Ogniwo paliwowe nie jest w zasadzie żadnym nowym wynalazkiem. Już w roku 1838 niemiecko – szwajcarski fizyk Christian Friedrich Schönbein odkrył jego działanie, kiedy to dwa platynowe przewody zanurzone w rozcieńczonym kwasie siarkowym, zaczął omywać wodorem lub tlenem.

Zbudowany w roku 2009 norweski serwisowiec „Viking Lady” wyposażony jest w ogniwa paliwowe o mocy 320 KW produkcji MTU Friedrichshafen. Zapewniają one statkowi czystą i niezawodną energię elektryczną. Foto Marine Traffic.

Na początek nieco historii. Ogniwo paliwowe nie jest w zasadzie żadnym nowym wynalazkiem. Już w roku 1838 niemiecko – szwajcarski fizyk Christian Friedrich Schönbein odkrył jego działanie, kiedy to dwa platynowe przewody zanurzone w rozcieńczonym kwasie siarkowym, zaczął omywać wodorem lub tlenem. Między obydwoma przewodami zauważył przepływ prądu elektrycznego. Do tego samego wniosku doszedł w rok później angielski fizyk Sir William Grove. Tym samym obydwaj uczeni uchodzą za wynalazców ogniwa paliwowego. Ówczesny świat entuzjastycznie przyjął nowy wynalazek z nadzieją zastąpienia nim węgla i maszyn parowych. Juliusz Verne już w 1875 roku, w swojej znanej nam wszystkim powieści „Tajemnicza wyspa”, włożył w usta umierającego kapitana Nemo te słowa: „Woda jest węglem przyszłości. Energia jutra to woda, gdzie jej rozłożone elementy zapewnią w najbliższe przyszłości energię naszej planecie ...”.

Wynalezienie przez Wernera Siemensa prądnicy, która była znacznie prostsza w produkcji i obsłudze, sprawiło że na długi czas zapomniano o ogniwach paliwowych. Dopiero w latach pięćdziesiątych powrócono do prac nad tym źródłem energii. Szczególnie zainteresowały się nimi służby wojskowe i badanie kosmosu. W roku 1963 zainstalowano po raz pierwszy ogniwa paliwowe na statkach kosmicznych projektu Gemini i Apollo.

Ogniwo paliwowe jest ogniwem galwanicznym, które reakcję chemiczną między paliwem i środkiem utleniającym przetwarza bezpośrednio w energię elektryczną. Jest to o wiele wydajniejsze niż w przypadku silników spalinowych – odpadają wszystkie stopnie termodynamiczne.

Paliwem jest wodór, zaś środkiem utleniającym najczęściej tlen. Co ważne – ogniwa paliwowe nie gromadzą energii jak np. akumulatory, a jedynie ją przetwarzają. Wielką ich zaletą jest zastosowanie uzyskanego w systemie regeneracji wodoru jako paliwa. Praktycznie wydalanie szkodliwych dla środowiska substancji sprowadzone jest wtedy do zera. Dzięki temu ogniwa paliwowe mają ogromny potencjał dla obniżenia dekarbonizacji systemów energetycznych i napędowych.

Jak funkcjonuje ogniwo paliwowe? A więc wodór w kontrolowanej reakcji łączy się z tlenem - powstaje woda. Pojedyncze ogniwo składa się z anody, elektrolitu i katody. Po stronie anody katalizator dzieli wodór na protony (H+) i elektrony (e-). Protony wędrują poprzez elektrolit do katody, gdzie łączą się z elektronami i tlenem z powietrza. Niby nic. Ale w wyniku tej reakcji powstaje energia elektryczna i wiekla ilość ciepła. Dla uzyskania większej mocy całego urządzenia, łączy się pojedyncze ogniwa w szeregi (w stosy), tak jak zwiększa się moc silnika poprzez dodawanie kolejnych cylindrów.


Schemat działania ogniwa paliwowego

Ogniwa paliwowe są lżejsze niż np. akumulatory i bardziej niezawodne niż generatory. Do tego nieprawdopodobnie ciche. Można je bezproblemowo uruchomić nawet po bardzo długim okresie bezczynności. Ma to niebagatelne znaczenie w awaryjnym zabezpieczeniu energii elektrycznej. Poza tym ogniwo paliwowe jako źródło energii do silników elektrycznych jest bardziej efektywne niż silnik spalinowy. Chociażby ze względu na stały moment obrotowy i lepszą regulację. Ogniw paliwowych zasilanych wodorem nie należy mylić z silnikami spalinowymi pracującymi na wodór. To zupełnie coś innego!

W zasadzie ogniwa paliwowe można stosować bez ograniczeń tam, gdzie chodzi o źródło energii elektrycznej. Niestety, poważnym ich mankamentem jest bardzo wysoki koszt wytwarzania, transportu i magazynowania wodoru jako paliwa. Dlatego pierwsze ich zastosowanie znalazło miejsce tam, gdzie koszty nie grają większej roli, a więc militaria i badanie kosmosu.

Jak do tej pory ogniwa paliwowe sprawdziły się przede wszystkim jako awaryjne agregaty prądotwórcze u takich odbiorców jak centra obliczeniowe, banki, szpitale, pływalnie, czy niewielkie osiedla. Dla tego sektoru wyprodukowano ich już tysiące sztuk.

Są idealne w halach fabrycznych do napędu wózków widłowych i innych pojazdów przemysłowych. Szczególnie tam, gdzie praca na trzy zmiany nie pozwala na długi czas ładowania akumulatorów, a napęd spalinowy nie wchodzi w rachubę. Przede wszystkim w USA jest to szczególnie preferowane.

Oczywiście, ogniwa paliwowe nadają się jak najbardziej do ruchu drogowego. Także tutaj USA jest liderem. Do roku 2019 w USA sprzedanych zostało ponad 7000 samochodów osobowych z napędem ogniwami paliwowymi. W Japonii 3200. Natomiast w Niemczech wg. stanu na październik 2020 zarejestrowanych było tylko 507. Prym w produkcji samochodów osobowych napędzanych ogniwami paliwowymi wiedzie Azja: Toyota Mirai, Hyundai ix35FCEV i Hyundai Nexo. Jeżeli chodzi o samochody ciężarowe, to temat jest jeszcze w sferze projektów, badań i doświadczeń.

Natomiast w żegludze zastosowanie ogniw paliwowych idzie opornie. Chociaż oczywiście i w tym zakresie próbuje się je wprowadzić do do użytku. Na początek na mniejszą skalę, na wody śródlądowe - na jeziora czy fiordy. Również dla statków przybrzeżnych i promów portowych. Niestety, koszt i możliwość komercyjnego tankowania wodoru jest tutaj głównym problemem. Magazynowanie zapasu płynnego lub gazowego wodoru w zbiornikach na pokładzie jest również bardzo ograniczone. Rozwiązaniem jest metanol, z którego można wytrącić wodór. Dużą jego zaletą jest to, że potrzebuje mniej przestrzeni składowej niż wodór i interwały między tankowaniem można wydłużyć. Ale wszystko to leży jeszcze w sferze projektów i badań.

Naturalnie, pływają już statki z napędem ogniwami paliwowymi, chociaż w sumie praktycznie jeszcze doświadczalne. Np. w roku 2009 w Amsterdamie podjął służbę niewielki statek pasażerski „Nemo H2” z napędem dwoma polimerelektrolitycznymi ogniwami paliwowymi o łącznej mocy max. 80 KW. W tymże samym roku zainstalowano ogniwo paliwowe ze stopionym węglanem o mocy 320 KW, na norweskim serwisowcu „Viking Energy”. Jest on pierwszym statkiem pełnomorskim, którego silniki główne pracują na gaz ziemny (LNG), natomiast ogniwo paliwowe służy jako agregat prądotwórczy. Statek całkowicie innowacyjny. Do dzisiaj służy jako obiekt badań nad wykorzystaniem alternatywnych źródeł energii. Aktualna fachowa prasa donosi, że „Viking Energy” w najbliższym czasie wyposażony zostanie w nowe ogniwa paliwowe o mocy 2 MW, które pracować będą na „zielony” wodór uzyskany z amoniaku. Byłoby to pierwsze ogniwo paliwowe tego typu na świecie.


Zbudowany w 2003 roku „Viking Energy” posiada ogniwa paliwowe wyprodukowane w MTU Friedrichshafen. Identyczne zresztą jak tytułowy „Viking Lady”.
„Viking Energy” otrzyma wkrótce nowe, unikatowe ogniwa które dostarczy fińska Wärtsilä. Foto infosperber.


Zasada działania siłowni „Viking Energy”, gdzie głównym paliwem do produkcji wodoru będzie amoniak (NH3).

Wszyscy z nas znają oddany niedawno do (eksperymentalnej) eksploatacji berliński pchacz „Elektra” którego napęd, obok baterii akumulatorów, stanowią trzy ogniwa paliwowe firmy Ballard o łacznej mocy 300 KW. Ale trzeba sobie uczciwie powiedzieć - na masową, komercyjną eksploatację tego rodzaju jednostek musimy jeszcze (nie trochę) poczekać.

Koniecznie trzeba wspomnieć o nowatorskim zastosowaniu ogniw paliwowych na okrętach podwodnych Niemieckiej Marynarki Wojennej, gdzie koszty jak wiadomo nie odgrywają większej roli. Otóż wszystkie sześć najnowszych jednostek typu 212 A, jako jedyne na świecie wyposażone są w ogniwa paliwowe produkcji Siemensa. Mają łączną moc 306 KW. Dzięki napędowi ogniwami paliwowymi okręty w zanurzeniu są nieprawdopodobnie ciche i mogą przebywać pod wodą trzy tygodnie bez uzupełniania tlenu. Cztery identyczne jednostki zostały zbudowane dla włoskiej marynarki wojennej.

Ruszyło się już coś także w projektowaniu napędu dużych statków morskich za pomocą ogniw paliwowych. Np. norweska stocznia Havyard w Lervik i Sogn, powołała do życia własną firmę – córkę o nazwie Havyard Hydrogen AS, której zadaniem jest projektowanie niezawodnego napędu dużych statków morskich za pomocą ogniw paliwowych. Naturalnie, budowane mają być w (bardzo niedalekiej) przyszłości u Havyarda.

Zalety ogniw paliwowych jako źródeł energii elektrycznej:

- wysoka sprawność, która wynosi 50% ( diesel 40%)
- napęd czystym wodorem nie powoduje żadnej emisji poza parą wodną. Żadnego dwutlenku węgla, tlenku azotu i żadnych cząstek stałych (pyłu).
- bezszmerowa eksploatacja
- niskie koszty eksploatacji (brak części ruchomych)
- kompletny brak wibracji
- neutralne dla klimatu, jeżeli produkcja prądu następuje z energii odnawialnej, lub tzw.„zielonego” wodoru
- idealne do zastosowania w odległych zakątkach kuli ziemskiej

Ogniwa paliwowe zasilane wodorem, są jednym z najlepszych, najczystszych źródeł energii którymi do tej pory dysponujemy. Trzeba jednak pokonać masę przeszkód aby mogły być źródłem energii przyszłości. Obok wielu zalet ogniwa paliwowe mają niestety także wady, których przezwyciężenie jest nie lada wyzwaniem dla konstruktorów i przemysłu. Przede wszystkim musi być opanowana „czysta” i tania produkcja wodoru.

Jak wszystkim wiadomo, wodór jest najczęściej spotykanym pierwiastkiem we wszechświecie. Nie istnieje jednak sam od siebie, trzeba go wyodrębniać poprzez elektrolizę z wody, lub mineralnych związków węgla. Procesy te nazwane są substrakcją wodoru i zużywają wielkie ilości energii - nawet więcej niż później uzyskana. Poza tym obydwa procesy są bardzo drogie.

Używając do produkcji wodoru paliw mineralnych, tracimy w sumie jego ekologiczne zalety w porównaniu z np. energią wiatrową. Do tej pory ok. 95% produkcji wodoru to tzw. wodór „szary”, pozyskiwany z węgla lub gazu ziemnego. Koszt produkcji wodoru „szarego”, w porównaniu z wodorem „błękitnym” lub „zielonym” jest co prawda stosunkowo niski, jednak powstające w wyniku reakcji wielkie ilości dwutlenku węgla, skutecznie zatruwają atmosferę. I tutaj potrzebny jest zdecydowany postęp w produkcji wodoru, aby ogniwa paliwowe spełniały kładzioną w nich nadzieję, jako przyjaznego dla środowiska źródła energii.

Potrzebne inwestycje i wysokie koszty surowców takich np. jak platyna, skutecznie odstraszają potencjalnych inwestorów i producentów. Poza tym technologia produkcji ogniw paliwowych, mimo długich lat projektowania i doświadczeń, jest jeszcze niedojrzała do masowego, komercyjnego wykorzystania. Wszystko rozbija się o koszty, które dzisiaj są o wiele wyższe niż innych źródeł energii. Także składowanie i transport wodoru jest o wiele bardziej skomplikowany niż paliw mineralnych, gdzie zwykły rurociąg wystarcza. Poza tym infrastruktura od dziesiątek lat stosowanych paliw mineralnych jest gotowa, a przestawienie się na wodór wymaga ogromnych inwestycji!

No i nie można zapominać że wodór jest gazem bardzo łatwopalnym...
Kilka własności wodoru. Wodór jest najlżejszym gazem w naszym universum. Jest 14 razy lżejszym od powietrza. Wykorzystywany jest zarówno w postaci lotnej, jak i płynnej. Aby sprowadzić wodór do postaci płynnej, w jakiej jest najczęściej transportowany i magazynowany, trzeba go schłodzić do temp. - 259,2 °C (jedynie hel ma niższą temp. - 268,9 °C). W postaci płynnej objętość wodoru zmniejsza się 800 razy. Można go również transportować w postaci gazowej, ale wtedy ciśnienie w zbiornikach musi mieć 350 – 700 bar. Wyobraźmy sobie jakie to koszty!

Jedną z firm pracujących nad rozwojem ogniw paliwowych było MTU Friedrichshafen, gdzie przepracowałem prawie 25 lat. MTU znane jest przede wszystkim jako producent doskonałych silników diesla, a ogniwa paliwowe były raczej marginesowym „geszeftem”. Niemniej badania nad ich wdrażaniem do seryjnej, komercyjnej produkcji trwały 30 lat. W latach 1999 – 2011 wyprodukowano 26 stacjonarnych ogniw (tzw. Schmelzkarbonat – Brennstoffzellen), które do dzisiaj pracują w szpitalach i centrach obliczeniowych. Mają moc elektryczną 245 KW i termiczną 180 KW. Sprawność 50%. Temperatura gazów z reakcji wodór – tlen, osiąga 400 stopni. Pracują na gaz biologiczny, ściekowy lub metan. W 2008 rozszerzono ofertę o silniejsze ogniwa o mocy elektrycznej 345 KW i termicznej 245 KW.


Ogniwo paliwowe produkcji MTU Friedrichshafen typu hotmodule, przeznaczone do stacjonarnego wytwarzania energii elektrycznej i termicznej.

Wszystko na nic. W roku 2011 MTU wycofało się z wszelkich prac nad ogniwami paliwowymi. Ich produkcja okazała się za droga, komercyjnie nieopłacalna, a ogniwa mało konkurencyjne z innymi, tańszymi źródłami energii. Ich zalet jakoś nie brał nikt pod uwagę. Zysk najważniejszy! Ten krok kosztował koncern Tognum, do którego należała wtedy MTU Friedrichshafen, 60 milionów euro.
Ale co się odwlecze... Nie minęło dziesięć lat, a w lipcu zeszłego roku ukazała się w elektronicznej gazecie „mtu report” wiadomość, o wznowieniu produkcji ogniw paliwowych!!!

W obecnej sytuacji energetycznej, ekologicznej i klimatycznej, nie można marnować lat doświadczeń w produkcji tak przyjaznego środowisku źródła energii jakim są ogniwa paliwowe. Poza tym nacisk polityki na przemysł, jest dzisiaj ogromny. Jak najszybciej wycofać się z paliw mineralnych!

Na zakończenie jeszcze osobista dygresja. Mój młodszy syn Marcin (35) ukończył studia na Wyższej Szkole Technicznej w Karlsruhe i pracuje jako inżynier doświadczalny w Zakładach Boscha w Stuttgarcie. Naturalnie nad rozwojem ogniw paliwowych! Świat jest mały...

Mirek Rajski