Na temat paliw silnikowych przyszłości, gospodarki wodorowej oraz Międzynarodowych Targów STACJA PALIW rozmawiamy z dr. inż. Krzysztofem Biernatem, prof. PIMOT, Liderem Obszaru w Grupie Badawczej Paliw i Biogospodarki w Sieć Badawcza Łukasiewicz – Przemysłowym Instytucie Motoryzacji.

Od dłuższego czasu toczy się dyskusja na temat przyszłych nośników energii, szczególnie paliw silnikowych. Zdaniem Pana Profesora jakie paliwa mogą być stosowane w przyszłości?

Koncepcje rozwoju przyszłych nośników energii rzeczywiście ewoluują. Jednak droga tej ewolucji nie jest z zasady drogą racjonalną z punktu widzenia możliwości surowcowych, technicznych i technologicznych, przy jednoczesnym zachowaniu uwarunkowań środowiskowych zarówno procesów otrzymywania tych paliw jak też ich eksploatacji. Pamiętamy, że biopaliwa miały być paliwami silnikowymi, które całkowicie wyeliminują petropaliwa. Jednak badania nad efektywnością ich stosowania, a także skutkami środowiskowymi za równo procesów ich wytwarzania jak również eksploatacji wykazały, że biopaliwa nie spełniają zakładanych wymagań. Ich magazynowanie i eksploatacja ma pewne wady, a dostępność surowców jest jednak ograniczona. Praktycznie do tej pory stosowane są jedynie mieszaniny olejów napędowych z estrami alkilowymi wyższych kwasów tłuszczowych zawartych w olejach roślinnych oraz mieszaniny benzyn silnikowych z odwodnionym alkoholem etylowym z dodatkiem eterów. Prace badawcze nad innymi biopaliwami były prowadzone (paliwa furanowe, dimetyloeter czy też paliwa solarne), ale ich efekty nie znalazły praktycznego zastosowania. Owszem były próby przemysłowego wytwarzania tych paliw w projektach typu demonstracyjnego, ale niektóre firmy realizujące procesy produkcyjne, po zakończeniu możliwości dofinansowania tych projektów z funduszy unijnych albo zaprzestały tej produkcji, albo też przeniosły tą produkcję do krajów, w których normy środowisko we nie istnieją lub też ich wymagania są znacznie niższe od wymagań europejskich. Prowadzono zatem równolegle prace nad technologiami tak zwanych paliw alternatywnych, czy paliw otrzymywanych z różnych surowców, w tym odpadowych, które mogłyby być substytutami paliw naftowych, od powiadającymi wymuszeniom współczesnych silników spalinowych i jednocześnie spełniającymi wymagania odpowiednich norm. Początkowo były to paliwa określane jako WtL lub WtG (ang. waste to liquid, waste to gas). Później spektrum surowcowe rozszerzono o wszystkie możliwe surowce na dające się do przetworzenia na ciekłe lub gazowe nośniki energii, określając te procesy jako xtL lub xtG. Doprowadziło to do powstania koncepcji paliw silnikowych określanych mianem drop-in-biofuels lub ogólniej drop-in-fuels, co oznacza, że można wytwarzać paliwa silnikowe z dowolnych surowców w zdefiniowanym, tak zwanym cyklu życia (LCA – Life Cycle As sessment) określającym możliwie naj mniejsze obciążenia środowiskowe, przy jednoczesnym spełnieniu środo wiskowych wymagań silnikowych, do tyczących paliw w obliczonym cyklu WtW (well to wheel – od źródła do koła). Analiza cyklu życia WtW różni się od analizy cyklu życia LCA, ponieważ nie bierze pod uwagę energii i emisji związanych z budową pojazdów, ani aspektów związanych z końcem cy klu życia produktu. Substancje typu drop-in-fuels mogą stanowić samoistne paliwa silnikowe lub komponenty do tych paliw w dowolnym stężeniu, o ile powstałe w ten sposób paliwo spełnia wymagania jakościowe norm europejskich na benzyny silnikowe lub odpowiednio oleje napędowe. Ostatnio do polskiej ustawy biopaliwowej zamierza się wprowadzić tak zwane ciekłe lub gazowe paliwa węglowe, mieszczące się w grupie paliw określanych jako RFNBO (ang. re newable fuels of non biological origin). Nie wnikając w szczegóły złożonych procesów technologicznych, procesy przetwarzające różnego typu surowce odpadowe, a nawet węgiel prowadzą głównie do otrzymywania gazu syntezowego jako uniwersalnego nośnika energii lub gazowych i ciekłych frakcji popirolitycznych. Realizacja tych procesów prowadzonych dla otrzymania frakcji, mogących być wykorzystanych jako nośniki energii jest jednak wysoce energochłonna i może być prowadzona dla określonej grupy surowców, zawierających w składzie elementarnym zarówno węgiel jak i też wodór. Przyjętym w świecie wskaźnikiem efektywności energetycznej prowadzonych procesów upłynniania lub zgazowania różnych surowców, które prowadzą do otrzymywania nośników energii jest wskaźnik EROEI (ang. energy returned on energy invested) określający stosunek energii włożonej w proces technologiczny od etapu pozyskania i przygotowania surowców do energii uzyskanej z wy tworzonych produktów. Wskaźnik ten pośrednio także charakteryzuje efektywność ekonomiczną danego procesu (koszty energii włożonej w dany proces) oraz możliwe oddziaływania środowiskowe wynikające z pochodzenia energii włożonej. Zgodnie z danymi literaturowymi żaden z procesów realizowanych według dotychczasowych technologii nie wykazuje wartości EROEI większej od jedności. Rozważania możliwości wykorzystania energii pochodzącej w całości ze źródeł odnawialnych do tej pory praktycznie nie znalazły efektywne go zastosowania. Ponadto aktualne metody pozyskiwania niezbędnych dla realizacji procesów pirolizy ilości wodoru tak zwanego „zielonego” nie mieszczą się praktycznie w gospodarce o obiegu zamkniętym, nie mówiąc o wodorze „białym” czy też „złotym”. Myślę zatem, że jeszcze długo korzy stać będziemy z paliw naftowych. Możliwe będzie dalsze komponowanie tych paliw z udziałem komponentów stanowiących drop-in-fuels wytwarzanych w różnych technologiach i  z  różnych surowców, być może z udziałem RFNBO.

Wspomniał Pan Profesor o wodorze w różnych kolorach. Czy zatem tak zwana gospodarka wodorowa do prowadzi do powszechnego wykorzystywania wodoru także jako paliwa silnikowego?

Umownie przyjęte kolory wodoru określają możliwe surowce i sposób otrzymywania wodoru. Wodoru nie można produkować, można go jedynie otrzymywać, pozyskiwać z dostępnych źródeł w naturze. Zielony wodór jest to wodór otrzymywany w wyniku elektrolizy, coraz trudniej dostępnej wody czystej, zdejonizowanej i odsolonej. Złoty wodór może być uzyskiwany w wyniku fermentacji bakteryjnej pozostałości węglowodorowych pozostających po wyczerpanych przemysłowo złożach ropy naftowej. Poza tymi umownie przyjętymi „kolorami” wodoru sklasyfikowano wodór: zielony, niebieski, szary, czarny, brązowy, różowy (zamiennie z: czerwonym, purpurowym lub karmazynowym), turkusowy oraz żółty. Wspomniany prze ze mnie biały wodór, czyli poprawnie „wodór naturalnego pochodzenia”, jest to wodór który może znajdować się w skalnych złożach podziemnych, występujący w świecie w różnym stopniu rozproszenia. Ostatnie badania wykazują możliwe duże zasoby tego wodoru. Jest także kilka teorii na temat powstawania tego wodoru. Obecności białego wodoru w skorupie ziemskiej stwierdzono w wiosce Boura- kébougou w Mali, gdzie pod koniec lat osiemdziesiątych ubiegłego wie ku, podczas wiercenia studni wiertnicy natknęli się na strumień niemal czyste go wodoru. Wodór ten został później wykorzystany przez generator do wytwarzania energii elektrycznej. W ten sposób po raz pierwszy stworzono schemat technologiczny wytwarzania energii z naturalnego wodoru o wydajności około 5 Mg wodoru rocznie (98% wodoru, 1% metanu i 1% azotu). Do tej pory w tym regionie wykonano i prze testowano 13 odwiertów zawierających wodór na obszarze około 25 km2. Później dodatkowe dowody na obecność podziemnych zasobów białego wodoru pojawiły się w USA, Australii, Albanii, Hiszpanii, Omanie, Francji i w niektórych innych krajach. Aktualnie w świecie kilkadziesiąt startupów aktywnie angażuje się w wiercenia poszukiwawcze, a znani inwestorzy zintensyfikowali działania w tym zakresie. Należy sądzić, że największe ilości wodoru powinny znajdować się w formacjach skalnych głęboko osadzonych, co potwierdza wzrost stężenia wodoru wraz ze wzrostem głębokości wiercenia (doświadczenia z wierceń próbnych w regionie Lotaryngii we Francji). Wprawdzie istnieje już światowa ma pa potencjalnych zasobów wodoru naturalnego, ale jest ona oparta na niezbyt potwierdzonych danych, a jej weryfikacja wymagać będzie bardzo dużych nakładów finansowych, nie mówiąc o kosztach wydobywania tego wodoru oraz możliwych skutkach środowiskowych. Jednak pozyskiwanie i wykorzystywanie wodoru niesie wie le rozpoznanych i jeszcze więcej nie rozpoznanych negatywnych skutków, ponieważ perspektywy wykorzystania wodoru w gospodarce niskoemisyjnej są przeszacowane. W perspektywach wdrażania gospodarki wodorowej z zasady nie są uwzględniane koszty wdrażania tej gospodarki oraz możliwe negatywne skutki środowiskowe. Już wiemy, że efekty wykorzystania wodoru w energetyce są jednak pomijalnie małe, z wyjątkiem jego wykorzystania na dużą skalę w rafinacji ropy naftowej w procesach odsiarczania ropy naftowej lub produktów ropo pochodnych. Ciepło masowe spalania wodoru jest prawie 2,5 razy większe niż ciepło spalania metanu. Jednak gęstość wodoru jest ponad 8 razy mniejsza niż gęstość gazu ziemnego. W związku z tym objętościowe ciepło spalania wodoru jest znacznie mniejsze niż metanu. W rezultacie, aby osiągnąć te same współczynniki konwersji energii, konieczne jest przepuszczenie przez system transportowy objętości wodoru około trzy razy większej niż objętość metanu. Co więcej, wodór ma najmniejszy rozmiar atomowy ze wszystkich pierwiastków i bardzo wysoką reaktywność chemiczną. Szyb kość spalania wodoru jest wyższa niż gazu ziemnego. Prędkość propagacji laminarnego płomienia wodorowego jest 10 razy większa niż gazu ziemne go. Wodór ma niską energię aktywacji płomienia. Te, a także kilka innych parametrów, pokazują przewagi wodoru nad gazem ziemnym, ale znacznie rzadziej wspomina się o tym, że te same wskaźniki również powodują po ważne problemy. Tak więc, gdy czysty wodór oddziałuje z większością metali, dochodzi do korozji wodorowej. Pod czas spalania wodoru istnieje możliwość rozprzestrzeniania się płomienia przed nim (cofnięcie się płomienia) z możliwością samozapłonu. W zakresie pozytywów środowiskowych, dane w tym zakresie nie mają podstaw merytorycznych. Podczas spalania wodoru w mieszaninach z metanem uzyskuje się 10%-ową redukcję emisji CO2 przy stężeniu wodoru powyżej 20%, a redukcję CO2 o 50% tylko wtedy, gdy stężenie wodoru w mieszaninie wy nosi już około 70%. Z uwagi na to, że temperatura spalania wodoru przekracza 2000°C, to przy spalaniu wodoru w powietrzu powstają wykładniczo tlenki azotu, których aktywność cieplarniana jest około 300 razy wyższa niż ditlenku węgla. Dystrybucja wodoru i jego magazynowanie zawsze powoduje powstawanie – przy każdej operacji w tych procesach – śladowych wycieków wodoru. Przy przejściu go spodarki na gospodarkę wodorową suma śladowych wycieków może mieć znaczącą wartość, co stanowi istotne obciążenie środowiska, ponieważ oddziaływanie cieplarniane wodoru jest jedenastokrotnie groźniejsze niż oddziaływanie ditlenku wegla, a poza tym nie wiemy czy i jak wodór będzie mógł reagować z azotem zawartym w atmosferze, tworząc amoniak. Chyba ze względów społecznych lub po litycznych nie uwzględnia się bardzo ważnego, być może najważniejszego faktu, że przy stosowaniu wodoru, za równo w technologii spalania, jak i też w ogniwach paliwowych, dochodzi do poważnego wzrostu powstawania głównego gazu cieplarnianego to jest pary wodnej, znacznie zwiększającej albedo Ziemi. Proces ocieplania Ziemi na skutek zwiększenia ilości pary wodnej w atmosferze jest już bardzo istotny, ale nie nagłaśniany i w efekcie może zaburzyć całkowicie obieg wody oraz powodować nieodwracalne skutki środowiskowe. Stąd jestem sceptyczny wobec promowania, bez pełnej wiedzy przyrodniczej i technicznej, a także wdrażania tak zwanej gospodarki wodorowej. Wiemy, że na początku Wszechświata był wodór. Ja nie chciałbym doczekać czasów, w których na końcu też będzie wodór.

Od wielu lat pełni Pan Profesor funkcję przewodniczącego Komisji Konkursowej na Międzynarodowych Targach „Stacja Paliw”. Jak Pan ocenia poziom merytoryczny tych Targów, ich potrzebę branżową i społeczną oraz perspektywy ich rozwoju?

Rzeczywiście znam Targi od ich pierwszej edycji. Początkowo jako relatywnie młody pracownik naukowy Zakładu Materiałów Pędnych i Smarów Wojskowej Akademii Technicznej w charakterze zwiedzającego, później jako gość Organizatorów, a od wielu lat ja ko przewodniczący Komisji Konkursowej prezentowanych rozwiązań zgłoszonych do konkursu. Od długiego czasu uczestniczę w wielu Światowych Targach Postępu Naukowego i Wynalazczości jako członek lub osoba funkcyjna w Międzynarodowym Jury tych Targów i z pełną odpowiedzialnością mogę stwierdzić, że Targi „Stacja Paliw” – nasze Targi nie odbiegają, a nawet przewyższają poziom wystawienniczy podobnego typu imprez światowych, w których uczestniczyłem. Oczywiście nie oczekuję, że na naszych Targach prezentowane będą rozwiązania perspektywiczne, co wynika z charakteru tych Targów. Pamiętajmy o tym, że współczesne stacje paliw są obiektami wielofunkcyjnymi, która mają za zada nie zabezpieczyć wszelkie bieżące potrzeby kierowców, pojazdów oraz osób podróżujących. Dlatego też, oceniając proponowane rozwiązania, które są prezentowane w rzeczywistości jako działające i funkcjonalne, dzielimy je na kategorie istotne dla zabezpieczenia potrzeb pojazdu i jego użytkowników. Stąd też kategorie naszej oceny jako Komisji Konkursowej uwzględnia ją aspekty techniczne, w tym zachowanie jakości paliw i bezpieczeństwa środowiskowego oraz użytkowania systemów dystrybucji, nie tylko paliw, ale także innych płynów eksploatacyjnych, kosmetyczne (myjnie, kosmetyki samochodowe), bytowe, a także społeczne. Na każdych kolejnych Targach spotykam się z nowymi, już praktycznie stosowanymi rozwiązaniami w każdym z tych obszarów. Na jednej z edycji Targów ocenialiśmy nawet funkcjonujące rozwiązanie w postaci myjni dla psów. Było to dla mnie intrygujące, ale po zapoznaniu się z prezentowaną myjnią dostrzegłem sens tego rozwiązania dla podróżujących z psami. Wykąpanie bernardyna lub mastafa w łazience domowej jest dużym przedsięwzięciem logistycznym, a proponowane rozwiązanie, za niewielka opłatą umożliwiało dokonanie higienicznego, pełnego zabiegu w sposób niestresujący dla zwierzęcia. Podaję ten przykład dla potwierdzenia możliwego wzrostu funkcjonalności stacji paliw. Sądzę, że nasze Targi, być może jako jedyne wyspecjalizowane targi branżowe na świecie, mają przed sobą jeszcze wiele lat życia, ponieważ mobilność jest jednym z głównych czynników rozwoju, a zapewnienie odpowiedniego komfortu realizacji tej mobilności jest celem budowy i eksploatacji współczesnych stacji paliw, przy uwzględnieniu postępującej de gradacji środowiska i bezpieczeństwa eksploatacji samochodów w pełnym zakresie oraz ze szczególnym uwzględnieniem potrzeb podróżujących.

Wywiad ukazał się w wydaniu 2/2025 „Paliwa Płynne”