O echipă de ingineri din Elveţia şi Japonia au elaborat soluţia păstrării hidrogenului în formă lichidă la temperatura camerei, fără sisteme criogenice

Hidrogenul e o formă de energie cu mari avantaje teoretice prin multitudinea felurilor prin care poate fi folosit, care continuă să-i fascineze pe inginerii din toată lumea în încercarea de a găsi calea prin care aceste avantaje teoretice ar putea fi transpuse în realitate cu pierderi cât mai mici de randament. Hidrogenul poate fi folosit atât în combustie directă în motoare cu ardere internă — cum se întâmplă la noul motor V12 Rolls-Royce despre care scriam acum două zile, sau la motorul unui camion experimental MAN, a unui încărcător frontal Liebherr şi a mai multor motoare experimentale Toyota —, cât şi în celule electrochimice, cunoscute şi cu denumirea de pile de combustie, când electricitatea e produsă prin reacţii chimice silenţioase, eliberându-se adiţional căldură şi apă. Hidrogenul are, însă, câteva probleme de viabilitate practică — una ţine de pierderile mari pe care le generează în tot lanţul său de la producţie din energie regenerabilă până la consumul final, iar cealaltă ţine de stocare. Stocarea poate fi în formă gazoasă, la presiune înaltă, dar hidrogenul e foarte uşor şi în toate rezervoarele unei Toyota Mirai, spre exemplu, abia de încap puţin peste 7 kg de hidrogen. Mult mai compactă e stocarea în formă lichidă, însă hidrogenul devine lichid la tocmai -253 grade Celsius, ceea ce înseamnă provocări uriaşe. Ei bine, acum o echipă de ingineri din Elveţia şi Japonia au elaborat soluţia păstrării hidrogenului în formă lichidă la temperatura camerei, fără sisteme criogenice.

Echipa de ingineri, chimişti şi fizicieni e formată din membri ai Universităţii Politehnice Federale din Lausanne, Elveţia, cunoscută cu abrevierea EPFL, şi ai Universităţii din Kyoto, Japonia. Aceştia au pornit cu misiunea de a găsi o metodă cât mai eficientă de stocare a hidrogenului, însă totodată au realizat că doar dacă vor gândi „outside-the-box”, adică în afara limitărilor obişnuite, vor putea obţine un rezult notabil. Aşa că s-au gândit să nu încerce doar o perfecţionare a soluţiilor actuale obişnuite de stocare a hidrogenului, ci să ia o abordare cu totul diferită. Şi explicăm imediat de ce.

Hidrogenul poate fi produs doar din energie regenerabilă şi apă, spre exemplu, prin electroliză. Dar pentru producţia a 1 kg de hidrogen, cele mai eficiente instalaţii actuale de serie, produse de Siemens, consumă 52,5 kWh de electricitate. Într-un kilogram de hidrogen produs se conţin 39,4 kWh de energie, dacă se include şi energia latentă a vaporilor săi, sau 33,3 kWh dacă nu se include această energie. Asta înseamnă că diferenţa de la cei 52,5 kWh până la 39,4 kWh e disipată în etapa de producţie. Iar în lume există şi instalaţii mai ineficiente, care consumă şi 62,5 kWh de electricitate pentru producţia a 1 kg de hidrogen. Anul trecut, o echipă din Marea Britanie anunţa o instalaţie de producţie a hidrogenului cu cel mai mare randament din lume, care promite 41,5 kWh pentru producţia unui kilogram de hidrogen, ceea ce ar fi într-adevăr un randament admirabil şi ar exclude ineficienţa din producţie.

La consumul acestui hidrogen mai există şi un alt episod de ineficienţă. Pilele cu combustie, de genul celor din Toyota Mirai sau instalaţii industriale, au cam 55% randament, ceea ce înseamnă că din cei 39,4 kWh de energie conţinuţi în hidrogen extrag între 19,5 şi 21,7 kWh de electricitate propriu-zisă produsă la final. Asta înseamnă că, dacă la început s-au consumat 52,5 kWh pentru un kilogram de hidrogen, la final s-a recuperat din el doar 21,7 kWh într-un caz mai fericit al instalaţiilor mai eficiente de serie, pierzându-se 30,8 kWh. Asta înseamnă un randament total de 41,3% în cel mai fericit caz, cu pile de combustie. Toyota indică pe bună dreptate că ăsta e şi randamentul motoarelor cu combustie pe benzină, şi ne convinge că pierderile sunt acceptabile.

Exemplul de acum câteva zile cu motoarele Rolls-Royce V12 cu rol de generatoare, care folosesc hidrogenul în combustie, ne arată că acestea pot atinge până la 85-90% randament în loc de 55%, pentru că folosesc hidrogenul în combustie directă şi pentru că recuperează şi căldură, livrând energie electrică şi termică.

Ei bine, dar aceste pierderi de 30,8 kWh menţionate mai sus nu iau în considerare stocarea. Şi tocmai aici e marea problemă. Dacă acel hidrogen merge direct într-o conductă spre utilizare industrială, e nevoie să adăugăm doar electricitatea pentru pompe. Dacă, însă, el e stocat într-o cisternă, atunci e nevoie de a adăuga energia pompelor de presurizare, apoi presurizarea în rezervorul recipient final şi energia folosită de la transport, eventual cu un camion.

Şi cisternele de camion pot stoca hidrogenul fie lichid, fie gazos. La stocarea gazoasă, o cisternă obişnuită are circa 52 metri cubi de volum şi acolo pot încăpea 1.222 kg de hidrogen la o presiune de 350 bari. E nevoie de circa 2,5 kWh de electricitate pentru prima presurizare în cisternă şi încă 1,5 kWh/kg pentru presurizarea în recipientul final, la o staţie sau o uzină. Deci, deja încă 4 kWh în minus pentru randamentul global. Ca să se transporte 200 km, spre exemplu, acel hidrogen, mai e nevoie de 0,41 kWh/kg. Deci deja se ajunge la 4,41 kWh/kg în pus.

În formă lichidă, însă, hidrogenul e mult mai dens energetic. O cisternă de camion are un volum mai mic, din cauza echipamentului de refrigerare, de 44 metri cubi net. Însă acolo pot încăpea 3.117 kg de hidrogen. Transportul necesită mai puţină energie per kilogram, de 0,16 kWh/kg. Însă lichefierea necesită o cantitate uriaşă de energie, de 11,5 kWh/kg, din cauza refrigerării intense. Descărcarea în rezervorul final ar mai avea nevoie de 0,2 kWh/kg. Deja se adună 11,86 kWh/kg şi aici nu e inclusă energia necesară păstrării în timp a hidrogenului lichid, pentru că e nevoie de un sistem frigorific şi pentru menţinere, care să-i păstreze temperatura şi starea lichidă. La o cisternă, mai e nevoie de circa 370 kWh de energie consumată pe zi, sau 0,12 kWh/kg pe zi sau 0,84 kWh/kg per săptămână, şi asta cu admiterea unei evaporări parţiale de 0,3% pe zi, considerată normală.

Deci, pe lângă cei 11,86 kWh/kg consumaţi, se mai cheltuie încă 0,84 kWh/kg pentru a stoca acel hidrogen doar o săptămână în formă lichidă şi ajungem la 12,7 kWh/kg. Dacă la final recuperăm acei 21,7 kWh/kg faptul că am consumat 12,7 kWh/kg doar pentru păstrare criogenică timp de o săptămână, ne mai lasă 9 kWh de energie utilă din acel hidrogen pentru care am consumat iniţial 52,5 kWh pentru a-l produce. E un randament de doar 17,1% deja.

Şi întrucât la păstrarea criogenică a hidrogenului lichid există consum de energie corelat în timp, care e de 0,84 kWh/kg per săptămână la acea cisternă, avem un alt paradox. Dacă pe lângă săptămâna iniţială, acel hidrogen mai e păstrat 10,7 săptămâni la fel, atunci consumul de energie adiţională epuizează toţi cei 9 kWh pe care speram să-i putem recupera. Ajungem la un randament de 0% la final. Iată complexitatea problemei pe care au trebuit s-o rezolve elveţienii şi japonezii. Pentru că, dacă am putea păstra cumva hidrogenul lichid fără acest consum adiţional, utilizarea lui ar putea deveni mult mai atractivă, inclusiv în aplicări unde e nevoie de stocare pe perioade lungi, cum ar fi navele sau centralele termice.

Echipa de ingineri s-a gândit că soluţia ar putea fi una chimică, de integrare a hidrogenului în compuşi lichizi stabili, cu conţinut cât mai mare de hidrogen. Şi acei compuşi final sunt boranhidrură de amoniu (NH₃BH₃) şi borohidrura de tetrabutilamoniu. Compusul rezultat conţine aparent doar 6,9% de hidrogen în el în raport de greutate, dar hidrogenul e uşor. Partea curioasă e că acest compus rezultat din munca echipei de ingineri elveţieni şi japonezi rămâne stabil, în formă lichidă la o temperatură cuprinsă între -50 grade Celsius şi +60 grade Celsius. Deci, poate fi stocat în cisterne şi rezervoare la temperatura camerei pe termen lung, fără nevoia de sisteme criogenice şi consum aferent.

Atunci când se doreşte folosirea hidrogenului curat, amestecul e încălzit la 60 grade şi hidrogenul se separă uşor de el în formă pură, gazoasă, iar compusul care rămâne poate fi reutilizat pentru a stoca alt hidrogen. Încălzirea la 60 grade nu necesită foarte multă energie, şi elveţienii nu indică deocamdată consumul energetic per kg. Totuşi, noi estimăm că el ar fi similar cu criogenia, poate cu vreo 15% mai mic pe întreg ciclul, exceptând păstrarea, cu un mare avantaj — că stocarea poate fi făcută mult timp fără consum adiţional. Desigur, faptul că în acest amestec se conţine doar 6,9% de hidrogen în masă ar fi o problemă, că ar fi nevoie de mai multe camioane de transportare, însă diferenţa nu e foarte mare de fapt. La fiecare 3 camioane, mai e nevoie de un camion în plus.

Iar dacă pentru încălzirea la 60 grade a acelui compus se mai foloseşte căldura reziduală a motorului, a unei pile de combustie, sau a cuptorului unei uzine, atunci consumul energetic pentru tot procesul scade şi mai mult şi astfel această metodă elveţiano-japoneză poate fi una din cele mai viabile, sigure şi simple de a stocare hidrogenul şi de a-i mări aria de aplicabilitate realistă.

Foto: Campusul de Inovaţii al EPFL, Elveţia