Ogromne złoża wodoru – mrzonka czy szansa na rewolucję energetyczną?

W ostatnich latach pojawiła się nadzieja na nowe, czyste źródło energii. To uwięziony w skorupie ziemskiej wodór, powstający w wyniku naturalnych procesów geologicznych, który można by wydobywać mniej więcej tak jak gaz ziemny. Wciąż nie wiemy, jak duże są złoża wodoru, i ile można realistycznie pozyskać. Gdyby jednak spełniły się choćby umiarkowanie optymistyczne prognozy, czeka nas energetyczna rewolucja.

Gazowy wodór (H₂) jest bardzo cennym materiałem do syntezy różnych związków chemicznych, np. niezbędnego do produkcji nawozów amoniaku. Jest też doskonałym, „czystym” paliwem. Spalając wodór, dostajemy głównie wodę, choć gdy spalamy go w powietrzu, mogą też powstawać tlenki azotu. Nie ma tu jednak emisji dwutlenku węgla, który jest gazem cieplarnianym i który zawsze powstaje przy spalaniu gazu ziemnego, węgla czy paliw produkowanych z ropy naftowej. Nie ma też szkodliwej dla zdrowia sadzy.

Wodór wydaje się więc idealny zarówno ze względu na troskę o jakość powietrza, jak i na walkę z globalnym ociepleniem, choć wycieki wodoru do atmosfery miałyby istotny wpływ na klimat, o czym więcej za chwilę. Jednak „klimatyczna” korzyść z przejścia z paliw kopalnych na wodór jest i tak niezaprzeczalna i bardzo znaczna. Zwłaszcza, jeżeli zadbamy, by wycieki wodoru nie były za duże.

Skąd dziś bierzemy wodór?

Obecnie głównym źródłem wodoru są paliwa kopalne (ang. fossil fuels). Tak zwany „szary wodór” produkowany jest głównie z gazu ziemnego lub innych węglowodorów (np. produktów rafinacji ropy naftowej).

W procesie tym główny składnik gazu ziemnego – metan (CH₄) reaguje w wysokiej temperaturze, pod ciśnieniem i w obecności katalizatora z parą wodną, dając w rezultacie wodór i dwutlenek węgla. I tu leży problem – na każdy 1 kg wyprodukowanego w ten sposób wodoru przypada emisja około 10–12 kg CO₂. W 2023 roku globalna emisja CO₂ związana z produkcją wodoru wynosiła aż 920 Mt (ok. 3 razy więcej niż roczna emisja Polski). Jasne jest, iż używanie tak pozyskanego wodoru jako paliwa byłoby absurdem z punktu widzenia ochrony klimatu.

Wodór można otrzymać też w procesie elektrolizy, czyli rozbicia cząsteczki wody na wodór i tlen dzięki prądu elektrycznego. o ile energia elektryczna zasilająca elektrolizer pochodzi w 100% z niskoemisyjnych, odnawialnych źródeł – np. turbin wiatrowych lub paneli fotowoltaicznych, mówimy o „zielonym wodorze”. Sam proces elektrolizy nie powoduje wówczas bezpośredniej emisji gazów cieplarnianych. Uwzględniając cały cykl życia instalacji, jest jasne, iż „zielony wodór” ma pewien ślad węglowy, ale znacznie mniejszy niż „szary wodór”.

Czytaj także: Po „ekologicznym Noblu” ulepszyli elektrolizer do wodoru. Teraz działają w 50 krajach

Wielobarwna wodorowa tęcza

Kolory takie jak szary czy zielony to tylko umowne oznaczenia, mówiące nam, w jaki sposób wodór został otrzymany. Jest ich zresztą dużo więcej – mamy np. „wodór niebieski” czy otrzymywany przy użyciu energii jądrowej „wodór purpurowy”. Oczywiście, za każdym razem – z dokładnością do drobnych różnic w składzie izotopowym – z punktu widzenia chemii jest to dokładnie ta sama substancja.

Ale nie z punktu widzenia rynku. „Ekologiczny”, „zielony” wodór jest na razie droższy od „szarego”, choć to ma szansę się za kilka lat zmienić. Wciąż jest droższy, bo współczesna ekonomia zwykle nie bierze pod uwagę kosztów zewnętrznych związanych z emisją CO₂ i dewastacją klimatu naszej planety.

Krótko mówiąc, dziś, by dostać tonę gazowego wodoru, trzeba zainwestować sporo energii i pieniędzy, a jeżeli robimy to najtaniej, wiąże się to też ze znaczną emisją CO₂. W przeciwieństwie do ropy czy gazu, wodór nie jest wydobywany niewielkim kosztem z wielkich podziemnych złóż. Nie ma „kopalni wodoru” – a raczej szybów podobnych do tych, jakich używa się do wydobywania gazu ziemnego. Nie ma, ale być może niedługo będą. Bo wszystko wskazuje na to, iż istnieją złoża wodoru.

Skąd bierze się wodór pod ziemią?

To, iż w skorupie ziemskiej występuje wodór, nie jest tajemnicą. Gaz ten powstaje między innymi wtedy, gdy woda reaguje z bogatymi w żelazo minerałami, takimi jak oliwin, występującymi w niektórych skałach magmowych. Może być również wytwarzany w wyniku oddziaływania cząstek alfa, emitowanych podczas rozpadu pierwiastków promieniotwórczych (uranu lub toru i powstających z nich innych radionuklidów), na cząsteczki wody, co prowadzi do ich rozbicia (radioliza wody). Wiemy też, iż gdy wodór powstały w tych procesach przesącza się przez skały w kierunku powierzchni Ziemi, może stanowić źródło energii dla podziemnych społeczności mikroorganizmów.

Naukowcy zakładali jednak, iż wodór powstający pod ziemią nie będzie gromadził się w złożach geologicznych, które można by eksploatować. I może dlatego właśnie poszukiwania złóż wodoru nie rozpoczęły się już kilkadziesiąt lat temu. Uznawano bowiem, iż wodór nie tylko będzie wykorzystywany przez mikroorganizmy, ale też będzie wchodził w różne reakcje (geo)chemiczne. A jeżeli choćby nie ulegnie przemianom chemicznym, będzie wydostawał się spod ziemi i ulatniał do atmosfery.

Wielkie ilości wodoru pod naszymi stopami?

Około dekady temu niektórzy geolodzy zaczęli kwestionować te założenia. Zresztą już znacznie wcześniej, bo w drugiej połowie lat 80., odkryto wodór wydostający się z odwiertu we wsi Bourakébougou w Mali. W 2012 roku uruchomiono tam pilotażowe wydobycie wodoru, który wykorzystywano do produkcji energii elektrycznej dla mieszkańców wioski.

Z kolei w 2023 roku „wodór geologiczny” odkryto również w północno-wschodniej Francji, w okolicach miejscowości Folschviller. W przeciwieństwie do przypadku z Mali, we Francji mamy na razie do czynienia z rozpoznawaniem potencjalnego złoża. Kolejne odwierty potwierdziły występowanie wodoru na różnych głębokościach, ale wielkość zasobów oraz techniczne i ekonomiczne możliwości ich eksploatacji nie zostały jeszcze ostatecznie oszacowane. Wstępne wyniki są jednak obiecujące.

Wiadomo też, iż wodór może gromadzić się w głębokich kopalniach, skąd trzeba go usuwać, aby zapobiec wybuchowi. Na przykład z jednej z kopalń chromitu (tlenek żelaza i chromu, FeCr₂O₄) w Albanii uwalnia się co najmniej 200 ton wodoru rocznie. Jest to jeden z największych odnotowanych naturalnych wypływów wodoru. Geolodzy doszli więc do wniosku, iż gdzieś na świecie mogą znajdować się większe złoża wodoru, które czekają na odkrycie.

Optymistyczne szacunki obarczone wielką niepewnością

Pod koniec 2024 roku w czasopiśmie Science Advances ukazała się praca pt. „Model predictions of global geologic hydrogen resources” („Modelowe oszacowanie globalnych zasobów wodoru geologicznego”). Jej autorzy pisali m.in.: „Wodór geologiczny może stanowić niskoemisyjne pierwotne źródło energii, jednak dotychczas nie oszacowano wielkości jego zasobów znajdujących się pod powierzchnią Ziemi.” I sami postanowili takie szacowanie przeprowadzić. Wynik?

Najbardziej prawdopodobna ilość podziemnego wodoru wynosi około 5,6 • 10⁶ Mt, czyli ponad pięć i pół miliona megaton. Lub, jak kto woli, 5,6 biliona ton. Chociaż wydobycie większości tego wodoru prawdopodobnie byłoby niemożliwe lub niepraktyczne, to choćby niewielka część tych zasobów (powiedzmy, 10⁵ Mt) wystarczyłaby do pokrycia przewidywanego zapotrzebowania na wodór w scenariuszu osiągnięcia zerowej emisji netto CO₂ przez około 200 lat. Ilość ta zawiera bowiem więcej energii (około 1,4 • 10¹⁶ MJ) niż wszystkie potwierdzone zasoby gazu ziemnego na Ziemi (około 8,4 • 10¹⁵ MJ). Jest jednak parę „ale”.

Realna perspektywa czy tylko piękny sen?

Po pierwsze, te modelowe oszacowania cechuje bardzo duża niepewność. Wodoru może być relatywnie kilka (rzędu 10³ Mt), albo bardzo dużo (nawet 10¹⁰ Mt). Mamy tu przedział obejmujący aż 7 rzędów wielkości! Możliwe więc, iż opowieść o nowym, czystym źródle energii jest tylko mrzonką. Wciąż nikt nie wie przecież, czy istnieją złoża wodoru na tyle duże, by uzasadnić rozbudzone wokół niego nadzieje.

Dlatego autorzy cytowanej wyżej pracy podkreślali, iż uzasadnione są dalsze badania nad oceną potencjału zasobów wodoru geologicznego. I to się właśnie teraz dzieje.

Poszukiwania geologicznego wodoru trwają, odpowiedź poznamy niedługo

Dziś już w niemal 30 krajach realizowane są poszukiwania wodoru uwięzionego głęboko pod ziemią. Od 2023 roku zainwestowano w nie blisko 500 milionów dolarów. Dokładne wskazanie miejsc, w których warto wykonać odwierty, jest złożonym procesem, wymagającym zastosowania różnych technik teledetekcyjnych, wykorzystujących dane z satelitów i samolotów. W wytypowaniu obiecujących obszarów poszukiwań mogą pomóc pomiary anomalii pola magnetycznego, ponieważ w reakcji oliwinu z wodą, w której powstaje wodór, może powstawać magnetyt – minerał o silnych adekwatnościach magnetycznych.

Nie mamy też pełnej wiedzy na temat tego, czy wodór w złożach występuje sam, czy też „w towarzystwie” innych gazów, takich jak metan, azot, hel lub dwutlenek węgla, a także czy nie zawiera domieszek związków siarki. Zarówno z punktu widzenia opłacalności wydobycia, jak i jego wpływu na klimat, korzystniej byłoby oczywiście, gdybyśmy mieli do czynienia z wodorem o jak najwyższej czystości.

W obliczu tak wielu nierozstrzygniętych kwestii dotyczących wodoru geologicznego (nazywanego też naturalnym, „białym” lub „złotym” wodorem), potrzebujemy większych inwestycji w wiercenia. Im więcej odwiertów wykonamy i im więcej informacji uzyskamy dzięki nim — niezależnie od tego, czy wyniki będą pozytywne, czy negatywne — tym lepiej. Można mieć nadzieję, iż ustalenie, czy podziemnego wodoru jest na tyle dużo, i jest na tyle łatwo dostępny, iż może odegrać rolę w transformacji energetycznej, nie powinno zająć dużo czasu. Możemy też spodziewać się, iż w ciągu najbliższych dwóch–trzech lat uzyskamy dowody potwierdzające możliwość realizacji tego pomysłu.

Dać pożyteczne zajęcie przemysłowi naftowemu

Gdyby udało się znaleźć duże złoża wodoru, których eksploatacja byłaby opłacalna, byłaby to wspaniała wiadomość – i to z kilku powodów. W optymalnym scenariuszu oznaczałoby to szybkie przejście na wykorzystanie wodoru jako paliwa (zamiast ropy i gazu ziemnego), którego spalanie nie powoduje zmiany klimatu ani nie szkodzi ludzkiemu zdrowiu. Co więcej, eksploatacją prawdopodobnie zajęły się te same koncerny – zarówno prywatne, jak i państwowe – które dziś zajmują się wydobyciem ropy i gazu. To one mają know-how i środki konieczne do szybkiego rozwoju potrzebnej infrastruktury.

To zresztą chyba jedyny scenariusz, w którym ta potężna i wpływowa branża „przechodzi na jasną stronę mocy”. Bo przecież firmy naftowe dziś – tak jak od dekad robią wiele, byśmy nie ograniczali emisji gazów cieplarnianych czy produkcji plastiku. Blokują zmiany w prawie, mające chronić klimat i środowisko, lub lobbują rozwiązania korzystne dla siebie. Korumpują polityków – także w pełni legalnie (dobrym przykładem są tu gigantyczne wpłaty na kampanię prezydencką Donalda Trumpa). Sieją też dezinformację i kłamstwa na temat zmiany klimatu, hojnie finansując rozmaite negacjonistyczne think-tanki. Na przykład ExxonMobil był jednym z najważniejszych sponsorów organizacji podważających konsensus naukowy w sprawie zmian klimatu. W latach 1998–2005 przekazał blisko 16 mln dolarów 43 takim organizacjom).

Koncerny naftowe nie będą tego wszystkiego robić tylko wtedy, gdy ich finansowy interes nie będzie stał w sprzeczności z zapobieganiem katastrofie klimatycznej.

„Licz na najlepsze, spodziewaj się najgorszego”

Oczywiście, choćby zakładając najbardziej optymistyczny rozwój wypadków wokół „geologicznego wodoru”, wciąż powinniśmy intensywnie rozwijać też inne niskoemisyjne źródła energii. Choćby budując na odpowiednio dużą skalę turbiny wiatrowe, panele fotowoltaiczne i reaktory jądrowe, a także elektrolizery do produkcji „zielonego wodoru”. Krótko mówiąc, musimy wciąż „dywersyfikować nasze energetyczne portfolio”, tak globalnie, jak i w Polsce.

I choć nie jest wykluczone, iż eksploatacja wodoru z głębi ziemi na dużą skalę okaże się niebawem prawdziwą rewolucją i punktem zwrotnym w naszej walce ze zmianą klimatu, to jednak nie powinniśmy na taki prezent od losu przesadnie liczyć. Mądrzejszą strategią jest maksymalnie szybka i głęboka dekarbonizacja w tej chwili dostępnymi środkami.

Wodór a klimat

Na koniec warto pochylić się nad jedną subtelną, ale istotną kwestią: wpływem wodoru na klimat. Szacuje się bowiem, iż w horyzoncie 100-letnim potencjał globalnego ocieplenia (GWP) wodoru jest około 11–12 razy większy niż CO₂. W skrócie: 1 tona wyciekającego wodoru ma taki wpływ na ocieplenie jak ok. 11–12 ton emitowanego dwutlenku węgla.

Dlaczego tak się dzieje? Przecież sam wodór bezpośrednio nie jest gazem cieplarnianym – jego cząsteczka jest symetryczną „hantlą”, podobnie jak np. cząsteczka tlenu (O₂) lub azotu (N₂) i nie absorbuje w kluczowym (z punktu widzenia ziemskiego klimatu) obszarze promieniowania podczerwonego tak jak dwutlenek węgla czy metan.

Wodór jednak pośrednio silnie wpływa na klimat, poprzez trzy mechanizmy: wydłużanie życia metanu, produkcję ozonu troposferycznego i zwiększanie ilości pary wodnej w stratosferze. Zarówno troposferyczny ozon, jak i para wodna w atmosferze są gazami cieplarnianymi, ale najważniejszy jest tu ten pierwszy mechanizm, dotyczący metanu.

Konkurencja o rodniki

Metan – główny składnik gazu ziemnego – to niezwykle silny gaz cieplarniany. W ziemskiej atmosferze jest on neutralizowany (utleniany) przez rodnik hydroksylowy (OH•). Rodnik ten działa jak „atmosferyczny detergent” rozkładający zanieczyszczenia. Kiedy wodór ucieka do atmosfery (na przykład z nieszczelnych instalacji), wchodzi w reakcję z rodnikami hydroksylowymi szybciej niż metan, przez co w atmosferze zostaje mniej wolnych rodników do usuwania metanu. W efekcie metan pozostaje w atmosferze dłużej, silniej wpływając na globalne ocieplenie.

Trzeba więc dbać, by infrastruktura do produkcji, przesyłu i magazynowania wodoru, czy to geologicznego, czy to „zielonego”, była odpowiednio szczelna (podobnie jak należy o to dbać w przypadku gazu ziemnego). Co zresztą nie jest wcale takie proste – wodór, ze względu na małe rozmiary cząsteczki H₂, szczególnie łatwo „cieknie”. Ale co da się zrobić. I choćby jeżeli wycieki wodoru byłyby znaczne, nie zmienia to faktu, iż przejście z paliw kopalnych na geologiczny wodór oznaczałoby i tak ogromną korzyść dla klimatu. Czyli tak naprawdę dla nas.

Czytaj także: Wodór uratuje świat. W tych przypadkach będzie konieczny

–

Zdjęcie tytułowe: Sashkin/Shuttersock