Wodorowy transport lotniczy. Udało się przy rakietach, z samolotami nie będzie tak łatwo

Gdy rzeczywistość wokół, w tym informowanie o kryzysie klimatycznym, zmienia się w mem i infosferową nawalankę, popularne, zwłaszcza po kolejnych szczytach klimatycznych, jest pokazywanie map samolotowych, na których zaznaczone są prywatne loty milionerów/polityków ich jetami (lub dowolnie cokolwiek, przecież kto to sprawdza?). A obok jakiś 20-letni samochód jest przyklejony i smętny tekst pada o tym, jak to bogacze chcą nam zabrać prawo do poruszania się tym przechodzonym volkswagenem, a sami to sobie latają na kolację. Problem w tym, że istotnie, rozłożenie ciężarów związanych z dostosowaniem się ludzi do nowych polityk klimatycznych jest bardziej, niż nierównomierne ekonomicznie. Problem też w tym, że z tak wysoce emisyjną awiacją dalej nie polecimy i coś z tym poważnie trzeba zrobić.

Na łamach najnowszego numeru czasopisma naukowego Amerykańskiego Towarzystwa Chemicznego „ACS Sustainable Chemistry & Engineering” ukazała się praca na temat zasilania ekologicznego lotnictwa wodorem. Uczeni z Massachusetts Institute of Technology (MIT), czyli bardzo prestiżowego ośrodka tak badań aeronautycznych, jak i analiz komputerowych, stworzyli model badający wodorową elektryfikację regionalnych i krótkodystansowych samolotów turbośmigłowych.

Jest to opowieść o wykorzystaniu starych, ale nadal jarych technologii, stworzonych niegdyś dla astronautyki i rozwijanych w ramach kolejnych kryzysów paliwowych (II Wojna Światowa, początek lat 70. XX w. etc.). Kryzysy paliwowe jednak, w przeciwieństwie do kryzysu klimatycznego, mijały. Ropa każdorazowo ostatecznie z różnych względów taniała na tyle, by opłacało się ją spalać bardziej, niż cokolwiek innego. Dziś sytuacja zdaje się być nieco inna. Atrakcyjność wodoru jako źródła energii w awiacji polega na tym, że jego stosowanie nie wytwarza CO₂ i zapewnia więcej energii na kg, niż istniejące paliwo lotnicze.  Transformacja energetyczna jest zaś, podobnie jak kiedyś boom motoryzacyjny, konkretnym trendem ekonomicznym, do którego się trzeba dostosować lub przepaść.

H2 na ratunek? Pomysł na silnik napędzany wodorem ma dwa stulecia

Wodór jako paliwo poruszał umysły już pod koniec XIX w., gdy w 1820 William Cecil opublikował dzieło On the application of hydrogen gas to produce a moving power in machinery”, gdzie opisał zalety silnika napędzanego wodorem – traktując go, przyznaję, niczym silnik parowy, który „poruszy tłoki”, gdyż spalanie wodoru w powietrzu zapewnia niemałe ciśnienie. Rakiety i samoloty stały się przedmiotem badań nad paliwem wodorowym w latach 50. XX w., gdy firma Lockheed Corporation pracowała nad prototypem samolotuSultan napędzanego wodorem. 27 listopada 1963 na Przylądku Canaveral odbył się zaś udany start rakietyAtlas LV-3C Centaur-B o napędzie wodorowo-tlenowym. Na tej samej zasadzie działały silniki europejskiej rakietyAriane.

Punkt zaczepienia dla dzisiejszych analiz zatem nawet by się znalazł, a skoro zaś tak bardzo nie cierpimy owych prywatnych jetow i śmigłowców, nich one pierwsze się przestawią – zdaje się sugerować wspomniana praca naukowa oparta o modelowanie komputerowe. Co zatem proponują nam uczeni z MIT? Pomagają swym modelem „ustalić priorytety działań rozwojowych”. Według ich obliczeń, przejście na loty zasilane wodorem może zmniejszyć emisję CO₂ w przemyśle lotniczym nawet o 90 proc. Zanim to jednak nastąpi, trzeba zacząć od małych kroków – także maksymalizując bezpieczeństwo – i starać się „przestawić  na wodór” tzw. transport lotniczy na małe odległości. Zwłaszcza w okolicach, gdzie paliwo wodorowe i tak jest już produkowane. Chodzi tu o wykorzystanie infrastruktury, która już istnieje, chociażby w Hamburgu czy Barcelonie.

Uczeni pod kierunkiem Anny Cybulsky obliczyli, że dodatkowa masa zbiornika paliwa wodorowego i ogniw paliwowych wsadzona w istniejący samolot (czyli trochę ten pomysł przypomina „przerobienie auta na gaz”, a nie zupełnie nową konstrukcję od podstaw) musiałaby zostać zrekompensowana redukcją masy w innych miejscach, na przykład poprzez zmniejszenie obciażenia użytecznego samolotu, czyli ładunku lub pasażerów. Może to jednak oznaczać konieczność większej liczby lotów, aby dostarczyć ten sam ładunek – a czas pracy pilota, czy zmęczenie materiału, z którego zbudowany jest samolot, to też koszty bezpośrednie awiacji, których się nie da zaniedbać.

Model zespołu sugeruje jednak, że poprawa mocy ogniw paliwowych i wskaźnika grawimetrycznego układu paliwowego (masa paliwa w stosunku do masy pełnego zbiornika paliwa) może pomóc w wyeliminowaniu konieczności redukcji ładunku. „Minimalna redukcja ładunku byłaby potrzebna do zasilania samolotów regionalnych do 1000 mil morskich, jeśli można osiągnąć moc charakterystyczną dla systemu ogniw paliwowych wynoszącą 2 kW/kg i indeks grawimetryczny zbiornika wynoszący 50 proc.” – objaśniają autorzy w swej pracy.

Przy wodorze najważniejszą kwestią jest łańcuch dostaw

Problem także w tym, że gdy zaczniemy ów wodór transportować cysternami na spore odległości w celu wykorzystania jako paliwa na konkretnym lotnisku, zwłaszcza jakimś lokalnym i niewielkim, poziom ryzyka związanego z wybuchowością wodoru oraz po prostu emisyjność całego tego projektu zaczyna gwałtownie rosnąć. To nie jest novum, że problemem z wykorzystaniem paliwa wodorowego nie jest zasadniczo brak konstrukcji zdolnych ów wodór spalać, by dawać czystą energię, co wytwarzanie i dostępność samego surowca paliwowego i zapewnienie infrastruktury jego ekonomicznie opłacalnego i środowiskowo bezpiecznego wytwarzania i dystrybucji.

W amerykańskim modelu zastosowano dwie symulacje ekologicznego pozyskiwania paliwa wodorowego: reforming gazu ziemnego (wydobywanie wodoru z gazu metanowego) w połączeniu z wychwytywaniem dwutlenku węgla, co jednak wymaga dostępu do infrastruktury sekwestracji CO₂ – a to jest naprawdę poważne wyzwanie. Oczywistą opcją wydaje się zatem elektroliza wody, przeprowadzana przy użyciu energii elektrycznej z elektrowni jądrowej lub odnawialnych źródeł. Tu jednak z kolei niezbędne byłyby niemałe nakłady w tworzenie nowych i modernizację istniejących sieci elektrycznych. Przy czym warto zauważyć, że w ramach radzenia sobie z kryzysem klimatycznym i nadmiernymi emisjami, owa modernizacja i tak jest pierwszym i najważniejszym, co trzeba zrobić. Niepomijalne są tu jednak determinowane lokalnie ceny energii elektrycznej, która miałaby być wykorzystana do owej elektrolizy.

Znów może się okazać – i wracam tu do początku moich dzisiejszych rozważań – że zgodnie z ewangeliczną zasadą tym, którzy mają, będzie jeszcze dodane, a tym, którzy nie mają, zabiorą nawet to niewiele, co posiadają. Jest jasnym, że jak zauważają autorzy amerykańskiego badania: „sektor lotniczy jest trudny do dekarbonizacji, ponieważ samoloty wymagają dużej mocy i energii na jednostkę masy. (…) Uśredniony koszt ciekłego wodoru na poziomie zaledwie 3,5 EUR/kg pokazuje natomiast ścieżki dla Europy w celu osiągnięcia konkurencyjnej cenowo produkcji.”

Źródło: Challenges of Decarbonizing Aviation via Hydrogen Propulsion: Technology Performance Targets and Energy System Trade-Offs