Wodór jest coraz częściej uznawany za kluczowy element przyszłej zrównoważonej energetyki, oferując potencjał drastycznego zmniejszenia emisji gazów cieplarnianych. Jego zdolność do uwalniania jedynie wody jako źródła energii, bez szkodliwych związków węgla, stawia go w centrum globalnych wysiłków na rzecz dekarbonizacji. Pomimo tych niezwykłych właściwości, dominujące obecnie metody pozyskiwania wodoru w dużej mierze opierają się na paliwach kopalnych, obciążając tym samym cały cykl życia tego nośnika energii znacznym długiem ekologicznym. Ten paradoks „brudnej” produkcji „czystego” paliwa stanowi jedną z głównych przeszkód na drodze do prawdziwie zielonej gospodarki wodorowej.

Innowacyjne podejście do produkcji wodoru z MIT

Najnowsze osiągnięcia naukowe dają światło w tunelu. Zespół ekspertów z Massachusetts Institute of Technology (MIT) przedstawił rewolucyjny proces, który mógłby fundamentalnie zmienić sposób, w jaki produkujemy wodór, znacznie zmniejszając jego ślad węglowy. Ich metoda, która przyciągnęła uwagę społeczności naukowej i przemysłu, wykorzystuje łatwo dostępne materiały: wodę morską i puszki aluminiowe z recyklingu, z dodatkiem niewielkiej ilości specyficznego stopu metali. W ubiegłym roku naukowcy zademonstrowali podstawową koncepcję na poziomie laboratoryjnym, pokazując, że możliwe jest wytwarzanie gazowego wodoru poprzez połączenie tych komponentów, włączając nawet kofeinę w niektórych wczesnych eksperymentach w celu zbadania wpływu różnych substancji. Jednak kluczowe pytanie, które wówczas się pojawiło, brzmiało, czy tę obiecującą procedurę można skutecznie przenieść z warunków laboratoryjnych na skalę przemysłową i jaki byłby jej rzeczywisty wpływ na środowisko, biorąc pod uwagę wszystkie etapy produkcji i dystrybucji.

Aby odpowiedzieć na te krytyczne pytania, naukowcy przeprowadzili kompleksową ocenę cyklu życia (LCA), metodologię oceniającą wpływ produktu lub procesu na środowisko „od kołyski aż po grób”. To szczegółowe badanie objęło każdy segment procesu w potencjalnym zastosowaniu przemysłowym. Precyzyjnie obliczono emisje dwutlenku węgla związane z pozyskiwaniem i przetwarzaniem aluminium, samą reakcją chemiczną aluminium z wodą morską w celu uzyskania wodoru oraz transportem wyprodukowanego paliwa do użytkowników końcowych, na przykład na stacje benzynowe, gdzie kierowcy mogliby tankować swoje samochody na wodór. Wyniki pokazały, że to nowe podejście mogłoby generować jedynie ułamek emisji dwutlenku węgla charakterystycznych dla konwencjonalnych metod produkcji wodoru opartych na paliwach kopalnych.

Minimalny ślad węglowy potwierdzony badaniem

W badaniu, którego wyniki zostały niedawno opublikowane w prestiżowym czasopiśmie Cell Reports Sustainability, zespół podał, że na każdy wyprodukowany kilogram wodoru tym procesem generowane byłoby zaledwie 1,45 kilograma dwutlenku węgla w całym cyklu życia. Liczba ta staje się szczególnie imponująca w porównaniu z tradycyjnymi metodami, takimi jak reforming parowy metanu, które emitują około 11 kilogramów dwutlenku węgla na każdy kilogram uzyskanego wodoru. Tak niski ślad węglowy plasuje nową technologię obok innych proponowanych „zielonych” metod produkcji wodoru, takich jak elektroliza wody zasilana energią słoneczną lub wiatrową, pozycjonując ją jako poważnego konkurenta w wyścigu o zrównoważoną produkcję wodoru.

„Nasze wyniki pokazują, że jesteśmy na równi z istniejącymi zielonymi technologiami wodorowymi” – powiedział główny autor badania, dr Aly Kombargi, który niedawno uzyskał doktorat na MIT w dziedzinie inżynierii mechanicznej. „Ta praca podkreśla ogromny potencjał aluminium jako czystego źródła energii i oferuje skalowalną ścieżkę wdrażania wodoru o niskiej emisji w sektorze transportu oraz do zasilania odległych systemów energetycznych”. Oprócz dr. Kombargi, współautorami badania z MIT są Brooke Bao, Enoch Ellis oraz profesor inżynierii mechanicznej Douglas Hart, których wiedza przyczyniła się do rozwoju i oceny tego innowacyjnego procesu.

Nauka stojąca za procesem: Jak aluminium uwalnia wodór

Na pierwszy rzut oka zanurzenie aluminiowej puszki w wodzie nie wywołuje gwałtownej reakcji chemicznej. Powodem tego jest fakt, że aluminium, wystawione na działanie tlenu z powietrza, natychmiast tworzy cienką, ale bardzo odporną warstwę ochronną tlenku glinu. Ta warstwa pasywacyjna zapobiega dalszej reakcji metalu. Jednakże, gdyby ta warstwa została usunięta lub przerwana, czyste aluminium wykazuje wyjątkową reaktywność z wodą. W takich warunkach atomy aluminium skutecznie rozkładają cząsteczki wody (H₂O), tworząc tlenek glinu (lub jego uwodnione formy, takie jak bemit) i, co najważniejsze, uwalniając czysty gazowy wodór (H₂). Istotną zaletą stosowania aluminium jest jego wysoka gęstość energetyczna.

„Jedną z głównych zalet stosowania aluminium jest jego gęstość energetyczna na jednostkę objętości” – wyjaśnia dr Kombargi. „Przy bardzo małej ilości paliwa aluminiowego teoretycznie możliwe jest dostarczenie znacznej części energii potrzebnej do napędu pojazdu wodorowego”.

Innowacyjna metoda aktywacji aluminium

W ciągu ostatniego roku dr Kombargi i profesor Hart udoskonalili recepturę produkcji wodoru opartą na aluminium. Klucz do ich sukcesu leży w metodzie przerwania naturalnej warstwy ochronnej aluminium. Odkryli, że traktując aluminium niewielką ilością galu-indu, stopu zawierającego rzadkie metale gal i ind, mogą skutecznie „oczyścić” powierzchnię aluminium, odsłaniając czysty metal. Po takim zabiegu badacze zmieszali granulki tak przygotowanego aluminium z wodą morską i zaobserwowali natychmiastową i obfitą produkcję czystego wodoru. Dodatkowo wykazano, że obecność soli w wodzie morskiej pomaga w wytrącaniu i oddzielaniu galu-indu po reakcji. Oznacza to, że ten cenny stop można zebrać i ponownie wykorzystać w kolejnych cyklach produkcji wodoru, czyniąc proces nie tylko bardziej zrównoważonym, ale także bardziej opłacalnym ekonomicznie ze względu na zmniejszone zużycie drogich metali.

„Kiedy prezentowaliśmy naukowe podstawy tego procesu na konferencjach, najczęstsze pytania, jakie otrzymywaliśmy, dotyczyły kosztów i śladu węglowego” – wspomina dr Kombargi. „Dlatego postanowiliśmy przeprowadzić kompleksową analizę, aby uzyskać jasny obraz”.

Zrównoważony cykl i perspektywa ekonomiczna

W swoim nowym badaniu dr Kombargi i jego koledzy przeprowadzili szczegółową analizę cyklu życia, aby określić ilościowo wpływ produkcji wodoru za pomocą aluminium na środowisko, śledząc każdy krok – od źródła aluminium po transport produktu końcowego, wodoru. Dla praktycznej ilustracji i porównania jako jednostkę referencyjną wybrali produkcję jednego kilograma wodoru. „Z jednym kilogramem wodoru samochód z ogniwami paliwowymi może przejechać od 60 do 100 kilometrów, w zależności od wydajności samych ogniw paliwowych” – zauważa dr Kombargi, podkreślając praktyczne znaczenie tej ilości.

Analizę przeprowadzono przy użyciu specjalistycznego narzędzia programowego Earthster, internetowej platformy do oceny cyklu życia, która wykorzystuje obszerną bazę danych produktów, procesów i związanych z nimi emisji dwutlenku węgla. Zespół rozważył kilka różnych scenariuszy produkcji wodoru przy użyciu aluminium. Porównywano wykorzystanie aluminium „pierwotnego”, uzyskiwanego z wydobycia boksytu i energochłonnego przetwarzania, z wykorzystaniem aluminium „wtórnego”, uzyskiwanego z recyklingu odpadowych produktów aluminiowych, takich jak puszki. Analizowano również różne metody transportu aluminium i wyprodukowanego wodoru.

Po ocenie kilkunastu różnych scenariuszy zidentyfikowano ten o najniższym śladzie węglowym. Ten optymalny scenariusz opiera się na wykorzystaniu aluminium z recyklingu – surowca, którego użycie znacznie zmniejsza emisje w porównaniu z produkcją aluminium pierwotnego – oraz wody morskiej, zasobu naturalnego, który oprócz tego, że jest łatwo dostępny, umożliwia również efektywne oddzielanie i recykling galu-indu, oszczędzając w ten sposób zasoby i zmniejszając koszty. Ustalono, że ten scenariusz, rozpatrywany w całości, od pozyskania surowców po dostawę wodoru, generowałby około 1,45 kilograma dwutlenku węgla na kilogram wyprodukowanego wodoru. Obliczyli również, że cena tak wyprodukowanego paliwa wyniosłaby około 9 dolarów amerykańskich za kilogram, co jest konkurencyjne w stosunku do cen wodoru produkowanego innymi zielonymi technologiami, takimi jak te wykorzystujące energię wiatru lub słońca.

Wizja zastosowania komercyjnego i dalszy rozwój

Naukowcy przewidują, że jeśli ten niskoemisyjny proces zostanie udoskonalony do poziomu komercyjnego, łańcuch produkcyjny mógłby wyglądać mniej więcej tak: rozpocząłby się od zbiórki odpadów aluminiowych z centrów recyklingu. To aluminium byłoby następnie rozdrabniane na małe granulki i traktowane stopem galu-indu. Jedną ze znaczących zalet jest to, że kierowcy lub dystrybutorzy mogliby transportować te wstępnie przetworzone granulki aluminiowe jako „paliwo aluminiowe”, zamiast bezpośrednio transportować wodór, który jako gaz jest lotny, wymaga specjalnych zbiorników wysokociśnieniowych lub warunków kriogenicznych i jest potencjalnie niebezpieczny w obsłudze. Te granulki byłyby transportowane do „stacji wodorowych”, idealnie zlokalizowanych w pobliżu źródła wody morskiej. Na tych stacjach granulki aluminiowe byłyby mieszane z wodą morską w razie potrzeby, generując wodór na miejscu. Użytkownik końcowy mógłby następnie bezpośrednio zatankować wyprodukowany gaz do swojego pojazdu, niezależnie od tego, czy jest to samochód z silnikiem spalinowym przystosowanym do wodoru, czy pojazd z ogniwami paliwowymi.

Cały proces generuje również produkt uboczny na bazie aluminium, minerał bemit (tlenowodorotlenek glinu, γ-AlO(OH)). Bemit jest cennym surowcem przemysłowym często stosowanym w produkcji półprzewodników, komponentów elektronicznych, katalizatorów, materiałów ogniotrwałych oraz jako wypełniacz w tworzywach sztucznych i gumie. Dr Kombargi podkreśla, że gdyby ten produkt uboczny był zbierany po produkcji wodoru, mógłby być sprzedawany producentom tych materiałów, co dodatkowo obniżyłoby ogólne koszty procesu produkcji wodoru i zwiększyło jego rentowność ekonomiczną.

„Jest wiele aspektów, które należy wziąć pod uwagę” – mówi dr Kombargi. „Ale najbardziej ekscytujące jest to, że proces działa. I pokazaliśmy, że może być zrównoważony ekologicznie”.

Grupa naukowców kontynuuje dalszy rozwój i doskonalenie tego procesu. Niedawno zaprojektowali mały, przenośny reaktor, mniej więcej wielkości butelki na wodę, który wykorzystuje granulki aluminiowe i wodę morską do generowania wodoru. Wyprodukowana ilość wodoru wystarcza do zasilania roweru elektrycznego przez kilka godzin. Wcześniej zademonstrowali już, że proces może wytworzyć wystarczającą ilość wodoru do napędu małego samochodu. Zespół aktywnie bada również możliwości zastosowania tej technologii pod wodą, pracując nad projektem reaktora wodorowego, który wykorzystywałby otaczającą wodę morską do zasilania małych jednostek pływających lub pojazdów podwodnych, otwierając nowe horyzonty dla autonomicznych operacji podwodnych. Badania te są częściowo wspierane przez MIT Portugal Program, inicjatywę promującą współpracę i innowacje.

Źródło: Massachusetts Institute of Technology