Woda, wodór i węgiel surowcami przyszłości

3W: Woda-Wodór-Węgiel to inicjatywa Banku Gospodarstwa Krajowego, której celem jest wsparcie świata nauki i biznesu w rozwoju nowoczesnych technologii w przemyśle, energetyce i medycynie. O tym, jak wykorzystać potencjał wodoru, wody i węgla do zwiększenia innowacyjności i konkurencyjności polskiej gospodarki, dyskutowano podczas konferencji Impact’21 w Poznaniu.

Z analiz Banku Gospodarstwa Krajowego (BGK) wynika, że trzy zasoby, czyli woda, wodór, węgiel, w istotny sposób wpłyną na rozwój technologii innowacyjnych. – 30 lat temu świat zrewolucjonizowało powstanie światowej sieci WWW. Obecnie stoimy u progu kolejnego cywilizacyjnego przełomu, zmiany sposobu, w jaki korzystamy z danych nam zasobów naturalnych, a zwłaszcza trzech z nich: wody, wodoru i węgla (kolejne 3W). W oparciu o te zasoby, które są fundamentem życia na Ziemi, zbudujemy naszą przyszłość – stwierdziła w swoim wystąpieniu podczas Impact’21 Beata Daszyńska-Muzyczka, prezes zarządu Banku Gospodarstwa Krajowego.

W opinii szefowej polskiego państwowego banku rozwoju, aby móc skutecznie wdrażać rozwiązania 3W, potrzebna jest ścisła współpraca naukowców, biznesu i sektora publicznego. Równie istotne jest budowanie świadomości obywateli, że ich codzienne decyzje mają wpływ nie tylko na klimat i otaczające nas środowisko, lecz także na to, jaka jest kondycja polskich przedsiębiorstw i stan naszej gospodarki. By osiągnąć sukces, potrzebny jest integrator, który z jednej strony będzie łączył potencjalnych naukowych i biznesowych partnerów, a z drugiej pomoże stworzyć przyjazny dla nich ekosystem. – My jako instytucja finansowa chcemy w tym procesie uczestniczyć. Podejmujemy się roli łącznika między różnymi środowiskami, by działać na rzecz zrównoważonego rozwoju i zwiększania konkurencyjności polskiej gospodarki – podkreśliła prezes BGK.

Woda źródłem życia

Idea 3W, która wychodzi naprzeciw wyzwaniom związanym z transformacją gospodarki w kierunku zeroemisyjności, ma ambicję łączyć ze sobą innowacyjne rozwiązania naukowe, gospodarcze i legislacyjne. „Sprawy związane z transformacją gospodarki oraz dążeniem do zrównoważonego rozwoju już teraz budzą ogromne zainteresowanie opinii publicznej. Dlatego rozpoczynamy projekt od informowania środowiska naukowego, przedsiębiorców i przedstawicieli sektora publicznego o możliwym nowym spojrzeniu na zagadnienia związane z wodą, wodorem i węglem. Jednocześnie trwają poszukiwania inicjatyw z kręgu 3W, które mogą zostać włączone w formułę przedsięwzięcia” – czytamy w przygotowanym przez BGK raporcie „Idea 3W. Perspektywy rozwoju”, który premierę miał podczas konferencji Impact’21. Dokument prezentujący założenia idei 3W zawiera m.in. przegląd technologii z obszaru wody, wodoru i węgla nieenergetycznego, które będą przyszłością zeroemisyjnej i zrównoważonej gospodarki. Autorzy raportu wskazują też na problemy związane z dostępnością i wykorzystaniem tych strategicznych zasobów.

 Jednym z zasobów, bez których nie byłoby życia na Ziemi, jest woda. Paradoks związany z wodą polega na tym, że chociaż pokrywa ona ok. 70 proc. powierzchni naszej planety, to tylko mniej niż 1 proc. stanowi woda pitna, bez której ludzie i zwierzęta przeżyć mogą zaledwie kilka dni. Mimo że światowe zasoby wody pitnej maleją i staje się ona surowcem zarządzanym geopolitycznie, wciąż marnujemy jej potężne ilości. Globalne ocieplenie oznacza dla wielu regionów problemy z gospodarką wodną. Jednym z państw, które już teraz mają problemy hydrologiczne, jest Polska. Przykładem tego są częste i długie susze rolnicze – będą one bardziej dotkliwe w miarę postępowania zmian klimatu. Są one wynikiem nieprawidłowej melioracji wodnej, spadkiem liczby dni z pokrywą śnieżną, regionalnych zmian w rocznej wielkości opadów oraz wzrostem parowania wskutek rosnących temperatur.

Jak wskazała Beata Daszyńska-Muzyczka, w porównaniu do innych państw Europy Polska nie posiada bogatych zasobów wody pitnej. W naszym kraju na mieszkańca przypada rocznie ok. 1,6 tys. m sześc. wody, ale w okresach suszy liczba ta spada nawet do 1,1 tys. m sześc. Tymczasem średnia w Europie jest trzykrotnie wyższa i wynosi ok. 5 tys. m sześc. Dlatego ważne są szeroko zakrojone strategie dotyczące retencji i ponownego wykorzystania wody oraz jej oczyszczania. Niezmiernie istotne jest też budowanie świadomości społecznej w racjonalnym gospodarowaniu wodą. Statystyczny Polak bezpośrednio zużywa ok. 100 l wody dziennie, a jego ślad wodny (czyli zużycie pośrednie w konsumpcji towarów i usług), wynosi już prawie 3,9 tys. l. Ogromne ilości wody potrzebne są do produkcji żywności (np. ślad wodny kilograma wołowiny może wynosić 15 tys. l). Dlatego zdaniem uczestniczącego w dyskusji eksperckiej prof. Zbigniewa Kundzewicza, hydrologa i klimatologa, członka Polskiej Akademii Nauk, trzeba ten ślad wodny redukować, wprowadzając gdzie tylko się da nowoczesne technologie.

Dostawy wody mają kluczowy wpływ na stabilny rozwój gospodarczy kraju, więc rozwój technologii wspierających retencję czy oczyszczanie wody będzie miał pozytywne skutki gospodarczo-ekonomiczne. Dlatego w ramach inicjatywy 3W podejmowane mają być prace nad rozwijaniem m.in. technologii wtórnego wykorzystania wody, pozyskiwania wody pitnej oraz umiejętnego, oszczędnego gospodarowania jej zasobami.

Polska może stać się potęgą wodorową

Zmiana w kierunku zeroemisyjności odciśnie szczególne piętno na energetyce, transporcie i przemyśle. Dla tych sektorów, obciążonych wysoką intensywnością emisji gazów cieplarnianych, ogromną nadzieją jest wodór. Pierwiastek ten może być źródłem energii, który zastąpi elektrownie węglowe czy opalane koksem piece hutnicze.

Jak podkreślono w raporcie BGK, zalety wykorzystania wodoru są już teraz dostrzegane przez przedsiębiorców – coraz więcej firm rozpoczyna własne projekty wodorowe i angażuje się w działania związane z tym pierwiastkiem, tworzy klastry, doliny wodorowe czy prowadzi eksperymenty infrastrukturalne. Rozwój przemysłu wodorowego to szansa dla podmiotów, które chcą zbudować swoją przewagę w przemyśle innowacyjnym. Skorzystać mogą na tym np. kraje Trójmorza, dla których transformacja energetyki to jeden ze wspólnych celów. Polska ma szansę stać się globalnym liderem we wdrażaniu technologii wodorowych. – Nasz kraj pod względem produkcji wodoru zajmuje 3. miejsce w Europie i 5. na świecie – stwierdziła prezes BGK, dodając, że już obecnie to paliwo jest wykorzystywane w wielu sektorach polskiej gospodarki. Farmy wiatrowe, które produkują zielony wodór, autobusy i pociągi wodorowe to wcale nie jest pieśń przyszłości. To rzeczy, które już się dzieją.

Dynamiczny rozwój konkurencyjnego przemysłu wodorowego wymaga wsparcia ze strony państw oraz organizacji międzynarodowych. Takie strategie, mechanizmy i narzędzia wspomagające rozwój gospodarki wodorowej tworzone są już m.in. w Europie. W 2020 r. Komisja Europejska uchwaliła dokument „Strategia wodorowa dla neutralnej klimatycznie Europy”, który wyznacza plany działań na przestrzeni krótkoterminowej (do 2030 r.) oraz długoterminowej (do 2050 r.). Nad własną strategią wodorową pracuje również Polska. Projekt dokumentu „Polska strategia wodorowa do roku 2030 z perspektywą do 2040 roku” został zaprezentowany w styczniu 2021 r. przez Ministerstwo Klimatu i Środowiska, a następnie przekazany do konsultacji społecznych. Zakłada on intensywny rozwój krajowych oraz lokalnych kompetencji w zakresie wytwarzania kluczowych komponentów z łańcucha wartości wodoru. Projekt przewiduje wiele celów składających się na kompleksowe wdrożenie technologii wodorowych w gospodarce.

Rozwiązania wodorowe mają trafić do naszego sektora energetycznego, transportowego oraz do przemysłu. Polska ma zainwestować w nowe instalacje produkcji wodoru oraz w sieci przesyłu. Pomóc ma w tym utworzenie stabilnego otoczenia regulacyjnego. Zdaniem Piotra Dardzińskiego, prezesa Sieci Badawczej Łukasiewicz, z technologiami wodorowymi związane są wielkie nadzieje, ale też obawy. Dlatego należy podjąć działania informacyjne, które pozwolą przekonać społeczeństwo, że są to technologie bezpieczne. – Zainteresowanie projektami wodorowymi jest bardzo duże wśród firm. A w realizacji tego typu projektów pomaga system ulg na badania i rozwój – zapewnił Piotr Dardziński.

Obecnie aż 95 proc. światowej podaży wodoru to efekt przetwarzania paliw kopalnych, głównie gazu i węgla, a także lekkich frakcji ropy naftowej. W zależności od surowca, wodór taki nazywa się „szarym”, „brązowym” lub „czarnym”. Ubocznym efektem tych reakcji jest dwutlenek węgla, czyli gaz cieplarniany, którego emisja powinna być redukowana w ramach wyhamowywania zmiany klimatu. Dlatego najbardziej pożądany jest wodór „zielony”, wytwarzany dzięki energii elektrycznej pozyskiwanej z czystych źródeł. Problemem jest ekonomia – produkcja „zielonego” wodoru w ramach elektrolizy to wciąż przedsięwzięcie bardzo kosztowne, niekonkurencyjne wobec wodoru uzyskiwanego z paliw kopalnych. Wszystko wskazuje jednak na to, że ze względu na wymogi polityki klimatycznej produkcja „zielonego” wodoru będzie w najbliższych latach zyskiwała na znaczeniu. – Im więcej będziemy mieli zielonej energii tym więcej będziemy mogli produkować „zielonego” wodoru. Źródłem „zielonego” wodoru nie będą małe przydomowe instalacje, tylko te związane z dużym biznesem. To nie będzie model prosumencki, tylko przemysłowy – stwierdził Piotr Dardziński.

Jak wykorzystać właściwości węgla?

Trzecim strategicznym zasobem, który zgodnie z ideą 3W można szeroko wykorzystywać w nowoczesnych technologiach, jest węgiel. Jego innowacyjne zastosowania można znaleźć już dzisiaj w medycynie, farmakologii, kosmetologii bądź budownictwie. Ale o węglu myślimy przede wszystkim jako o paliwie, które po spaleniu zanieczyszcza powietrze. Dlatego BGK chce wspierać zastosowanie węgla nieenergetycznego w nowoczesnych technologiach.

Jak podkreśliła Beata Daszyńska-Muzyczka, węgiel jest pierwiastkiem, który występuje we wszystkich żywych organizmach. Jako pierwiastek węgiel występuje pod wieloma postaciami, które mają odmienne i bardzo cenne właściwości. Dzięki nowym wynalazkom powraca on w zupełnie innych zastosowaniach. Grafen, fulereny, nanorurki węglowe czy węgiel aktywny niosą ze sobą ogromny potencjał. Pozwalają tworzyć lżejsze i trwalsze materiały inżynieryjne, co umożliwia ich stosowanie w wielu branżach: elektronice, medycynie, budownictwie, przemyśle kosmicznym, lotnictwie i motoryzacji. Nowe materiały z nanocząstek węgla mogą także pomóc w rozwiązaniu problemów emisyjnych powodowanych przez energetyczne wykorzystanie węgla kamiennego i brunatnego.

Mówiąc o węglu, musimy jednak rozróżniać pierwiastek i surowiec. Węgiel jako pierwiastek występuje pod wieloma postaciami, które mają odmienne właściwości fizyczne. W zależności od tego: może być miękki (grafit w ołówkach) lub twardy (diament w szlifierkach), dobrze przewodzić elektryczność (grafen) lub być dobrym izolatorem (diament nie przewodzi prądu elektrycznego). Jego wielopostaciowość pozwala na wiele zastosowań. Przykładem jego nowatorskiego zastosowania są nanorurki węglowe, czyli puste rurki składające się ze zwiniętego grafenu, tj. materiału o grubości jednego atomu węgla. Ta unikalna struktura i towarzyszące jej właściwości nadają nanorurkom węglowym szczególny charakter, dając im nieograniczony potencjał w zastosowaniach związanych z nanotechnologią.

Perspektywa Europejskiego Zielonego Ładu oraz trwającej transformacji energetycznej Polski zmienia w sposób istotny nasze podejście do węgla. Przyszłość węgla jest związana z jego wykorzystaniem jako budulca materiałów przyszłości, nie zaś z jego energetycznym zastosowaniem. Jak stwierdził Paweł Smoleń z firmy Smart Nanotechnologies, obecnie prowadzonych jest w Polsce wiele projektów nad nowatorskimi zastosowaniami węgla. Coraz lepsza jest też współpraca między placówkami badawczymi a biznesem. Ale zdarza się, że dobre pomysły zderzają się z regulacjami prawnymi, które nie nadążają za rozwojem technologii. Dużym wyzwaniem jest też kształtowanie świadomości inwestorów i końcowego konsumenta, co może dać rozwój nanotechnologii.

Dzięki inicjatywie 3W świat nauki, w którym powstają nowatorskie rozwiązania oraz technologie, zbliży się do świata biznesu. Stworzone zostaną narzędzia ułatwiające współpracę pomiędzy wynalazcami a firmami zainteresowanymi komercjalizacją tych innowacji oraz instytucjami finansowymi, które pomogą znaleźć środki na odważne projekty rozwojowe.

(ar)

Polska ma szansę stać się globalnym liderem we wdrażaniu technologii wodorowych. – Nasz kraj pod względem produkcji wodoru zajmuje 3. miejsce w Europie i 5. na świecie – stwierdziła prezes BGK, dodając, że już obecnie to paliwo jest wykorzystywane w wielu sektorach polskiej gospodarki. Farmy wiatrowe, które produkują zielony wodór, autobusy i pociągi wodorowe to wcale nie jest pieśń przyszłości. To rzeczy, które już się dzieją.

Perspektywa Europejskiego Zielonego Ładu oraz trwającej transformacji energetycznej Polski zmienia w sposób istotny nasze podejście do węgla. Przyszłość węgla jest związana z jego wykorzystaniem jako budulca materiałów przyszłości, nie zaś z jego energetycznym zastosowaniem.

WODA \ Woda zajmuje 71 proc. powierzchni naszej planety. Zasoby wodne to przede wszystkim otwarte zbiorniki pokrywające powierzchnię Ziemi (oceany, morza, jeziora, rzeki i stawy). Wody oceaniczne oraz morskie stanowią 97,5 proc. zasobów wodnych świata. Niestety ze względu na ich zasolenie nie nadają się do spożycia. Pozostała niewielka część (2,5 proc.) to woda słodka, która w dużej mierze uwięziona jest w lodowcach i śniegach, a tylko ok. 1 proc. zasobów wodnych naszej planety to wody słodkie, będące źródłem wody pitnej (pokłady znajdujące się pod ziemią).

WODÓR \ Aż 95 proc. jego podaży to efekt przetwarzania paliw kopalnych, głównie gazu i węgla, a także lekkich frakcji ropy naftowej. W zależności od surowca wodór taki nazywa się „szarym”, „brązowym” lub „czarnym”. Jednak najbardziej pożądany jest wodór „zielony”, wytwarzany dzięki energii pozyskiwanej z czystych źródeł.

WĘGIEL \ Jako pierwiastek występuje on pod wieloma postaciami, które mają odmienne właściwości fizyczne. W zależności od tego może być miękki (grafit w ołówkach) lub twardy (diament w szlifierkach), dobrze przewodzić elektryczność (grafen) lub być dobrym izolatorem (diament nie przewodzi prądu elektrycznego).