Inginerii din Germania au anunţat elaborarea unei instalaţii de producţie a hidrogenului cu randament excepţional, fără metale rare

Mult timp hidrogenul părea alternativa cea mai viabilă pentru maşinile electrice şi electrificarea industriei în calea decarbonizării ei. Hidrogenul are o densitate energetică bună şi o universalitate ce făcea mult mai logică aplicarea lui mai ales acolo unde energia finală trebuie consumată în formă termică în locul combustibililor fosili, iar soluţiile alternative de generare a căldurii din electricitate şi-ar pierde din randament. Dar treptat hidrogenul a fost marginalizat mai ales din domeniul mobilităţii, ţări precum Norvegia sau SUA reducându-şi enorm numărul staţiilor. Japonia era cândva ţara care părea cea mai convinsă de utilitatea hidrogenului, iar Germania e de mai mult timp una din principalele ţări care dezvoltă tehnologii şi proiecte în acest domeniu. Germania anunţase la un moment dat că ar vrea să aibă un număr imens de termocentrale electrice, care să nu ardă gaz, ci hidrogen produs din energie regenerabilă, doar că noi calculasem că nici toată cantitatea de hidrogen verde produs în lume n-ar fi suficientă pentru ele şi ar fi nevoie de scalări uriaşe. Şi apoi, era şi o problemă de logică, dacă e nevoie de producţie de hidrogen din electricitate din surse regenerabile, pentru a arde ulterior hidrogenul în termocentrale, ca să se producă din nou electricitate. Toată problema de logică era accentuată şi de pierderile mari generate de producţia de hidrogen şi utilizarea lui ulterioară. De curând, însă, un consorţiu de companii şi instituţii din Germania a anunţat elaborarea unei instalaţii de producţie a hidrogenului cu randament excepţional, care nu are nevoie de metale rare. Iar această inovaţie ar putea schimba radical formula economică şi raţionamentul folosirii hidrogenului.

În prezent, hidrogenul verde e produs prin electroliza apei în instalaţii care consumă electricitate pentru a dispera apa în atomi de hidrogen şi oxigen. Pentru ca hidrogenul să fie „verde”, e nevoie ca electricitatea să vină din surse regenerabile, cu zero CO2 emis. Instalaţiile de scară industrială mai puţin eficiente consumă între 57 şi 60 kWh pentru producţia a 1 kg de hidrogen. Chimia şi fizica ne spun, însă, că într-un kilogram de hidrogen se conţine 39,4 kWh de energie intrinsecă, ceea ce înseamnă că toată cantitatea de energie suplimentară, folosită în producţie, se iroseşte, de obicei în căldură.

Mai departe, şi folosirea hidrogenului drept combustibil are pierderi mari. Instalaţii cu pile de combustie eficient produc în jur de 19,5-24 kWh de electricitate dintr-un kilogram de hidrogen, restul pierzându-se din nou prin căldură. Dacă folosim hidrogenul în combustie directă, există pierderi specifice motoarelor cu ardere internă, dar de obicei cam 15 kWh de energie mecanică de obţine din arderea unui kilogram. Arderea hidrogenului într-o centrală cu turbine de gaz, care să consume hidrogen în loc de metan, şi care ar avea şi o turbină cu abur pentru recuperarea şi folosirea căldurii pierdute, ar da producţie de electricitate de circa 21,5-23,5 kWh. Şi la fel de util hidrogenul poate fi drept combustibil în furnale mari industriale, în locul cazului, unde serveşte drept combustibil pentru topirea oţelului şi a diverselor aliaje.

Astfel, pentru a face hidrogenul viabil e nevoie şi de costuri de producţie a lui mici, dar şi de un randament care să excludă cât mai mult din pierderile mari. Unii spun că hidrogenul ar putea servi drept un mediu perfect de stocare de facto a energiei, în mod similar bateriilor sau hidrocentralelor prin pompare. Dar ca să se poată vorbi de viabilitate comparabilă, ar trebui să se poată atinge şi randamentul pe care-l au hidrocentralele prin pompare, de 77-80% pe întregul ciclu. Cu alte cuvinte, dacă o hidrocentrală prin pompare consumă din sistem 100 kWh în procesul ei de „încărcare”, va returna în sistem 77-80 kWh la „descărcare”.

La hidrogen, dacă se consumă 52,5 kWh prin cel mai bun scenariu şi se obţin înapoi cam 24 kWh în cel mai optimism scenariu, putem estima un randament maxim de 45,7% pe întreg ciclul. E puţin, dar mulţi susţinători ai hidrogenului spun că e deja un factor comparabil cu cel al benzinei arse în motoarele cu combustie. Tocmai de asta şi germanii văd în continuare viitor în hidrogen, mai ales dacă se munceşte la perfecţionarea fiecărei etape.

Şi exact asta au făcut ei acum, îmbunătăţind procesul de producţie a hidrogenului. Consorţiul despre care vorbim azi, E2ngel, e centrat în jurul companiei KS Gleitlager GmbH, inginerii căreia au derulat cea mai mare parte a cercetărilor şi construcţiei noii instalaţii de electroliză. Compania e deţinută de gigantul Rheinmetall, care şi-a folosit experienţa sa din dozarea exactă şi producţia industrială a aliajelor foarte precise pentru a transpune în realitate aliajele dorite de ingineri şi chimişti.

Aparent, ceea ce au creat acum inginerii germani e tot o instalaţie de electroliză pentru producţia hidrogenului, care funcţionează în esenţă pe principii similare celor actuale, consumând electricitate pentru producţia de hidrogen. Doar că acum aproape doi ani scriam că una din barierele principale în producţia de mai multe asemenea instalaţii e faptul că ele au nevoie de metale nobile, în special iridiu, în componenţa lor, în rol de catalizator. Cantitatea de iridiu extrasă în lume e limitată, însă. Iar inginerii germani spus că au reuşit să creeze instalaţie care nu foloseşte niciun metal nobil, niciun metal rar! Asta va da o libertate enormă pentru scalare.

În mod normal, excluderea iridiului ar însemna o reducere semnificativă a randamentului. Însă inginerii germani au „păcălit” reacţia chimică prin aliajele potrivite ale suprafeţelor care intră în contact şi prin „coating”-ul potrivit, adică a stratului cu care sunt acoperite elementele cruciale care asigură reacţia. În rezultat, ei au îmbunătăţit randamentul cu 10%.

Germanii nu anunţă care e reperul de la care s-au măsurat cele 10%, dar cea mai răspândită instalaţie actuală din Germania e cea de la Siemens, cu 52,5 kWh necesari pentru un kilogram produs de hidrogen. Dacă 10% s-ar raporta la ea, am ajunge la un randament de 46-47 kWh de electricitate necesară producţiei a 1 kg de hidrogen. Iar dacă raportăm la cei 39,4 kWh conţinuţi la final în hidrogen, atunci avem un randament de circa 80% pe partea de producţie de hidrogen. Nu e ciclu complet, e doar producţia, dar e o cifră impresionantă, mai ales că instalaţia de acum nu e una experimentală, făcută de o echipă mică.

Noua instalaţie a fost deja validată de Institutul Tehnic de Termodinamică DLR din Germania, iar compania franceză McPhy, specializată în hidrogen, a certificat suplimentar toate procesele şi cifrele. Noua instalaţie va intra chiar în curând în producţia de scară mare la fabrica din St. Leon-Rot. Linia de producţia a fost deja pregătire, iar viitoarele instalaţii vor avea o înălţime de până la 2 metri, cu o putere de ordinul megawaţilor. Iar un efect secundar al noului randament atins e densitatea energetică dublă a noii instalaţii, faţă de altele comparabile. Deci, la aceeaşi dimensiune, o instalaţie va avea putere dublă.

Foto: Fabrica unde va fi produsă noua instalaţie

Prin urmare, marea realizare a acestei elaborări vine deopotrivă din randamentul semnificativ mai bun şi din lipsa oricăror metale nobile, necesare în aceste instalaţii. Aceste două lucruri permit scalarea mult mai rapidă decât se putea face până acum, iar costurile de producţie a unei instalaţii sunt mult mai mici, ceea ce va reduce şi costul de producţie a hidrogenului. Iar faptul că e un efort cu atât de mulţi ingineri, companii şi instituţii implicate, inclusiv companii gigantice, îl face unul cu potenţial de impact mult mai mare decât tot ce s-a făcut până acum în domeniul hidrogenului în Germania.