17.03.2004
dr Wojciech Grochala
Rocznik 1972. Jeden z obiecujących polskich naukowców młodego pokolenia. Studia chemiczne na Uniwersytecie Warszawskim zrobił w cztery lata, doktorat w trzy, w marcu tego roku złożył habilitację na Wydziale Chemii UW. Stypendysta Fundacji na rzecz Nauki Polskiej, Fundacji Crescendum Est-Polonia, amerykańskiej Fundacji Kościuszkowskiej, brytyjskiego Royal Society.

Przez dwa lata pracował na słynnym Cornell University (USA) pod kierunkiem Roalda Hoffmanna, laureata Nagrody Nobla. Zajmował się projektowaniem nadprzewodników. Następnie przebywał w Photonics Research Ontario w Toronto (Kanada) i na Uniwersytecie Birmingham (Wlk. Brytania). To właśnie tam, współpracując z europejskim programem FUCHSIA, zainteresował się problemem baków na wodór. W 2002 roku wrócił na Uniwersytet Warszawski. Udało mu się uzyskać trzy granty na łączną sumę 50 tys. dolarów. "To śmiesznie mało jak na porządne badania eksperymentalne - mówi. - Ale i tak się cieszę, bo w Polsce to bardzo rzadki przypadek, że ktoś wraca z zagranicy i dostaje pieniądze na zbudowanie sobie od podstaw laboratorium".

Grochala ostatnio stara się o fundusze z NATO jako koordynator badań nad technologiami wodorowymi w kilku grupach badawczych z USA, Słowenii, Rumunii i Polski. W przyszłości myśli o opatentowaniu swoich wyników. Na nasze pytanie, czy wkrótce zostanie milionerem, odpowiada: "To zależy od tylu różnych rzeczy. Ale jeśli dopisze mi szczęście, kto wie?".

Auto z wiatrakiem na dachu.
Rozmowa z dr. Wojciechem Grochalą

Czy wodorowe auta będą równie nieszkodliwe jak czajniki?

Kiedy przesiądziemy się do aut na wodór?

Będzie jak z komórkami - 15 lat temu mało kto mógł sobie na nie pozwolić, dziś ma je prawie każdy, nawet po kilka sztuk. Przypuszczam, że ok. 2020 roku technologia wodorowa znajdzie się na podobnym etapie rozwoju jak telefony komórkowe przed 15 laty: wodór będzie tylko niewiele droższy od benzyny, ogniwo wodorowe od klasycznego silnika, a wodorowy bak od zwykłego zbiornika na paliwo.

To realny scenariusz?

Na science fiction nikt nie wykładałby tak olbrzymich pieniędzy. Sam rząd USA na stworzenie samochodu na wodór przeznacza 40 mln dolarów rocznie. Firmy prywatne dorzucają do tego 150 mln. Amerykański rządowy program rozwoju ogniw paliwowych, czyli odpowiednika dotychczasowych silników, to dodatkowe 340 mln dolarów plus proporcjonalnie większe pieniądze z firm prywatnych. NASA też ma swoje - najczęściej ściśle tajne - programy. W sumie w samych Stanach wydaje się więc na technologie wodorowe około miliarda dolarów rocznie.

Są jakieś konkretne rezultaty?

Już dziś po świecie jeździ pół setki samochodów na wodór z ogniwami paliwowymi. Kilkanaście prototypów zrobiło BMW w 1999 roku. W podobne projekty szybko zaangażowały się Honda i Toyota, a ostatnio General Motors. To dziś najważniejsi gracze, choć i mniejsze firmy uważają za punkt honoru, by wyprodukować swój model samochodu na wodór. Na razie takie auta jeżdżą na stałe na lotnisku we Frankfurcie, gdzie mają nawet specjalną stację "wodorową". Autobusy testowe kursowały też w Vancouver i Chicago, a od niedawna jeżdżą po Londynie. Zrobiono też pierwszy krok w stronę komercjalizacji - pod koniec 2002 roku Honda i Toyota wypuściły w Kalifornii i w Japonii pierwszych kilkanaście wodorowych aut na sprzedaż.

Droga taka limuzyna?

Kilka razy droższa od bardzo dobrego samochodu. Kosztuje nawet ćwierć miliona dolarów. Dlatego dziś to głównie modna zabawka dla zamożnych ludzi, którzy chcą pokazać, jak bardzo są ekologiczni. Na podobnej zasadzie w Niemczech sprzedaje się dwa rodzaje energii: tańszą, ale brudną i droższą, ale czystszą. Wielu wybiera droższą. Od takiej ekskluzywnej niszy odbiorców zaczyna każde novum...

Czajnik na kółkach

Po co w ogóle robić auta na wodór? Ze strachu przed efektem cieplarnianym? Przejmujesz się nim?

Ja nie bardzo Ale niektóre rządy tak. Wiele państw stawia coraz wyższe wymagania ekologiczne i to nakręca ten biznes. Islandia deklaruje chociażby, że ze względu na swoje źródła geotermalne już za 30 lat stanie się krajem korzystającym wyłącznie z energii odnawialnej. Ale Islandczycy nie załatwią przecież wszystkich swoich potrzeb za pomocą ciepłych źródeł. Domy ogrzeją, energię konieczną do zapalenia żarówek uzyskają - to fakt, ale muszą też mieć co wlać do baku.

Na przykład wodór?

Właśnie.

Czy wodorowe auta są rzeczywiście równie nieszkodliwe jak czajniki - z rur wydechowych wydobywa się wyłącznie para wodna?

To przyszłość. Na razie wodór wcale nie jest taki przyjazny dla środowiska. Choć podczas jego spalania zamiast dwutlenku węgla i innych zanieczyszczeń faktycznie powstaje tylko para wodna, to trzeba jeszcze uwzględnić, skąd się ten wodór wziął. Dziś jest on prawie w 100 procentach wytwarzany z ropy lub węgla. A dla przyrody to obojętne, czy dwutlenek węgla pochodzi bezpośrednio z nieekologicznego samochodu, czy pośrednio z produkcji paliwa wodorowego w nieekologicznej fabryce.

To dlaczego ekolodzy walczą o auta na wodór?

Bo wierzą, że wodór to wymarzone ekologiczne paliwo przyszłości. Wytwarzane z wody z całkowitym pominięciem paliw kopalnych. Już Jules Verne w 1874 roku pisał: "Wierzę, że przyjdzie dzień, gdy wodór i tlen, które razem tworzą wodę, będą użyte jako niewyczerpalne źródło ciepła i światła". To były prorocze słowa.

Ale woda sama się w wodór nie zamieni. Trzeba mieć do tego energię. Skąd ją brać?

Załóżmy, że nie będziemy korzystać z energii jądrowej, bo ona ostatnio nie jest zbyt lubiana i bywa niebezpieczna. Można jednak wykorzystać źródła odnawialne: promieniowanie słoneczne (np. na Florydzie czy Hawajach), wiatr (Szkocja, Szwecja, Norwegia), hydroenergię (Norwegia, Szwajcaria, Rumunia) czy wspomniane źródła geotermalne (Islandia). Są miejsca na Ziemi, gdzie wodór już dziś powstaje w sposób całkowicie ekologiczny z rozkładu wody. Choć w ten sposób wytwarza się co najwyżej jeden procent światowej produkcji wodoru, wielu marzy, że ta metoda dostarczy całkowicie czystego paliwa przyszłym pokoleniom. Problem w tym, że proces hydrolizy, czyli zamiany wody w wodór i tlen, ma na razie niewielką wydajność.

Po co zamieniać energię odnawialną w wodór zamiast od razu w prąd elektryczny?

Przecież nie możemy postawić sobie wiatraka na dachu samochodu! Dla potrzeb transportu najpierw trzeba energię gdzieś wytworzyć, potem ją zmagazynować, a na końcu wykorzystać. Jeżeli ma się fabrykę koło wiatraków, to oczywiście można się obejść bez wytwarzania i magazynowania wodoru. Ale - jak wspomniałem na przykładzie Islandii - do samochodowego baku prądu nie nalejecie.

Jak wycisnąć z węgla ropę?

Nie za wcześnie na przewidywanie nadejścia ery wodoru? Przecież zasoby paliw naturalnych wystarczą nam jeszcze na dziesięciolecia.

Niektóre prognozy zakładają, że pierwsze kłopoty z ropą pojawią się już za ok. 15 lat. Choć zapasy wystarczą co najmniej do roku 2050, to wcześniejsze problemy mogą wynikać z zachwiania relacji popyt-podaż. Za 20 lat Stany będą zużywać o 80 proc. więcej energii niż dziś. Co prawda jest jeszcze gaz, ale on skończy się wkrótce po ropie.

A węgiel?

Od węgla odchodzi się, choć będzie go pod dostatkiem jeszcze przez kilkaset lat. Podczas spalania węgla wydziela się znacznie więcej CO2 na jednostkę energii, a do tego dochodzą jeszcze zanieczyszczenia atmosfery związkami siarki i azotu. Ale to wcale nie znaczy, że następcą ropy nie zostanie właśnie węgiel. Możemy iść śladem RPA z czasów wojny, czyli wytwarzać paliwa ciekłe z węgla i wody. Jest to co prawda droższe, ale możemy nie mieć wyjścia. Ekolodzy szybko podniosą alarm, ale pewnie przestaną go podnosić, gdy nie będą mieli czym dojechać do pracy. Takie paliwa byłyby zbliżone właściwościami do ropy. Moglibyśmy je tankować na zwykłej stacji benzynowej do zwykłego samochodu i przesyłać zwykłym rurociągiem.

Czy potężne firmy paliwowe nie będą zatem tłumić rozwoju aut na wodór - przynajmniej do czasu wyczerpania zapasów paliw kopalnych?

Nie sądzę. To dla nich najlepszy moment, by wykupić ten biznes, zanim zacznie im zagrażać. Tylko muszą mieć co wykupić.

Wyobraźcie sobie, że teraz jestem najbogatszym facetem, ale za 50 lat moje zapasy się skończą. Co dziś robić z nadwyżką gotówki? Najlepiej zainwestować w dziedzinę, która zastąpi wydobycie ropy. Zarówno Arabowie, jak i Norwegowie odkładają znaczną część dochodów z ropy na fundusz dla przyszłych pokoleń. Mogą go teraz wykorzystać.

Gdy BMW wyprodukowało pierwsze pokazowe auta na wodór, to wyruszyły one w podróż dookoła świata właśnie z Dubaju, stolicy Zjednoczonych Emiratów Arabskich, jednego z głównych producentów ropy. Dlaczego? By pokazać, że są alternatywne rozwiązania wobec ropy, a szejkowie powinni się tej technologii bacznie przyglądać i współfinansować jej rozwój.

Paliwo ulotne niesłychanie

Załóżmy, że mamy już tani, ekologicznie wytwarzany wodór. Co dalej?

Trzeba go zmagazynować, czyli zrobić bak. Można postępować na trzy sposoby. Pierwszy, najbardziej popularny, to sprężanie gazu pod wysokim ciśnieniem. Niemcy już zatwierdzili do użytku samochodowe baki, do których wodór wtłacza się za pomocą 550 atmosfer. To straszne ciśnienie - butle muszą mieć bardzo grube ścianki, specjalne zawory. A w laboratoriach testuje się baki wytrzymujące nawet 800-1000 atmosfer.

Tyle że pojawia się tu problem: wodór ucieka. Nawet z najlepszych baków wylatuje dziennie ok. 1,5 proc. gazu. Po miesiącu jest więc go aż o 30 proc. mniej. Wodór ucieka, bo jest najmniejszą cząsteczką, która z ogromną łatwością przenika przez ciała stałe. To bardzo nieprzyjemne uczucie, jak człowiek płaci za coś, co mu potem znika.

Na dodatek bak, który wytrzymuje 800 atmosfer, musi być strasznie ciężki.

To kolejny problem. Żeby opłacało się taki bak wozić, to przy obecnych cenach paliwo - a więc czysty wodór - musi stanowić minimum 7 proc. jego wagi. Reszta to byłby złom utrzymujący w zamknięciu te kilkaset atmosfer. Gdyby gazu było mniej, energia wodoru z trudem wystarczałaby na wożenie baku. Dziś najlepsze baki są rzeczywiście potwornie ciężkie - po napełnieniu paliwo nie przekracza 13 proc. ich masy.

Ile takie auto będzie paliło na setkę?

Okazuje się, że te 13 proc. to wcale nie tak mało, bo wodór jest ponad 2,5-krotnie bardziej wydajny od benzyny. Takie auto zużywa ok. 1,6 kg wodoru na setkę. Do przejechania 600 km małym samochodem potrzeba więc 9,4 kg wodoru (to tyle co 35 litrów benzyny, czyli 25 kg). Wychodzi więc na to, że dla utrzymania tych niespełna 10 kg bak sam musi ważyć ponad 60 kg (dla porównania - waga zwykłego plastikowego baku na 50 l benzyny to ok. 5-7 kg).

A nie da się wodoru skroplić?

Do tego potrzeba nie tylko wysokiego ciśnienia, ale i ekstremalnie niskiej temperatury, rzędu minus 250° C, i skroplenie wodoru w rezultacie kosztuje bardzo drogo. Na dodatek bak musiałby być chłodzony przez cały czas, bo nie wystarczy tylko początkowe schłodzenie wodoru i zamknięcie go w szczelnej butli. Rezultat? Wozimy jeszcze cięższy bak niż w przypadku gazowego wodoru, który na dodatek jest lodówką pożerającą ogromne ilości energii. Jedyną zaletą jest to, że można w nim upchać trochę więcej wodoru niż tego sprężonego w postaci gazu.

Do tego wszystkiego czysty wodór nie jest chyba zbyt bezpiecznym paliwem?

Gdy złamie się zawór lub pęknie butla, to wodorowy bak staje się małą torpedą. A jeśli, nie daj Boże, powstanie w wyniku tarcia jakaś iskra, może nastąpić samozapłon lub wręcz wybuch wodoru wymieszanego z powietrzem. Ale i tak ryzyko jest mniejsze niż w wypadku benzyny, bo wodór jako lżejszy od powietrza dość szybko ucieka do góry. Po 11 września lęk przed paliwami wybuchowymi jest jednak irracjonalnie duży. Dlatego najlepiej, by paliwo przyszłości w ogóle nie wybuchało.

Wodór w proszku

Może więc paliwo wodorowe sproszkować?

No właśnie. Można to zrobić na dwa sposoby: fizyczny i chemiczny. Metody fizyczne wykorzystują np. takie małe rureczki szklane - można nimi łatwo wyładować bak, a potem pod niewielkim ciśnieniem załadować wodór, który się do nich poprzykleja. Nie zachodzi tam żadna reakcja chemiczna. Taki sposób przechowywania jest jednak mało wydajny - wodór stanowi góra 1 proc. ciężaru baku. Choć wielu ludzi próbuje dziś tę technikę ulepszać, ja w nią nie wierzę.

A w co wierzysz?

W chemię. Z tym że to też wymaga pracy. Najbardziej efektywne materiały, te zawierające od 5 do 20 proc. wodoru, to substancje, które uwalniają go w strasznie wysokich temperaturach. W zależności od proszku trzeba taki bak podgrzać od 250 do 800° C. Są też naturalnie materiały, które oddają wodór w temperaturze pokojowej, tyle że zawierają go co najwyżej 3,6 proc. W 1997 roku ukazała się przełomowa praca opisująca materiał, w którym wodór stanowi 5,5 proc. wagi i uwalnia się w temperaturze już 180° C. Ale nadal trzeba zbyt dużych ciśnień (rzędu kilkudziesięciu atmosfer), by załadować na nowo taki chemiczny zbiornik.

Jak wyglądałby więc idealny bak?

Byłby to taki cartridge z proszkiem w środku, który można by naładować na stacji "wodorowej" albo oddawać do wymiany. Wodór powinien uwalniać się z niego w temperaturze od 60 do 120° C. Ani mniej, ani więcej: nie może nam bowiem rozsadzać baku, jak słońce przygrzeje, ani też wymagać 200° C, czyli zużywać zbyt wiele energii. Po drugie, jak już się wodór uwolni, musi mieć ochotę załadować się z powrotem przy stosunkowo niskim ciśnieniu (kilku atmosfer). No i wreszcie bak powinien być tani, nietoksyczny i bezpieczny (np. nie może płonąć po rozsypaniu się proszku). Na razie prowadzę badania eksperymentalne nad pierwszym czynnikiem i teoretyczne nad drugim.

Są wyniki?

Odkryłem, że dobierając odpowiednio pierwiastki wchodzące w skład baku, można w zadziwiająco prosty sposób sterować temperaturą wydzielania wodoru. Dodaję różne substancje do znanych magazynów tego paliwa i staram się w ten sposób obniżyć temperaturę uwalniania gazu. Mówiąc po ludzku: dotąd wodór wylatywał przy temperaturze 400° C, u mnie dzieje się to już przy 200° C. To gigantyczna różnica, a jeszcze liczę na poprawę, finalnie na jakieś 80-100° C. Po dwóch latach badań niemal połowa moich eksperymentów jest ukończona. Wyniki teoretyczne ukazały się w tych dniach w marcowym numerze "Chemical Reviews". Jedynym problemem jest teraz poprawienie efektywności "przerobu" magazynów paliwa przez odpowiednie dodatki, czyli - mówiąc naukowo - kataliza.

Chemiczne łapska

Załóżmy, że mamy już taki idealny bak. Co dalej?

Wodoru możemy używać na co najmniej dwa sposoby: spalać jak zwykłą benzynę albo wykorzystywać w ogniwach paliwowych. Już od dawna znane są silniki hybrydowe pracujące na wodór albo na benzynę. To rozwiązanie ma jednak podobne wady jak wszystkie silniki spalinowe - wytwarza się dużo ciepła i traci energię, niepotrzebnie podgrzewając atmosferę.

Dlatego kiedy będziemy już mieli wodoru pod dostatkiem, dominować będą ogniwa wodorowe. To taki "cichy chemiczny silnik", który spala wodór w tlenie lub powietrzu na zimno, bez płomienia, bez hałasu, niczym klasyczne ogniwo (bateryjka). Dzięki tej technologii można uzyskać bardzo wysoką wydajność wytwarzania energii. Energia chemiczna paliwa zamieniana jest bezpośrednio w prąd, który napędza silnik elektryczny; straty cieplne są małe. Samo ogniwo paliwowe to bardzo sprytny wynalazek pewnego angielskiego lorda jeszcze z XIX wieku.

Na jakiej zasadzie działa ogniwo?

Składa się ono z dwóch komór (do jednej doprowadzany jest wodór, do drugiej tlen lub powietrze) przegrodzonych membraną. Membrana to taka chemiczna ośmiornica: ma łapy (oczywiście chemiczne), które przesuwają w jednym kierunku protony (kationy wodoru). Ważnym elementem ogniwa są również elektrody, zresztą bardzo drogie, bo platynowe. Ale to nie tylko ceny elektrod czy membrany powodują, że ogniwa wciąż nie mogą wejść do masowej produkcji. Światowe zasoby platyny po prostu nie wystarczyłyby do wytworzenia setek milionów ogniw koniecznych do powstania odpowiedniej liczby aut.

Dlaczego w ogniwach używa się akurat platyny?

Bo to niezwykły metal. Wyobraźmy sobie, że przylatuje na jej powierzchnię wodór składający się z supertrwałych cząsteczek H2, które trzeba by podgrzewać do gigantycznych temperatur, by zechciały się rozpaść na atomy. Platyna to magiczny materiał, który robi to samo w temperaturze pokojowej i dodatkowo odbiera od atomów wodoru elektrony.

Czy ogniwa mają inne zastosowanie prócz samochodów?

Jak najbardziej - mogą mieć wielkość od baterii w komórce aż do rozmiarów małego domku. Takie gigantyczne ogniwa stoją sobie np. w Anchorage na Alasce i produkują energię elektryczną dla małej wioski. Te samochodowe mają wielkość porównywalną z rozmiarami tradycyjnego silnika spalinowego. Podejrzewam, że już za dziesięć lat nawet telefony komórkowe będą zasilane nie bateriami litowymi, ale właśnie malutkimi ogniwami. To się wydaje niesamowite, ale pomyślmy - jeszcze 15 lat temu nikt nie marzył o miniaturowych bateriach litowych, które działają przez tydzień. Dziś to norma, co sprawia, że telefon, podobnie jak komputer sprzed kilku lat, jest najzwyklejszym technologicznym śmieciem.

Sławomir Zagórski, Tomasz Żuradzki

Źródło: http://serwisy.gazeta.pl/nauka/1,42547,1962254.html?as=1&ias=3#dalej