Strona główna

Wywiad dla Działu Ochrony Środowiska firmy Ikea, grudzień 2003


Pobieranie 18.99 Kb.
Data19.06.2016
Rozmiar18.99 Kb.
Wywiad dla Działu Ochrony Środowiska firmy Ikea, grudzień 2003

Wojtek Grochala jest 30-letnim polskim chemikiem. Po ukończeniu doktoratu pracował na Uniwersytecie Cornell (USA) u Prof. Roalda Hoffmanna, laureata Nagrody Nobla z Chemii (1981) nad teoretycznym projektowaniem nowych rodzin materiałów nadprzewodzących (tzn. przesyłających prąd bez żadnych strat energii), a potem u Prof. Petera Edwardsa na Uniwersytecie w Birmigham (Wielka Brytania) nad syntezą takich substancji. W tym samym czasie rozwijał teoretyczne podstawy magazynowania paliwa wodorowego w stałym stanie skupienia. Teraz pracuje na macierzystym Wydziale Chemii UW nad budową stałego baku na paliwo wodorowe. Ponadto, współpracując z ośrodkami naukowymi w Oksfordzie, Cambridge, Birmingham, Edynburgu, Leicester, Daresbury, Cornell, Berkeley, Waszyngtonie oraz Ljubljanie kontynuuje swoje badania nad nadprzewodnictwem i pamięcią molekularną.

Udało nam się porozmawiać z Wojtkiem o jego pracach nad ogniwami paliwowymi. Może to ostatnia szansa na taki artykuł? Jeśli dostanie Nobla już się nie dostaniemy do niego tak łatwo …
EWKO: Kiedy powstały pierwsze ogniwa paliwowe i dlaczego do tej pory nie zostały wdrożone na szeroką skalę?

Wojtek Grochala: Dużą wiarę w to, że kiedyś wodór i tlen będą używane jako źródło energii, miał już Juliusz Verne, (Tajemnicza wyspa, 1874r.) a pierwsze ogniwa paliwowe skonstruował w 1839r. Sir William Robert Grove. Jednak prawdziwy renesans ogniw paliwowych nastąpił w latach 60-80 ubiegłego wieku (ale to brzmi, prawda?), gdy NASA używała je jako pojemne "akumulatory" w statkach kosmicznych. Do dziś ogniwa wodorowo-tlenowe nie są stosowane na szeroką skalę głównie z powodu cen.

EWKO: Gdzie ogniwa paliwowe mogą być stosowane?

W.G.: Są różne ogniwa paliwowe; fachowo dzielimy je na niskotemperaturowe (alkaliczne, z membraną wymieniającą proton, na kwas fosforowy), i jeszcze kilka rodzajów działających wyłącznie w wysokich temperaturach (powyżej 600 stopni Celsjusza). Paliwem do tych ogniw mogą być wodór, metanol, metan czy ciekłe paliwa kopalne. Służą one jako stacjonarne lub przenośne źródła energii do zasilania tak naprawdę wszystkiego, w tym np. małej wioski na Alasce, do napędzania autobusów (6 takich autobusów jeździło testowo w Chicago i Vancouver w latach 1999-2001, przy czym ogniwa paliwowe służyły tu jako „silnik i akumulator w jednym”), a w najbardziej zminiaturyzowanej formie - laptopów czy telefonów komórkowych. Nota bene przewiduje się, że pewien rodzaj ogniw - metanolowe (nie wodorowe) - wyprze wkrótce nawet (bardzo dynamicznie przecież rozwijane) baterie litowe w przyrządach „przenośnych” takich właśnie, jak te powyżej wspomniane. Do tego rodzaju ogniwa po prostu co jakiś czas dolewa się metanolu (czyli tak nietypowo się je "ładuje"). Niektóre mogą działać nawet do 1 roku bez ładowania!

EWKO: Nas szczególnie interesuje zastosowanie ich w pojazdach. Jak sądzisz, ile lat potrzeba na stworzenie samochodu napędzanego ogniwami paliwowymi, który by mógł wejść do produkcji seryjnej?

W.G.: Pytanie niejako nieaktualne, bo ... samochody w wersjach próbnych już są, i każda duża kompania samochodowa traktuje jako punkt honoru stworzenie własnego modelu o "zerowej emisji zanieczyszczeń", w oparciu o ogniwa paliwowe. BMW 750 hL było pierwszym modelem. Teraz są już Toyoty, Hondy, Nissany, "freedom car" firmy General Motors etc. Od końca zeszłego roku jest już produkcja komercyjna, w ilości kilkunastu sztuk (Honda i Toyota, na rynkach kalifornijskim i japońskim), na początek jako prestiżowych zabawek dla bogaczy. Teraz ilości produkowanych samochodów będą po prostu rosnąć.

EWKO: Czy wodór jest rzeczywiście „zielonym paliwem”?

W.G.: Wodór jest powszechnie uważany za „najczystsze” ekologicznie i najbardziej przyjazne środowisku paliwo, gdyż w wyniku jego spalania w powietrzu lub tlenie produkowana jest wyłącznie woda. Jednak na razie wodór nie jest wcale paliwem „czystym”. Dzieje się tak dlatego, że największe ilości taniego wodoru produkowane są w reakcji metanu lub węgla kamiennego z wodą. A w reakcji tej wydziela się dwutlenek węgla, czyli sławetny „gaz cieplarniany”. Dla atmosfery ziemskiej jest oczywiście obojętne, czy emitowany CO2 pochodzić będzie bezpośrednio z „nieekologicznego” tradycyjnego samochodu na benzynę lub gaz, czy też pośrednio z produkcji „czystego” paliwa wodorowego w fabryce. Dlatego rozwijane są metody produkcji wodoru prosto z wody (z wykorzystaniem energii słonecznej bądź wiatru) tak, by zamknąć obieg wodoru i tlenu w przyrodzie. I by motoryzacja oparta o samochody na ogniwa paliwowe wodór/tlen była niemal 100% „zielona”. Osobiście podzielam nadzieję, że taka chwila nadejdzie w najbliższym półwieczu.

EWKO: O ile droższe są samochody napędzane ogniwami paliwowymi na wodór?

W.G.: Na razie są dużo droższe i stać na nie tylko najbogatszych. Składają się na to trzy przyczyny: droższy "silnik" i droższy bak (tj. magazyn wodoru). "Silnik" zawiera dwa drogie elementy: elektrody platynowe (bardzo drogi metal) oraz membranę (ale jej cena systematycznie spada). Nauka pracuje nad zastąpieniem aktualnie używanych materiałów (szczególnie platyny) nowymi tańszymi substytutami. Z kolei "bak" to jest właśnie ten element, nad którym ja pracuję. Na razie powszechnie używa się sprężonego lub ciekłego wodoru. Szczególnie ten drugi rodzaj dużo kosztuje, bo choć sam wodór - gazowy - można dość tanio otrzymać, to jego skroplenie i utrzymywanie w tym stanie, w temp. poniżej -2500C (tak, 250 stopni poniżej zera!) kosztuje bardzo drogo i wymaga wysokiej klasy "termosów". Ponadto, wodór to pierwiastek o najmniejszej cząsteczce chemicznej, jaką znamy, która bardzo łatwo przenika przez ścianki termosu. W rezultacie, nawet z grubego i ciężkiego baku zrobionego ze specjalnych stopów metali ucieka nam około 1.5% paliwa na dobę....To przykre uczucie postawić swój samochód w garażu i mieć świadomość, że cały czas "wycieka" z niego paliwo, i że po 2 tygodniach ubędzie go - bez jeżdżenia - około 20 %.... Z finansowego punktu widzenia problemem jest jednak głównie cena silnika. Producenci ogniw (w tym wiodąca kanadyjska firma Ballard) szacują, że cena tego rodzaju ogniw paliwowych spadnie do roku 2010 a najpóźniej 2020 tak znacznie, że zacznie być konkurencyjna w porównaniu z klasycznymi silnikami. Problem z bakiem polega głównie na bezpieczeństwie tego rozwiązania i problemach z dostosowaniem istniejącej infrastruktury (w Kalifornii, Japonii i na lotnisku w Monachium istnieją już osobne stacje "wodorowe"; jednak adaptacja do tego celu istniejących stacji benzynowych jest kosztowna).

EWKO: Czego dotyczą Twoje badania?

W.G.: Dotyczą zagadnienia magazynowania wodoru na potrzeby ogniw paliwowych. Chodzi o to, by zastąpić kłopotliwy bak na ciekły lub sprężony wodór zwykłym pojemnikiem na ... proszek, zawierający dużą ilość wodoru. Po lekkim ogrzaniu do ok. 1000C taki proszek produkowałby gazowy wodór, bezpośrednio używany w ogniwie. Z kolei po "rozładowaniu", byłby wymieniany na stacji paliwowej na nowy. Stary byłby ładowany w fabryce, albo - rozwiązanie idealne - bezpośrednio na stacji paliwowej. Zdecydowane zalety takiego proszku to zwiększone bezpieczeństwo. Obecnie stosowany sprężony wodór grozi rozprężeniem a w obecności powietrza i iskry może dojść do wybuchu. Proszek nie będzie miał takiej wady. Kolejna zaleta to dużo niższe koszty magazynowania paliwa, bez konieczności budowy termosów i utrzymywania w nich bardzo niskiej temperatury (chłodzenie kosztuje przecież dużo energii!). Trzecia zaleta, to łatwość operowania nim - proszek nie może się wylać, ulotnić itd.

EWKO: Gdzie jest źródło dotychczasowych niepowodzeń?

W.G.: Najważniejszy problem w zastosowaniu tej nowej technologii istnieje w równoczesnym spełnieniu czterech warunków: "bak" (proszek) musi posiadać dużą "pojemność" (tzn. zawierać dużo wodoru), być łatwo „ładowalny” pod niewielkim ciśnieniem gazowego wodoru, wydzielać wodór w niskiej temperaturze i oczywiście być tani. Istnieje wiele proszków, które spełniają jeden, dwa a nawet trzy warunki, ale nie istnieje taki, który spełniałby równocześnie wszystkie. Np. 1cm3 palladu magazynuje 1000-krotną objętość wodoru (!), zamieniając się w szary proszek. Bardzo łatwo wydzielić z niego wodór poprzez lekkie ogrzanie. Okazuje się jednak, że to i tak za mało, potrzebne jest 13-15 razy więcej wodoru. Ponadto, pallad jest drogi i gdyby chcieć w nim zmagazynować 4 kg wodoru (równowartość 45 litrowego baku benzyny), to cena takiego baku wyniosłaby ponad ... milion dolarów!

Trwają wiec poszukiwania bardziej "pojemnych" i tańszych proszków.



EWKO: Czy Twoje odkrycia mogą stać się przełomem w technologii magazynowania paliwa wodorowego?

W.G.: Jeśli odkryję materiał, spełniający wszystkie cztery warunki równocześnie, to będzie to prawdziwy przełom w tej dziedzinie. Nie działam jednak na ślepo, lecz w oparciu o stworzoną wcześniej przez siebie teorię. Konstruuję teraz laboratorium, by tę teorię sprawdzić i już w tej chwili, po roku badań, mam niezwykle obiecujące wyniki. Cały mój wysiłek badawczy jest skierowany na stworzenie precedensu: sprzedającego się na całym świecie, jak ciepłe bułeczki, produktu noszącego nalepkę "Polish High-Technology".

EWKO: A jak Twoje badania mogą przyśpieszyć upowszechnienie się wodorowych ogniw paliwowych?

W.G.: Obniżenie ceny ogniw paliwowych i stworzenie wydajnego, łatwego do ładowania i bezpiecznego baku na wodór, to dwa silnie związane zagadnienia. Choć postęp w pierwszej dziedzinie dokonuje się równolegle do postępów w drugiej, to rozwiązanie zagadnienia magazynowania wodoru spowodowałoby pojawienie się szansy na szybką komercjalizację ogniw paliwowych (a zatem zwiększenie funduszy i przyspieszenie badań nad substytutami platynowych elektrod i membrany). Poza tym, jak wspomniałem wcześniej ogniwa wodorowe wcale nie muszą być używane wyłącznie w transporcie. Mała wysepka Utsira w Norwegii ma być w najbliższych już latach pierwszym mikro-społeczeństwem świata, funkcjonującym w oparciu wyłącznie o energię wiatru i wodór. Już w tej chwili działają pola wiatraków na wietrznych wyspach Szkocji i "fermy" baterii słonecznych na Florydzie, które uzyskaną energię wykorzystują do produkcji wodoru. Wodór musi być gdzieś zmagazynowany i odkrycie przeze mnie idealnego "baku" dałoby silny bodziec do stworzenia i przetestowania próbnej infrastruktury dla "stałego paliwa wodorowego".

EWKO: Czy są inne technologie potencjalnie groźne jako konkurencja dla wodoru?

W.G.: Tak, choć nie myślę tu o energii jądrowej, która ma wielu krytyków, a raczej o syntezie paliw ciekłych z węgla kamiennego, którego zasoby - w przeciwieństwie do ropy naftowej - są jeszcze dość duże. Są to tzw. syntezy Fischera-Tropsha lub Bergiusa. Stosowała je np. RPA w okresie II wojny światowej, nie mając dostępu do ropy. Są to metody droższe niż eksploatacja ciekłych paliw kopalnych, ale maja ta zaletę, że można wykorzystać istniejącą już infrastrukturę przesyłu i dystrybucji ciekłego paliwa, i spalania tego paliwa w klasycznych silnikach samochodowych. Lobby tradycyjnych paliw i klasycznych środków transportu jest duże, bogate, i bardzo, bardzo wpływowe. To w istocie najpotężniejsze lobby na świecie. A "ekologiczność" i inne zalety paliwa wodorowego mogą ustąpić przed pragmatyzmem i geopolityką...

EWKO: Co może powstrzymać wynalezienie "polskiej technologii magazynowania wodoru"?

W.G.: Są dwa zasadnicze czynniki pozanaukowe, tj. konkurencja i finanse. Po pierwsze, takiej technologii szuka się w wielu laboratoriach na świecie i główna część tych badań jest tajnych. Trudno przewidzieć kto i kiedy może stworzyć taka technologie przede mną. Potrzebny jest tu łut szczęścia. Drugi czynnik, powiązany z pierwszym: finanse. W tej chwili moje skromne laboratorium ma środki na weryfikacje trzech z czterech warunków potrzebnych do powstania technologii. A konkurencja dysponuje milionami dolarów. W samych Stanach Zjednoczonych na projekt stworzenia paliwa wodorowego przeznaczy się 150 mln dolarów w ciągu najbliższych 3 lat, a na rozwój ogniw paliwowych kolejne 340 mln $. Z moimi ok. 50 tys. $ na badania w okresie 5 lat może być mi trudno pokonać konkurencje, wypróbować rożne ścieżki, przetestować rożne pomysły. Czasami braknie tej przysłowiowej kropli przepełniającej dzban, by móc zrobić ostatni krok i odnieść sukces. W najgorszym przypadku będę zmuszony dokończyć tworzenie tej technologii za granicą. Na szczęście pieniądze to nie wszystko, liczą się przede wszystkim pomysły.

EK-O


©snauka.pl 2016
wyślij wiadomość