Vandenilio panaudojimas gali padėti išspręsti miestų transporto sistemų, ekologines problemas ir panaudoti branduolinę energiją ne tik elektros, bet ir naujo kuro, skirto transporto sistemoms ir decentralizuotoms mažoms termofikacinėms elektrinėms, gamybai.
Vandenilis yra energijos šaltinis, kurio panaudojimas gali radikaliai pakeisti energijos gamybos, perdavimo ir vartojimo sritis. Ypač daug vilčių dedama kuriant visiškai švarias transporto sistemas, nes, naudojant vandenilį kaip kurą, degimo produktas yra vanduo arba vandens garai.
Vandenilis gali būti gaminamas panaudojant daugelį pirminių šaltinių (naftą, gamtines dujas, visus atsinaujinančius energijos šaltinius, atominę energiją).
Vandenilis nėra pirminis energijos šaltinis kaip naftos produktai ar anglys. Jis, kaip ir elektros energija, turi būti pagamintas naudojant specialias technologijas ir kitus pirminius energijos šaltinius (1 pav.). Vandenilis yra labiausiai paplitęs cheminis elementas Visatoje. Bet Žemėje jis neegzistuoja laisvos formos ir randamas organiniuose junginiuose bei vandenyje. Norint vandenilį panaudoti energetinėse sistemose, jis turi būti išskirtas iš minėtų cheminių junginių. O tam reikia turėti pirminės energijos šaltinį, kurio energija būtų naudojama vandenilio turinčių medžiagų skaidymui.
1 pav. Vandenilio energetikos struktūra
Pagrindinis vandenilio privalumas: jį naudojant kaip kurą degimo produktas yra vanduo. Numatoma, kad vandenilis leis daug efektyviau panaudoti tokius nestabilius energijos šaltinius kaip vėjas, saulė, bangų energija, nes jį galima kaupti ir panaudoti kada to prireikia. Dėl savo savybių šie šaltiniai yra sunkiai integruojami į dabartinę elektros tiekimo sistemą, kurioje pasiūla turi tiksliai atitikti paklausą. Vandenilio kaupyklų kūrimas ir tobulinimas galėtų padėti atsirasti rinkai, kuri šių vertingų šaltinių naudojimą padarytų ekonomiškai patrauklesnį. Be to, vandenilio naudojimas miesto transporto sistemose leistų smarkiai sumažinti oro taršą (2 pav.).
Šiuo metu daugelis automobilių gamintojų yra sukūrę vandeniliu varomų automobilių demonstracines versijas (2 pav.). Deja, visi šie automobiliai yra kelis kartus brangesni už dabar gaminamus. O svarbiausia, nėra išspręstas vandenilio užpildymo stočių infrastruktūros klausimas.
Vandenilio energetika sąlyginai gali būti suskirstyta į keturias sudedamąsias dalis: vandenilio gavybos technologijos; vandenilio saugojimo technologijos; vandenilio kuro elementai ir vandenilio energetikos ekonomikos klausimai.
Šiame straipsnyje pagrindinis dėmesys bus skiriamas vandenilio gavybos ir saugojimo technologijų analizei, naujausių mokslinių tyrimų krypčių pasaulyje ir Lietuvoje aptarimui.
Vandenilio gamybos technologijos ir moksliniai tyrimai Lietuvoje
Šiuo metu vandenilis gaunamas panaudojant labai įvairias technologijas. Jis gali būti išgaunamas iš gamtinių dujų (reformingo procesas); kaip šalutinis produktas gaminant chlorą ir natrį; taikant vandens elektrolizę; panaudojant bet kurių atsinaujinančių šaltinių (vėjo, saulės, vandens ir t. t.) energiją; panaudojant branduolinę energiją (aukštatemperatūriai reaktoriai) – ši technologija labiausiai tinka didelio masto centralizuotai vandenilio gamybai; taikant eksperimentinius vandenilio gavimo metodus; jį gaminant pasitelkus mikroorganizmus; vandenį skaidant aukštatemperatūre plazma; taikant fotodializės metodą.
Visos išvardytos technologijos (išskyrus paprastą elektrolizę) yra dar tik fundamentinių tyrimų stadijoje. Jų energetinis efektyvumas yra gana žemas. Todėl praeis dar daug laiko, kol bus sukurta vandenilio ekonomika, galinti konkuruoti su tradicine, organiniu kuru paremta ekonomika. Šios srities ekspertų nuomone vandenilis pradės užimti ryškesnę vietą energetikoje ir transporte tik tada, jei pradės aiškiai trūkti iškastinio organinio kuro ir jo kaina kelis kartus viršys dabartinę kainą. Todėl mažai tikėtina, kad šios perspektyvios technologijos paplistų per artimiausius 20 metų, išskyrus labai specifinius atvejus ir įvairius demonstracinius projektus.
2 pav. Vandeniliu varomų automobilių pavyzdžiai
Modelis „Toyota FCHC SUV“
Pagaminimo metai - 2002
Galingumas - 90 kW
Maksimalus greitis - 155 km/h
Važiavimo nuotolis - 300 km
Variklis (galios šaltinis) - kuro elementas
Modelis „FORD Flexible Series Edge“
Pagaminimo metai - 2007
Galingumas –
Maksimalus greitis - 136 km/h
Važiavimo nuotolis - 360 km
Variklis (galios šaltinis) - kuro elementas
Kaip jau buvo minėta, gamtinės dujos, nafta, anglys šiuo metu yra pagrindiniai vandenilio gamybos šaltiniai. Angliavandenilių suskaidymui dažniausiai taikomi šie trys termocheminiai metodai: katalizinis reformingas vandens garais, dalinė oksidacija ir autoterminis reformingas.
Reformingas panaudojant garą yra efektyviausia ir geriausiai įsisavinta technologija, pasižyminti aukšta konversija. Tačiau endoterminėms reformingo reakcijoms reikia papildomos energijos. Dalinės oksidacijos reakcijų metu išsiskiria šiluma, todėl papildomos energijos vandenilio išskyrimui šiuo atveju reikia nedaug. Tačiau jo efektyvumas yra mažesnis už angliavandenilių reformingą garais. Autoterminiame reforminge siekiama sujungti abu šiuos metodus taip, kad dalinės oksidacijos šiluma būtų panaudojama reformingo garais reakcijoms palaikyti. Ši vandenilio išskyrimo technologija buvo sėkmingai išbandyta skaidant gamtines dujas, metanolį, šviesius naftos produktus. Tačiau lieka neišspręsti svarbūs uždaviniai pritaikant ją vandenilio gamybai iš daugiau anglies turinčių ir sunkiau įsisavinamų angliavandenilių išteklių – biokuro, naftos perdirbimo atliekų – mazuto, naftos produktų atliekų – naudotos alyvos, panaudotų padangų ir pan. Angliavandenilių skaidymas turi būti organizuotas taip, kad jo palaikymui reikiama šiluma būtų gaunama kaip galima daugiau iš anglies oksidacijos, o vandenilis liktų produktuose, kurie galutinėje stadijoje yra lengviau suskaidomi ir atskiriami.
Moksliniai darbai šioje srityje aktyviai atliekami Lietuvos energetikos instituto Degimo procesų laboratorijoje (prof. A. Šlančiauskas, dr. N. Striūgas), Vandenilio energetikos technologijų centre (dr. L. L. Pranevičius; dr. D. Milčius) aktyviai bendradarbiaujant su KTU Fizikos katedros mokslininkais (prof. J. Dudoniu, dr. G. Laukaičiu). Mazuto ir naudotų alyvų terminiam skaidymui pagamintas reaktorius, kuriame išpurškimui naudojami didelio greičio ir aukštos temperatūros srautai, leidžiantys keisti terminio skaidymo ir oksidavimo greitį plačiame intervale. Biomasė suskaidoma verdančio katalizinio sluoksnio reaktoriuje. Gautose vandeniliu praturtintose dujose tiriamas LEI ir KTU pagamintų membranų efektyvumas vandenilio atskyrimui.
Vandenilio saugojimo tyrimai pasaulyje ir Europoje
Iki šiol yra žinomi keturi pagrindiniai vandenilio saugojimo būdai: 1 – suslėgtų dujų pavidalu; 2 – skysto vandenilio pavidalu; 3 – kietojo tipo fizinis sorbcinis saugojimas didelio savitojo paviršiaus ploto medžiagose; 4 – kietojo tipo cheminis sorbcinis saugojimas.
Trumpai apžvelgsime kiekvienos technologijos išsivystymo lygį bei privalumus ir trūkumus.
Suslėgto ir suskystinto vandenilio saugojimo sistemos
Paprastai dujos saugomos suskystintos ir patalpintos aukšto slėgio balionuose. Todėl ir vandenilio atveju buvo bandoma atlikti tą patį. Jau sukurtos skysto vandenilio saugojimo technologijos. Teoriškai skysto vandenilio saugojimo sistemose vandenilis gali sudaryti arti 100 % masės. Tačiau vandenilio labai žemas virimo taškas (–252,87 °C), todėl skysto vandenilio saugojimo sistemos turi būti komplektuojamos su papildoma šaldymo įranga kriogeninei temperatūrai palaikyti. Todėl šiuolaikinėse suskystinto vandenilio sistemose vandenilis tesudaro 10% jų masės. Be to, suskystinto vandenilio sistemos (3 pav.) turi dar du didelius trūkumus: jose egzistuoja neišvengiama vandenilio užvirimo, tuo pačiu ir jo praradimo, kuris naujausiose sistemose sudaro apie 1% per dieną; vandenilio suskystinimui sunaudojama 30–40% visos energijos, kuri išgaunama sudeginus visą suslėgtą vandenilį.
3 pav. Suskystinto vandenilio saugojimo sistema realiame
automobilyje
Taip atrodo suskystintas vandenilis
O vandenilio saugojimas aukšto slėgio balionuose (4 pav.) turi savų trūkumų, ypač dėl mažo dujinės būsenos vandenilio tankio, kuris, esant 1 atmosferos slėgiui, siekia vos 0,08988 g/l. Įprastiniai, sąlyginai pigūs plieniniai aukšto slėgio balionai yra išbandyti iki 300 at slėgio. Tačiau dėl saugumo reikalavimų daugeliu atveju užpildomi tik iki 200 at. Šiuose standartiniuose balionuose pasiekiama, kad vandenilis sudarytų iki 1% baliono masės. Toks vandenilio saugojimo būdas dar turi ir didelio tūrio trūkumą, nes norint tokiomis sąlygomis išsaugoti 4 kg vandenilio, baliono talpa turi siekti 225 l, arba reikėtų 5 balionų po 45 litrus. Net ir pasinaudojus naujausiais mokslo pasiekimais bei pagaminus anglies pluoštu sutvirtintus balionus, kur slėgis gali siekti daugiau kaip 700 at (saugomas vandenilis sudaro 4% baliono masės), šios sistemos netenkina esamų poreikių, nes abejojama jų saugumu. Be to, kaip ir skystinant vandenilį, dėl vandenilio dujų savybių jo suslėgimui sunaudojama itin daug energijos.
Taigi, apibendrinant galima pasakyti, kad ir aukšto slėgio balionai, ir kriogeninės skysto vandenilio saugojimo sistemos beveik pasiekė saugojamo vandenilio talpos ribas. Ir mažai tikėtina, kad bent viena šių sistemų galėtų pasiekti esminių proveržių siekiant JAV Energijos departamento ir pasaulinės pramonės nustatytų tikslų.
Vandenilio fizinis sorbcinis saugojimas didelio paviršiaus ploto medžiagose
Dar vienas būdas vandeniliui saugoti yra molekulinio vandenilio fizikinės adsorbcijos panaudojimas ant didelio savitojo ploto medžiagų. Tyrimai rodo, kad adsorbcijos būdu saugojamo vandenilio talpa tiesiogiai proporcinga panaudotos medžiagos paviršiaus plotui. Tačiau kadangi fizinę adsorbciją nulemia itin silpnos Van der Valso jėgos, praktiškai didesniam vandenilio kiekiui išsaugoti reikia žemos temperatūros.
4 pav. „Quantum“ kompanijos gaminami slėginiai indai vandenilio saugojimui esant iki 1000 bar slėgiui
Kiek mažiau nei prieš dešimtmetį buvo pasirodę straipsnių apie itin didelio vandenilio kiekio išsaugojimą adsorbcijos būdu ant medžiagų anglies pagrindu. Visgi vėliau buvo prieita prie išvados, jog tai lėmė tyrimų metodikos ir eksperimentų atlikimo trūkumai. Nauja susidomėjimo šiuo vandenilio saugojimo būdu banga kilo prieš keletą metų, kuomet buvo išspausdinti nauji itin patrauklūs duomenys, gauti naudojant organinius metalo darinius (metal organic frameworks – MOFS). Visgi šio vandenilio saugojimo būdo plėtros didesnio proveržio iki šiol nepasiekta. Šiuo metu tyrinėjama sinergetinių sistemų (anglies nanostruktūros+metai) galimybės vandenilio saugojimui, bet realaus proveržio kol kas taip pat nėra pasiekta.
Kietojo tipo cheminis sorbcinis saugojimas
Bendriausiu atveju metalų hidridus galima suskirstyti į tris grupes: (i) klasikiniai metalų hidridai, (ii) cheminiai hidridai ir (iii) lengvųjų metalų kompleksiniai hidridai. Palyginus dar visai neseniai daugiausia tyrimų buvo atliekama su klasikiniais metalų hidridais, nes tokie cheminiai hidridai kaip amoniakas (NH3), metanolis (CH3OH) yra pernelyg stabilūs ir absoliuti dauguma kompleksinių hidridų negalėjo būti suhidrinti pakartotinai. Visgi po 1997 m. išspausdinto Bogdanovico ir Švikardžio (Schwickardi) straipsnio, parodančio, kad į iki tol laikytų vienkartinio saugojimo kompleksinius hidridus (pavyzdžiui, NaAlH4) įdėjus atitinkamų katalizatorių, jie gali būti pakartotinai prisotinami vandeniliu, vandenilio saugojimo srityje įvyko perversmas ir nuo to laiko didelė dalis tyrimų centrų tyrinėja kompleksinius hidridus ir (ar) jų sistemas. Tarp plačiausiai tiriamų katalizuotų kompleksinių metalų hidridų galima paminėti alanatus (MAlH4, M3AlH6, M = Na, Li ir kt.), borohidridus (LiBH4, NaBH4, Ca(BH4)2 ir kt.), amidų-imidų (Li3N-Li2NH-LiNH2) sistemas, Mg-amidus (MgH2-LiNH2) ir kitas sistemas.
Lietuvoje vykdomi moksliniai darbai vandenilio saugojimo srityje
Šie darbai Lietuvoje vykdomi nuo 2000 m. Jie iš esmės susiję su nanokristalinių metalų hidridų sinteze, gautų junginių analize bei hidrinimo ir dehidrinimo procesų modeliavimu. Eksperimentiniai darbai atliekami Lietuvos energetikos instituto Vandenilio energetikos technologijų centre, o fizikinių procesų modeliavimas – Vytauto Didžiojo universiteto Fizikos katedroje. Mokslininkai aktyviai dalyvauja Tarptautinės energetikos agentūros, vandenilio taikymo sutarties 17-os grupės „Kietos ir skystos būsenos vandenilio saugojimo medžiagos“ veikloje. 2002–2004 m., bendradarbiaujant su „Sandia National Laboratories“ (JAV), buvo sėkmingai susintetintos ir ištirtos Mg-alanato plonasluoksnės struktūros. Mg-alanatas gali saugoti iki 8,2% vandenilio, esant apie 150 °C desorbcijos temperatūrai. Norint taikyti šį vandenilio saugojimo junginį transporte, išlieka hidrido reversiškumo problema: suformavus ir dehidrinus Mg-alanatą, susiformuoja sudėtingi Mg-Al lydiniai, kuriuos sunku dar kartą prisotinti vandeniliu. Darbai Mg-alanatų srityje buvo finansuojami JAV Energetikos departamento lėšomis. Nuo 2003 m. LEI ir VDU mokslininkai aktyviai bendradarbiauja su Stokholmo, Poitierso (Prancūzija) ir Londono universitetų, Norvegijos energetikos instituto bei ES Komisijos Energetikos instituto (European Commission – DG JRC Institute for Energy) mokslininkais. Dalyvauja keturiuose 6BP projektuose, susijusiuose su vandenilio saugojimo medžiagų sinteze ir savybių analize. Vykdant vieną šių projektų (Marie Curie Hydrogen Storage Research Training Network „HyTRAIN“), buvo priimtas doktorantas Emmanuelis Wirth (Prancūzija), kuris atlieka Mg-Ni nanokristalinių hidridų sintezės mokslinius darbus LEI ir VDU, o jų savybes ištyrė ES Komisijos Energetikos institute ir 2008 m. sėkmingai apsigynė daktaro disertaciją tarptautinėje doktorantūros komisijoje Vytauto Didžiojo universitete.
Šiuo metu KTU, LEI, VDU ir VU mokslininkai intensyviai dirba prioritetinėje Lietuvos mokslinių tyrimų ir eksperimentinės plėtros kryptyje „Daugiafunkcinių medžiagų heterostruktūrų vandenilio kuro elementams sintezė“ projekte, kurio tikslas, panaudojant fizikines sintezės technologijas, sukurti naujos kartos aukštatemperatūrius vandenilio kuro elementus ir didelės talpos metalų hidridus, skirtus vandenilio saugojimui.
Dr.
Darius Milčius
Lietuvos energetikos instituto
Vandenilio energetikos centro vadovas
Siekiant patenkinti vis didėjantį energijos poreikį ir apriboti
neigiamą poveikį aplinkai, visame pasaulyje intensyviai ieškoma naujų
technologijų, kaip kuo plačiau įsisavinti atsinaujinančius energijos
šaltinius, kaip padidinti esamų energijos konversijos sistemų
efektyvumą. Vienas iš galimų sprendimų – panaudoti vandenilį kaip naują
ir labai efektyvų energijos šaltinį.