogłosiła, że otrzymała 20 mln zł dotacji od Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej w ramach programu priorytetowego „Wsparcie infrastruktury do ładowania pojazdów elektrycznych i infrastruktury do tankowania wodoru”.
Jednocześnie PAK-PCE Polski Autobus Wodorowy z Konina zamierza produkować miejski autobus z wodorowym ogniwem paliwowym. Ta spółka także jest zależna od ZE PAK. Autobus ma powstawać w nowym zakładzie w Świdniku. Inwestycja w wysokości 72,7 mln zł jest finansowana w znacznej części poprzez pożyczkę w kwocie do 50 mln zł od Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej. Przy czym umorzone może być do 45% tej pożyczki, jeśli spółka osiągnie wyznaczone cele.
Jest szansa na tankowanie
Uzyskanie tzw. efektu rzeczowego, czyli ukończenie zakładu oznacza redukcję kwoty zadłużenia o 20% (nie więcej niż 10 mln zł), a efekt ekologiczny, czyli wprowadzenie na rynek odpowiedniej liczby „zeroemisyjnych” autobusów to redukcja zadłużenia o kolejne 25%. Prototyp autobusu nazwanego NesoBus już jeździ i był prezentowany jesienią 2022 roku m.in. podczas targów w Hanowerze i Kielcach.
Na początku marca 2023 roku Orlen uruchomił pierwszą stację tankowania wodoru w Czechach. Powstała w Pradze w dzielnicy Barrandov. Stacja jest samoobsługowa. Kierowcy mogą korzystać z dwóch stanowisk. Do tankowania aut osobowych przewidziano złącze podające wodór pod ciśnieniem 700 barów, ciężarówki i autobusy będą napełniane pod ciśnieniem 350 barów. Stacja powstała przy wsparciu finansowym Ministerstwa Transportu Republiki Czeskiej w ramach Sektorowego Programu Operacyjnego Transport. Orlen Unipetrol planuje uruchomić w Czechach 28 stacji tankowania wodoru i dwa terminale dystrybucji wodoru dla kolei w Litvinowie i Neratovicach.
W Polsce stacje wodorowe mają powstać jeszcze w 2023 w Poznaniu i Katowicach. Do połowy 2025 roku staną również w Bielsku-Białej, Gorzowie Wielkopolskim, Krakowie, Pile, Wałbrzychu i Warszawie.
Tekst: Michał Kij
Zdjęcia: Air Products, DB Schenker, Mercedes-Benz, Scania, Toyota
