Wodór paliwem przyszłości.

Otrzymywanie wodoru.

Wodór, który na Ziemi nie występuje w stanie wolnym, można otrzymywać dwiema podstawowymi metodami. Jedną z nich jest elektroliza. Na katodzie (elektroda ujemna) wydziela się wodór, a na anodzie (elektroda dodatnia) tlen. Gazy wydobywają się na powierzchnię, skąd można je odprowadzać. W procesie reformingu porowego węglowodory lub inne substancje organiczne, takie jak metanol (CH₃OH), są zamieniane w parę dzięki ciepłu wydzielanemu w komorze spalania. W reaktorze, w obecności katalizatora i pary wodnej, zachodzą reakcje, których produktem jest m. in. wodór. Po oczyszczeniu wodór jest dostarczany do ogniw paliwowych.

Reforming – proces ten polega na zwiększaniu liczby oktanowej benzyny w procesie odwodornienia węglowodorów nasyconych i otrzymywaniu aromatycznych: C₆H₁₂ ↔ C₆H₆ + 3H₂; C₆H₁₄ ↔ C₆H₆ + 4H₂.

Elektroliza roztworu wodnego KOH:

2H₂O + 2e^- → H₂ + 2OH^- (katoda);

2OH^- → H₂O +1/2O₂ +2e^- (anoda);

H₂O → H₂ + 1/2O₂ (sumarycznie).

Procesy przetwarzania paliw naturalnych:

• gazu ziemnego: CH₄ + 2H₂O → 4H₂ + CO₂;

• ropy naftowej: C_nH_2n + 2nH₂O → 3nH₂ + nCO₂;

• węgla: C_nH_n + 2nH₂O → 3n…

Ciepła spalania wodoru i paliw silnikowych (tab).

Metody przemysłowe otrzymywania wodoru:

• zamiana energii słonecznej w fotoogniwach na prąd elektryczny, wykorzystywany następnie do elektrolizy wody;

• zamiana energii słonecznej w ogniwach słonecznych na prąd elektryczny, który przepływając przez powłoki wykonane z rodu, molibdenu, wolframu, a obecnie związki porfirynowe (zbliżone budową do chlorofilu) rozkłada wodę, nie elektrolitycznie, ale katalitycznie;

• zamiana energii słonecznej na ciepło (do 4000K) o mocy 1000 kW z lustrami parabolicznymi i wykorzystanie uzyskanego w piecach słonecznych ciepła do termicznego rozkładu wody (termoliza wody );

• fotoredukcyjny rozkład wody enzymem hydrogenazą, występujących m. in. w glonie zielonej algi (Chlamydomones reinhordtii);

• wykorzystanie bakterii do beztlenowego rozkładu biomasy;

• metoda Hotelly, polegająca na gorącej elektrolizie pary wodnej w temperaturze .

Zalety wodoru jako paliwa:

• jest proekologiczny – produktem spalania jest woda;

• ma małą energię inicjacji zapłonu – przez co jego spalanie jest sprawniejsze;

• jest łatwiejszy i tańszy w magazynowaniu niż energia elektryczna;

• jego zapasy są praktycznie niewyczerpane, gdyż stanowi on składnik wody i wraz z nią krąży w obiegu zamkniętym w przyrodzie;

• charakteryzuje się niskimi kosztami transportu na jednostkę przesyłanej energii i łatwością przesyłu.

Wady wodoru jako paliwa:

• możliwość tworzenia z powietrzem mieszaniny wybuchowej;

• dyfuzja przez metale;

• podczas spalania w powietrzu tworzą się tlenki azotu (NO_x).

Pierwsza i ostatnia wada zostały już wyeliminowane podczas bezpłomieniowego spalania wodoru w ogniwach paliwowych, w których produktem spalania jest woda i prąd elektryczny.

Ścieżki dla wodoru.

Koncerny energetyczne mogą wytwarzać wodór i rozprowadzać go na kilka sposobów. W bliskiej przyszłości najprawdopodobniej wodór będzie się produkować z gazu ziemnego, albo w centralnych zakładach, z których paliwo będzie przewożone ciężarówkami do stacji tankowania albo w lokalnych wytwórniach. Na stacjach wodór mógłby być również wytwarzany z wykorzystaniem energii elektrycznej w procesie elektrolizy wody. Jednak w obu przypadkach wiąże się to z emisją gazu cieplarnianego (przy założeniu, że energia elektryczną wytwarza się podczas spalania paliw kopalnych).

Sekwestracja CO₂ – wychwycenie, transport i unieszkodliwienie lub trwałe zdeponowanie i odizolowanie CO₂ od biosfery.

Wiele zastosowań wodoru:

• silnik spalinowy: wydajność procesu do 30%;

• ogniwo paliwowe wydajność do 55%

• samochody z ogniwem paliwowym (np. Honda2005 FCX);

• do bezpośredniego uzyskiwania energii elektrycznej z chemicznej;

• jako paliwo w pojazdach kosmicznych, lotnictwie, pojazdach transportu indywidualnego;

• do wytwarzania ciepła;

• jako źródło pozyskania wody umożliwiający wyrównanie czasowych niedoborów energii.

Sprężony wodór.

Za: lekkie.

Przeciw: duża objętość, wymagają napełnienia pod wysokim ciśnieniem.

Status: metody dostępne.

Ciekły wodór.

Za: mała waga i objętość.

Przeciw: stałe straty związane z parowaniem; duży wydatek energii na skraplanie.

Status: metoda dostępna.

Wodorki złożone.

Za: mała objętość, możliwość regeneracji w samochodzie; praca pod niskim lub średnim ciśnieniem.

Przeciw: ciężkie; wymagana wysoka temperatura; niedostateczna wydajność poboru paliwa.

Status: w opracowaniu.

Przykłady wytwarzania wodoru przez hydrolizę wodorków:

LiH + H₂O → Lich + H₂;

NaH + H₂O → NaOH + H₂;

CaH₂ + 2H₂O → Ca(OH)₂ + 2H₂;

NaBH₂ + 4H₂O → NaOH + H₃BO₃ + 4H₂.

Wodorki chemiczne.

Za: mała waga i objętość, być może w stanie ciekłym.

Przeciw: zużyty nośnik trzeba regenerować poza pojazdem; wysoki koszt regeneracji i niezbędnej infrastruktury.

Status: w opracowaniu.

Odwodornienie dekaliny do naftalenu: C₁₀H₁₈ C₁₀H₈ + 5H₂.

Odwodornienie metylocykloheksanu do toluenu: C₆H₁₁-CH₃ C₆H₅-CH₃ + 3H₂.

Adsorbenty wodoru.

Za: niska waga, proces odwracalny, szansa na działanie w temperaturze pokojowej.

Przeciw: duża objętość, być może będzie potrzebna niska temperatura.

Status: wczesny etap prac badawczo – rozwojowych.