KTU mokslininkė Ieva Baranauskienė: Vandenilis. Kodėl švarus kuras vis dar gaminamas „nešvariai“?

Išgirdę žodį „vandenilis“ daugelis turbūt pagalvoja apie ateities energijos šaltinį ar kurą automobilių, aviacijos pramonei. Iš tiesų, siekiant sumažinti iškastinio kuro vartojimą ir stabdyti klimato kaitos procesus, vandenilis yra puiki alternatyva, nes vienintelis jo degimo produktas yra vanduo. Vis dėlto, apie 90 proc. pasaulyje pagaminamo vandenilio yra panaudojama kaip žaliava chemijos pramonei, ypač amoniako ir metanolio gamybai. Taigi, kas stabdo platesnį vandenilio naudojimą kasdieniniame žmonių gyvenime?

Pasaulyje kasmet pagaminama daugiau nei 70 mln. tonų vandenilio ir šis poreikis kasmet vis didėja. Nors vandenilis laikomas švariu kuru, jam pagaminti šiuo metu pramonėje naudojamais būdais į aplinką išmetama apie 830 mln. tonų anglies dioksido kasmet, o tai toks pats kiekis, kurį į aplinką išmeta visa Jungtinė Karalystė ir Indonezija kartu sudėjus.

Vandenilio sintezė pramonėje yra vykdoma trimis pagrindiniais būdais. Pirmasis ir plačiausiai naudojamas metodas yra gamtinių dujų reformingas, esant aukštai temperatūrai (700-830 °C) ir padidintam slėgiui (iki 35 bar). Šiuo metodu pagaminama apie 48 proc. vandenilio, o jo savikaina svyruoja nuo 0,9 iki 3,2 dolerio už kilogramą.

Antrasis metodas labai panašus į pirmąjį, tačiau jo metu naudojamos ne gamtinės dujos, o anglis. Priklausomai nuo proceso efektyvumo tokiu būdu pagaminto vandenilio savikaina yra 1,2-2,2 USD/kg. Abiem šiems procesams vykti reikalinga aukšta temperatūra, o šalutinis reakcijų produktas yra CO₂ dujos, sukeliančios klimato šiltėjimą, todėl potencialiai švarus kuras šiuo metu gaunamas labai nešvariai.

Trečiasis būdas, kol kas sudarantis tik apie 4 proc. visos vandenilio gamybos, yra vandens elektrolizė, kurios metu panaudojant elektros energiją vanduo yra suskaidomas į atskirus elementus – vandenilį ir deguonį.

Elektrolizės būdu gautas vandenilis išsiskiria tuo, kad yra ypač chemiškai grynas (> 99,999 %), todėl daugiausia naudojamas farmacijoje bei maisto pramonėje. Vis dėlto, pagal pagaminamo vandenilio kainą elektrolizės būdas yra pats brangiausias (3,0-7,5 USD/kg), todėl siekiant platesnio jo naudojimo, yra sprendžiami du uždaviniai: suintensyvinti procesą bei sumažinti šio metodo kaštus.

Vandens skaidymo metu vyksta dvi cheminės reakcijos – vandenilio dujų susidarymas bei deguonies dujų susidarymas. Būtent deguonies susidarymas ir apsunkina visą procesą, nes jam reikalingas didelis kiekis energijos.

Siekiant suintensyvinti šį procesą, naudojami katalizatoriai, kurie turi būti ne tik efektyvūs, tačiau ir pagaminti iš plačiai paplitusių, nebrangių bei aplinkai nekenksmingų medžiagų. Kadangi elektrolizės metu naudojami stipriai rūgštiniai bei stipriai šarminiai tirpalai, todėl katalizatoriai privalo būti atsparūs korozijai.

Visi šie reikalavimai skamba kaip sunkiai įgyvendinami, tačiau mokslininkai visame pasaulyje atlieka daugybę tyrimų panaudodami įvairias medžiagas, kurios galėtų atitikti juos visus. Vieni perspektyviausių katalizatorių laikomi puslaidininkių (geležies, kobalto, nikelio, vario) junginiai bei įvairūs anglies kompozitai, kurių panaudojimo galimybės tiriamos ir KTU Cheminės technologijos fakultete.

Šios medžiagos jau dabar efektyvumu beveik nenusileidžia brangiesiems metalams, tačiau dar lieka išspręsti jų ilgalaikio stabilumo bei atsparumo korozijai problemas. Antroji kliūtis šį metodą plačiau naudoti pramoniniu lygiu yra didelis energijos sunaudojimas.

Tačiau intensyvus atsinaujinančių šaltinių – saulės, vėjo – panaudojimas tam palankiose vietovėse jau leido sumažinti kaštus iki 1,6 USD/kg. Todėl tik laiko klausimas, kada vandens elektrolizė pagal pagaminamo vandenilio kiekį pralenks įprastus metodus. Žmonėms visame pasaulyje reikalaujant imtis realių priemonių mažinti klimato kaitos procesus, laikas tam palankus.