Niewyczerpane źródło energii? Rewolucja w produkcji zielonego wodoru

Wodór ma być jedną z podstaw czystej gospodarki przyszłości. Co prawda dziś zdecydowana większość wodoru jest produkowana z gazu ziemnego, co wiąże się z istotnymi emisjami gazów cieplarnianych, ale wykorzystanie zjawiska elektrolizy w połączeniu z odnawialnymi źródłami elektryczności takimi, jak wiatraki czy fotowoltaika może pozwolić na produkcję wodoru z wody bez negatywnych skutków dla klimatu.

Ten plan miał jednak do tej pory istotną wadę. Większość elektrolizerów, czyli maszyn, która rozszczepia składające się z wodoru i tlenu cząsteczki wody, jest zaprojektowana do pracy z wodą słodką. Słona woda prowadzi do szybkiej degradacji wykorzystywanych w elektrolizie urządzeń. To problem, bo wykorzystanie słodkiej wody do produkcji energii może pogorszyć i tak głęboki problem z dostępem do wody pitnej w znacznej części świata. Ale kilka zespołów naukowców doniosło o sukcesach w produkcji wodoru z wody morskiej, co może otworzyć wielką przyszłość przed masową produkcją zielonego wodoru. 

Produkcja “zielonego" wodoru jest dziś około dwukrotnie droższa, niż produkcja gazu z paliw kopalnych. Przyjazny klimatowi wodór kosztuje około 5 dolarów za kilogram. Wynika to częściowo z wysokich kosztów elektrolizerów, które opierają się na katalizatorach wykonanych z metali szlachetnych. Departament Energii Stanów Zjednoczonych rozpoczął niedawno zaplanowany na dekadę program mający na celu ulepszenie elektrolizerów i obniżenie kosztów ekologicznego wodoru do 1 dolara za kilogram.

Jeśli im się to uda, a produkcja ekologicznego wodoru gwałtownie wzrośnie, wzrosnąć możę również presja na światowe zasoby słodkiej wody. Wytworzenie 1 kilograma wodoru za pomocą elektrolizy wymaga około 10 kilogramów wody. Według Międzynarodowej Agencji Energii Odnawialnej, przestawienie kluczowych gałęzi przemysłu i większości ciężarówek na spalanie wodoru może sprawić, że elektrolizery będą musiały zużywać około 25 miliardów metrów sześciennych świeżej wody rocznie, co odpowiada zużyciu wody przez kraj zamieszkały przez 62 miliony ludzi.

Woda morska jest o wiele łatwiej dostępna, a jej zapasy są niemal niewyczerpane. Ale wykorzystanie jej do produkcji wodoru wiąże się z innymi problemami. Elektrolizer swoją konstrukcją przypomina baterie - składa się z pary elektrod otoczonych elektrolitem. Katalizatory na katodzie rozszczepiają cząsteczki wody na jony H+ i OH-. Następnie pary jonów wodoru łączą się w pary, tworząc cząsteczki gazu, który wydostaje się z wody w postaci pęcherzyków. Jony OH- docierają do anody, gdzie zmieniają się w gazowy tlen.

Tak wygląda ta reakcja w przypadku wody destylowanej czy słodkiej. Ale gdy do elektrolizera trafi słona woda, oprócz cząsteczek tlenu, anoda przekształca obecne w niej jony chlorkowe w wysoce żrący, gazowy chlor, który koroduje elektrody. Zazwyczaj elektrolizer, który w słodkiej wodzie może pracować latami, wytrzymuje tylko kilka godzin takiego traktowania. 

Magazyn “Science" donosi jednak o tym, że trzy zespoły naukowców z Australii i Chin są jednak bliskie rozwiązania problemu. Zespół Uniwersytetu Melbourne pod kierunkiem Nasira Mahmooda odkrył, że pokrywając elektrody ujemnie naładowanymi związkami, takimi jak siarczany i fosforany, mogą odpychać ujemnie naładowane jony chlorkowe i zapobiegać tworzeniu się chloru. Tak przygotowane elektrody nie uległy degradacji przez dwa miesiące. Wadą rozwiązania jest jednak to, że taki elektrolizer produkuje zdecydowanie mniej wodoru. Zespół pracuje teraz jednak nad rozwiązaniem które ma sprawić, że będzie równie efektywny, co elektrolizer słodkowodny.

Shizhang Qiao, nanotechnolog z Uniwersytetu Adelajd stworzył elektrolizer, w którym pokryte tlenkiem chloru elektrody przyciągają jony OH-, a odpychają jony chlorkowe. Po 100 godzinach pracy urządzenie nie wykazywało śladów degradacji. 

Z kolei Zongping Shao, chemik z Uniwersytetu Technologicznego w Nanjing, wykorzystał trzecie podejście. wraz ze swoimi współpracownikami zajął się trzecim podejściem do walki z chlorkami. Otoczyli elektrody membranami, które pozwalały na przenikanie do elektrod wyłącznie pary wodnej - zawierającej tylko cząsteczki czystej, słodkiej wody. Tłumaczą, że urządzenie działa jak połączenie destylatora i elektrolizera, najpierw oczyszczając wodę, a dopiero później rozkładając ją na części składowe. Ich konfiguracja miała działać bez degradacji przez 3200 godzin. 

Same membrany mają przypominać te, które już dziś wykorzystywane są w instalacjach do odsalania wody morskiej, wykorzystywanej przez wiele suchych, nadmorskich krajów do zapewnienia mieszkańcom wody pitnej. I tu pojawia się kolejne rozwiązanie.

Jak mówi magazynowi “Science" Md Kibria, chemik materiałowy z Uniwersytetu Calgary, najprostszym i najtańszym rozwiązaniem może być wykorzystanie istniejących już bądź nowobudowanych instalacji do odsalania mody morskiej do destylacji wody tak, by elektrolizery nie podlegały degradacji przez pochodne rozkładu wody morskiej.

“Nie musimy wymyślać koła na nowo. To jest już rozwiązany problem" stwierdza. Ale badacze opracowujący nowe rozwiązania nie zgadzają się. Mahmood podkreśla, że instalacje do odsalania są niezwykle kosztowne i wielu krajów po prostu na nie nie stać. A nowe technologie pozwalające na wykorzystanie w procesie elektrolizy wody morskiej mogą otworzyć przed inżynierami nowe możliwości. Potencjalnie źródłami wodoru może stać się nawet woda zupełnie niezdatna do wykorzystania przez człowieka. Nawet miejskie ścieki.