Japońskie miasto zamienia krowie odchody w paliwo wodorowe

Zdjęcie: Getty Images

Jesteśmy podejrzliwie obserwowani przez dziesiątki krów. Ich oddechy wydobywają się z nozdrzy w karykaturalny sposób.

Jest rześki poranek na zaśnieżonej wyspie Hokkaido, położonej na północy Japonii. Chłodne powietrze niesie ze sobą charakterystyczny zapach obornika – intensywną, lecz dobrze znaną woń, będącą efektem rozwiniętego przemysłu mleczarskiego w tym regionie. Hokkaido zajmuje 20% powierzchni kraju i jest drugą co do wielkości wyspą Japonii. Mieszka tu ponad milion krów, które dostarczają ponad połowę produktów mlecznych oraz mleka w całym kraju.

Odwiedziliśmy farmę w Hokkaido, której celem jest przekształcenie źródła tej intensywnej woni w coś wartościowego. Przemieniają oni krowie odchody w wodór. 

Podczas spalania wodór nie emituje dwutlenku węgla, co czyni go atrakcyjną alternatywą dla paliw kopalnych. Istnieje powszechna nadzieja, że w przyszłości będzie mógł służyć jako zrównoważone paliwo do ogrzewania domów oraz napędzania samochodów, pociągów, samolotów i statków.

Najpopularniejszym obecnie sposobem produkcji wodoru jest jednak wykorzystanie metanu  – paliwa kopalnego wydobywanego spod ziemi, co wiąże się z emisją dwutlenku węgla. Wodór można również uzyskać poprzez elektrolizę wody, ale jest to kosztowny proces i niskoemisyjny tylko wtedy, gdy wykorzystywane są odnawialne źródła energii elektrycznej.

Farma wodorowa Shikaoi korzysta jednak z innego źródła – odpadu, którego na Hokkaido nie brakuje. Każdego roku na wyspie powstaje około 20 milionów ton krowiego obornika. Jeśli nie zostanie on prawidłowo przetworzony, może stanowić obciążenie dla środowiska, wytwarzając znaczne emisje metanu, a także wpływając na jakość wody, w przypadku wycieku odpadu do strumieni i rzek. Czy w związku z tym, mógłby być wykorzystany jako źródło zrównoważonej energii?

„Projekt produkcji wodoru z odchodów zwierzęcych powstał w Japonii i jest unikalny dla tego miejsca” – mówi Maiko Abe z firmy Air Water, jednej z kilku zaangażowanych w projekt farmy wodorowej. Odwiedziliśmy obiekt w Shikaoi, mieście w centralnej części Hokkaido, aby nakręcić odcinek programu BBC TechXplore poświęcony Japonii. „Shikaoi odpowiada za 30% odchodów i moczu krów na Hokkaido, co daje ogromny potencjał do wytwarzania energii odnawialnej.” 

Projekt został uruchomiony w 2015 roku przez japońskie Ministerstwo Środowiska i ma na celu przekształcanie odpadów rolniczych w wodór, który zasila lokalną społeczność w modelu gospodarki obiegu zamkniętego. Krowie odchody i mocz są zbierane z okolicznych farm mlecznych i poddawane beztlenowej fermentacji w centralnym zakładzie. Tam bakterie rozkładają odpady organiczne, produkując biogaz i płynny nawóz. Biogaz jest następnie oczyszczany w celu uzyskania metanu, który służy do produkcji wodoru.

Zakład ma obecnie zdolność produkcji 70 metrów sześciennych wodoru (18 500 galonów) i posiada stację tankowania, która może codziennie napełniać około 28 pojazdów wyposażonych w wodorowe ogniwa paliwowe - mówi Abe. Stacja została zaprojektowana z myślą o pojazdach rolniczych, takich jak traktory i wózki widłowe, które trudno jest naładować za pomocą akumulatorów ze względu na ich rozmiar i charakter pracy. Dzięki temu pojazdy rolnicze mogą funkcjonować w sposób bardziej ekologiczny.

Wodór produkowany z odchodów jest również magazynowany w butlach i transportowany do innych obiektów w okolicy, w tym do lokalnej farmy jesiotrów oraz pobliskiego zoo w Obihiro.

Produkcja i przechowywanie wodoru na dużą skalę wymaga jednak znacznych nakładów energii i infrastruktury. 

Wodór musi być magazynowany w wysokociśnieniowych zbiornikach gazowych i jest podatny na wycieki ze względu na swoją niską masę cząsteczkową. Może również powodować degradację metalowych pojemników, w których jest przechowywany, oraz jest łatwopalny, dlatego wymaga dodatkowych środków ostrożności podczas obchodzenia się z nim.

Wodór można również przechowywać w postaci ciekłej, schładzając go do temperatury poniżej –253°C, ale jest to energochłonny proces wymagający zaawansowanej infrastruktury.

Wodór ma prawie trzykrotnie większą zawartość energii niż benzyna, jeśli weźmiemy pod uwagę samą masę. Jednak jego niska masa cząsteczkowa oznacza również, że pod względem objętości energia zawarta w litrze ciekłego wodoru jest o jedną czwartą mniejsza niż w przypadku benzyny. Mówiąc prościej, jako najlżejszy gaz we Wszechświecie, wodór zajmuje więcej miejsca kilogram po kilogramie niż benzyna. Oznacza to, że wodór wymaga znacznie więcej przestrzeni magazynowej niż paliwa kopalne, takie jak benzyna, olej napędowy czy gaz ziemny. Oznacza to również, że jego produkcja i magazynowanie na dużą skalę może wymagać dużych nakładów energii i infrastruktury.

Ale oprócz tych przeszkód, projekt farmy wodorowej na Hokkaido napotyka również inne wyzwania specyficzne dla klimatu północnej Japonii.

Mroźne zimy na Hokkaido sprawiają, że konieczne są nowe technologie umożliwiające stabilną produkcję wodoru bez ryzyka zamarzania niewielkich ilości pary wodnej zawartej w metanie.

Wykorzystanie odpadów rolniczych jako źródła metanu do produkcji wodoru jest stosunkowo rzadkie, ale w gruncie rzeczy opiera się na tym samym procesie, co produkcja wodoru z gazu ziemnego – reformingu parowego. W tym procesie para wodna podgrzana do 800°C reaguje z metanem, w wyniku czego powstaje wodór oraz produkty uboczne, takie jak tlenek węgla i dwutlenek węgla (CO2).

Jednak w przypadku krowiego nawozu, mówi Abe, projekt pozostaje zrównoważony, ponieważ węgiel ten pochodzi z trawy, na której pasły się krowy: „Ponieważ pierwotnie znajdował się w atmosferze, jest uważany za neutralny pod względem emisji dwutlenku węgla”.

Ponadto pomaga zapobiegać przedostawaniu się metanu, który w przeciwnym razie zostałby wyemitowany z obornika do atmosfery, gdzie jest silnym gazem cieplarnianym.

Pozostałości po fermentacji obornika, po wydobyciu biogazu, są wykorzystywane jako nawóz na okoliczne pola, a kwas mrówkowy – który jest zarówno produktem, jak i surowcem w procesie – może być stosowany jako konserwant paszy dla bydła, mówi Abe.

Obecnie energia elektryczna potrzebna do produkcji i przechowywania wodoru pochodzi z sieci krajowej. Abe twierdzi jednak, że istnieje możliwość przejścia na zieloną energię, biorąc pod uwagę obiecujący potencjał morski, wiatrowy i geotermalny Hokkaido, zmniejszając w ten sposób emisję dwutlenku węgla z tej energii elektrycznej.

Pozostają jednak inne wyzwania. Wysoki koszt wodoru w porównaniu z paliwami kopalnymi i niski popyt oznaczają, że rozszerzenie działalności jest trudne. 

„Koszty budowy stacji wodorowych są bardzo wysokie”, mówi Abe. „Ponieważ pojazdy wodorowe nie są jeszcze szeroko rozpowszechnione, utrzymujemy naszą zdolność napełniania na niskim poziomie, aby zarządzać początkowymi inwestycjami. Wraz ze wzrostem popularności będziemy zwiększać podaż”.

Aby zachęcić do korzystania z pojazdów wodorowych na tym obszarze, ceny wodoru są dotowane przez elektrownię, dzięki czemu są porównywalne z kosztami benzyny. Stacje tankowania wodoru powstają także w większych miastach Hokkaido, takich jak Sapporo i Muroran.

Proces wytwarzania czystego paliwa wodorowego z obornika krów w Farmie Wodorowej Shikaoi zasługuje na uwagę, zwłaszcza że jednocześnie ogranicza emisję metanu, który w przeciwnym razie zostałby uwolniony do atmosfery. Ponieważ inne kraje badają możliwości wykorzystania różnych odpadów, od odchodów świń po łupiny orzechów kokosowych, do produkcji wodoru podobnymi metodami, wydaje się, że ten model może być zastosowany również w innych miejscach. Jednak ze względu na niewielką skalę oraz wysokie koszty produkcji, pozostaje pytanie, jak powszechna może stać się ta branża. Istnieją również inne metody produkcji paliwa z obornika krów, takie jak bezpośrednie wykorzystanie biogazu z obornika jako paliwa, bez konieczności jego konwersji na wodór.

Japonia jest światowym liderem w dziedzinie pojazdów wodorowych i zainwestowała znaczne środki w rozwój tej technologii. Na razie jednak pojazdy elektryczne zasilane bateryjnie pozostają tańsze niż te napędzane wodorem.

Choć mało prawdopodobne, by sam obornik krów zaspokoił zapotrzebowanie Japonii na wodór, może on znacząco przyczynić się do tego procesu. Shikaoi tworzy model gospodarki o obiegu zamkniętym, który ma pokazać, jak koszty mogą spadać wraz ze wzrostem skali produkcji.

Coraz większe zainteresowanie wykorzystaniem odpadów do produkcji wodoru obserwuje się również w innych częściach świata. Przeprowadzono badania nad wykorzystaniem odchodów świń, odpadów drobiowych, a nawet łupin orzechów kokosowych jako potencjalnych surowców. W Tajlandii producent samochodów Toyota bada nawet możliwość wykorzystania wodoru uzyskiwanego z odchodów kurcząt do zasilania swoich pojazdów.

Tymczasem inżynierowie z Uniwersytetu Illinois w Chicago opracowali inną obiecującą metodę produkcji wodoru z obornika. W tym przypadku wykorzystali obornik, a także odpady z trzciny cukrowej i łodygi kukurydzy do produkcji biowęgla, substancji bogatej w węgiel, która znacznie zmniejsza ilość energii elektrycznej potrzebnej do konwersji wody na wodór.

"Jesteśmy pierwszą grupą, która pokazała, że można produkować wodór z biomasy przy użyciu ułamka napięcia" – mówi Meenesh Singh, inżynier chemiczny z Uniwersytetu Illinois w Chicago, który kierował projektem.

Tymczasem w południowojapońskim mieście Fukuoka, na wyspie Kiusiu, do produkcji wodoru wykorzystuje się inny rodzaj odpadów – ludzkie ścieki.

Od ponad dekady w miejskiej oczyszczalni ścieków wytwarza się wodór wykorzystywany w pojazdach napędzanych tym paliwem. Ostatnio został on użyty do zasilania floty bezemisyjnych śmieciarek.

Akira Miyaoka, kierownik ds. wykorzystania wodoru w mieście Fukuoka, twierdzi, że głównym źródłem emisji CO2 w mieście są ciężarówki transportujące produkty codziennego użytku, a nie duże fabryki, jak w wielu innych miastach. "Dlatego pracujemy nad redukcją emisji CO2 z komercyjnych ciężarówek" – mówi.

Osad z oczyszczalni ścieków w mieście Fukuoka jest przekształcany w wodór do napędzania pojazdów (Źródło: BBC)

Inicjatywa rozpoczęła się jako współpraca Uniwersytetu Kyushu i miasta Fukuoka, ale obecnie obejmuje kilka dużych firm, w tym Toyotę.

"Ścieki są czymś, co jest codziennie wytwarzane w życiu mieszkańców, więc poprzez efektywne ich wykorzystanie i pozyskiwanie wodoru jako energii, możemy osiągnąć lokalną produkcję i konsumpcję energii" – mówi Miyaoka.

Wytwarzanie wodoru z ludzkich odpadów zaczyna się od wody z różnych źródeł domowych - w tym pryszniców, zmywarek i toalet - docierającej do oczyszczalni. Gdy woda jest oczyszczana, pozostały osad jest przechowywany jako źródło biogazu i przekształcany w wodór. 

„Ścieki i biogaz zawierają różne zanieczyszczenia, więc proces rozpoczyna się od usunięcia tych zanieczyszczeń, co moim zdaniem różni się nieco od innych procesów produkcji wodoru” - mówi Miyaoka.

W 2024 r. Toyota pomogła miastu uruchomić pierwszą w Japonii flotę pojazdów serwisowych napędzanych wodorem, w tym karetek, samochodów dostawczych i śmieciarek. Urzędnicy z oczyszczalni ścieków twierdzą, że jest ona w stanie wyprodukować 300 kg wodoru w ciągu 12 godzin - co wystarcza do zasilenia 30 ciężarówek. 

Śmieciarki kursują sześć nocy w tygodniu, każda zbierając 1,7 tony odpadów, poruszając się cicho i bezemisyjnie – napędzane odpadami pochodzącymi od mieszkańców, od których odbierają inne śmieci.

Stacja tankowania wodoru z oczyszczalni ścieków w Fukuoce działa od 2015 roku, a kilka innych krajów na świecie przyjmuje podobne podejście.

Firma Concord Blue opracowała zakłady przetwarzające odpady na energię w Niemczech, Indiach, Japonii i USA, przekształcając odpady i biomasę w wodór oraz bioenergię. Kilka brytyjskich zakładów wodociągowych również pracuje nad projektami pozyskiwania wodoru ze ścieków.

W Wielkiej Brytanii opracowano prototypowy samochód wyścigowy napędzany wodorem uzyskanym ze ścieków. Warwick Manufacturing Group (WMG) we współpracy z Severn Trent Water wykorzystuje mikroorganizmy do wytwarzania paliwa wodorowego z odpadów. Szacują, że technologia ta może stać się powszechna w ciągu pięciu lat, mimo istniejących wyzwań.

Na większą skalę sektor lotniczy odpowiada za 2% globalnej emisji dwutlenku węgla, a badacze w laboratorium w Wielkiej Brytanii opracowali paliwo lotnicze w pełni wyprodukowane z ludzkich ścieków.

Pomimo obiecujących perspektyw, wszystkie te technologie wciąż wymagają wdrożenia na szerszą skalę.

Zarówno na obszarach wiejskich, jak i w miastach, japońskie projekty, które obserwowaliśmy podczas reportażu, są inspirujące, ponieważ stawiają na lokalne społeczności.

Chociaż rozwój samochodów wodorowych zwolnił, stopniowo rośnie liczba ciężarówek napędzanych wodorem, a to właśnie ciężkie pojazdy przemysłowe przyczyniają się w największym stopniu do emisji gazów cieplarnianych.

Dzięki postrzeganiu odpadów jako zasobu, projekty te pokazują, że energię można pozyskać nawet z najmniej oczywistych źródeł.

* Paul Carter jest prezenterem TechXplore. Jego reportaż z farmy wodorowej Shikaoi i innych zrównoważonych technologii w Japonii można obejrzeć w TechXplore Japan: From North to South, który zostanie wyemitowany 15 marca 2025 r. w BBC News.