Badacze z China Agricultural University oraz Nanyang Technological University w Singapurze ogłosili, że opracowali metodę wytwarzania wodoru, która radykalnie obniża jego cenę. Kluczem nie jest tu kolejny, superczysty proces laboratoryjny, lecz rozwiązanie, które celowo operuje w nieco bardziej brudnych warunkach, wykorzystując to, co zwykle traktuje się jako odpad.
Odpady po żniwach zamienione w paliwo przyszłości
Tradycyjna elektroliza wody, choć prosta w założeniu, jest energochłonna i generuje niezbyt wartościowy produkt uboczny, bo tlen. Zespół naukowców postanowił zmienić tę równanie. Zamiast rozszczepiać czystą wodę, ich system skupia się na utlenianiu glukozy, pochodzącej z łatwo dostępnych materiałów, takich jak łodygi bawełny czy słoma pszeniczna. Ten zabieg zmniejsza zapotrzebowanie na napięcie aż o 400 miliwoltów, a to bezpośrednio przekłada się na oszczędność energii.
Czytaj też: Dorzucili do akumulatorowych ogniw kuliste cząsteczki węgla. Tak przekuli marzenie przekute na rzeczywistość
Prawdziwym atutem tej metody nie jest jednak samo oszczędzanie prądu. Chodzi o to, co powstaje zamiast tlenu. Proces prowadzi do wytworzenia mrówczanu, czyli związku chemicznego o konkretnej wartości rynkowej, który jest stosowany m.in. w przemyśle skórzanym. To właśnie sprzedaż tego produktu ubocznego może sprawić, że cała operacja staje się opłacalna, zmieniając tym samym ekonomiczny bilans produkcji wodoru.
Prostsza konstrukcja i rekordowa wydajność procesu
Inżynierowie podeszli do problemu również od strony konstrukcyjnej. Ponieważ w ich procesie nie wydziela się czysty tlen, to można było zrezygnować z kosztownej i delikatnej membrany, która w standardowych elektrolizerach oddziela gazy. Takie uproszczenie nie tylko obniża koszty inwestycyjne, ale i zwiększa trwałość oraz bezpieczeństwo urządzenia, eliminując ryzyko powstania wybuchowej mieszaniny wodoru z tlenem.
Sercem systemu jest specjalny katalizator, bo tlenowodorotlenek kobaltu z domieszką 5% miedzi. To właśnie ten dodatek precyzyjnie kieruje reakcję glukozy, zapewniając, że aż 80% surowca przekształca się w cenny mrówczan (sole lub estry kwasu mrówkowego), a nie w bezwartościowy dwutlenek węgla. W testach z wykorzystaniem skoncentrowanego światła słonecznego system osiągnął wydajność na poziomie 519 mikromoli wodoru na godzinę z centymetra kwadratowego, co jest wynikiem uznawanym za rekordowy dla tego typu rozwiązań.
Nie trzeba bawić się w specjalne surowce. Wystarczy to, co i tak trzeba utylizować
Co istotne, proces działała z surowymi, nieoczyszczonymi ekstraktami roślinnymi, a to akurat ważna wskazówka, bo sugeruje, że technologia może funkcjonować poza sterylnym środowiskiem laboratorium. Mowa o warunkach bliższych prawdziwej produkcji przemysłowej, gdzie nikt nie może sobie pozwolić na drogie, farmaceutycznie czyste odczynniki. Na to jednak musimy spojrzeć znacznie szerzej, bo wszystko to wygląda na próbę zbudowania obiegu, w którym ta sama roślina pełni kilka ról w ciągu swojego życia gospodarczego. Najpierw jest surowcem dla przemysłu tekstylnego czy spożywczego, później jej resztki stają się problemem logistycznym, a finalnie mogą posłużyć jako źródło energii chemicznej zamkniętej w wiązaniach glukozy. Stanowi to zupełnie inne myślenie o surowcach niż w tradycyjnej energetyce, opartej na jednorazowym spaleniu paliwa i definitywnym zakończeniu jego użyteczności.
Czytaj też: Przerażające cmentarzysko na odludziu. Dlaczego Chiny wiercą tajny tunel na pustyni Gobi?
Z punktu widzenia inżynierii procesowej kluczowe jest to, że naukowcom udało się pogodzić trzy wymagania, które zazwyczaj wzajemnie się wykluczają: niską czystość surowca, relatywnie prostą konstrukcję urządzenia i akceptowalną trwałość elementów systemu. Brak membrany oddzielającej gazy upraszcza projekt, ale jednocześnie wymaga bardzo precyzyjnej kontroli przebiegu reakcji, aby utrzymać bezpieczeństwo i powtarzalność procesu. Tutaj wchodzi w grę rola odpowiednio dobranego katalizatora, który nie tylko przyspiesza reakcję, ale przede wszystkim nadaje jej kierunek.
Tlenowodorotlenek kobaltu z domieszką miedzi można traktować jako swoistego dyrygenta reakcji chemicznej. Jego zadaniem nie jest jedynie umożliwienie rozkładu substratów, lecz prowadzenie go w taki sposób, by możliwie największa część energii i materii trafiła do pożądanych produktów: wodoru oraz mrówczanu. Wysoki, około 80-procentowy udział mrówczanu wśród produktów utleniania glukozy to nie tylko dobra wiadomość dla chemików, ale przede wszystkim konkretna liczba, którą da się wstawić do arkusza kalkulacyjnego przy analizie opłacalności inwestycji.
Jeżeli założymy, że zakład chemiczny lub garbarnia jest w stanie wchłonąć duże ilości mrówczanu jako surowca do własnych procesów, cały układ zaczyna przypominać lokalny ekosystem przemysłowy, w którym strumienie materiałów krążą między zakładami, zamiast kończyć na wysypisku. To scenariusz pozornie oczywisty, ale w praktyce bardzo trudny do zrealizowania, bo wymagający współpracy między branżami, które dotąd funkcjonowały dość niezależnie. Oto jednak nowa metoda produkcji wodoru może stać się pretekstem, by taką współpracę w ogóle rozważyć.
Realna szansa dla ciężkiego przemysłu
Najbardziej intrygujące w tej historii jest to, że proponowane rozwiązanie nie próbuje na siłę zmienić natury ciężkiego przemysłu, tylko próbuje wpasować się w jego realia. Zamiast wymagać od hut czy zakładów chemicznych gwałtownej zmiany technologii i modelu działania, daje im narzędzie, które może zostać dołożone do istniejącej infrastruktury krok po kroku. Elektrolizer zasilany energią słoneczną oraz karmiony odpadem roślinnym może powstać obok funkcjonującej instalacji, nie wywracając wszystkiego do góry nogami.
Naukowcy twierdzą, że ich metoda pozwala wyprodukować kilogram wodoru za około 1,54 dolara, co po przeliczeniu daje niecałe 7 złotych. To cena, która zaczyna konkurować z paliwami kopalnymi, nawet bez uwzględniania opłat za emisje dwutlenku węgla. Gdy dodamy do tego przychód ze sprzedaży mrówczanu, cały model biznesowy wygląda zupełnie inaczej. Oczywiście jednak sama droga od efektownego prototypu w laboratorium do wielkoskalowej fabryki jest długa i usiana niepowodzeniami. Historia technologii pełna jest przełomów, które przełomami pozostały. W tym przypadku jednak mamy do czynienia z kombinacją czynników, która brzmi wyjątkowo sensownie.
Czytaj też: Silnik samolotowy zasili Twojego ChataGPT, bo AI zżera za dużo prądu. Czy to już nie przesada?
Nie oznacza to oczywiście, że przeszkód nie będzie. Już na wstępnym etapie pojawia się do rozwiązania cały zestaw bardzo przyziemnych problemów: jak zorganizować logistykę zbiórki i przetwarzania odpadów rolniczych, aby nie okazało się, że ich transport pochłania większość korzyści ekologicznych i finansowych? Jak zapewnić stabilne parametry surowca, skoro zbiory różnią się między sobą w zależności od sezonu? regionu? Wreszcie jak przekonać lokalne społeczności, że taka instalacja jest szansą, a nie zagrożeniem? W tle pozostaje też pytanie o konkurencję o biomasę. Odpady rolnicze są kuszącym surowcem nie tylko dla producentów wodoru, ale również dla wytwórców biogazu, producentów płyt drewnopochodnych czy nowoczesnych materiałów kompozytowych.
Mimo tych znaków zapytania, kierunek wyznaczony przez chińsko-singapurski zespół pokazuje coś istotnego: zielona transformacja nie musi polegać wyłącznie na wymianie urządzeń na nowsze i droższe.