Wodór to najlżejszy gazowy pierwiastek chemiczny, a przy tym najczęściej występujący we wszechświecie. Składa się z zaledwie jednego protonu i krążącego wokół niego elektronu. Jednocześnie ze względu na łatwość wchodzenia w związki chemiczne niezwykle rzadko pozostaje w stanie wolnym. Słabo rozpuszcza się w wodzie, ma wysoką wartość opałową, a przy tym nie ma zapachu i barwy. Znaczenie wodoru jest nieocenione i wiele wskazuje na to, że wciąż będzie wzrastać wraz z rozwojem technologicznym ludzkości. Pierwiastek ten ma w sobie wszystko, czego potrzeba, aby w przyszłości z powodzeniem zastąpić będące na wyczerpaniu paliwa kopalne.

Zastosowanie wodoru już obecnie jest bardzo szerokie. Korzystają z niego przemysł spożywczy, chemiczny i petrochemiczny, a także metalurgiczny. Można go również wykorzystywać do chłodzenia. Największe nadzieje budzą jednak jego właściwości fizyko-chemiczne, które pozwalają stosować go jako bezemisyjne paliwo przyszłości i nośnik energii. Dostęp do dobrodziejstw niesionych przez ten pierwiastek jest tu jednak znacząco utrudniony. Produkcja wodoru to obecnie jedyna metoda na otrzymanie go w postaci cząsteczkowej. Sam proces może nie jest aż tak skomplikowany, ale wymaga zastosowania odpowiednich technologii oraz urządzeń. Tania i ekologiczna produkcja wodoru to jednak cel wielu badaczy i naukowców. Technologie jego pozyskiwania z pewnością będą się rozwijać i staną się szerzej dostępne.

Wytwarzanie wodoru w oparciu o paliwa kopalne

Jeżeli wodór w przyszłości ma zastąpić paliwa kopalne, to aktualna sytuacja jest nieco przewrotna. Najbardziej rozpowszechnione i najwydajniejsze obecnie sposoby wytwarzania wodoru opierają się bowiem o procesy chemiczne z wykorzystaniem energii z gazu ziemnego, ale również węgla kamiennego czy w mniejszym stopniu z ropy naftowej. Paliwa kopalne służą więc produkcji paliwa ekologicznego. Wśród najbardziej znanych i najtańszych metod wytwarzania wodoru wymienić należy reforming gazu ziemnego parą wodną o temperaturze 700-1000°C. Paliwo stanowi tu zazwyczaj metan. Dodawana jest do niego woda, w wyniku czego powstaje gaz syntezowy zawierający wodór. Produkty uboczne – dwutlenek węgla, tlenek węgla oraz inne gazy cieplarniane – są niestety szkodliwe dla środowiska naturalnego.

Kolejna metoda produkcji to gazyfikacja węgla lub koksu. To najstarszy znany sposób wytwarzania wodoru. Polega na podgrzaniu zastosowanego materiału do temperatury ok. 900°C. W wyniku tego powstaje gaz, który miesza się z parą wodną w obecności katalizatora (podobnie jak w przypadku reformingu, zazwyczaj jest to nikiel). Separację wodoru uzyskuje się w procesie utleniania. Ostatnim etapem jest oczyszczenie z pomocą adsorpcji zmiennociśnieniowej. Emisja dwutlenku węgla przy zastosowaniu tej metody jest bardzo wysoka. Mniej wydajne okaże się natomiast częściowe utlenianie węglowodorów. Tutaj produkcja wodoru odbywa się w oparciu o tlen wysokiej czystości. Jest to rzadziej stosowana metoda, jej szkodliwość dla środowiska naturalnego również pozostaje jednak oczywista.

Produkcja wodoru z biomasy

Procesy produkcyjne oparte o odnawialne źródła energii wciąż są rzadziej stosowane, ale należy spodziewać się ich rozwoju i poszukiwania rozwiązań w celu obniżenia kosztów metod ekologicznych. W ich wyniku powstaje tzw. zielony wodór, najbardziej pożądany w niedalekiej przyszłości ze względu na unormowania prawne odnośnie redukcji gazów cieplarnianych. Energię do produkcji można więc tu pozyskiwać z instalacji wiatrowych, fotowoltaicznych, a także wodnych. Szczególnym rozwiązaniem może być tu biomasa, a więc odpady ulegające rozkładowi przy udziale mikroorganizmów – np. słoma, trawa czy pozostałości po produktach spożywczych. Naukowcy wciąż starają się zwiększyć efektywność tych procesów.

Pierwszy ze sposobów przekształcenia biomasy w energię to gazyfikacja z użyciem wysokiej temperatury. Jednocześnie dwutlenek węgla jako produkt uboczny jest absorbowany przez rośliny wykorzystywane do produkcji. W podobny sposób przebiega również proces pirolizy. Biomasa jest jednak podgrzewana do niższych temperatur (400-800°C). To technologia, nad którą trwają prace rozwojowe. Produkcja zielonego wodoru z użyciem biomasy może przebiegać również z wykorzystaniem procesów biologicznych – fermentacji oraz fotosyntezy. Pierwszy pierwiastek w tablicy Mendelejewa wytwarzają w tym przypadku odpowiednio mikroorganizmy oraz glony. Są to metody wciąż niemożliwe do stosowania w produkcji wodoru na skalę przemysłową. Wiele wskazuje jednak na ich opłacalność ekonomiczną.

Wytwarzanie wodoru z wykorzystaniem wody

Wykorzystanie odnawialnych źródeł energii znajdzie zastosowanie również przy innych procesach produkcyjnych. Materiałem wyjściowym przy wytwarzaniu zielonego wodoru może być bowiem także woda. Pierwiastek najwyższej czystości daje wykorzystanie elektrolizy. To proces chemiczny polegający na rozbiciu wody na wodór oraz tlen przy użyciu energii elektrycznej. Ta metoda rozwija się najdynamiczniej i pozostanie wspierana przez ustawodawstwo Unii Europejskiej. Rozwój odnawialnych źródeł energii będzie ją dodatkowo promował jako najbardziej ekologiczną i niewykluczone, że właśnie ten sposób pozyskiwania pierwiastka stanie się kiedyś opcją wiodącą. Co istotne, woda wykorzystywana do elektrolizy powinna być zdemineralizowana i wolna od zanieczyszczeń.

Jeszcze inna metoda to termoliza nazywana również jednoetapową dysocjacją termiczną. W tym przypadku produkcja zielonego wodoru następuje w wyniku oddziaływania na wodę bardzo wysoką temperaturą – nawet ponad 3000°C. To ogranicza stosowanie tej metody, bo jest ona mniej opłacalna ekonomicznie, ale również mniej wydajna od elektrolizy. Tym bardziej, że w ostatnim czasie naukowcy informują o pierwszych pozytywnych efektach eksperymentów przy pozyskiwaniu wodoru z wody morskiej. Przełomem jest tu fakt zastosowania katalizatorów z tańszych metali nieszlachetnych oraz to, że do elektrolizy wykorzystano surowiec, który nie został wstępnie oczyszczony, a jedynie przefiltrowany. Metoda wprawdzie wciąż jest kosztowna, ale zasoby słonej wody są bardzo duże.

Kolory bezbarwnego wodoru

Pierwszy pierwiastek w tablicy Mendelejewa to gaz bezbarwny. W zależności od metod produkcji jest jednak umownie oznaczany określonym kolorem. W przypadku wytwarzania przy wykorzystaniu odnawialnych źródeł energii mamy do czynienia z zielonym wodorem, który może okazać się kluczem do dekarbonizacji gospodarek światowych. Niemniej kolorów jest tu znacznie więcej. Szary wodór powstaje w oparciu o paliwa gazowe i obok czarnego (z węgla kamiennego) pozostaje najmniej pożądany we wdrażaniu koncepcji rozwoju zrównoważonego. Termin ten stosuje się również w przypadku zastosowania do produkcji energii elektrycznej kradnijniepochodzącej z odnawialnych źródeł. Jednak jeśli wodór powstaje w wyniku gazyfikacji węgla brunatnego, określany jest już mianem brązowego – równie niepopularnego wśród ekologów.

Kiedy podczas produkcji emitowany jest dwutlenek węgla, ale wychwytuje się go i magazynuje z wykorzystaniem nowoczesnych technologii, mamy do czynienia z wodorem niebieskim. Kolor turkusowy stosuje się w nazewnictwie, gdy w procesie termochemicznym metanu składnikiem ubocznym jest węgiel stały, który zostanie związany lub wykorzystany ponownie. Żółty wodór powstaje w wyniku zastosowania jednocześnie paliw kopalnych i energii odnawialnej. W sytuacji, gdy omawiany gaz jest efektem działalności elektrowni jądrowej, stosuje się kolorystykę czerwoną, różową, purpurową, a czasem też żółtą. Biały wodór jest z kolei zazwyczaj produktem ubocznym procesów chemicznych.