Economia verde a hidrogenului din viitor
Un subiect al viitorului este generarea de energie cu ajutorul hidrogenului. Hidrogenul verde, în special, care este produs cu ajutorul energiei din surse regenerabile, are un mare potențial. În prezent, există numeroase tehnologii noi pentru producerea, transportul și utilizarea acestui purtător de energie.
Hidrogenul verde este extrem de important pentru atingerea obiectivelor de protecție a climei de la Paris. Acesta este produs cu ajutorul tehnologiei de transformare a energiei în gaz. În acest proces, hidrogenul verde este produs prin electroliză, folosind electricitate din surse de energie regenerabilă, cum ar fi vântul sau soarele. Acest lucru înseamnă că hidrogenul verde este lipsit de CO².
Tehnologiile hidrogenului implică diverse aplicații mecanice sau chimice pentru utilizarea hidrogenului. Acestea sunt menite să contribuie la reducerea gazelor care dăunează climei, cum ar fi dioxidul de carbon sau metanul. Domeniile de aplicare variază de la producția industrială și utilizarea în transportul de mărfuri și în trafic până la producerea de energie electrică și termică. În plus, energiile regenerabile pot fi stocate în mod flexibil cu ajutorul tehnologiilor pe bază de hidrogen.
Tehnologii pentru producerea hidrogenului
Hidrogenul verde trebuie produs prin electroliză. Există diferite tipuri de electroliză, dar un electrolizator constă întotdeauna din mai multe celule de electroliză dispuse în șir. Energia electrică provenită din surse regenerabile este apoi utilizată pentru a forța o reacție redox și pentru a scinda apa în componentele sale individuale, oxigen și hidrogen. Hidrogenul poate fi apoi stocat sub diferite forme.
Conform broșurii Hydrogen Technologies (Tehnologii pentru hidrogen ) a Institutului Fraunhofer pentru tehnologii și sisteme ceramice IKTS, electroliza la temperaturi înalte este în special o "tehnologie cheie pentru producerea eficientă de hidrogen și gaz de sinteză". Aceasta oferă mai multe avantaje față de electrolizoarele alcaline și PEM. De exemplu, procesul nu necesită componente din oțel inoxidabil și permite producerea directă de gaz de sinteză. În cazul electrolizei de înaltă temperatură cu electroliză cu oxid solid (SOE), în timpul proceselor de conversie se ating temperaturi de peste 750 de grade Celsius. Electrolitul este utilizat ca material ceramic solid care separă cele două semicelule. Apa intră apoi în camerele de reacție sub formă de vapori.
Pe lângă electroliza la temperaturi înalte, există și electroliza alcalină și electroliza cu membrană schimbătoare de protoni. Electroliza alcalină (AEL) este în prezent cel mai utilizat proces de electroliză, deoarece costurile de investiție sunt reduse, iar tehnologia este stabilă pe termen lung. AEL utilizează un electrolit lichid conducător de OH.
Electroliza cu membrană schimbătoare de protoni (PEM) funcționează la temperaturi scăzute și este o tehnologie relativ nouă. Hidrogenul poate fi extras din apele industriale și miniere. Procesul Rodosan a fost dezvoltat în acest scop la Fraunhofer IKTS. Avantajul PEM este că poate reacționa rapid la fluctuațiile energiei adăugate și are un comportament bun la schimbarea sarcinii. Hidrogenul este separat ca produs de reacție utilizabil în timpul tratamentului electrochimic al acidului sulfuric și al apei fără sulfat în celulele de electroliză cu membrană.
Tehnologii cu emisii reduse de CO2 pentru utilizarea hidrogenului
Ca gaz de proces pentru producerea de produse de bază și valoroase, hidrogenul verde poate asigura că nu mai este emisă nicio cantitate de CO². Acest lucru se datorează faptului că minereul de fier trebuie transformat în fontă brută pentru a produce oțel. În acest scop, se folosește cocsul în procesul de producere a furnalelor înalte. Pentru ca acest proces să fie aproape neutru din punct de vedere climatic (reducere de peste 95% a emisiilor de CO²), hidrogenul poate fi utilizat în locul gazului natural în procesele de reducere directă. Potrivit Fraunhofer IKTS, electroliza la temperaturi înalte este cea mai potrivită metodă. Căldura reziduală existentă poate fi utilizată în mod eficient, iar gazul de sinteză poate fi produs.
Electroliza la temperatură înaltă este potrivită și pentru sinteza amoniacului. În prezent, pentru acest proces se utilizează gaz natural, care produce cantități mari de CO². În cazul în care emisiile de CO² sunt inevitabile, este posibilă utilizarea acestora ca sursă de carbon. De exemplu, se pot obține ceară pentru industria cosmetică sau combustibili pentru aviație. Sinteza Fischer-Tropsch este potrivită pentru producerea de produse cu conținut de carbon din CO² și hidrogen. Cu toate acestea, pentru ca această tehnologie să fie deosebit de eficientă și eficace, trebuie să fie cuplată cu procesul de (co)electroliză. Procesul de co-electroliză produce gaz de sinteză, ceea ce face ca producția de produse chimice să fie deosebit de eficientă.
Hidrogenul verde servește, de asemenea, ca sursă de energie în domeniile electricității, căldurii și mobilității. Cazanele pe gaz natural din clădiri pot fi, teoretic, alimentate cu hidrogen. În producția de energie electrică, hidrogenul poate fi transformat în energie electrică prin intermediul pilelor de combustie care utilizează reconversia. Acest lucru se realizează cu ajutorul combustiei la rece, în care se provoacă o reacție între oxigen și hidrogen în cadrul celulei de combustie. Produsul rezidual al tensiunii electrice rezultate este apa, astfel încât nu se produc emisii. În sectorul transporturilor, vehiculele, navele și trenurile alimentate cu hidrogen reprezintă o bună completare a vehiculelor electrice. De asemenea, pot fi utilizați combustibili sintetici pe bază de hidrogen, în special în aviație și în transportul de mărfuri grele.
În cadrul proiectului "H2 Carinthia" din Carintia, hidrogenul verde va fi folosit chiar de două ori: în producția industrială de microcipuri la Infineon și apoi pentru alimentarea mijloacelor de transport. Hidrogenul verde este decuplat după producție și alimentat la o instalație PSA (pressure swing absorption) la stația de realimentare cu apă, unde este purificat pentru a fi utilizat în mijloacele de transport. În decembrie 2022, primele cinci autobuze care funcționează cu hidrogen verde reciclat au fost deja lansate în rețeaua de transport public din Carintia.
Tehnologii pentru stocarea și transportul hidrogenului verde
Pentru ca hidrogenul să poată fi transportat pentru a fi utilizat în altă parte, acesta trebuie să fie stocat. Aceasta este o provocare majoră, deoarece este o substanță chimică ușoară și destul de volatilă. Hidrogenul poate fi depozitat în diferite stadii de agregare, la suprafață, în rezervoare sau în subteran. În formă lichidă, hidrogenul este stocat la temperaturi extrem de scăzute (minus 553 de grade Celsius) în rezervoare criogenice izolate, ceea ce înseamnă că se pierde multă energie. Rezervoarele criogenice trebuie să fie foarte bine izolate pentru ca hidrogenul să nu se vaporizeze.
Hidrogenul este stocat sub formă gazoasă fie în rezervoare presurizate, fie în depozite subterane. Acest tip de stocare este cel mai frecvent utilizat, deoarece garantează o bună mobilitate. Instalațiile de depozitare în caverne au în special un volum mare de depozitare. În plus, nu este nevoie să fie sigilate zone noi. Există, de asemenea, instalații de stocare cu hidruri metalice, în care o mare cantitate de hidrogen este stocată în structuri metalice solide cu rețea (de exemplu, metale sau carbon) și poate fi eliberată din nou prin încălzire. Cu toate acestea, transportul este îngreunat aici din cauza greutății proprii ridicate. De asemenea, hidrogenul poate fi absorbit în medii de transport lichide, cum ar fi uleiul (purtător de hidrogen organic lichid). Cu toate acestea, se pierde multă energie din cauza catalizatorilor.
Hidrogenul stocat este apoi transportat, de exemplu, cu camionul, vaporul sau trenul. Totuși, pentru ca acest lucru să fie ecologic, mijloacele de transport trebuie să fie electrice sau să funcționeze cu hidrogen verde. De asemenea, hidrogenul poate fi transportat prin conducte de gaz existente sau noi. Infrastructura de gaze naturale prezintă un interes deosebit în acest caz. Hidrogenul poate fi adăugat la gazele naturale în anumite proporții. La parcul chimic Bitterfeld-Wolfen se testează, de asemenea, conducte din polietilenă și conducte compozite din metal-plastic pentru transportul hidrogenului.
Sursa: www.ntv.de