Pagaliau pavyko! Ekologiškas vandenilis pigesnis už benziną ()
Tradicinė vandens elektrolizė, nors savo principu paprasta, reikalauja daug energijos ir sukuria nelabai vertingą šalutinį produktą – deguonį. Mokslininkų komanda nusprendė pakeisti šią lygtį.
© akitada31 (Free Pixabay license) | https://pixabay.com/illustrations/chemistry-circles-h2-hydrogen-6155495/
Prisijunk prie technologijos.lt komandos!
Laisvas grafikas, uždarbis, daug įdomių veiklų. Patirtis nebūtina, reikia tik entuziazmo.
Sudomino? Užpildyk šią anketą!
Žaliasis vandenilis jau ne vienus metus primena gražų, tačiau kartu vis tolstantį ir neapčiuopiamą pažadą. Nepaisant milžiniškų vilčių ir milijardinių investicijų, šio ateities kuro ekonominis barjeras atrodė neįveikiamas. Gamybos sąnaudos vis dar išlieka daug kartų didesnės nei tradicinio kuro ar vandenilio, gaunamo iš gamtinių dujų, tačiau dabar pasirodė signalas, kad situacija gali pasikeisti – ir dar tokiu būdu, kurio mažai kas tikėjosi.
Kinijos žemės ūkio universiteto ir Nanyang technologijos universiteto Singapūre mokslininkai paskelbė sukūrę vandenilio gamybos metodą, kuris radikaliai sumažina jo kainą. Esmė čia ne dar vienas itin švarus laboratorinis procesas, o sprendimas, kuris sąmoningai veikia šiek tiek „nešvaresnėmis“ sąlygomis, išnaudodamas tai, kas paprastai laikoma atliekomis. Derliaus likučiai, paversti ateities kuru.
Tradicinė vandens elektrolizė, nors savo principu paprasta, reikalauja daug energijos ir sukuria nelabai vertingą šalutinį produktą – deguonį. Mokslininkų komanda nusprendė pakeisti šią lygtį. Vietoj gryno vandens skaidymo, jų sistema sutelkta į gliukozės, gaunamos iš lengvai prieinamų medžiagų, pavyzdžiui, medvilnės stiebų ar kviečių šiaudų, oksidaciją. Šis procesas sumažina įtampos poreikį net 400 milivoltų, o tai tiesiogiai virsta energijos taupymu. Tačiau tikrasis šio metodo privalumas nėra vien elektros taupymas. Svarbiausia tai, kas susidaro vietoj deguonies. Proceso metu pagaminamas formiatas – cheminis junginys, turintis konkrečią rinkos vertę ir naudojamas, pavyzdžiui, odos pramonėje. Būtent šio šalutinio produkto pardavimas gali padaryti visą operaciją pelningą, taip iš esmės pakeičiant ekonominį vandenilio gamybos balansą.
Paprastesnė konstrukcija ir rekordinis proceso efektyvumas
|
Inžinieriai į problemą pažvelgė ir iš konstrukcinės pusės. Kadangi jų proceso metu neišsiskiria grynas deguonis, buvo galima atsisakyti brangios ir trapios membranos, kuri standartiniuose elektrolizeriuose skiria dujas. Toks supaprastinimas ne tik sumažina investicines sąnaudas, bet ir padidina įrenginio ilgaamžiškumą bei saugumą, nes pašalinama sprogstamo vandenilio ir deguonies mišinio susidarymo rizika.
Sistemos širdis – specialus katalizatorius: kobalto oksi-hidroksidas su 5 % vario priemaiša. Būtent šis priedas tiksliai nukreipia gliukozės reakciją užtikrindamas, kad net 80 % žaliavos virstų vertingu formiatu (skruzdžių rūgšties druskomis arba esteriais), o ne beverčiu anglies dvideginiu. Bandymų metu, naudojant sutelktą saulės šviesą, sistema pasiekė 519 mikromolių vandenilio per valandą iš kvadratinio centimetro našumą – tai rezultatas, laikomas rekordiniu tokio tipo sprendimams.
Nereikia žaisti su specialiomis žaliavomis. Pakanka to, ką ir taip reikia utilizuoti
Svarbu tai, kad procesas veikia su neapdorotais, nevalytais augaliniais ekstraktais. Tai svarbi nuoroda, rodanti, kad technologija gali funkcionuoti ne tik sterilioje laboratorinėje aplinkoje, bet ir sąlygomis, artimesnėmis tikrai pramoninei gamybai, kur niekas negali sau leisti brangių, farmacinio grynumo reagentų.
Tačiau į tai turime žiūrėti kur kas plačiau – viskas atrodo kaip bandymas sukurti ciklą, kuriame tas pats augalas per savo „ekonominį gyvenimą“ atlieka kelis vaidmenis. Pirmiausia jis yra žaliava tekstilės ar maisto pramonei, vėliau jo likučiai tampa logistine problema, o galiausiai gali pasitarnauti kaip cheminės energijos šaltinis, užrakintas gliukozės jungtyse. Tai visiškai kitoks mąstymas apie žaliavas nei tradicinėje energetikoje, pagrįstoje vienkartiniu kuro sudeginimu ir galutiniu jo naudingumo pasibaigimu.
Proceso inžinerijos požiūriu svarbiausia yra tai, kad mokslininkams pavyko suderinti tris reikalavimus, kurie paprastai vienas kitą atmeta: mažą žaliavos grynumą, santykinai paprastą įrenginio konstrukciją ir priimtiną sistemos komponentų patvarumą.
Membranos, skiriančios dujas, trūkumas supaprastina projektą, tačiau kartu reikalauja labai tikslios reakcijos kontrolės, kad būtų išlaikytas saugumas ir proceso atkartojamumas. Čia ir pasireiškia tinkamai parinkto katalizatoriaus vaidmuo, kuris ne tik pagreitina reakciją, bet, svarbiausia, suteikia jai kryptį.
Kobalto oksi-hidroksidą su vario priemaiša galima laikyti savotišku cheminės reakcijos dirigentu. Jo užduotis – ne tik leisti substratams skilti, bet ir vesti procesą taip, kad kuo didesnė energijos ir materijos dalis virstų pageidaujamais produktais: vandeniliu ir formiatu. Didelė, apie 80 % siekianti formiato dalis tarp gliukozės oksidacijos produktų yra ne tik gera žinia chemikams, bet, pirmiausia, konkretus skaičius, kurį galima įrašyti į skaičiuoklę analizuojant investicijų atsiperkamumą.
Jei darysime prielaidą, kad chemijos gamykla ar odų apdirbimo įmonė geba sunaudoti didelius formiato kiekius kaip žaliavą savo procesams, visa sistema pradeda priminti vietinę pramoninę ekosistemą. Joje medžiagų srautai cirkuliuoja tarp gamyklų, užuot atsidūrę sąvartyne. Tai scenarijus, kuris atrodo akivaizdus, tačiau praktikoje jį įgyvendinti labai sunku, nes tam reikia bendradarbiavimo tarp pramonės šakų, kurios iki šiol veikė gana nepriklausomai. Visgi šis naujas vandenilio gamybos metodas gali tapti pretekstu apskritai apsvarstyti tokį bendradarbiavimą.
Reali galimybė sunkiasvorei pramonei
Labiausiai šiame pasakojime intriguoja tai, kad siūlomas sprendimas nebando jėga pakeisti sunkiosios pramonės prigimties, o stengiasi įsilieti į jos realybę. Užuot reikalavęs iš plieno liejyklų ar chemijos gamyklų staigiai keisti technologijas ir veiklos modelį, jis suteikia įrankį, kurį galima žingsnis po žingsnio prijungti prie esamos infrastruktūros. Elektrolizeris, maitinamas saulės energija ir „maitinamas“ augalinėmis atliekomis, gali atsirasti šalia veikiančio įrenginio, neapversdamas visko aukštyn kojomis.
Mokslininkai teigia, kad jų metodas leidžia pagaminti kilogramą vandenilio už maždaug 1,54 dolerio. Tai kaina, kuri pradeda konkuruoti su iškastiniu kuru net neįskaičiuojant mokesčių už anglies dvideginio emisijas.
Pridėjus pajamas iš formiato pardavimo, visas verslo modelis atrodo visiškai kitaip. Žinoma, kelias nuo efektyvaus prototipo laboratorijoje iki didelio masto gamyklos yra ilgas ir nusėtas nesėkmėmis. Technologijų istorija pilna „proveržių“, kurie proveržiais ir liko. Tačiau šiuo atveju turime veiksnių derinį, kuris skamba išskirtinai logiškai.
Tai, be abejo, nereiškia, kad kliūčių nebus. Jau pradiniame etape reikia išspręsti visą rinkinį labai žemiškų problemų: kaip organizuoti žemės ūkio atliekų surinkimo ir perdirbimo logistiką, kad jų transportavimas nesunaudotų didžiosios dalies ekologinės ir finansinės naudos? Kaip užtikrinti stabilius žaliavos parametrus, jei derlius skiriasi priklausomai nuo sezono ar regiono? Galiausiai, kaip įtikinti vietos bendruomenes, kad toks įrenginys yra galimybė, o ne grėsmė? Fone lieka ir klausimas dėl konkurencijos dėl biomasės – žemės ūkio atliekos yra viliojanti žaliava ne tik vandenilio gamintojams, bet ir biodujų, medienos plokščių ar šiuolaikinių kompozitinių medžiagų gamintojams.
Nepaisant šių klaustukų, Kinijos ir Singapūro komandos nubrėžta kryptis rodo kažką svarbaus: žalioji transformacija neturi susidėti vien tik iš įrenginių keitimo naujesniais ir brangesniais.
