Ένας νέος καταλύτης θα μπορούσε να μειώσει δραστικά το κόστος και τις απαιτήσεις θερμοκρασίας της παραγωγής υδρογόνου, ανοίγοντας τον δρόμο για καθαρότερο, τοπικά παραγόμενο καύσιμο
Μια πρωτοποριακή μέθοδος παραγωγής υδρογόνου θα μπορούσε να κάνει το καθαρό καύσιμο πολύ φθηνότερο και ευκολότερο στην παραγωγή.
Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Birmingham ανέπτυξαν έναν καταλύτη βασισμένο σε περοβσκίτη (perovskite) που διασπά το νερό σε υδρογόνο σε πολύ χαμηλότερες θερμοκρασίες από τις υπάρχουσες τεχνολογίες, επιτρέποντας δυνητικά σε εργοστάσια, χαλυβουργεία, τσιμεντοβιομηχανίες και εγκαταστάσεις ανανεώσιμης ενέργειας να μετατρέπουν την απορριπτόμενη θερμότητα σε πολύτιμο υδρογόνο.
Ερευνητές έχουν αναπτύξει μια νέα προσέγγιση παραγωγής υδρογόνου χαμηλής θερμοκρασίας που θα μπορούσε να κάνει το καθαρό καύσιμο φθηνότερο και πιο πρακτικό στην παραγωγή.
Η τεχνική θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί τόσο σε μεγάλες κεντρικές εγκαταστάσεις όσο και σε μικρότερα τοπικά συστήματα που αξιοποιούν την απορριπτόμενη θερμότητα από μεγάλες βιομηχανικές δραστηριότητες.
Το υδρογόνο είναι το πιο άφθονο στοιχείο στο σύμπαν και θεωρείται ευρέως ως σημαντική καθαρή πηγή ενέργειας
Όταν χρησιμοποιείται ως καύσιμο, παράγει μόνο νερό και θερμότητα αντί για διοξείδιο του άνθρακα και άλλους ρύπους που συνδέονται με τα ορυκτά καύσιμα.
Το υδρογόνο μπορεί επίσης να τροφοδοτεί κυψέλες καυσίμου που παράγουν ηλεκτρική ενέργεια.
Παρά αυτά τα πλεονεκτήματα, περίπου το 95% της παραγωγής υδρογόνου σήμερα εξακολουθεί να εξαρτάται από ορυκτά καύσιμα.
Νέος καταλύτης μειώνει δραστικά τις θερμοκρασίες παραγωγής υδρογόνου
Ένας πολλά υποσχόμενος τρόπος παραγωγής υδρογόνου είναι μέσω θερμοχημικής διάσπασης νερού, μιας διαδικασίας στην οποία ένας καταλύτης διαχωρίζει το νερό σε υδρογόνο και οξυγόνο.
Τα υπάρχοντα θερμοχημικά συστήματα απαιτούν εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες.
Η διάσπαση νερού συνήθως πραγματοποιείται στους 700–1000 °C, ενώ το στάδιο αναγέννησης του καταλύτη συχνά απαιτεί θερμοκρασίες 1300–1500 °C πριν ξεκινήσει ένας νέος κύκλος παραγωγής.
Μια ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τον καθηγητή Yulong Ding από τη Σχολή Χημικής Μηχανικής του Πανεπιστημίου του Birmingham έδειξε ότι αυτές οι θερμοκρασίες μπορούν να μειωθούν σημαντικά με τη χρήση καταλύτη περοβσκίτη.
Σύμφωνα με ευρήματα που δημοσιεύθηκαν στο International Journal of Hydrogen Energy, ο νέος καταλύτης παρήγαγε σημαντικές ποσότητες υδρογόνου σε θερμοκρασίες μεταξύ 150–500 °C.
Μπορούσε επίσης να αναγεννηθεί σε θερμοκρασίες 700–1000 °C, περίπου 500 °C χαμηλότερες από τις υπάρχουσες προσεγγίσεις.
Ο καθηγητής Ding δήλωσε: «Η χαμηλότερη συνολική θερμοκρασία της διαδικασίας θα μπορούσε να επιτρέψει την παραγωγή υδρογόνου κοντά σε μονάδες ανανεώσιμης ενέργειας, ενώ βιομηχανικοί τομείς όπως ο χάλυβας, το τσιμέντο, το γυαλί και τα χημικά διαθέτουν άφθονη απορριπτόμενη θερμότητα, η οποία θα μπορούσε να αξιοποιηθεί ως θερμική εισροή για παραγωγή υδρογόνου χαμηλής θερμοκρασίας.
Εάν το υδρογόνο χρησιμοποιείται τοπικά, αυτό θα ξεπερνούσε τα εμπόδια αποθήκευσης και μεταφοράς, επιτρέποντας την υιοθέτηση του καυσίμου χωρίς ανάγκη για ακριβές υποδομές».
Πιθανά πλεονεκτήματα κόστους έναντι πράσινου και μπλε υδρογόνου
Οι ερευνητές πραγματοποίησαν επίσης μια προκαταρκτική οικονομική ανάλυση.
Τα αποτελέσματά τους δείχνουν ότι η διάσπαση νερού με τον νέο καταλύτη perovskite θα μπορούσε να παράγει υδρογόνο με χαμηλότερο κόστος από το πράσινο υδρογόνο (από ηλεκτρόλυση νερού) και το μπλε υδρογόνο (από μεθάνιο με δέσμευση και αποθήκευση άνθρακα).
Το οικονομικό όφελος ήταν ιδιαίτερα ισχυρό σε περιοχές όπου η ανανεώσιμη ηλεκτρική ενέργεια είναι σχετικά φθηνή, όπως η Αυστραλία.
Το έργο πραγματοποιήθηκε σε συνεργασία με το University of Science and Technology Beijing (USTB).
Το Πανεπιστήμιο Birmingham εργάζεται τώρα για την εμπορική αξιοποίηση της τεχνολογίας στο Ηνωμένο Βασίλειο και την Ευρώπη. Το τμήμα Enterprise του Πανεπιστημίου έχει καταθέσει αίτηση πατέντας για τη χρήση καταλυτών BNCF σε χαμηλής θερμοκρασίας διάσπαση νερού και αναζητά συνεργάτες για περαιτέρω ανάπτυξη.
Γιατί έχει σημασία η θερμοχημική διάσπαση νερού
Αν και το υδρογόνο είναι το πιο άφθονο στοιχείο στο σύμπαν, το καθαρό υδρογόνο στη Γη είναι σπάνιο. Συνήθως βρίσκεται δεσμευμένο με άλλα στοιχεία, κυρίως στο νερό και σε υδρογονάνθρακες όπως το φυσικό αέριο, ο άνθρακας και το πετρέλαιο. Η παραγωγή υδρογόνου απαιτεί τη διάσπαση αυτών των ενώσεων.
Σήμερα, η κυρίαρχη μέθοδος παραγωγής είναι η αναμόρφωση με ατμό, η οποία διαχωρίζει το υδρογόνο από το μεθάνιο. Αυτή η διαδικασία αντιστοιχεί σχεδόν στο μισό της παγκόσμιας παραγωγής υδρογόνου. Ωστόσο, παράγει επίσης CO2, περιορίζοντας τα περιβαλλοντικά της οφέλη εκτός αν προστεθεί δέσμευση και αποθήκευση άνθρακα.
Η ηλεκτρόλυση προσφέρει μια καθαρότερη εναλλακτική, καθώς χρησιμοποιεί ηλεκτρική ενέργεια για τη διάσπαση του νερού σε υδρογόνο και οξυγόνο. Παρ’ όλα αυτά, παραμένει ακριβότερη από τη μέθοδο με μεθάνιο και καλύπτει σήμερα μόνο περίπου 4% της παγκόσμιας ζήτησης υδρογόνου.
Άλλες αναδυόμενες προσεγγίσεις βασίζονται σε φωτοχημικές αντιδράσεις για την παραγωγή υδρογόνου από νερό. Αν και πολλά υποσχόμενες, βρίσκονται ακόμη σε πρώιμο στάδιο και αντιμετωπίζουν προβλήματα αποδοτικότητας, κλιμάκωσης και κόστους.
Πώς λειτουργεί ο καταλύτης περοβσκίτης
Οι περοβσκίτες είναι υλικά με κρυσταλλική δομή πλέγματος που μπορούν να απορροφούν οξυγόνο στο εσωτερικό τους και να βοηθούν στη διάσπαση ενώσεων που περιέχουν οξυγόνο.
Η ομάδα του Birmingham επικεντρώθηκε σε μια συγκεκριμένη κατηγορία, οι BNCF περοβσκίτες, που αποτελούνται από βάριο, νιόβιο, ασβέστιο και σίδηρο. Τα υλικά αυτά είναι σχετικά άφθονα, δεν απαιτούν πολύπλοκες διαδικασίες παραγωγής και δεν περιέχουν τοξικά στοιχεία.
Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι οι BNCF περοβσκίτες μπορούν να απορροφούν οξυγόνο σε πολύ χαμηλότερες θερμοκρασίες από ό,τι είχε θεωρηθεί προηγουμένως. Από τα υλικά που δοκιμάστηκαν, η εκδοχή BNCF100 έδωσε την καλύτερη απόδοση.
Η μελέτη έδειξε ότι το BNCF100 μπορούσε να αναγεννηθεί σε χαμηλότερες θερμοκρασίες από τους υπάρχοντες καταλύτες διάσπασης νερού, ενώ συνέχισε να παράγει υδρογόνο σε 10 κύκλους παραγωγής. Η ανάλυση περίθλασης ακτίνων Χ έδειξε ελάχιστη δομική αλλαγή στο υλικό κατά τις δοκιμές, υποδεικνύοντας υψηλή σταθερότητα.
«Η έρευνά μας αποκάλυψε έναν καταλύτη ικανό να παράγει σημαντικές ποσότητες υδρογόνου σε σχετικά χαμηλές θερμοκρασίες, και μια προκαταρκτική τεχνοοικονομική μελέτη δείχνει ότι είναι οικονομικά ανταγωνιστικός σε σχέση με τις καθιερωμένες μπλε και πράσινες μεθόδους παραγωγής υδρογόνου» κατέληξε ο καθηγητής Ding.
www.worldenergynews.gr
