Παραγωγή υδρογόνου με βιώσιμες λύσεις.
Παραγωγή υδρογόνου με βιώσιμες λύσεις.
Το υδρογόνο αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα χημικά στοιχεία. Αξιοποιείται τόσο ως πρώτη ύλη όσο και σε ενδιάμεσες χημικές διεργασίες για την παραγωγή υλικών, ως καύσιμο για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, αλλά και σε συστήματα όπως οι κυψέλες καυσίμου για τη μετατροπή της χημικής ενέργειας απευθείας σε ηλεκτρική. Για την έρευνά του πάνω στην παραγωγή υδρογόνου με βιώσιμες μεθόδους μιλά στο «Πρίσμα» ο Γιώργος Δημητρακόπουλος, μεταδιδακτορικός ερευνητής στα εργαστήρια Reacting Gas Dynamics Laboratory και Laboratory for Electrochemical Interfaces του Τεχνολογικού Ινστιτούτου Μασαχουσέτης (MIT).
Πώς παράγεται το υδρογόνο σήμερα
και γιατί αναζητούμε εναλλακτικές τεχνολογίες;
Λόγω της ευρείας χρήσης του, η βιομηχανία απαιτεί τεράστιες ποσότητες υδρογόνου στο χαμηλότερο δυνατό κόστος. Το 75% της παγκόσμιας παραγωγής υδρογόνου βασίζεται σε μια τεχνολογία που μετατρέπει το φυσικό αέριο σε υδρογόνο με τη χρήση ατμού. Στην Αμερική, αυτή η μέθοδος κοστίζει μόνο 2 δολάρια ανά κιλό παραγόμενου υδρογόνου. Εντούτοις, η τεχνολογία αυτή έχει αρκετά μειονεκτήματα. Κατ’ αρχάς, απαιτεί σημαντικά ποσά ενέργειας για τη μετατροπή και τον διαχωρισμό του υδρογόνου από τα υπόλοιπα συστατικά που προκύπτουν από την αντίδραση του φυσικού αερίου με ατμό. Επιπλέον, οδηγεί σε αυξημένες εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα ενισχύοντας το φαινόμενο του θερμοκηπίου.
Τα παραπάνω μειονεκτήματα της τεχνολογίας είναι γνωστά στη βιομηχανική και επιστημονική κοινότητα. Ωστόσο, η τεχνολογία εξακολουθεί να έχει το χαμηλότερο κόστος και συνεπώς χρησιμοποιείται παγκοσμίως. Σε αυτό το σημείο έρχεται η δική μας δουλειά στο ΜΙΤ και σε πολλά ακόμα εργαστήρια στον κόσμο. Η έρευνά μας βασίζεται στην ανάπτυξη διαφορετικών τεχνολογιών παραγωγής υδρογόνου οι οποίες θα επιτρέπουν την παραγωγή του στο ίδιο ή χαμηλότερο κόστος σε σύγκριση με την τωρινή μέθοδο, αλλά με χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας και μικρότερες εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα.
Υπάρχουν εναλλακτικοί τρόποι
με τους οποίους μπορεί να παραχθεί υδρογόνο;
Υπάρχουν αρκετές εναλλακτικές μέθοδοι, μία από τις οποίες είναι η ηλεκτρόλυση. Φανταστείτε ένα κουτί στο οποίο βάζουμε νερό, το οποίο, με τη χρήση θερμότητας και ηλεκτρισμού, μετατρέπεται σε υδρογόνο (Εικόνα 1). Το σημαντικότερο πλεονέκτημα της τεχνολογίας είναι πως δεν απαιτείται η χρήση υδρογονανθράκων, αφού η βασική πρώτη ύλη είναι το νερό. Επίσης, η κατανάλωση ενέργειας είναι χαμηλότερη γιατί το νερό μετατρέπεται απευθείας σε υδρογόνο, χωρίς τη μεσολάβηση ενδιάμεσων διεργασιών. Η θερμότητα και ο ηλεκτρισμός που απαιτούνται μπορούν να προέλθουν από ανανεώσιμες πηγές. Έτσι, έχουμε μηδενικές εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα. Η ίδια τεχνολογία οδηγεί και στην παραγωγή οξυγόνου, το οποίο είναι ακόμα ένα αέριο χρήσιμο για τη βιομηχανία.
Γιατί η ηλεκτρόλυση δεν χρησιμοποιείται σήμερα σε ευρεία κλίμακα;
Παρότι η ηλεκτρόλυση είναι αρκετά υποσχόμενη τεχνολογία, στη μορφή που έχει σήμερα δεν μπορεί να ανταγωνιστεί οικονομικά την υπάρχουσα τεχνολογία. Αυτό οφείλεται σε αρκετά ζητήματα, για τα οποία δεν υπάρχουν ακόμα ικανοποιητικές λύσεις. Κατ’ αρχάς, τα υλικά που αξιοποιούνται μέχρι τώρα στην ηλεκτρόλυση έχουν απόδοση και διάρκεια χαμηλότερη από το όριο που απαιτείται. Επίσης, η διαθεσιμότητα της θερμότητας και του ηλεκτρισμού από ανανεώσιμες πηγές είναι διακοπτόμενη, με αποτέλεσμα να μειώνεται η ποσότητα του παραγόμενου υδρογόνου. Τέλος, η αποθήκευση του υδρογόνου που παράγεται αποτελεί ένα από τα μεγαλύτερα ζητήματα, καθώς η ογκομετρική πυκνότητά του είναι μικρή. Για να αυξήσουμε την ποσότητα του υδρογόνου που μπορεί να αποθηκευτεί, πρέπει να το συμπιέσουμε σε πιέσεις που φτάνουν τα 200-500 bar, το οποίο απαιτεί σημαντική κατανάλωση ενέργειας. Ταυτόχρονα, πρέπει να λάβουμε υπόψιν ότι το υδρογόνο είναι εύφλεκτο, επομένως η αποθήκευση και η μεταφορά του απαιτούν κατάλληλο εξοπλισμό ασφαλείας.
Πώς μπορεί η ηλεκτρόλυση να γίνει οικονομικά βιώσιμη
και πώς συνδέεται το αντικείμενο της έρευνάς σας με αυτό;
Απαιτείται έρευνα στην ανάπτυξη καλύτερων υλικών, στην εφεύρεση νέων μεθόδων δημιουργίας καταλυτών και στην εύρεση μεθόδων που επιτρέπουν την αποθήκευση και μεταφορά υδρογόνου με πιο οικονομικό τρόπο. Η δική μου έρευνα στοχεύει στη δημιουργία υλικών και καταλυτών με σκοπό την αύξηση της απόδοσης και της διάρκειας ζωής του συστήματος. Μελετώ μια νέα μέθοδο παραγωγής καταλυτών στην οποία, αντί ο καταλύτης να τοποθετείται πάνω στο υλικό ώστε να αυξήσει την απόδοσή του (η παραδοσιακή μέθοδος), προστίθεται μέσα στο υλικό κατά τη σύνθεσή του και μεγαλώνει από το εσωτερικό του υλικού στην επιφάνειά του κατά τη διάρκεια λειτουργίας του συστήματος (Εικόνα 2). Οι καταλύτες που παράγονται με αυτόν τον τρόπο έχουν καλύτερη απόδοση και διάρκεια ζωής σε σχέση με την παραδοσιακή μέθοδο. Επίσης, μπορούν να αναγεννηθούν αν η απόδοσή τους μειωθεί, χωρίς να απαιτείται αλλαγή του συστήματος και είναι ανθεκτικοί σε τυχόν ακαθαρσίες που μπορεί να περιέχονται στο νερό. Δεδομένων αυτών των πλεονεκτημάτων, το κόστος παραγωγής υδρογόνου μέσω ηλεκτρόλυσης μπορεί να περιοριστεί σε σημαντικό βαθμό.
Ποια μεθοδολογία χρησιμοποιείτε
και πώς βλέπετε να εξελίσσεται μελλοντικά η έρευνά σας;
Η μεθοδολογία που ακολουθείται απαρτίζεται από διάφορα στάδια. Το πρώτο και πιο σημαντικό είναι η σύνθεση καινούργιων υλικών και η εκτενής μελέτη της κρυσταλλικής δομής και των ιδιοτήτων της επιφάνειάς τους. Αυτό επιτυγχάνεται με τη χρήση μεθόδων όπως η Περίθλαση Ακτίνων Χ (X-Ray Diffraction) και η Φασματοσκοπία Φωτοηλεκτρονίων Ακτίνων Χ (X-Ray Photoelectron Spectroscopy). Στη συνέχεια, πραγματοποιώ μετρήσεις γέννησης του καταλύτη και απόδοσης του συστήματος και μελετώ ξανά τα υλικά μετά το τέλος του πειράματος ώστε να εξακριβώσω αν άλλαξαν ή όχι. Τέλος, σημαντικό κομμάτι αποτελεί και η συγγραφή επιστημονικών δημοσιεύσεων αλλά και προτάσεων για την εύρεση νέας χρηματοδότησης. Το επόμενο στάδιο της έρευνάς μου περιλαμβάνει τη χρήση μεθόδων Τεχνητής Νοημοσύνης για να την ανακάλυψη νέων υλικών και καταλυτών. Παράλληλα, πραγματοποιώ έρευνα για την ανάπτυξη μιας νέας τεχνολογίας παραγωγής αιθανίου και αιθυλενίου από φυσικό αέριο και οξυγόνο.
Η ταυτότητα της έρευνας
Το Reacting Gas Dynamics Laboratory του ΜΙΤ διευθύνεται από τον καθηγητή Ahmed F. Ghoniem και ασχολείται με την ανάπτυξη εναλλακτικών τεχνολογιών παραγωγής ενέργειας και χημικών ουσιών με τη χρήση κεραμικών υλικών. Το Laboratory for Electrochemical Interfaces του ΜΙΤ διευθύνεται από την καθηγήτρια Bilge Yildiz και ασχολείται με την ανάπτυξη ηλεκτροχημικών τεχνολογιών και την εύρεση νέων υλικών και καταλυτών για μπαταρίες και άλλες ηλεκτροχημικές τεχνολογίες. Η συγκεκριμένη έρευνα χρηματοδοτείται από την Exelon Corporation, τον μεγαλύτερο πάροχο ηλεκτρικής ενέργειας στην Αμερική, και τη Shell, μία από τις μεγαλύτερες πετρελαϊκές εταιρείες παγκοσμίως.
Περισσότερες πληροφορίες:
Δάφνη Αρνέλλου
18 Ιουνίου 2019