Woda, wodór i węgiel, czyli Raport 3W – perspektywy na przyszłość

Podczas Kongresu 3W, który miał miejsce w dniach 27-28 listopada br. w Warszawie, przedstawiono najnowszą, trzecią już, edycję raportu o innowacyjnych technologiiach z zakresu wody, wodoru oraz węgla pierwiastkowego. Inicjatorem i organizatorem projektu jest Bank Gospodarstwa Krajowego (BGK), a do udziału w nim zaproszono ekspertów z Polski i z Europy. Raport 3W w tym roku zatytułowano: „Świat 3W. Rzeczywistość i przyszłość”. Jakie treści przedstawia?

Woda, wodór i węgiel, czyli kluczowe zasoby na Ziemi

W obliczu klimatycznego, ekologicznego, energetycznego i żywnościowego kryzysu na świecie priorytetem staje się odpowiedzialna gospodarka zasobami, które mamy. Idea 3W odzwierciedla trzy ważne tematy współczesnej nauki: wodę, której może nam zabraknąć; wodór, który niesie w sobie olbrzymi potencjał energetyczny oraz węgiel pierwiastkowy, który ma szansę stać się materiałem technologicznym przyszłości.

Temat wody obejmuje szeroki zakres kwestii takich jak jej podaż, jakość, znaczenie jako środowisko życia i niezbędnego surowca do produkcji żywności, ale także zagrożeń związanych z powodziami. Raport 3W ostrzega, że w Polsce wskaźnik odnawialnych zasobów wodnych w przeliczeniu na 1 mieszkańca znajduje się już na granicy stresu wodnego. Alarmujące dane dotyczą klęsk żywiołowych w latach 2001-2018 w 74 proc. zawinionych ilością wody oraz stałym wzrostem temperatury oceanów. Niepokojącym zjawiskiem jest również gromadzenie się mikroplastiku w światowych oceanach – tzw. Wielka Pacyficzna Wyspa Śmieci ma już powierzchnię dwa razy większą niż Francja.

W kontekście gospodarki wodorowej pojawia się istotna kwestia zastępowania energetyki opartej na paliwach kopalnych zieloną technologią. Tym bardziej, że potrafimy już produkować wodór w sposób zrównoważony, a także magazynować go i transportować. Raport 3W prognozuje rosnące wykorzystanie H₂ w transporcie, przemyśle stalowym i metalowym czy ciepłownictwie. W imię dekarbonizacji coraz więcej inwestuje się w technologię i infrastrukturę wodorową, która służy przesyłaniu cennego surowca – wiemy już dziś, że Europa będzie musiała go importować. Kluczem do czystszej i zdrowszej przyszłości mają być również alotropowe odmiany węgla, takie jak fulereny, nanorurki węglowe, grafen oraz cyklokarbon. Potencjał ich wykorzystania obejmuje m.in. elektronikę, energetykę, fotowoltaikę i medycynę. Jednocześnie przewidziano już 500 kolejnych odmian węgla pierwiastkowego, które mogą zrewolucjonizować współczesny przemysł i technikę.

Woda: najważniejsze trendy i technologie

Raport 3W skupia się na praktycznych rozwiązaniach, które chronią zasoby wody na świecie i gwarantują jej odpowiednią podaż oraz dystrybucję. Obejmują one techniki oczyszczania, takie jak filtrację, flokulację, dezynfekcję i destylację, a dodatkowo również eliminowanie zanieczyszczeń przy wykorzystaniu ozonu, osmozy odwróconej oraz promieniowania ultrafioletowego. Na uwagę zasługują również stale rozwijające się technologie odsalania wody morskiej oraz oczyszczania hydrofitowego, czyli opartego na naturalnych procesach przyrodniczych.

Kolejnym wyzwaniem w sektorze wodnym jest retencja – zarówno ta naturalna, która wykorzystuje wodonośny potencjał gleby, rzek i jezior, jak i sztuczna, która polega na tworzeniu zbiorników wodnych w małej i dużej skali. Raport 3W podkreśla, że na świecie odchodzi się od dużej retencji, gdyż bezpowrotnie zmienia ona naturalne ekosystemy. Jednocześnie jako pozytywny trend wskazuje się tzw. miasta-gąbki, zaprojektowane tak, aby maksymalnie chłonęły wodę deszczową.

W raporcie pojawiają się również innowacyjne trendy wynikające ze zwiększonych inwestycji w bezpieczeństwo wodne. Należą do nich m.in.:

• wykrywanie wycieków z wodociągów za pomocą sztucznej inteligencji;
• wytwarzanie wody atmosferycznej (AWG), czyli produkcja wody pitnej z powietrza;
• akwaponika, która umożliwia produkcję żywności w wodzie, bez gleby (w marcu 2023 r. we Wrocławiu powstała pierwsza w Polsce Miejska AquaFarma).

Na problematykę wodną trzeba patrzeć w szerokiej perspektywie. Raport 3W omawia skutki epidemii Covid-19 oraz wojny w Ukrainie dla ekosystemów wodnych i bioróżnorodności, przytacza również niepokojące prognozy The World Resources Institute, według których w 2030 r. zapotrzebowanie na świeżą wodę przekroczy jej podaż o 56 proc. Konieczne są więc inicjatywy międzynarodowe, takie jak Trójmorze (3SI), z niezrealizowanym jak dotąd projektem korytarza wodnego Dunaj-Odra-Łaba.

Największe wyzwania na przyszłość, zdaniem autorów raportu, to efektywniejsze oczyszczanie ścieków, inteligentne systemy zarządzania wodą, a przede wszystkim rozwój GOZ, gdzie jakość wody dostosowuje się do jej planowanego wykorzystania. Jako kluczowe przesłanki na przyszłość wskazana została modernizacja infrastruktury, ochrona bioróżnorodności oraz wycofywanie się z dopłat do nawozów. Gospodarstwa domowe powinny z kolei rutynowo gromadzić deszczówkę, rezygnować z betonowych powierzchni i trawników na rzecz np. łąk kwietnych oraz wybierać produkty o jak najmniejszym śladzie wodnym.

Raport 3W o wodorze: dynamiczny rozwój

Inwestycje w technologie wodorowe rosną w imponującym tempie – w 2021 r. na świecie odnotowano roczny wzrost o 35 proc., a w Europie nawet o 50 proc. Wodór nie jest jednak jeszcze synonimem zielonej energii, gdyż pozyskuje się go w większości z paliw kopalnych. Ekologiczny balast w tym zakresie zmniejszają technologie wychwytywania CO₂ i niskoemisyjnej produkcji. Roczna polska produkcja wodoru wynosi obecnie 1,3 mln t, co stawia nas na trzeciej pozycji w UE. Jest on wykorzystywany głównie w przemyśle rafineryjnym i chemicznym i, niestety, również pochodzi z paliw kopalnych. W kraju intensywnie powstają jednak tzw. doliny wodorowe, które koncentrują się na lokalnej produkcji i wykorzystaniu H₂. Mają one przyciągać inwestycje komplementarne z Europejskim Zielonym Ładem.

Raport 3W wskazuje na ciekawe rodzime projekty wodorowe:

• HYDROGIN – wyposażenie Elektrociepłowni Elbląg w elektrolizer, który wytwarza wodór zeroemisyjny dzięki zasilaniu biomasą;
• lokomotywa wodorowa PESA;
• Hydrogen Eagle – budowa międzynarodowej sieci stacji tankowania wodoru pozyskiwanego w ramach transformacji energii wiatrowej i odpadów komunalnych.

Co roku na świecie zgłaszanych jest ponad 4 tys. patentów na technologie wodorowe w obszarach produkcji, magazynowania i transportu H₂. Ich wdrażanie, według autorów raportu, stworzy 30 mln nowych miejsc pracy na świecie, z czego 1 mln w Europie. Jako technologie przyszłości wskazuje się m.in. produkcję wodoru w procesie fermentacji beztlenowej czy metod foto-biologicznych. Ważnym trendem jest również perspektywa wykorzystania H₂ jako nośnika nadmiaru prądu pozyskiwanego z OZE. Wąskim gardłem dalszego rozwoju sektora jest obecnie dostępność elektrolizerów.

Węgiel atomowy, czyli era nowych materiałów

Unikalne właściwości alotropowych odmian węgla otwierają szerokie perspektywy w doskonaleniu sprzętu elektronicznego, budowie nowoczesnych sieci energetycznych czy choćby tworzeniu sztucznych tkanek. Wiele z nich może być wykorzystanych w technologiach, które sprzyjają zrównoważonemu rozwojowi: filtracja i uzdatnianie wody, monitoring środowiskowy, ekologiczne budownictwo czy konstrukcja samolotów o mniejszym zużyciu paliwa. Włókna węglowe już dziś mają zastosowanie w budowie zbiorników wodorowych. Grafenowy beton ma z kolei zredukować emisje związane z tradycyjnym betonem, które stanowią aż 8 proc. globalnych emisji CO₂.

Raport 3W przewiduje dynamiczny rozwój nanomateriałów na bazie węgla pierwiastkowego i postuluje stworzenie stosownej strategii dla Polski jako ważnego europejskiego rynku. Działalność badawczo-rozwojowa oraz odpowiednie mechanizmy transferu wiedzy pozwalają na realizację ambitnych projektów, takich jak produkcja superkondensatorów i akumulatorów o wyjątkowo dużej gęstości, dalsza minimalizacja procesorów czy nawet konstrukcja windy kosmicznej.

Powyższe aspekty, zebrane w Raport 3W, przedstawiono w dostępny sposób, by dotrzeć do szerokiego grona odbiorców. Raport można pobrać tutaj, po bezpłatnym zalogowaniu. Zachęcamy do lektury!