Vodik se sve više prepoznaje kao ključni element buduće energetske održivosti, nudeći potencijal za drastično smanjenje emisija stakleničkih plinova. Njegova sposobnost da kao izvor energije oslobađa samo vodu, bez štetnih ugljičnih spojeva, stavlja ga u središte globalnih napora za dekarbonizaciju. Unatoč tim izvanrednim svojstvima, dominantne metode dobivanja vodika danas se uvelike oslanjaju na fosilna goriva, čime se cjelokupni životni ciklus ovog energenta opterećuje značajnim ekološkim dugom. Taj paradoks "prljave" proizvodnje "čistog" goriva predstavlja jednu od glavnih prepreka na putu prema istinski zelenoj vodikovoj ekonomiji.

Inovativni pristup proizvodnji vodika s MIT-a

Nedavna znanstvena dostignuća nude svjetlo na kraju tunela. Tim stručnjaka s Massachusetts Institute of Technology (MIT) predstavio je revolucionaran proces koji bi mogao iz temelja promijeniti način na koji proizvodimo vodik, značajno umanjujući njegov ugljični otisak. Njihova metoda, koja je privukla pažnju znanstvene zajednice i industrije, koristi lako dostupne materijale: morsku vodu i reciklirane aluminijske limenke, uz dodatak male količine specifične metalne legure. Prošle godine, istraživači su demonstrirali temeljni koncept na laboratorijskoj razini, pokazujući da je moguće generirati vodikov plin kombiniranjem ovih komponenata, uključujući čak i kofein u nekim ranim eksperimentima radi proučavanja utjecaja različitih tvari. Međutim, ključno pitanje koje se tada nametnulo bilo je može li se ovaj obećavajući postupak efikasno prenijeti iz laboratorijskih uvjeta u industrijske razmjere te kakav bi bio njegov stvarni ekološki utjecaj kada se uzmu u obzir svi koraci proizvodnje i distribucije.

Kako bi odgovorili na ova kritična pitanja, znanstvenici su proveli sveobuhvatnu analizu životnog ciklusa (LCA), metodologiju koja procjenjuje ekološke utjecaje proizvoda ili procesa "od kolijevke do groba". Ova detaljna studija obuhvatila je svaki segment procesa u potencijalnoj industrijskoj primjeni. Precizno su izračunate emisije ugljika povezane s nabavom i preradom aluminija, samom kemijskom reakcijom aluminija s morskom vodom za dobivanje vodika, te transportom proizvedenog goriva do krajnjih korisnika, primjerice, do benzinskih postaja gdje bi vozači mogli puniti svoje automobile na vodik. Rezultati su pokazali da bi ovaj novi pristup mogao generirati tek djelić emisija ugljika koje su karakteristične za konvencionalne, fosilnim gorivima temeljene metode proizvodnje vodika.

Minimalan ugljični otisak potvrđen studijom

U studiji, čiji su rezultati nedavno objavljeni u uglednom časopisu Cell Reports Sustainability, tim je iznio podatak da bi se za svaki proizvedeni kilogram vodika ovim procesom generiralo svega 1.45 kilograma ugljičnog dioksida tijekom cjelokupnog životnog ciklusa. Ova brojka postaje posebno impresivna kada se usporedi s tradicionalnim metodama, poput parnog reformiranja metana, koje emitiraju oko 11 kilograma ugljičnog dioksida za svaki kilogram dobivenog vodika. Ovako nizak ugljični otisak svrstava novu tehnologiju uz bok drugim predloženim "zelenim" metodama proizvodnje vodika, kao što su elektroliza vode pogonjena solarnom energijom ili energijom vjetra, postavljajući je kao ozbiljnog konkurenta u utrci za održivom proizvodnjom vodika.

"Naši rezultati pokazuju da smo u rangu s postojećim zelenim tehnologijama vodika," izjavio je vodeći autor studije, dr. Aly Kombargi, koji je nedavno doktorirao na MIT-u u području strojarstva. "Ovaj rad ističe ogroman potencijal aluminija kao čistog izvora energije i nudi skalabilan put za implementaciju vodika s niskim emisijama u transportnom sektoru i za napajanje udaljenih energetskih sustava." Uz dr. Kombargija, koautori studije s MIT-a su i Brooke Bao, Enoch Ellis te profesor strojarstva Douglas Hart, čija je stručnost doprinijela razvoju i evaluaciji ovog inovativnog procesa.

Znanost iza procesa: Kako aluminij oslobađa vodik

Na prvi pogled, uranjanje aluminijske limenke u vodu ne izaziva burnu kemijsku reakciju. Razlog tome leži u činjenici da aluminij, kada je izložen kisiku iz zraka, trenutačno stvara tanki, ali vrlo otporan zaštitni sloj aluminijevog oksida. Ovaj pasivizacijski sloj sprječava daljnju reakciju metala. Međutim, kada bi se taj sloj uklonio ili probio, čisti aluminij pokazuje iznimnu reaktivnost s vodom. U takvim uvjetima, atomi aluminija efikasno razgrađuju molekule vode (H₂O), pri čemu nastaje aluminijev oksid (ili njegovi hidrirani oblici poput bemita) i, što je najvažnije, oslobađa se čisti vodikov plin (H₂). Značajna prednost korištenja aluminija leži u njegovoj visokoj energetskoj gustoći.

"Jedna od glavnih prednosti korištenja aluminija je njegova energetska gustoća po jedinici volumena," pojašnjava dr. Kombargi. "S vrlo malom količinom aluminijskog goriva, teoretski je moguće osigurati značajan dio energije potrebne za pogon vozila na vodik."

Inovativna metoda aktivacije aluminija

Tijekom prošle godine, dr. Kombargi i profesor Hart usavršili su recepturu za proizvodnju vodika temeljenu na aluminiju. Ključ njihovog uspjeha leži u metodi probijanja prirodnog zaštitnog sloja aluminija. Otkrili su da tretiranjem aluminija malom količinom galija-indija, slitine koja sadrži rijetke metale galij i indij, mogu efikasno "očistiti" površinu aluminija, izlažući čisti metal. Nakon takvog tretmana, istraživači su pomiješali pelete tako pripremljenog aluminija s morskom vodom i primijetili trenutnu i obilnu proizvodnju čistog vodika. Dodatno, pokazalo se da prisutnost soli u morskoj vodi pomaže u taloženju i odvajanju galija-indija nakon reakcije. To znači da se ova vrijedna slitina može prikupiti i ponovno upotrijebiti u narednim ciklusima proizvodnje vodika, čineći proces ne samo održivijim već i ekonomski isplativijim zbog smanjene potrošnje skupih metala.

"Kada smo na konferencijama predstavljali znanstvenu osnovu ovog procesa, najčešća pitanja koja smo dobivali odnosila su se na cijenu i ugljični otisak," prisjeća se dr. Kombargi. "Stoga smo odlučili provesti sveobuhvatnu analizu kako bismo dobili jasnu sliku."

Održivi ciklus i ekonomska perspektiva

U svojoj novoj studiji, dr. Kombargi i njegovi kolege proveli su detaljnu analizu životnog ciklusa kako bi kvantificirali ekološki utjecaj proizvodnje vodika pomoću aluminija, prateći svaki korak – od izvora aluminija do transporta konačnog proizvoda, vodika. Za praktičnu ilustraciju i usporedbu, kao referentnu jedinicu odabrali su proizvodnju jednog kilograma vodika. "S jednim kilogramom vodika, automobil s gorivnim ćelijama može prijeći između 60 i 100 kilometara, ovisno o efikasnosti samih gorivnih ćelija," napominje dr. Kombargi, naglašavajući praktičnu relevantnost ove količine.

Analiza je provedena korištenjem specijaliziranog softverskog alata Earthster, online platforme za procjenu životnog ciklusa koja koristi opsežnu bazu podataka o proizvodima, procesima i njihovim povezanim emisijama ugljika. Tim je razmotrio više različitih scenarija za proizvodnju vodika pomoću aluminija. Uspoređivali su korištenje "primarnog" aluminija, dobivenog rudarenjem boksita i energetski intenzivnom preradom, s korištenjem "sekundarnog" aluminija, dobivenog recikliranjem otpadnih aluminijskih proizvoda poput limenki. Također su analizirali različite metode transporta aluminija i proizvedenog vodika.

Nakon evaluacije desetak različitih scenarija, identificiran je onaj s najnižim ugljičnim otiskom. Ovaj optimalni scenarij temelji se na korištenju recikliranog aluminija – sirovine čija upotreba značajno smanjuje emisije u usporedbi s proizvodnjom primarnog aluminija – i morske vode, prirodnog resursa koji, osim što je lako dostupan, omogućuje i efikasno odvajanje i recikliranje galija-indija, čime se štede resursi i smanjuju troškovi. Utvrđeno je da bi ovaj scenarij, promatran u cijelosti, od nabave sirovina do isporuke vodika, generirao približno 1.45 kilograma ugljičnog dioksida po kilogramu proizvedenog vodika. Izračunali su i da bi cijena tako proizvedenog goriva iznosila oko 9 američkih dolara po kilogramu, što je konkurentno cijenama vodika koji bi se proizvodio drugim zelenim tehnologijama, poput onih koje koriste energiju vjetra ili sunca.

Vizija komercijalne primjene i daljnji razvoj

Istraživači predviđaju da bi, ukoliko se ovaj nisko-ugljični proces unaprijedi do komercijalne razine, proizvodni lanac mogao izgledati otprilike ovako: započeo bi prikupljanjem otpadnog aluminija iz reciklažnih centara. Taj bi se aluminij zatim usitnjavao u male pelete i tretirao slitinom galija-indija. Jedna od značajnih prednosti je što bi vozači ili distributeri mogli transportirati ove prethodno obrađene aluminijske pelete kao "aluminijsko gorivo", umjesto da izravno transportiraju vodik, koji je kao plin hlapljiv, zahtijeva posebne spremnike pod visokim tlakom ili kriogene uvjete, te je potencijalno opasan za rukovanje. Te bi se pelete transportirale do "vodikovih postaja" koje bi idealno bile smještene u blizini izvora morske vode. Na tim bi se postajama aluminijske pelete miješale s morskom vodom prema potrebi, generirajući vodik na licu mjesta. Krajnji korisnik bi tada mogao izravno crpiti proizvedeni plin u svoje vozilo, bilo da se radi o automobilu s motorom s unutarnjim izgaranjem prilagođenim za vodik ili vozilu s gorivnim ćelijama.

Cjelokupni proces generira i nusprodukt na bazi aluminija, mineral bemit (aluminijev oksihidroksid, γ-AlO(OH)). Bemit je vrijedna industrijska sirovina koja se često koristi u proizvodnji poluvodiča, elektroničkih komponenti, katalizatora, vatrostalnih materijala te kao punilo u plastici i gumi. Dr. Kombargi ističe da bi se, ukoliko bi se ovaj nusprodukt prikupljao nakon proizvodnje vodika, mogao prodavati proizvođačima tih materijala, čime bi se dodatno smanjili ukupni troškovi procesa proizvodnje vodika i povećala njegova ekonomska održivost.

"Mnogo je aspekata koje treba uzeti u obzir," kaže dr. Kombargi. "Ali najuzbudljiviji dio je to što proces funkcionira. I pokazali smo da može biti ekološki održiv."

Grupa znanstvenika nastavlja s daljnjim razvojem i usavršavanjem ovog procesa. Nedavno su dizajnirali mali, prijenosni reaktor, otprilike veličine boce za vodu, koji koristi aluminijske pelete i morsku vodu za generiranje vodika. Proizvedena količina vodika dovoljna je za višesatno napajanje električnog bicikla. Prethodno su već demonstrirali da proces može proizvesti dovoljno vodika za pogon malog automobila. Tim također aktivno istražuje mogućnosti primjene ove tehnologije pod vodom, radeći na dizajnu vodikovog reaktora koji bi koristio okolnu morsku vodu za napajanje malih plovila ili podvodnih vozila, otvarajući nove horizonte za autonomne podvodne operacije. Ova istraživanja djelomično su podržana kroz MIT Portugal Program, inicijativu koja potiče suradnju i inovacije.

Izvor: Massachusetts Institute of Technology