Inginerii din Elveţia au elaborat o nouă soluţie de a stoca hidrogenul pe durată lungă, folosind o tehnologie de circa 200 de ani

Hidrogenul este adeseori menţionat ca una din soluţiile esenţiale de a asigura tranziţia omenirii spre sustenabilitate şi zero impact CO2. Faptul că hidrogenul poate fi produs prin electroliza apei cu ajutorul energiei regenerabile îl face o formă atractivă de energie, iar acesta rămâne curat şi dacă e folosit ulterior în instalaţii cu pile de combustie pentru a fi convertit înapoi în electricitate, şi dacă e folosit direct în ardere. Însă toate aceste calităţi sunt însoţite şi de două mari probleme. Una e ineficienţa întregului proces de producţie a hidrogenului, apoi de reconvertire a lui în energie, dar aici în ultimul au existat multiple elaborări promiţătoare, care promis să crească enorm eficienţa întregului proces. A doua problemă e legată de stocarea hidrogenului, şi anume pentru ea inginerii din Elveţia, de la universitatea ETH din Zurich, spun că au elaborat soluţia.

Hidrogenul poate fi stocat gazos, dar e nevoie de rezervoare mari, cu pereţi rigizi, care să reziste presiunii uriaşe. De ce e nevoie de presiune? Pentru că în condiţii normale 1 kg de hidrogen ar ocupa 11,2 metri cubi de volum. Putem să ne imaginăm un container de 4 metri lungime, 2 metri înălţime şi 1,4 metri lăţime — ăsta ar fi volumul unui rezervor pentru a stoca doar 1 kg de hidrogen. Toyota Mirai, spre exemplu, poate stoca 5,6 kg la bord, deci, dacă nu le-ar presuriza, am avea 5 containere şi jumătate puse alături, doar pentru cele 5,6 kg de hidrogen!

Prin urmare, e clar de ce hidrogenul e stocat a o presiune mult mai mare, de obicei între 250 şi 700 bari. Iar pentru a rezista presiunii de 700 bari, e nevoie de pereţi foarte rezistenţi ai rezervoarelor, care fac acel rezervoare grele şi scumpe. Şi e valabil şi la rezervoare mari industriale.

Hidrogenul poate fi stocat şi lichid, mult mai compact, dar acolo problemele sunt şi mai mari. 1 kg de hidrogen lichid are nevoie de 14 litri de volum, deci mult mai compact, dar oricum nu e la fel de dens ca apa, pentru că hidrogenul e mult mai uşor. Dar, pentru 5,6 kg menţionate mai sus ar fi nevoie de un rezervor de 78,4 litri.

Sună bine, doar că hidrogenul e lichid la -253 grade Celsius şi mai jos, de asta e nevoie de condiţii criogenice pentru a păstra hidrogenul în formă lichidă, altfel acesta se încălzeşte şi se transformă în gaz, tinzând să-şi crească volumul. Asta înseamnă că e nevoie de un rezervor foarte izolat termic, după principiul de termos, care are nevoie oricum de un sistem de răcire, care, la o asemenea temperatură, e foarte energofag. Au existat în lumea noastră maşini precum BMW Hydrogen 7, care foloseau hidrogen lichid şi aveau un asemenea rezervor izolat, dar inevitabil întotdeauna o parte din hidrogen ajungea să se transform în gaz, iar maşina avea un soi de valvă care îi permitea acelui gaz să se evaporeze lent din rezervor. Asta făcea ca o maşină cu rezervorul plin de hidrogen lichid să rămână cu el gol în decursul unei săptămâni. Deci, stocarea în formă lichidă a hidrogenului fie e energofagă dacă e prezent un sistem de răcire, fie generează pierderi din hidrogenul stocat, fie pur şi simplu nu e fezabilă pe termen lung din cauza pierderilor.

Foto: Aşa arăta rezervorul de hidrogen lichid al lui BMW Hydrogen 7

Aşadar, acum inginerii de la universitatea ETH spun că au elaborat o soluţie viabilă, ieftină, care nu întâmpină aceste probleme şi e atât de bună, încât ar putea permite şi stocarea sezonieră a hidrogenului — spre exemplu producţia în exces de energie fotovoltaică ar putea fi transformată în hidrogen şi stocată prin noua tehnologie pentru a fi folosită iarna, fără pierderi aferente unui termen atât de îndelungat.

Soluţia elveţienilor de bazează pe un proces cunoscut încă din secolul XIX, care foloseşte reacţii chimice ce se bazează pe fier. Hidrogenul — tocmai produs pe bază de energie regenerabilă în acest caz — e introdus apoi într-un reactor de oţel plin cu minereu de fier sau oxid de fier dacă e să vorbim în termeni chimici, la 400 grade Celsius. Hidrogenul extrage atomii de oxigen din minereul de fier, ceea ce rezultă în fier curat şi apă.

Reacţia chimică arată:
4H2 + Fe3O4 —> 3Fe + 4H20.

Foto: Extrageri de minereu de fier

Astfel, avânt în rezultat fierul curat şi apa, aceste elemente pot fi stocate pe termen lung fără pierderi energetice, iar bateria e „încărcată” astfel. Când e nevoie de „descărcarea” bateriei, în acelaşi rezervor e trimisă apa sub formă de abur cald, care dă start unei reacţii chimice inverse de formare a minereului de fier oxidat şi a hidrogenului curat.

Reacţia chimică a „descărcării” arată:
3Fe + 4H2O —> Fe3O4 + 4H2.

Astfel, hidrogenul e eliberat înapoi din rezervor şi poate fi folosit în toate modurile obişnuite — fie în combustie directă, fie în pile de combustie pentru a produce electricitate.

Acum, bineînţeles, apar câteva întrebări despre pierderile energetice ale acestui proces, or, e nevoie de 400 grade Celsius la „încărcare” şi apoi de abur fierbinte furnizat a descărcare. Elveţienii spun că la descărcare reacţia produce căldură şi ei dau un impuls de energie la final, apoi folosesc căldura emanată la reacţie pentru a produce următoarele cantităţi de abur. Dar orice emanare sau producţie de căldură auxiliară înseamnă oricum pierderi de energie.

Aşa că, până la urmă, am reuşit să aflăm că întreg procesul de descărcare şi încărcare prin această metodă risipeşte într 40% şi 60% din energie, lăsând doar 60-40% la final. Deci e „baterie” cu un randament al ciclului de doar 40%, ceea ce e de două ori mai puţin decât o hidrocentrală cu pompare şi de 2,25 ori mai puţin decât încărcarea electricităţii în baterii. În cazuri mai avansate, precum cel al elveţienilor care recuperează căldură, se poate ajunge la un randament de 50-60%.

Deci, înapoi se recuperează practic aceeaşi masă de hidrogen prin această reacţie, doar că în procesul de încălzire iniţială la 400 grade Celsius şi apoi încălzire a aburului se cheltuie o cantitate de energie echivalentă cu circa 40-50% din energia inerentă conţinută în acel hidrogen. Asta înseamnă că la stocarea şi eliberarea ulterioară a 1 kg de hidrogen, care conţine 39,4 kWh de energie inerentă în el, se va cheltui 15,76-19,7 kWh de energie.

Dacă mai punem la socoteală şi pierderile procesului de producţie a hidrogenului şi ulterior a producţiei de electricitate înapoi din el, ajungem la cifre de-a dreptul îngrijorătoare.

Astfel, pentru a produce 1 kg de hidrogen, cele mai eficiente instalaţii de scară mare cheltui în prezent circa 52 kWh de electricitate, pentru a avea la final 39,4 kWh de energie înmagazinată în acel kilogram. Deci, deja s-au pierdut 12,6 kWh. Apoi cei 39,4 kWh sub formă de hidrogen, dacă îi stocăm prin metoda elveţiană, cheltuim între 15,76 şi 19,7 kWh şi putem drept bază o cifră apropiată de cel mai eficient scenariu, în car se pierd doar 15,8 kWh de energie. La final, energia netă conţinută în hidrogenul extras e 39,4 - 15,8 = 23,6 kWh. Transformarea ulterioară a hidrogenului în electricitate prin pile de combustie are o eficienţă maximă de 50,5%, în cel mai bun scenariu, deci din 23,6 energie inerentă se vor putea extrage la final 11,9 kWh de electricitate utilizabilă. Cu alte cuvinte, la început s-au folosit 52 kWh pentru a produce hidrogenul, iar după toată stocarea şi producerea ulterioară s-au recuperat 11,9 kWh de electricitate, ceea ce echivalează per total cu un randament de doar 22,9% pe întreg ciclul şi o pierdere de 77,1%.

Însă chiar şi aşa, ei menţionează că noua lor metodă, bazată pe un proces chimic cunoscut din secolul XIX, e ineficientă energetic în rol de simplă stocare de electricitate şi poate fi folosită doar pentru energia produsă în exces, care n-ar mai avea unde să fie stocată, sau pentru cazul când ulterior se doreşte obţinerea de hidrogen care să intre în combustie în procese industriale, acolo unde electrificarea nu e foarte viabilă.

De ce s-au obosit să creeze şi să prezinte această metodă elaborată de ei de a stoca hidrogenul, dacă are pierderi atât de mari? Pentru că e super ieftină. Rezervoarele sunt făcute din tablă de oţel de 6 mm, fiind umplute cu un banal minereu de fier, ieftin şi el în achiziţie. De fapt, stocarea de hidrogen prin această metodă e de circa 10 ori mai ieftină decât cea mai apropiată soluţie de stocare gazoasă!

Şi elveţienii n-ar fi elveţieni dacă n-ar venit şi cu o completare genială a soluţiei lor la urmă. Aşa cum scriam în câteva articole recente despre instalaţii cu pile de combustie cu randament record, inginerii din mai multe părţi ale lumii s-au învăţat să capteze şi pierderile sub formă de căldură la pilele de combustie, furnizând şi energie termică, pe lângă cea electrică, a fel ca în cazul blocurilor din Coreea de Sud. Ei bine, asta vor face şi elveţienii — vor stoca energia în exces produsă vara din panouri fotovoltaice sub formă de hidrogen transferat în aceste baterii pe bază de minereu de fier, iar iarna vor extrage înapoi hidrogenul şi vor produce electricitate şi totodată căldură pentru oraşe, minimizând astfel cererea curentă din sistem iarna, când producţia e mai mică, datorită faptului că oraşele s pot încălzi cu energie din hidrogenul produs vara. Un soi de hidrogen conservat vara pentru beneficiul de iarnă. Iar astfel randamentul pilei de combustie la final nu mai e de doar 50%, ci ajunge la 90% şi mai mult, dacă se ia în calcul energia termică. Sigur, mai rămân pierderile până la acea etapă, dar când încep a se contrapune şi pierderile din încălzirea termică clasică, şi faptul că energia a fost stocată vara, când preţul e mai ieftin, şi eventuale îmbunătăţiri de procese, şi beneficiile de ecologie, atunci soluţia aparent ineficientă începe a căpăta tot mai multe argumente.

În faza iniţială, inginerii au creat un sistem pilot, care va funcţiona în campusul universităţii ETH. Iar ulterior, aceştia vor să ajungă la implementare la scară naţională, pentru a evita insuficienţa de energie iarna, ca Elveţia să nu mai importe electricitate, nici măcar pentru acoperirea vârfurilor în zilele de iarnă.

Foto: Samuel Heiniger (stânga, cu un recipient de minereu de fier) şi profesorul Wendelin Stark, ambii parte din echipa de ingineri elveţieni care au elaborat noua soluţie, iar în spatele lor se văd 3 rezervoare, care vor funcţiona sub formă de text la unviersitatea din Zurich