Paliwo wodorowe tanie i łatwe w produkcji: jest szansa na przełom?

Ostatnio jest coraz głośniej na temat walki z przedwczesną elektryfikacją transportu i poszukiwaniem alternatywnych paliw dla silników spalinowych. Coraz więcej poważnych koncernów z branży motoryzacyjnej wykłada potężne sumy na badania i rozwój technologiczny. Coraz częściej także pod uwagę brany jest wodór, mający wiele zalet – zwłaszcza z punktu widzenia ekologii. Jednak jest jeden problem.

O ile konstrukcyjnie jesteśmy w stanie przygotować odpowiednio zaprojektowane jednostki spalinowe, które – wiele na to wskazuje – z powodzeniem mogłyby korzystać z paliwa w postaci pierwszego z pierwiastków na tablicy Mendelejewa, to większe wyzwanie stoi po stronie otrzymywania wystarczających ilości wodoru, a także jego przechowywania transportu i sposobu tankowania pojazdów. Wodór jest gazem, który należy do substancji silnie wybuchowych. To stwarza szereg utrudnień technologicznych, ale także ekonomicznych.

Wodór: wszędzie go pełno

Wodór jest najpowszechniej występującym pierwiastkiem w znanym nam Wszechświecie. Pod względem masowym stanowi ok. 75% całości materii. Jednak otrzymanie czystego wodoru wcale nie jest takie łatwe, bo występuje on głównie w związkach. Na Ziemi większość wodoru występuje pod postacią wody oraz innych związków organicznych – kwasów, soli, etc. W samym powietrzu atmosferycznym wodór występuje z śladowych ilościach (ok. 0,019%).

Choć więc samego pierwiastka mamy pod dostatkiem, to separowanie jego czystej postaci jest związane z zastosowaniem szeregu procesów chemiczno-fizycznych. Pierwszy raz wodór otrzymano sztucznie już na początku XVI wieku w reakcji metalu z kwasem, a w drugiej połowie XVII wieku stwierdzono, że wodór jest oddzielną substancją chemiczną, która po spaleniu zamienia się w wodę. Stąd tez wzięła się “wodna” nazwa wodoru.

Wodór paliwem przyszłości?

Obecnie problemem jaki stoi przed rozwojem i upowszechnieniem paliwa wodorowego oraz szeroko pojętego transportu opartego na nim, jest wydajna technologia otrzymywania wystarczających ilości wodoru i, co niezwykle istotne, taka, która nie będzie potrzebowała wysokich nakładów energetycznych.

Okazuje się, że ludzkość jest na dobrym tropie by wdrożyć takową i, co ciekawe, oparta jest o proces który znamy już od prawie 50 lat. Naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Cruz dopracowali zaskakująco prostą metodę otrzymywania wodoru, która w dodatku nie wymaga dużych wydatków energetycznych. Wszystko dzięki procesowi wytwarzania nanocząstek aluminium, które rozszczepiają wodę i generują paliwo wodorowe.

To dzieje się samo!

Aluminium jest metalem wysoce reaktywnym, który momentalnie reaguje z tlenem. Utlenianie aluminium blokowane jest przez tworzenie się na jego powierzchni warstwy tlenku glinu, który blokuje dalszą reakcję. Dlatego aluminium oraz jego stopy nie ulegają błyskawicznemu utlenianiu. To właśnie właściwości aluminium mogą okazać się sposobem na otrzymywanie wodoru poprzez usuwanie tlenu z cząsteczek wody. Żeby jednak ta metoda mogła okazać się wydajna należy posunąć się do zastosowania glinu w postaci kompozytu z galem, który tworzy nanocząsteczki. Te błyskawicznie reagują z wodą w temperaturze pokojowej a ich efektem jest uwalnianie dużych ilości czystego wodoru. Co ważne, gal może być łatwo uzyskany do ponownego użycia.

Jak twierdzi profesor Scott Oliver z UCSC, do procesu nie potrzeba żadnego wkładu energetycznego. Wodór samoistnie powstaje jak szalony, wprawiając naukowców w osłupienie. Jeśli faktycznie udałoby się opracować wydajny proces technologiczny oparty o te metodę, to mogłoby to rozwiązać jeden z głównych problemów, o jakich się mówi w kwestii przerzucenia silników spalinowych z paliw ropopochodnych na czystą energię z wodoru.

Przeczytaj też:

Yamaha tworzy dla Toyoty silnik napędzany wodorem!

Obecnie produkcja przemysłowa wodoru odbywa się głównie za pomocą metody reformingu parowego gazu ziemnego – już sama nazwa nie brzmi zbyt ekologicznie, jednak ta metoda jest po prostu mniej energochłonna niż np. elektroliza wody.

Wodór, ze względu na swoje naturalne właściwości fizyko-chemiczne, jest bardzo dobrym substytutem benzyny. Ma najwyższą z paliw, w odniesieniu do masy, wartość opałową i ciepło spalania. Jednak ze względu na bardzo małą gęstość, wypada słabo na tle innych paliw jeżeli odniesiemy te wartości do objętości. Dlatego jego efektywność należałoby uzyskiwać za pomocą sprężarek. W motoryzacji znajduje zastosowanie w tzw. ogniwach wodorowych. Służy także jako paliwo do napędów rakietowych.

Zjawisko znane od dawna

Reakcja kompozytu aluminium i galu z wodą jest już nam znana od dawna, bo od lat 70. XX wieku. Gal w temperaturze pokojowej ma postać cieczy, która usuwa tworzącą się na powierzchni aluminium warstwę tlenku glinu. To umożliwia wodzie bezpośredni kontakt z aluminium i tym samym odseparowanie wodoru ze związku H20. Wnikliwe badania doprowadziły naukowców do wniosku, że za wzrost wydajności tej metody otrzymywania wodoru odpowiadają tworzące się w procesie nanocząstki aluminium. Badacze z UCSC ustalili nawet optymalną wartość stosunku aluminium do galu dla maksymalnego zintensyfikowania efektu na 1:3.

Amerykanie co prawda nie odkryli w ten sposób przysłowiowej Ameryki, ale dopracowali proces pod kątem efektywności. Reakcja zachodzi samoistnie i nie potrzeba dodatkowej energii do wytwarzania wodoru na duża skalę. Potrzebny jest co prawda gal, który nie należy do tanich surowców, ale ten z kolei może zostać odzyskany i użyty ponownie. Z kolei uzyskany w procesie tlenek glinu także może zostać wykorzystany, bo stosuje się go w wielu branżach. Jego właściwości fizyczne takie jak twardość i wytrzymałość, sprawiły, że jest często stosowany jako dużo tańszy zamiennik przemysłowego diamentu, lub chociażby jako wypełniacz w produkcji tworzyw sztucznych. Większość tlenku glinu wykorzystywana jest jednak do produkcji… aluminium.

Czy jest szansa na przełom?

Czy są tu jakieś słabe strony? Na pewno, bo samo otrzymanie czystego aluminium to proces energochłonny. Możemy oczywiście odzyskiwać je chociażby z puszek, folii spożywczej, czy innych produktów, które zwyczajnie wyrzucamy. Należy jednak pamiętać, że do tego procesu również potrzeba sporo energii. Czy zatem działania amerykańskich naukowców mają szansę przyczynić się do paliwowej rewolucji i dążenia do przesiadki na zielone paliwa dla silników spalinowych? Czas pokaże.