O echipă de ingineri chinezi a creat un dispozitiv cu randament îndoielnic de a produce hidrogen doar din umiditatea conţinută în aer, folosind doar energia soarelui

Hidrogenul e unul din cele mai captivante elemente din universul nostru, fiind cheia dintr-o mulţime de substanţe esenţiale care ne înconjoară, pe de o parte — de la apă la hidrocarburi — şi fiind totodată şi baza nenumăratelor procese şi reacţii chimice energetice — de la combustie banală până la fuziune nucleară. La fel de esenţial e hidrogenul în tot ce înseamnă viaţă, fiind implicat în cele mai profunde procese de metabolism. Iar în lumea mobilităţii, hidrogenul e încă văzut drept o formă de energie curată, cu un potenţial enorm. Dar e la fel de adevărat că producţia actuală de hidrogen verde, adică fără a genera poluare în procesul de fabricaţie, e una care are pierderi energetice mari şi necesită apă de o puritate foarte mare drept sursă pentru electroliză. Ei bine, o echipă de ingineri chinezi de la Institutul de Ştiinţe Fizice din Hefei, condusă de prof. YIN Huajie, a creat acum un nou dispozitiv de a produce hidrogen doar din umiditatea conţinută în aer, folosind doar energia soarelui.

Imagine simbol cu rezervoare de hidrogen

Astăzi, producţia de hidrogen verde se realizează prin instalaţii de electroliză, care folosesc electricitate produsă din surse regenerabile pentru a asigura disiparea apei, adică H2O, în hidrogen şi oxigen. Aceste proces e relativ energofag, întrucât instalaţii mari industriale, precum cele construite în România sau Italia, pot consuma 60-62 kWh de electricitate pentru a produce 1 kg de hidrogen. Toyota are instalaţii ceva mai eficiente la fabricile sale, care consumă 53 kWh, iar Siemens a reuşit să scaleze producţia unor instalaţii care au ajuns la 52,5 kWh. Şi cam aici a ajuns randamentul instalaţiilor mari, produse industrial.

Foto: Producţia de instalaţii Siemens

Problema că ulterior, în 1 kg de hidrogen se conţine 39,4 kWh de energie inerentă sau 33,3 kWh dacă se ia în consideraţie şi varianta netă utilizabilă. E la fel de adevărat că celulele electrochimice care transformă apoi hidrogenul din nou în apă, intrând în reacţie cu oxigenul şi generând electricitate produce de obicei doar 18,5-20 kWh de electricitate din cei 33,3 kWh net sau 39,3 KWh brut când se conţinea în acel hidrogen. Pierderile sunt disipate în mare parte prin căldură atât la producţie, cât şi la consum, iar unele aplicări au şi captare de căldură pentru a recupera din aceste pierderi. Însă oricum, pe partea de producţie rămâne ideea că se consumă 52,5-62,5 kWh de electricitate pentru a produce 1 kg de hidrogen cu 39,4 kWh de energie conservată în el.

Acum mai bine de un an, scriam despre britanicii de la Hysata, care au dezvoltat o instalaţie de ele electroliză cu cel mai mare randament din lume, care reuşise să consume doar 41,5 kWh de electricitate pentru 1 kg, ceea ce înseamnă un randament extraordinar de 98,5% în producţie. Start-up-ul britanic obţinuse finanţarea pentru producţia la scară mare şi probabil încă pregăteşte această etapă, dar un anunţ oficial de start de producţie de serie încă n-a avut loc.

Toate sistemele de electroliză, însă, au nevoie de apă pură, aproape distilată sau cel puţin purificată până aproape la absolut, pentru că orice compus adiţional înseamnă impuritate, care scade randamentul reacţiei, provoacă depuneri, iar dacă impuritatea e prea mare, atunci membranele de schimb de protoni din aceste instalaţii de electroliză nu mai pot funcţiona, pentru că au de suferit din cauza acestor impurităţi. De obicei, însă, această problemă e soluţionată printr-o instalaţie adiţională de purificare a apei amplasată chiar alături de instalaţia de electroliză, care asigură această purificare, prin osmoză inversă, deionizare şi filtrare. Pentru a produce un kilogram de hidrogen e nevoie de circa 9 kilograme de apă, ceea ce echivalează cu 9 litri de apă pură.

Ei bine, inginerii chinezi au vrut să creeze un dispozitiv autonom de producţie a hidrogenului, cât mai pasiv în necesităţile energetice şi de resurse. Astfel, aceştia nu au nevoie de o sursă de apă de undeva din exterior, şi nici de electricitate.

Pe partea de apă, ei extrag această apă din umiditatea prezentă în aer. Au creat straturi carbonice poroase, cu textură ce evoluează ierarhic de la un strat la altul şi cu pori de 270 nm, rolul acestora fiind de a capta pasiv vaporii de apă din aerul care suflă spre ele. Aceste membrane sunt localizate într-un recipient mai mare, care e un soi de miez al unui traseu cu aer care poate circula liber.

Foto: Structura membranelor care captează apa

Recipientul e încălzit de oglinzi ce reflectă lumina solară pentru a spori randamentul acestui proces. Chinezii spun că nu e nevoie aici decât de caracteristicile fizice ale membranelor şi de efectul fototermic dat de lumina solară pentru a extrage apa din aer. Şi ei supun că la 40% de umiditate relativă a aerului, dispozitivul lor a extras 0,49 litri de apă pe oră. În condiţii de umiditate mai mare şi soare puternic, a ajuns la maxim 0,72 litri/oră. Totodată, apa poate fi captată până la o umiditate de 20%. Parametrii sunt cu adevărat admirabili până aici.

Aici nu putem să nu ne amintim de cei doi tineri din Moldova, care au elaborat un dispozitiv propriu de extracţie a apei din umiditatea aerului, cu care au luat o medalie de aur la un concurs internaţional de invenţii din SUA, doar că acel dispozitiv folosea efectul de condensare şi folosea electricitatea pentru un sistem cu refrigerent, iar electricitatea era generată de propriile panouri fotovoltaice ale dispozitivului. Deci, tot un dispozitiv autonom, iar acolo scopul final era producţia de apă pură, potabilă sau destinată irigării în agricultură.

Foto: Cei doi tineri din Moldova şi prototipul lor funcţional de producţie a apei potabile autonome

Şi chinezii aplică aici panourile fotovoltaice pentru autonomia de electricitate a dispozitivului lor şi ajungem imediat acolo. După ce aceştia captează apa prin membranele lor, şi dacă n-ar face nimic cu ea, în timp de 30 minute randamentul de captare scade brusc din cauza îmbibării. Aşa că aceeaşi oglindă şi recipient încălzit, cu tot cu razele solare directe, are rol şi de mediu propice pentru evaporare. Iar aceşti vapori sunt direcţionaţi către o instalaţie de electroliză din cadrul aceluiaşi sistem, care produce apoi hidrogen. Iar aici lucrurile nu se mai întâmplă pasiv, pe baza luminii solare directe, ci pe baza electricităţii produse de un panou fotovoltaic de 175 x 116 mm. Chinezii nu specifică exact puterea acestui panou, dar presupunând că au instalat unul din cele mai performante panouri fotovoltaice posibile, acesta ar putea produce cam 4,57 Wh de electricitate în decursul unei ore în condiţiile cele mai prielnice, ceea ce echivalează cu 0,00457 kWh.

Foto: Singura imagine reală cu dispozitivul de facto al echipei de ingineri chinezi

Tot chinezii menţionează că în condiţii prielnice, dispozitivul lor a creat 295,5 mL de hidrogen într-o oră, cu această autonomie energetică pe care o are. Asta se întâmplă în condiţii ideale de temperatură cuprinsă între 22 şi 28 grade Celsius, radiaţie solară excelentă de 0,77 kW/m2 şi umiditate cuprinsă între 30% şi 60%.

Foto: YIN Huajie, conducătorul echipei care a elaborat noul dispozitiv

Cât înseamnă 295,5 mL de hidrogen exprimat în kilograme, însă? Hidrogenul e cel mai uşor element chimic, aşa că 295,5 mL înseamnă 0,02636 grame de hidrogen, sau 0,00002636 kg. Ca să producă 1 kg de hidrogen, acest dispozitiv ar avea nevoie de 37.920 ore, deci peste 4,3 ani de operare continuă, fără a lua în calcul nopţile şi pauzele, şi orele mai puţin favorabile. Aparent, nu e problemă, pentru că e un dispozitiv experimental la scară mică. Însă totul e irelevant dacă nu calculăm şi randamentul energetic. Dacă pentru producţia a 0,00002636 kg de hidrogen se consumă 0,00457 kWh de electricitate, atunci avem un randament de 173,37 kWh de electricitate consumată per kilogram. E ineficient, însă o parte din ineficienţă e datorată scării mici a produsului şi eficienţa poate fi îmbunătăţită la scară mai mare. Totuşi, e de 3,3 ori mai ineficient decât o instalaţie Siemens la scară industrială de producţie a hidrogenului. Şi marea problemă aici a în disonanţa cantităţii de apă produse prin captare, versus cea necesară pentru producţia de hidrogen.

Imagine simbol cu instalaţii la scară mare de producţie a hidrogenului verde

Deci echipa inginerilor chinezi pare să fi fost relativ eficientă în a capta apa din umiditatea din aer şi a produce apă mai pură. Dar dispozitivul lor produce 0,49 litri de apă pe oră, în timp ce mai departe producţia de hidrogen nu reuşeşte să ţină pasul, or, pentru 1 kg de hidrogen ar fi nevoie de doar 9 litri de apă. Deci compartimentul de producţie a hidrogenului din dispozitivul lor are nevoie efectiv de 9 litri de apă în timp de vreo 9 ani, dacă scoatem nopţile şi zilele înnorate din ecuaţie. Iar cea de producţie a apei produce cei 9 litri în 2 zile.

Singura concluzie logică aici e că cele două etape de extracţiei a apei din aer şi cea de producţie a hidrogenului nu prea sunt calibrate reciproc în dispozitivul produs acum. Totuşi, marele accent al acestei inovaţii chinezeşti e în faptul că produc aproape 300 mL de hidrogen pe oră, ceea ce e extrem de puţin şi ar trebui scalat de mii de ori ca să conteze cu adevărat. Mult mai logică pare, aşadar, folosirea unui dispozitiv precum cel menţionat mai sus al celor doi tineri din Moldova, care era concentrat pe producţia autonomă de apă, producând circa 10 litri de apă pură pe zi pe baza a ceva mai mult de 1 kW de panouri solare, livrând apă acolo unde e lipsă de ea, fără sursă externă de energie, decât propriile panouri. Iar dacă se doreşte, apa pură poate fi folosită într-un instalaţie clasică de electroliză pentru producţia de hidrogen, cu un randament mult mai mare. Aşadar, e unul din acele cazuri în care chinezii anunţă pompos o inovaţie şi mulţi o preiau cu titlul frumos că se fac 300 mL de hidrogen de oră, dar nu contrapun randamentul şi nu fac o elementară transformare în kilograme cu plasare într-un context de realitate practică.

Adevărata inovaţie a acestei echipe, care e cu adevărat valoroasă, pare în eficienţa cu care noua lor membrană pare să capteze apa din umiditatea atmosferică, iar aici randamentul pare a fi cu adevărat bun şi practic. Explicaţiile detaliate din elaborarea chinezilor din acest articol se bazează pe lucrarea lor, publicată în revista ştiinţifică Advanced Materials.