Obeszli największy problem energii z wodoru. Katalizator wywraca rynek
Ten katalizator może wywrócić rynek wodoru. Zamienia marnowane ciepło z fabryk w cenne paliwo.
Przemysł codziennie wyrzuca w powietrze ogromne ilości energii w postaci ciepła odpadowego. Huty, cementownie, zakłady szklarskie i chemiczne potrzebują wysokich temperatur, ale duża część tej energii po prostu ucieka z procesu. Naukowcy z University of Birmingham pokazali katalizator, który może wykorzystać takie ciepło do produkcji wodoru z wody w znacznie niższych temperaturach niż dotychczasowe metody termochemiczne.
Wodór jest czysty dopiero wtedy, gdy czysto powstaje
Wodór od dawna uchodzi za jedno z paliw przyszłości. Pojawia się w planach dotyczących energetyki, transportu i przemysłu. Jest jednak pewien haczyk: sam w sobie nie jest źródłem energii, tylko jej nośnikiem. To, jak bardzo jest ekologiczny, zależy przede wszystkim od sposobu jego produkcji. Choć podczas wykorzystania wodoru często powstaje głównie woda, wcześniej trzeba go jeszcze pozyskać, oddzielając go od innych substancji, najczęściej od metanu lub wody.
Dziś niestety większość wodoru nadal powstaje z paliw kopalnych. Najpopularniejsza metoda polega na reformingu parowym metanu, czyli rozbijaniu gazu ziemnego z udziałem pary wodnej. Jest skuteczna i dobrze znana przemysłowi, ale wiąże się z emisjami CO2. Zieloną alternatywą jest elektroliza, w której prąd rozdziela wodę na wodór i tlen. Tyle że elektroliza pozostaje kosztowna, a jej sens klimatyczny zależy od dostępu do taniej, niskoemisyjnej energii.
Właśnie dlatego coraz większe zainteresowanie budzą rozwiązania, które wykorzystują energię już obecną w systemie. Katalizator opracowany w Birmingham opiera się właśnie na takim pomyśle. Zamiast dostarczać do procesu kolejne porcje energii, próbuje zagospodarować ciepło, które w wielu zakładach przemysłowych i tak jest dziś bezpowrotnie tracone.
Termochemiczny rozkład wody bez piekielnych temperatur
Badanie dotyczy termochemicznego rozkładu wody. W uproszczeniu chodzi o cykl, w którym materiał katalityczny pomaga oderwać tlen od cząsteczki wody, uwalniając tym samym wodór. Potem katalizator trzeba odtworzyć, czyli przygotować do kolejnego cyklu. W klasycznych rozwiązaniach problemem są temperatury. Sam etap produkcji wodoru zwykle wymaga 700-1000 st. C, a regeneracja katalizatora potrafi wymagać 1300-1500 st. C.
To naprawdę bardzo wysokie temperatury. Oznaczają bardziej wymagającą infrastrukturę, wyższe koszty i mniej miejsc, w których taki proces da się sensownie wdrożyć. W efekcie technologia ma największy sens tam, gdzie dostęp do tak dużych ilości ciepła jest stosunkowo łatwy i nie generuje dodatkowych dużych kosztów.
Nowy katalizator ma znacząco obniżać tę barierę. Według zespołu z Birmingham wodór udało się produkować w zakresie 150-500 st. C, a regenerację katalizatora prowadzić przy 700-1000 st. C. To nadal nie są temperatury osiągalne w domu, ale dla przemysłu różnica jest ogromna. Schodzimy tu z temperatur, które są bardzo kłopotliwe technologicznie, do zakresu, który może być bliższy źródłom ciepła odpadowego.
Perowskit robi tu za chemiczną gąbkę na tlen
Kluczem całego rozwiązania jest katalizator perowskitowy BNCF. Perowskity to grupa materiałów, których właściwości można dość precyzyjnie dostrajać, zmieniając ich skład chemiczny. W tym przypadku naukowcy testowali związki zawierające bar, niob, wapń i żelazo. Spośród badanych wariantów najlepiej poradziła sobie wersja oznaczona jako BNCF100.
Najważniejsza cecha takiego materiału polega przede wszystkim na zdolności do przyjmowania i oddawania tlenu. Można to porównać do chemicznej gąbki, choć oczywiście proces zachodzi na poziomie sieci krystalicznej. Materiał reaguje z wodą, wiążąc tlen i pozwalając uwolnić wodór. Później, w etapie regeneracji, tlen jest usuwany z katalizatora, a materiał może zacząć kolejny cykl.
Badacze sprawdzili, że BNCF100 zachowuje stabilność przez 10 cykli produkcyjnych. Analiza rentgenowska pokazała niewielkie zmiany struktury materiału, co jest ważne, bo katalizator, który działa tylko raz albo szybko się degraduje, nie ma przemysłowej przyszłości.
To może być tańsze od wodoru zielonego i niebieskiego
Zespół przeprowadził również wstępną analizę ekonomiczną. Wynika z niej, że rozkład wody z użyciem nowego katalizatora może być konkurencyjny kosztowo wobec wodoru zielonego z elektrolizy oraz wodoru niebieskiego, czyli produkowanego z metanu z wychwytywaniem i składowaniem CO2.
Warto jednak zachować trochę ostrożności. Takie wyliczenia pokazują oczywiście ogromny potencjał technologii, ale nie przesądzają jeszcze o jej sukcesie na rynku. Ostateczny koszt produkcji wodoru będzie zależał od wielu czynników: cen energii, trwałości katalizatora, wielkości instalacji, sprawności całego procesu, kosztów utrzymania czy lokalnych przepisów. Duże znaczenie ma też to, czy dany zakład faktycznie dysponuje odpowiednią ilością ciepła odpadowego przez większość czasu.
Przeczytaj także:
Mimo to kierunek jest niezwykle ciekawy. Dzisiejsza debata o wodorze często skupia się na elektrolizerach i taniej energii odnawialnej. Proponowane podejście dodaje do tego jeszcze jeden zasób: ciepło, które już istnieje w systemie i często jest marnowane. Jeżeli da się je wykorzystać, wodór nie będzie wymagał wyłącznie dodatkowego prądu z sieci.
*Źródło grafiki wprowadzającej: audioundwerbung / Getty Images / Canva Pro
