Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Μπέρμιγχαμ ανέπτυξαν μια νέα μέθοδο χαμηλής θερμοκρασίας για την παραγωγή υδρογόνου που θα μπορούσε να κάνει το καθαρό καύσιμο φθηνότερο και πιο πρακτικό στην παραγωγή. Η τεχνική μπορεί να χρησιμοποιηθεί τόσο σε μεγάλες κεντρικές εγκαταστάσεις όσο και σε μικρά τοπικά συστήματα που εκμεταλλεύονται τη σπατάλη θερμότητας από μεγάλες βιομηχανικές εργασίες.
Το υδρογόνο είναι το πιο άφθονο στοιχείο στο σύμπαν και θεωρείται ευρέως ως σημαντική πηγή καθαρής ενέργειας. Όταν χρησιμοποιείται ως καύσιμο, παράγει μόνο νερό και θερμότητα, αντί για διοξείδιο του άνθρακα και άλλους ρύπους που σχετίζονται με τα ορυκτά καύσιμα. Το υδρογόνο μπορεί επίσης να τροφοδοτήσει τις κυψέλες καυσίμου που παράγουν ηλεκτρική ενέργεια. Παρά τα πλεονεκτήματα αυτά, περίπου το 95% της παραγωγής υδρογόνου εξακολουθεί να βασίζεται σε ορυκτά καύσιμα.
Ο νέος καταλύτης μειώνει δραματικά τις θερμοκρασίες παραγωγής υδρογόνου
Ένας πολλά υποσχόμενος τρόπος παραγωγής υδρογόνου είναι μέσω της θερμοχημικής διάσπασης του νερού, μια διαδικασία κατά την οποία ένας καταλύτης διασπά το νερό σε υδρογόνο και οξυγόνο. Τα υπάρχοντα θερμοχημικά συστήματα απαιτούν εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες. Η διάσπαση του νερού συμβαίνει συνήθως στα 700-1000 οC, ενώ το στάδιο της καταλυτικής αναγέννησης απαιτεί συχνά θερμοκρασίες 1300–1500 οC Πριν ξεκινήσετε έναν άλλο κύκλο παραγωγής.
Μια ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τον καθηγητή Yulong Ding από τη Σχολή Χημικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου του Μπέρμιγχαμ έδειξε ότι αυτή η θερμοκρασία μπορεί να μειωθεί σημαντικά χρησιμοποιώντας έναν καταλύτη περοβσκίτη.
Σύμφωνα με δημοσιευμένα στοιχεία International Journal of Hydrogen EnergyΟ νέος καταλύτης παρήγαγε σημαντικές ποσότητες υδρογόνου σε θερμοκρασίες μεταξύ 150-500°C οΓ. Μπορεί επίσης να αναγεννηθεί σε θερμοκρασίες έως 700-1000 οΓ, περίπου 500 οΤο C είναι μικρότερο από την τρέχουσα μέθοδο.
Ο καθηγητής Ding είπε: “Η χαμηλή συνολική θερμοκρασία της διαδικασίας μπορεί να επιτρέψει την κατασκευή υδρογόνου κοντά σε μονάδες παραγωγής ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και οι τομείς της θεμελιώδους βιομηχανίας όπως ο χάλυβας, το τσιμέντο, το γυαλί και τα χημικά έχουν πολλή απόβλητη θερμότητα, η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως εισροή θερμότητας για παραγωγή υδρογόνου σε χαμηλή θερμοκρασία.
Πιθανά πλεονεκτήματα κόστους έναντι του πράσινου και του μπλε υδρογόνου
Οι ερευνητές διεξήγαγαν επίσης μια προκαταρκτική οικονομική ανάλυση. Τα αποτελέσματά τους υποδηλώνουν ότι η διάσπαση του νερού χρησιμοποιώντας τον νέο καταλύτη περοβσκίτη μπορεί να παράγει υδρογόνο με χαμηλότερο κόστος από το πράσινο υδρογόνο (που παράγεται από νερό με ηλεκτρόλυση) και το μπλε υδρογόνο (που παράγεται από μεθάνιο με δέσμευση και αποθήκευση άνθρακα).
Τα οικονομικά οφέλη εμφανίζονται ιδιαίτερα ισχυρά όπου η ηλεκτρική ενέργεια από ανανεώσιμες πηγές είναι σχετικά φθηνή, συμπεριλαμβανομένων χωρών όπως η Αυστραλία.
Το έργο πραγματοποιήθηκε σε συνεργασία με το Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας του Πεκίνου (USTB). Το Πανεπιστήμιο του Μπέρμιγχαμ εργάζεται τώρα για την εμπορευματοποίηση της τεχνολογίας στο Ηνωμένο Βασίλειο και την Ευρώπη. Η επιχείρηση του Πανεπιστημίου του Μπέρμιγχαμ έχει καταθέσει αίτηση για δίπλωμα ευρεσιτεχνίας που καλύπτει τη χρήση καταλυτών BNCF για διάσπαση νερού σε χαμηλή θερμοκρασία και αναζητά συνεργάτες που θα βοηθήσουν στην περαιτέρω ανάπτυξη της τεχνολογίας.
Γιατί έχει σημασία η θερμοχημική διάσπαση του νερού;
Αν και το υδρογόνο είναι το πιο άφθονο στοιχείο στο σύμπαν, το καθαρό αέριο υδρογόνο είναι ασυνήθιστο στη Γη. Αντίθετα, το υδρογόνο βρίσκεται συνήθως συνδεδεμένο με άλλα στοιχεία, συχνά στο νερό και τα καύσιμα υδρογονανθράκων όπως το φυσικό αέριο, ο άνθρακας και το πετρέλαιο. Αυτές οι ενώσεις πρέπει να διασπαστούν για να παραχθεί υδρογόνο.
Σήμερα, η κυρίαρχη μέθοδος παραγωγής είναι η αναμόρφωση με ατμό, η οποία διαχωρίζει το υδρογόνο από το μεθάνιο. Αυτή η διαδικασία αντιπροσωπεύει περίπου το ήμισυ της παγκόσμιας παραγωγής υδρογόνου. Ωστόσο, παράγει CO2Περιορισμός των περιβαλλοντικών του οφελών εκτός εάν προστεθούν συστήματα δέσμευσης και αποθήκευσης άνθρακα.
Η ηλεκτρόλυση προσφέρει μια πιο καθαρή επιλογή επειδή χρησιμοποιεί ηλεκτρική ενέργεια για να χωρίσει το νερό σε υδρογόνο και οξυγόνο. Ωστόσο, είναι πιο ακριβή από την παραγωγή με βάση το μεθάνιο και επί του παρόντος προμηθεύει μόνο το 4% του παγκόσμιου H2 ζήτηση
Άλλες αναδυόμενες μέθοδοι βασίζονται σε αντιδράσεις που οδηγούνται από το φως για την παραγωγή υδρογόνου από το νερό. Παρόλο που είναι πολλά υποσχόμενες, αυτές οι φωτονικές τεχνολογίες είναι ακόμα σε αρχικό στάδιο και αντιμετωπίζουν εμπόδια που σχετίζονται με την απόδοση, την επεκτασιμότητα και το κόστος.
Πώς λειτουργούν οι καταλύτες Perovskite
Οι περοβσκίτες είναι υλικά με δομή που μοιάζει με πλέγμα που μπορούν να απορροφήσουν οξυγόνο μέσα στη δομή τους και να βοηθήσουν στη διάσπαση των οξυγονωμένων ενώσεων.
Η ομάδα του Μπέρμιγχαμ επικεντρώθηκε σε μια συγκεκριμένη ομάδα γνωστή ως περοβσκίτες BNCF, οι οποίοι είναι κατασκευασμένοι από βάριο, νιόβιο, ασβέστιο και σίδηρο. Αυτά τα υλικά είναι σχετικά άφθονα, δεν απαιτούν πολύπλοκες διαδικασίες παραγωγής και δεν περιέχουν τοξικά συστατικά.
Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι οι περοβσκίτες BNCF μπορούν να απορροφήσουν οξυγόνο σε πολύ χαμηλότερες θερμοκρασίες από ό,τι πιστεύαμε προηγουμένως. Μεταξύ των υλικών που δοκιμάστηκαν, μια έκδοση γνωστή ως BNCF100 παρείχε την καλύτερη απόδοση.
Η έρευνα έχει δείξει ότι ο BNCF100 μπορεί να αναγεννηθεί σε χαμηλότερες θερμοκρασίες από τους υπάρχοντες καταλύτες διάσπασης νερού, ενώ συνεχίζει να παράγει υδρογόνο για 10 κύκλους παραγωγής. Η ανάλυση περίθλασης ακτίνων Χ έδειξε πολύ μικρή δομική αλλαγή στο υλικό κατά τη διάρκεια της δοκιμής, υποδεικνύοντας ισχυρή σταθερότητα.
Ο καθηγητής Ding είπε: «Η έρευνά μας αποκάλυψε έναν καταλύτη ικανό να παράγει σημαντικές αποδόσεις υδρογόνου σε σχετικά χαμηλές θερμοκρασίες και μια προκαταρκτική τεχνοοικονομική μελέτη δείχνει ότι είναι οικονομικά αποδοτικός σε σύγκριση με καθιερωμένες μπλε και πράσινες οδούς παραγωγής υδρογόνου».
