Dacă cele mai recente descoperiri în domeniul cercetării și dezvoltării în domeniul hidrogenului la nivel universitar se dovedesc comerciale, acestea ar putea avea un impact radical asupra modului în care acest gaz este produs industrial, scrie energyvoice.com.
În prezent, există nu doar unul, ci trei procese în curs de dezvoltare care ar putea realiza acest lucru.
Oamenii de știință de la Institutul de Știință și Tehnologie Skolkovo din Rusia au propus o metodă de extragere a hidrogenului din formațiunile de gaze naturale care prezintă un potențial ‘incredibil”. Universitatea din Illinois, Chicago, lucrează la un proces care utilizează deșeuri agricole ca materie primă. Centrul RIKEN pentru Știința Resurselor Durabile (CSRS) din Japonia raportează o nouă metodă care reduce cu 95% cantitatea de iridiu necesară pentru a produce hidrogen din apă, fără a modifica rata de producție a hidrogenului.
De la gaz natural la H2
În cadrul unei cercetări finanțate de Consiliul rus de cercetare științifică, o echipă de oameni de știință de la Institutul de știință și tehnologie Skolkovo afirmă că a găsit o alternativă promițătoare la reformarea cu abur a metanului, care este în prezent principala metodă de producere a hidrogenului.
Noua metodă face posibilă producerea hidrogenului în patru etape cheie
În primul rând, vaporii de apă și un catalizator sunt pompați într-un puț de gaz candidat, urmați de aer sau oxigen pur, datorită cărora gazele naturale sunt arse chiar în interiorul formațiunii.
În timpul procesului de ardere, gazul natural se transformă într-un amestec de monoxid de carbon și hidrogen: monoxidul de carbon produce dioxid de carbon, care rămâne în interiorul formațiunii. Hidrogenul este extras din puț cu ajutorul unei membrane care nu permite trecerea altor produse de reacție.
Ca urmare, toate gazele emergente, cu excepția hidrogenului, inclusiv monoxidul de carbon și dioxidul de carbon, rămân pentru totdeauna conservate în subteran, ceea ce face posibilă reducerea la minimum a amprentei de carbon.
Global Energy Association raportează că noua tehnologie a fost testată într-un reactor, care a făcut posibilă recrearea condițiilor de formare a gazelor, inclusiv presiunea de 80 de ori mai mare decât presiunea atmosferică.
Echipa a încărcat roci zdrobite în reactor și apoi a folosit pompe pentru a injecta metan (principala componentă a gazelor naturale), vapori de apă, catalizator și oxigen în reactor. O analiză a compoziției gazelor din reactor a arătat că o cantitate mare de hidrogen - 45% din volumul total de gaze - s-a format la o temperatură de 800 de grade Celsius, cu volume mari de vapori de apă furnizate reactorului (într-un raport de patru la unu față de volumul de gaz natural).
Producția de hidrogen în timpul experimentului depindea și de compoziția rocilor. În cazul utilizării oxidului de aluminiu, care nu reacționează cu substanțele din jurul său, randamentul de hidrogen a fost de 55%.
În schimb, utilizarea rocilor naturale saturate cu minerale active din punct de vedere chimic, care au intrat în reacții secundare cu componentele amestecului gazos, a condus la un randament mai scăzut de hidrogen.
Toate etapele procesului propus se bazează pe tehnologii bine dovedite care nu fuseseră adaptate anterior pentru a extrage hidrogen dintr-o formațiune gazoasă reală. Au fost efectuate 17 teste utilizând reactoare proiectate și fabricate la comandă.
În lucrarea lor de cercetare, echipa afirmă: "Constatările noastre sugerează potențialul incredibil pentru generarea subterană de hidrogen în rezervoarele de gaze naturale. "Această abordare este foarte promițătoare ca principal candidat pentru viitorul previzibil, beneficiind de sinergia dintre industria combustibililor fosili și o tehnologie inovatoare de producere a hidrogenului".
Ei subliniază: "Toate cele patru etape ale procesului propus se bazează pe tehnologii bine stabilite și utilizate pe scară largă, ceea ce indică potențialul acestui proces de a apărea în viitor ca o tehnologie foarte promițătoare pentru producția de hidrogen."
Următorul pas este efectuarea de teste într-un rezervor real de gaz.
Inginerii de la Universitatea Illinois din Chicago (UIC) au contribuit la conceperea unei noi metode de producere a hidrogenului gazos din apă, folosind doar energie solară și deșeuri agricole, cum ar fi gunoiul de grajd sau cojile.
Metoda reduce energia necesară pentru a extrage hidrogenul din apă cu 600 %, creând noi oportunități pentru producția chimică durabilă și ecologică. Combustibilii pe bază de hidrogen sunt una dintre cele mai promițătoare surse de energie curată. Dar producerea hidrogenului este un proces care necesită multă energie.
Într-o lucrare pentru Cell Reports Physical Science, o echipă multi-instituțională condusă de inginerul Meenesh Singh de la UIC dezvăluie noul proces de producere a hidrogenului ecologic.
Metoda utilizează o substanță bogată în carbon numită biochar pentru a reduce cantitatea de energie electrică necesară pentru a converti apa în hidrogen. Prin utilizarea surselor regenerabile de energie, cum ar fi energia solară sau eoliană, și prin captarea subproduselor pentru alte utilizări, procesul poate reduce emisiile de gaze cu efect de seră la zero net.
"Suntem primul grup care a demonstrat că se poate produce hidrogen utilizând biomasa la o fracțiune de volt", spune Singh, profesor asociat la Departamentul de Inginerie Chimică. "Aceasta este o tehnologie transformatoare".
Electroliza, procesul de scindare a apei în hidrogen și oxigen, necesită un curent electric. La scară industrială, combustibilii fosili sunt de obicei necesari pentru a genera această energie electrică.
Recent, oamenii de știință au redus tensiunea necesară pentru scindarea apei prin introducerea unei surse de carbon în reacție. Dar acest proces utilizează, de asemenea, cărbune sau substanțe chimice scumpe și eliberează dioxid de carbon (CO2) ca produs secundar.
Singh și colegii săi au modificat acest proces pentru a utiliza în schimb biomasă din deșeuri comune. Prin amestecarea acidului sulfuric cu deșeuri agricole, deșeuri animale sau ape reziduale, ei creează o substanță asemănătoare unei suspensii numită biochar, care este bogată în carbon.
Echipa a experimentat diferite tipuri de biochar obținut din coji de trestie de zahăr, deșeuri de cânepă, deșeuri de hârtie și balegă de vacă.
Cel mai performant, bălegarul de vacă, a redus necesarul de energie electrică de șase ori, la aproximativ o cincime de volt.
Necesarul de energie a fost suficient de scăzut pentru ca cercetătorii să poată alimenta reacția cu o celulă solară standard din siliciu care generează aproximativ 15 miliamperi de curent la 0,5 volți. Aceasta este mai puțin decât cantitatea de energie produsă de o baterie AA.
"Este foarte eficient, cu aproape 35% conversie a biochar-ului și a energiei solare în hidrogen", spune Rohit Chauhan, coautor și cercetător postdoctoral în laboratorul lui Singh.
"Acestea sunt cifre record la nivel mondial; este cel mai ridicat nivel pe care l-a demonstrat cineva".
Pentru ca procesul să fie net zero, acesta trebuie să capteze dioxidul de carbon generat de reacție. Dar Singh sugerează că și acest lucru ar putea avea beneficii economice și de mediu, cum ar fi producerea de CO2 pur pentru carbonatarea băuturilor sau conversia acestuia în etilenă și alte substanțe chimice utilizate în fabricarea plasticului.
Absolventul UIC Nishithan Kani, coautor principal al lucrării, adaugă: "Această modalitate ieftină de producere a hidrogenului ar putea permite agricultorilor să devină autosustenabili pentru nevoile lor energetice sau să creeze noi fluxuri de venituri".
Orochem Technologies Inc. care a sponsorizat cercetarea, a solicitat brevete pentru procesele sale de producere a biochar-ului și a hidrogenului, iar echipa UIC intenționează să testeze metodele pe scară largă.
Doar un strop de Iridium
În Japonia, cercetătorii conduși de Ryuhei Nakamura de la Centrul RIKEN pentru Știința Resurselor Durabile (CSRS) din Japonia raportează o nouă metodă care reduce cantitatea de iridiu necesară pentru reacție cu 95%, fără a modifica rata de producție a hidrogenului.
Această descoperire ar putea revoluționa capacitatea noastră de a produce hidrogen ecologic și ar putea contribui la introducerea unei economii a hidrogenului neutră din punct de vedere al emisiilor de carbon.
Modul ecologic de a extrage hidrogen din apă este o reacție electrochimică care necesită un catalizator. Cei mai buni catalizatori pentru această reacție - cei care produc cea mai mare rată și cea mai stabilă producție de hidrogen - sunt metalele rare, iridiul fiind cel mai bun dintre cele mai bune.
Dar raritatea iridiumului este o mare problemă.
"Iridiul este atât de rar încât se estimează că pentru a crește producția globală de hidrogen la scara terawatt este nevoie de 40 de ani de iridiu", spune Shuang Kong, membru al echipei.
Planuri pe termen lung
Echipa de cercetare a catalizatorilor biofuncționali de la RIKEN CSRS (RIKEN este o agenție națională japoneză de cercetare și dezvoltare) încearcă să depășească blocajul iridiului și să găsească alte modalități de a produce hidrogen la rate ridicate pentru perioade lungi de timp.
Pe termen lung, cercetătorii speră să dezvolte noi catalizatori pe bază de metale terestre comune, care vor fi extrem de durabile. Recent, echipa a reușit să stabilizeze producția de hidrogen verde la un nivel relativ ridicat folosind o formă de oxid de mangan ca catalizator.
"Avem nevoie de o modalitate de a reduce decalajul dintre electrolizoarele pe bază de metale rare și cele pe bază de metale comune, astfel încât să putem face o tranziție treptată pe parcursul mai multor ani către hidrogenul verde complet durabil", spune Nakamura.
Studiul actual face exact acest lucru prin combinarea manganului cu iridiul. Cercetătorii au constatat că, atunci când au împrăștiat atomii individuali de iridiu pe o bucată de oxid de mangan, astfel încât aceștia să nu se atingă sau să se aglomereze între ei, producția de hidrogen într-un electrolizor cu membrană schimbătoare de protoni (PEM) a fost menținută la aceeași rată ca și atunci când se utiliza doar iridiu, dar cu 95% mai puțin iridiu.
Cu noul catalizator, producția continuă de hidrogen a fost posibilă timp de peste 3 000 de ore (aproximativ 4 luni) la o eficiență de 82%, fără degradare.
"Interacțiunea neașteptată dintre oxidul de mangan și iridiu a fost esențială pentru succesul nostru", spune cercetătorul Ailong Li. "Acest lucru se datorează faptului că iridiul rezultat din această interacțiune se afla în starea de oxidare +6 (CORECT), rară și foarte activă".
Se preconizează că utilizarea catalizatorului va "crește imediat capacitatea electrolizoarelor PEM actuale". Echipa a început colaborarea cu parteneri din industrie.
Comentează