O echipă de ingineri din SUA a creat o instalaţie de celule electrochimice cu randament record prin care transformă hidrogenul în electricitate şi căldură

De multe ori spunem că hidrogenul e o formă admirabilă de energie, cu multe aplicaţii interesante acolo unde bateriile şi electricitatea stocată în ele ar fi mai dificil de aplicat, dar întregul proces de producţie a hidrogenului verde din energie regenerabilă, stocare, transportare, apoi convertire înapoi, are o mulţime de pierderi şi ineficienţe, care fac ca la final să rămână puţină energie utilă. Însă în ultimele luni apar tot mai multe inovaţii şi elaborări care să elimine aceste ineficienţe din întregul lanţ. Acum o echipă de ingineri din SUA, parte din start-up-ul Bloom Energy, e creat o instalaţie cu celule electrochimice despre care spune că are un randament record, transformând hidrogenul în electricitate şi căldură.

Ca să înţelegem cât de important acest randament record, trebuie să amintim cum are loc acest lanţ al hidrogenului de la producţie până la consum. Hidrogenul poate fi produs şi din gaz natural, dar atunci producţia lui generează emisii CO2, deşi e mult mai ieftină. Însă hidrogenul verde pe care şi-l doreşte toată lumea e produs prin instalaţii de electroliză a apei, care au nevoie de electricitate din surse regenerabile ca să producă acea reacţie prin care atomii de hidrogen sunt separaţi de cei de hidrogen şi rezultă hidrogenul curat, care poate fi utilizat mai departe.

La acest prim proces, pentru producţia unui kilogram de hidrogen se consumă în general, la scară mare, într 57 şi 62 de kWh de electricitate, cu cifra de 60 kWh valabilă pentru multe din fabricile ceva mai mari, anunţate în construcţie în ultimul an, inclusiv cele anuţate în România. Cifra de 53 kWh le aparţine celor de la Toyota pentru instalaţii mai mici, iar de curând Siemens a fost contractat pentru a construi cea mai mare fabrică de hidrogen din Germania cu instalaţiile sale, care au un randament şi mai bun, de 52,24 kWh consumaţi la 1 kg de hidrogen produs.

Aceste instalaţii de electroliză au nevoie de un material rar în ele, iridiul, iar în luna mai o echipă de ingineri din Japonia a anunţat o metodă de producţie a lor, folosind cu 95% mai puţin iridiu şi păstrând randamentul neschimbat, ceea ce ar permite scalarea rapidă a producţiei globale, care e reţinută acum din cauza că cantităţilor mici de iridiu disponibile.

Tot în mai 2024, o echipă de ingineri britanici a anunţat punerea în producţie a instalaţiei de producţie a hidrogenului cu cel mai mare randament, de 95%, care are nevoie de doar 41,5 kWh pentru a produce 1 kg de hidrogen. Într-un kilogram de hidrogen se conţin 39,4 kWh de energie inerentă, dar din el se pot extrage 33,3 kWh de energie netă, excluzând energia necesară împingerii propriilor vapori. Astfel, doar la producţia de hidrogen, din cei 52,5-62 kWh de electricitate consumată se pierde o cantitate uriaşă de energie până când se înmagazinau 39,4 kWh de energie în hidrogenul final, pierderile de obicei fiind emanate prin căldură. Iar evoluţia până la doar 41,5 kWh consumaţi şi 39,4 kWh rămaşi foarte promiţătoare. Apropo, dacă instalaţia britanică abia urmează a fi produsă la scară mare, atunci în iunie 2024 germanii şi spanioli au construit în Spania instalaţia cu cel mai mare randament dintre cele deja operaţionale, acea instalaţie având nevoie de circa 49,9 kWh/kg.

Ei bine, pierderile la stocare şi transport pot fi foarte mari şi diferă foarte tare de metode şi distanţe, de asta de obicei nu sunt date cifre per kilogram şi tot de asta metoda preferabilă de transport ar fi conductele, unde pompele pot fi acţionate electric, cu energie regenerabilă, şi n-ar fi nevoie de sisteme energofage de lichefiere sau presurizare, sau camioane cu cisterne pentru transport. Aşa cum anunţam acum câteva zile, Europa pregăteşte o întreaga reţea de asemenea conduct la nivel continental, iar Spania a autorizat construcţia primelor segmente.

Ei bine, echipa de ingineri despre care vorbim azi aduce randamentul şi pe partea de consum final al hidrogenului, după ce acesta ajunge la destinaţie. Hidrogenul poate fi ars direct ca şi combustibil, exact ca şi gazul, dar are nevoie de cantităţi mai mici pentru că are un conţinut caloric mai mare, şi e potrivit pentru folosirea în furnale industriale, acolo unde e nevoie de temperaturi mari în procesele de producţie. Toyota dezvoltă şi motoare cu combustie care să folosească hidrogen, iar producătorul de camioane MAN a şi lansat o serie de 200 de camioane care folosesc hidrogen în combustie, iniţiativă preluată apoi şi de Liebherr cu primul său încărcător frontale de acest tip.

Camion MAN şi încărcător frontal Liebhrr, ambel cu motoare cu combustie de hidrogen

Dar mai frecvent hidrogenul e folosit în instalaţii cu celule electrochimice, numite şi pile de combustie, acolo unde hidrogenul intră din nou în reacţii chimice şi generează electricitate, producând apă ca un produs aferent. Este exact principiul folosit de Toyota Mirai, care-şi produce astfel electricitatea necesară propulsie. Doar că dintr-un kilogram de hidrogen, Toyota Mirai produce cam 17,5-18,0 kWh de electricitate, restul fiind disipat în căldură. Deci, şi aici din cele 33,3 kWh nete de energie se mai pierde o cantitate imensă de energie, tot prin căldură în mare parte.

Inginerii de la Bloom Energy spun că noua lor instalaţie cu celule electrochimice cu oxid solid reuşeşte să ofere un randament record de 60% în producţia de electricitate. Alte instalaţii mari, de mărimea unui container, produc de obicei între 16,7 şi 17,5 kWh de electricitate de hidrogen consumat, ceea ce ar fi cam 50-52,5% de randament. Chiar şi cei de la Bloom au o instalaţie în producţie care livrează 52% randament, şi produce 300 kWh din 17,3 kg de hidrogen consumat pe oră, deci generează 17,34 kWh de electricitate din 1 kg de hidrogen. Cu noua lor instalaţie, aceştia produc acum 19,98-20,0 kWh dintr-un kilogram de hidrogen, ceea ce echivalează cu 60% randament.

Doar că acest procent nu e un record absolut pentru acest tip de celule de combustie, cu oxid solid. Unicitatea noii invenţii este, însă, şi în randamentul cu care ea poate capta căldura disipată ca pierdere în mod normal, mai captând 30% şi de acolo şi ajungând în final la 90% de randament, cifră care constituie deja un randament record cu adevărat. Astfel, din cei 33,3 kWh de energie conţinuţi într-un kilogram de hidrogen, noua instalaţie generează 20,0 kWh de electricitate şi încă 10 kWh de energie, iar astfel se pierd doar 3,3 kWh, fiind utilizaţi 30,0 kWh.

Asta înseamnă că instalaţia lor poate şi livra şi căldură sub formă de apă caldă şi încălzire de edificii, iar această idee a fost folosită şi în primul bloc locativ din lume care e electrificat şi încălzit cu hidrogen, inaugurat recent în Coreea de Sud. Acolo acea instanţie utilizează cam 25,88 kWh din cei 33,3 kWh conţinuţi într-un kg de hidrogen — circa 16,67 prin electricitate şi restul de 9,21 kWh prin căldură. Iar pe un asemenea fundal, cei 20 kWh generaţi în electricitate şi 10 kWh generaţi în căldură a noii instalaţii create de inginerii din SUA arată excelent.

Şi dacă ne gândim la instalaţia britanică record de 41 kWh consumaţi pentru producţia unui kilogram de hidrogen şi o cooptăm acum cu instalaţia record de conversie a hidrogenului înapoi în electricitate şi căldură, cu folosirea a 30 kWh, ajungem efectiv la o pierdere de doar 11 kWh la fiecare kilogram de hidrogen, sau 26,8%, cea ce ne lasă un randament final de 73,2% pentru întreg ciclu, randament care se apropie deja de cel al hidrocentralelor prin pompare la 77-80%. Şi e evoluţie majoră dacă îl comparăm cu intervalele actuale cele mai ineficiente din producţia de hidrogen şi convertirea lui doar în electricitate, când se consumă 62,5 kWh/kg şi apoi de extrag 16,6 kWh/kg, cu o pierdere de 45,9 kWh sau 73,4% şi doar 26,6% randament. Deci efectiv progresul anunţat şi adus de diverse echipe de ingineri şi chimişti din toată lumea doar în ultimele trei luni a inversat procentele de pierderi şi eficienţă în lanţul hidrogenului, de la pierderi de 73,4% şi randament de 26,6%, la pierderi de doar 26,8% şi randament de 73,4%!