|
Aktualności
|
|
Informacje
Numery
Numer 04/2003
Wodoru dużo i coraz taniej
|
|
|
Narastające problemy z zapewnieniem dostaw tanich i czystych źródeł energii kierują uwagę ku wykorzystaniu wielkich zasobów wodoru. Postępy w opanowaniu technologii energetycznej utylizacji tego pierwiastka pozwalają z optymizmem patrzeć na jego szanse stopniowego zastępowania obecnie stosowanych paliw organicznych. Wyrazem tych obiecujących perspektyw są m.in. plany Departamentu Energetyki USA, zgodnie z którymi w 2030 r. 10% krajowego popytu na energię ma być zaspokojone przez wodór.
|
Stanie się to jednak możliwe dopiero po opanowaniu nowych, tańszych i wydajniejszych technologii wytwarzania wielkich ilości tego gazu. Tworząc wizje nowej energetyki opartej na wodorze nie wolno jednak zapominać o nieubłaganym bilansie energetycznym realizowanych procesów. Uzyskanie czystego wodoru z jego związków np. wody lub metanu pochłania wiecej energii niż otrzymuje się w trakcie jego utylizacji jako paliwa.
Wodór jest pierwiastkiem najpowszechniej występującym we Wszechświecie. W wolnej postaci na Ziemi jest go jednak bardzo niewiele, gdyż z łatwością reaguje z innymi pierwiastkami tworząc wodę, biomasę, paliwa organiczne i inne związki. W celu uzyskania czystego wodoru należy go wydzielić z wymienionych substancji, lecz proces ten wymaga doprowadzenia znacznej energii. Wynaleziono kilka sposobów otrzymywania wodoru, jednak praktyczne znaczenie w skali przemysłowej zyskały dwie metody: elektrolizy wody i reformingu metanu lub innych paliw węglowodorowych. Elektroliza wody czyli jej rozkład pod wpływem prądu elektrycznego na wodór i tlen została wykonana po raz pierwszy w 1839 r. przez angielskiego fizyka W. Grove, który także wynalazł ogniwo paliwowe. Od tej pory proces ten jest najprostszym sposobem przemysłowego otrzymywania tych gazów o bardzo wysokiej czystości. Jednak zasadniczą wadą tej metody jest jej wysokie zapotrzebowanie energii.
W typowych elektrolizerach o sprawności rzędu 70% zużycie energii elektrycznej na uzyskanie 1 kg wodoru wynosi około 46 kWh. Rocznie na świecie wytwarza się około 500 mld Nm sześc. tego gazu. W tabeli podano obecnie wykorzystywane źródła tego pierwiastka i ich ilościowy udział.
|
Źródło
|
Ilość w mld Nm sześc./rok
|
Procent
|
|
Gaz ziemny
|
240
|
48
|
|
Ropa naftowa
|
150
|
30
|
|
Węgiel
|
90
|
18
|
|
Elektroliza
|
20
|
4
|
|
Razem
|
500
|
100
|
|
Większość wytwarzanego wodoru jest zużywana na miejscu tj. w rafineriach do poprawy jakości produktów naftowych i nie trafia na rynek. Cena wodoru produkowanego w rafineriach bez kosztów transportu wynosi obecnie około 0,70 USD/kg, natomiast nakłady na skraplanie i transport podnoszą ją do poziomu 2-3 USD/kg. Wytwarzanie wodoru w elektrolizerniach jest zaś 3-10 razy droższe.
Największe ilości wodoru otrzymuje się od dawna z gazu ziemnego. Proces reformingu z udziałem metanu i pary wodnej przebiega w temperaturze 1100 st. C w obecności katalizatora, a jego produktami są wodór i dwutlenek węgla. Te same produkty gazowe uzyskuje się także w reakcji węgla (koksu) i pary wodnej. Do produkcji wodoru stosuje się także ciągle doskonalone technologie zgazowania węgla połączone z sekwestracją wydzielanego dwutlenku węgla.
Wytwarzanie wodoru z paliw organicznych wymaga znacznych nakładów kapitału i energii. Część paliwa musi zostać spalona dla uzyskania niezbędnej temperatury, nie wydzielając wodoru.
Wprawdzie stosuje się także częściowe utlenianie gazu ziemnego, które jest reakcją egzotermiczną, lecz ten kosztowny proces nie zapewnia czystości wodoru wymaganej dla wielu aplikacji. Poważne trudności wiążą się z wydzielaniem wodoru ze strumienia gazowych produktów procesu. Używane w tym celu membrany są kosztowne i mało wydajne.
Inną metodą wytwarzania wodoru na skalę przemysłową jest zgazowanie biomasy, głównie odpadów drzewnych i rolniczych. Przy podgrzewaniu w odpowiednich warunkach biomasa ulega zamianie na gaz syntezowy składający się przede wszystkim z CO, CO2 i H2. Jednak do chwili obecnej technologia ta ze względów ekonomicznych nie uzyskała szerszego zastosowania. W fazie testowania pozostaje metoda oparta na zjawisku fotoelektrolizy, w którym światło słoneczne służy do rozkładu wody na jej gazowe składniki. Proces zachodzi w układzie przypominającym ogniwo fotowoltaiczne zanurzone w wodzie, przy czym promienie świetlne pobudzają półprzewodnik do rozszczepiania cząsteczek otaczającej wody. Technologią przyszłości jest również wykorzystanie pewnych gatunków glonów i roślin w procesach przypominających fotosyntezę.
Planowane wykorzystanie wodoru do wytwarzania czystej energii oraz rosnące zużycie w wielu gałęziach przemysłu, zwłaszcza chemicznego, zmuszają do poszukiwania tańszych i wydajniejszych technologii jego pozyskiwania. Znaczącym postępem na tej drodze może okazać się wynalazek naukowców amerykańskiego Argonne National Laboratory opatentowany w 2000 r. Jest to metoda wytwarzania wodoru przez katalityczny rozkład wody lub mieszaniny pary wodnej i niektórych gazów.
Rozwiązanie polega na użyciu kompozytowych (metalowo-ceramicznych) katalizatorów oraz membran o własnościach przewodzenia odpowiednio protonów i elektronów. Stanowią one proste i wydajne urządzenia wytwarzania i separacji wodoru. Opracowana technologia obejmuje jednoetapowy proces rozszczepiania cząsteczek wody na składniki gazowe z wydzielaniem wodoru, którego jony (protony) przenikają przez membranę ściany reaktora, co dodatkowo zwiększa wytwarzanie tego gazu. Rozkład wody odbywa się na powierzchni płyt wykonanych z takich metali jak np. żelazo, miedź, wanad, nikiel, srebro, złoto czy platyna.
Zaletą technologii jest łatwa dostępność taniego surowca czyli wody. Dalsze korzyści polegają na niższych nakładach inwestycyjnych i eksploatacyjnych, które zawdzięcza się w dużej mierze obniżeniu temperatury procesu do zakresu 600-900 st. C. Wreszcie opracowana technologia nie pozostawia ubocznych uciążliwych produktów wymagających dalszego zagospodarowania, natomiast umożliwia wytwarzanie – oprócz wodoru – również czystego tlenu.
|
|
|
|
