O echipă de ingineri din Japonia a elaborat o metodă de producţie mai ieftină a hidrogenului verde, cu 95% mai puţin iridiu

Hidrogenul poate fi produs din apă, prin electroliză, printr-o reacţie care are nevoie de energie, iar dacă energia pentru acest proces vine din surse regenerabile, atunci acel hidrogen are calificativul de verde — acest principiu e unul de bază în toată stăruinţa de a folosi hidrogenul drept o metodă sustenabilă de a înlocui combustibilii fosili cu o soluţie cu zero emisii CO2. Fie că vorbim de maşini care-l folosesc pentru a produce ulterior electricitate din ele cu pile de combustie, fie că vorbim de combustie directă a acestuia în motoarele cu ardere internă sau chiar în turbine mari industriale sau centrale termice, aplicaţiile potenţiale ale hidrogenului sunt uriaşe. Dar există şi probleme asociate lui, care au împiedicat răspândirea mai largă a acestuia, iar una din probleme ar fi fost soluţionată acum de o echipă de ingineri din Japonia, care anunţă o metodă de producţie mai ieftină a hidrogenului verde, care foloseşte cu 95% mai puţin iridiu.

Iar aici, inevitabil, mulţi dintre noi am putea să ne întrebăm ce are iridiul cu producţia hidrogenului din apă, unde atomul de hidrogen e separat de cel de oxigen din formula H2O şi rezultă hidrogenul curat şi oxigenul curat? Ei bine, unul din lucrurile aproape neştiută este că instalaţiile de electroliză, care produc aceste reacţii, au nevoie de un catalizator, care măreşte amploarea şi stabilizează reacţia de hidroliză, iar acel catalizator e iridiul, un metal foarte rar şi foarte scump. Deci, cei care acuzau că bateriile maşinilor electrice au metale rare şi ar fi mai puţin ecologice decât hidrogenul, ar putea avea parte de surprize aflând că şi producţia de hidrogen implică materiale rare.

În rol de catalizator pot fi mai multe materiale, însă până acum iridiul a demonstrat în repetate rânduri că e cel care asigură cel mai mare randament al reacţiei. Iar randamentul de producţie a hidrogenului este şi aşa unul foarte mic — la producţia unui kilogram de hidrogen cheltuindu-se între 53 kWh de electricitate, în cel mai bun caz, şi până la 60-62,5 kWh în cazurile instalaţiilor industriale mai mari. Iar apoi într-un kilogram de hidrogen se conţin doar 33,3 kWh de energie, deci diferenţa de 20-30 kWh se pierde, în principal prin căldură, la producţia propriu-zisă. Înlocuirea iridiului cu alt material ar face randamentul şi mai mic, însă.

Foto: Instalaţie de electroliză de scară industrială

Dar, întrucât iridiul e un material rar, asta limitează scalarea producţiei de hidrogen prin metode verzi, de electroliză. Ca amploarea producţiei de hidrogen să poată creşte la 1 TW putere în lumea întreagă — deci vorbim de instalaţii de electroliză în fabrici de producţie a hidrogenului — ar fi nevoie de o cantitate de iridiu echivalentă cu cea extrasă în timp de 40 de ani la rata actuală! Iar aceste date sunt aduse de Shuang Kong, unul din inginerii descoperirii despre care vorbim azi.

Ca să înţelegem cât de grav e asta trebuie să înţelegem cât hidrogen ar produce 1 TW de instalaţii. Dacă luăm la bază media de 60 kWh consumaţi pentru un kilogram, o putere globală de 1 TW, ar consuma pentru 24 ore 24 TWh, iar la nivelul unui an putem prezuma o producţie de 350 zile, pentru eventuale pauze de mentenanţă, deci am avea 24 TWh x 350 zile = 8.400 TWh consumaţi anual de electricitate regenerabilă, care mai trebuie asigurată, bineînţeles. Ca să aflăm cantitatea de hidrogen rezultată, cei 8.400 TWh ar însemna 8.400.000.000.000 de kWh, cifră pe care o putem împărţi la 60 şi vom avea 140.000.000.000 kg de hidrogen, sau 140.000.000 tone produse anual. Pentru a pune asta în context, recent Germania a aprobat trei centrale termice, cu turbine de gaz care vor putea folosi hidrogenul în combustie pentru a genera electricitate. Sunt centrale de putere relativ medie, de 830 MW, cu ideea de a putea produce şi electricitate şi căldură, dar într-un articol cu cifre noi am calculat că fiecare din ele ar avea nevoie de o cantitate de hidrogen egală cu 396 mii tone anual, deci aproape 1,2 milioane tone de hidrogen împreună. Deci, doar cele 3 centrale ar consuma aproape 1% din producţia globală la o valoare idealistă de 1 TW global. Dar adevărul a că aceste capacităţi sunt foarte departe de producţia actuală, şi aşa cum arată inginerii japonezi, ca să existe în lume suficient iridiu pentru atâtea instalaţii de electroliză pentru producţia de hidrogen, ar fi nevoie de 40 de ani de extragere a lui.

Ei bine, inginerii japonezi de la centrul de cercetări RIKEN, într-o echipă condusă de Ryuhei Nakamura, spun că au elaborat o metodă de producţie a hidrogenului tot prin electroliză, la exact acelaşi randament actual, dar cu folosirea a doar 5% din cantitatea actuală de iridiu, deci cu 95% mai puţin! Ei au reuşit să înlocuiască o mare parte din iridiu cu oxidul de mangan, un material care e foarte răspândit în lume şi poate fi obţinut din piroluzit, un minereu extras din pământ, mult mai răspândit decât iridiul şi mult mai ieftin.

Astfel, japonezii au creat un catalizator care e format în cea mai mare parte din oxid de mangan, având o mică parte de iridiu. Şi, de fapt, atomii de iridiu şi oxid de mangan nu se amestecă înainte de reacţia de electroliză, ci direct în timpul acesteia. Inginerii au reuşit să asigure acelaşi randament de producţie a hidrogenului ca şi la folosirea iridiului curat. Instalaţia lor de electroliză a funcţiona în regim de test 3.000 ore, pe durata a 4 luni, la o eficienţă de 82%, fără degradarea parametrilor în timp, spun inginerii niponi. Aceştia specifică, totuşi, că oxidul de mangan care a indicat aceste calităţi excepţionale e cel cu starea de oxidare +6, care e mult mai rar, dar care poate fi preparat uşor inclusiv în condiţii industriale.

Japonezii spun că descoperirea lor ar putea ajunge foarte repede în producţia de serie a instalaţiilor de electroliză, la producătorii actuali, pentru că necesită modificări constructive minime a acestor instalaţii, dar le va permite acestor producători să nu-şi mai limiteze producţia atât de drastic din cauza insuficienţei de iridiu. Şi pentru că instalaţia finală va conţine doar 5% de iridiu, ea ar trebui să fie şi mult mai ieftină ca produs final, contribuind astfel la o adoptare mai largă a instalaţiilor de electroliză şi o creştere globală mai rapidă a producţiei de hidrogen. Iar în paralel, aceeaşi echipă de ingineri din Japonia spune că va continua să muncească la găsirea unui catalizator care să nu mai aibă deloc iridiul sau materiale rare, ci doar materiale foarte răspândite.

Deci, descoperirea din Japonia ar putea servi drept un imbold pentru mărirea producţiei de instalaţii de electroliză la nivel global, rezolvând una din limitările care limita adoptarea pe larg a hidrogenului. Dar, bineînţeles, problemele inerente de ineficienţă şi randament ale hidrogenului în producţie şi apoi folosire ca sursă de energie rămân prezente. Iar puterea de 1 TW, menţionată mai sus drept o ţintă de surse energetice dedicate producţiei de hidrogen la nivel global, nu este nici ea de neglijat, întrucât puterea totală a tuturor surselor de producţie de electricitate de pe planetă în prezent e de circa 18 TW, deci 1 TW e o felie consistentă ce trebuie adăugată, nu înlocuită, şi adăugată doar prin energie regenerabilă sau cel puţin cu zero CO2. Însă, la cât de mult s-au dezvoltat sursele de energie regenerabilă în ultimii câţiva ani, cifra nu e utopică, ci realizabilă în decursul a cel puţin câţiva an buni.