Innowacyjna technologia rozszczepiania metanu przełomem w produkcji wodoru
Gdy wodór jest spalany jako paliwo, głównym produktem ubocznym jest woda, a nie dwutlenek węgla (CO2), dzięki czemu stanowi atrakcyjną alternatywę dla źródeł energii opartych na paliwach kopalnych. Ponadto należy do paliw o najwyższej zawartości energii na jednostkę masy, która wynosi niemal trzykrotnie więcej niż w przypadku benzyny(odnośnik otworzy się w nowym oknie), dzięki czemu idealnie nadaje się do sektorów, gdzie masa ma największe znaczenie - lotniczego i kosmicznego. Wodór może być również magazynowany, transportowany i dystrybuowany przy użyciu obecnej infrastruktury, jednak wymaga to jej przystosowania. Większość wodoru jest obecnie wytwarzana przy użyciu procesów opartych na paliwach kopalnych lub elektrolizie, a według Terje Hauana, koordynatora finansowanego ze środków Unii Europejskiej projektu ColdSpark(odnośnik otworzy się w nowym oknie), stosowanie obu wiąże się z problemami. „Konwencjonalna produkcja wodoru prowadzi do emisji dużych ilości dwutlenku węgla i wymaga wielu zasobów. Procesy oparte na paliwach kopalnych wymagają energii, wody i katalizatorów, prowadzą też do powstawania dużych ilości CO2, podczas gdy elektroliza zużywa duże ilości energii elektrycznej i wody”. Zespół projektu ColdSpark opracował technologię opartą na plazmie nietermicznej, która rozszczepia metan (lub biometan) na wodór, eliminując emisję CO2, jednocześnie tworząc cenny produkt uboczny - węgiel w postaci stałej. „Dzięki niższemu zużyciu energii i zerowemu zapotrzebowaniu na wodę, nasza metoda stanowi czystszą i potencjalnie bardziej ekonomiczną ścieżkę produkcji wodoru”, dodaje Hauan, przedstawiciel SEID(odnośnik otworzy się w nowym oknie) –instytucji pełniącej funkcję gospodarza projektu.
Innowacyjny reaktor wykorzystujący nietermiczną plazmę
Wodór może być produkowany poprzez elektrolizę przy użyciu energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych, wówczas nazywamy go zielonym wodorem, reformowaniem metanu przy pomocy pary wodnej z wychwytywaniem dwutlenku węgla (wtedy mamy do czynienia z niebieskim wodorem) oraz przez kraking/rozszczepianie metanu lub biometanu - w ramach tej metody stosowanej przez zespół projektu ColdSpark powstaje turkusowy wodór. W przeciwieństwie do konwencjonalnych metod produkcji wodoru, reaktor projektu (o nazwie handlowej ColdSpark®) wykorzystuje energię elektryczną do wytworzenia pola plazmy nietermicznej, które zderza się z cząsteczkami metanu, rozbijając ich wiązania chemiczne na wodór gazowy i węgiel w postaci stałej. Zamiast dostarczać ciągły strumień energii, reaktor ColdSpark® wykorzystuje bardziej skomplikowane impulsy, które dodają więcej energii do gazu w czasie reakcji i zapewniają operatorom większą kontrolę nad plazmą. „Reakcje chemiczne mogą zachodzić bez podgrzewania całego strumienia gazu do ekstremalnie wysokich temperatur, co poprawia efektywność energetyczną i wydajność reaktora”, wyjaśnia Hauan.
Analiza strategii opartej na dwóch produktach
Doświadczenia fizyczne i chemiczne modelowanie kinetyczne w celu porównania struktury plazmy pomogły wybrać projekty najlepiej dostosowane do potrzeb przemysłu. Uzupełnienie tych prac stanowiły doświadczenia dotyczące adsorpcji i symulacje sit molekularnych, które potwierdziły skuteczność technologii separacji próżniowej w zakresie oddzielania wodoru od nieprzereagowanego metanu. Z myślą o komercjalizacji rozwiązania zespół SEID przeprowadził wydłużone badania, które pozwoliły na odkrycie trybu pracy drastycznie poprawiającego efektywność energetyczną. Badacze przeprowadzili także oceny ekologiczne i finansowe. „Wskazały one, że konkurencyjność technologii zależy od tego, jak bardzo zielona jest energia elektryczna w danym regionie, wartości rynkowej produkowanego węgla w postaci stałej oraz osiągnięcia określonych progów konwersji metanu”, zauważa Bjarte Kvingedal, kierownik techniczny.
Czysta energia źródłem nowych możliwości gospodarczych
Innowacje opracowane w ramach projektu ColdSpark przyczyniają się do realizacji wielu inicjatyw i założeń Unii Europejskiej, przede wszystkim strategii wodorowej i planu REPowerEU(odnośnik otworzy się w nowym oknie), a także wpisują się w szersze założenia Europejskiego Zielonego Ładu(odnośnik otworzy się w nowym oknie), strategii mającej na celu osiągnięcie neutralności klimatycznej, bezpieczeństwa energetycznego i gospodarki o obiegu zamkniętym. „Wykorzystanie metanu ze źródeł takich jak odpady rolnicze lub komunalne może zmniejszyć zależność od importu źródeł energii, a produkt uboczny w postaci węgla przyczyniłby się do budowy bardziej zrównoważonych łańcuchów dostaw”, mówi Hauan. „Ponadto mieszkańcy będą mogli cieszyć się lepszymi warunkami środowiskowymi, zdrowiem oraz nowymi możliwościami gospodarczymi - zwłaszcza na obszarach wiejskich, gdzie można wdrożyć zdecentralizowane systemy wodorowe”. Możliwe zastosowania obejmują dostarczanie wodoru na potrzeby niskoemisyjnej produkcji stali, przemysłu chemicznego i rafineryjnego, rozwój ogniw paliwowych na potrzeby transportu ciężkiego i magazynowania energii oraz dostarczanie wysokiej jakości materiałów węglowych do produkcji akumulatorów, kompozytów, materiałów budowlanych, opon i innych produktów. Obecnie zespół planuje dodatkowe działania pilotażowe w celu sprawdzenia osiągów w rzeczywistych warunkach pracy. Dzięki modułowej konstrukcji reaktora oraz możliwości włączenia rozwiązań do istniejącej infrastruktury wykorzystującej gaz ziemny i biometan, zespół optymistycznie patrzy na perspektywy szybkiego wprowadzenia rozwiązania na rynek.
