Proizvodnja vodonika: šta je vodonik i kako se proizvodi?

Vodonik postaje sve važniji kao čist nosilac energije koji obećava – posebno u pogledu budućnosti koja je povoljnija po klimu. Ali da li ste se ikada zapitali šta je zapravo vodonik i kako se proizvodi? U ovom članku razmatramo osnove i tehnologije koje se koriste za proizvodnju vodonika i šta čini vodonik posebnim elementom.

Jednostavno rečeno: vodonik  je gas bez boje, mirisa i ukusa. Uživa reputaciju najjednostavnijeg i najzastupljenijeg hemijskog elementa u univerzumu. Vodonik se sastoji od sitnih čestica, protona i elektrona.

Izuzetno je reaktivan i može se kombinovati s drugim elementima i tako se formiraju jedinjenja kao što je voda. Može da se koristi kao snažno gorivo i upotrebljava se za: proizvodnju električne energije, upravljanje vozilima i proizvodnju toplote. Kao čist nosilac energije, vodonik ima potencijal da smanji uticaj na životnu sredinu i doprinese održivom snabdevanju energijom.  

Postoji nekoliko tehnologija za proizvodnju vodonika, koje se mogu koristiti u zavisnosti od specifičnih zahteva i raspoloživih resursa. Evo nekih uobičajenih metoda:

• Parna reformacija prirodnog gasa: ovo je trenutno najšire korišćena tehnologija za proizvodnju vodonika. U ovom procesu se prirodni gas, koji se sastoji uglavnom od metana, zagreva vodenom parom u prisustvu katalizatora. Slikovito, parna reformacija se može smatrati "razbijanjem" prirodnog gasa.                                                                                                                                                              U ovom procesu, metan u prirodnom gasu reaguje sa vodenom parom, proizvodeći vodonik (H2) i ugljen monoksid (CO). Dobijeni vodonik se prečišćava i zatim se može koristiti kao gorivo u vozilima, za proizvodnju električne energije u gorivim ćelijama ili u raznim industrijskim primenama. Ovaj proces je jeftin, ali ima i nedostatke. Ugljen-dioksid se oslobađa kao nusproizvod, koji ima uticaj na životnu sredinu.

• Elektroliza vode: tokom elektrolize, voda se deli na vodonik i kiseonik uz pomoć električne struje. Oprema koja se zove elektrolizatori sprovodi proces elektrolize kako bi se postiglo razdvajanje.

• Solarna proizvodnja vodonika: u ovoj metodi, umesto električne energije se koristi solarna energija za sprovođenje procesa elektrolize. To se može uraditi ili direktnom sunčevom svetlošću ili koncentrisanjem sunčevog zračenja uz pomoć solarnih ogledala ili kolektora. Ova nova tehnologija bi se mogla koristiti u zemljama u kojima je dostupno dovoljno sunca i omogućila bi proizvodnju vodonika posebno ekonomično..

• Termohemijska proizvodnja vodonika (biološka proizvodnja vodonika): neki mikroorganizmi, kao što su određene bakterije ili alge, mogu proizvesti vodonik fermentacijom ili fotosintezom. Ova metoda je još uvek u razvoju, ali ima potencijal kao održiv i ekološki prihvatljiv izvor vodonika. Međutim, nedostatak ove vrste proizvodnje je ograničenost resursa.

Treba napomenuti da nisu svi procesi proizvodnje vodonika podjednako održivi ili ekološki prihvatljivi. Održivost proizvodnje vodonika zavisi od izvora energije koji se koristi i emisije CO2 tokom procesa proizvodnje. Da bi se što bolje iskoristile prednosti vodonika kao čistog izvora energije, od velike je važnosti korišćenje obnovljivih izvora energije za proizvodnju vodonika.

Upotreba obnovljivih izvora energije kao što su solarna energija, energija vetra ili hidroenergija može značajno smanjiti emisije CO2 u proizvodnji vodonika, čineći je održivom i još održivijom. Proizvodi se vodonik koji je prihvatljiv za životnu sredinu. Ovo je važan korak ka postizanju budućnosti sa niskim sadržajem ugljenika i u borbi protiv klimatskih promena.

Elektroliza je proces koji najviše obećava. Proces elektrolize omogućava ekološki prihvatljivu proizvodnju vodonika, posebno ako se za to koristi električna energija iz obnovljivih izvora energije. Ove tehnologije igraju važnu ulogu u omogućavanju čistog vodonika da se pojavi kao održivi nosilac energije za različite primene. Detaljno smo pogledali različite tehnologije i pogledali prednosti i nedostatke svake od njih.

PEM elektroliza, takođe poznata kao elektroliza potpomognuta membranom za razmenu protona, razdvaja vodu na vodonik i kiseonik pimenom polimerne membrane i električne struje.

Prednosti:

• Brzo pokretanje i brzo prilagođavanje promenljivim opterećenjima
• Visoka efikasnost u radu sa delimičnim opterećenjem
• Niska radna temperatura (50-80°C), usled koje se smanjuje upotreba skupih materijala
• Kompaktna veličina i laka integracija u postojeće sisteme
• Visok nivo tehnološke zrelosti (TRL 7-8)

Nedostaci:

• Osetljiva na nečistoće u vodi, stoga zahteva prethodnu obradu vode
• Ograničeni radni vek PEM ćelije goriva (približno 10.000 radnih sati)
• Veći troškovi u poređenju sa alkalnom elektrolizom

U alkalnoj elektrolizi, voda se deli na vodonik i kiseonik pomoću alkalnog elektrolita, obično vodenog rastvora kalijum hidroksida.

Prednosti:

• Niži troškovi u poređenju sa PEM elektrolizom
• Otporan na zagađivače u vodi
• Dug radni vek elektrolitičke ćelije (približno 40.000-80.000 radnih sati)
• Najviši nivo tehnološke zrelosti (TRL 8-9)

Nedostaci:

• Sporija brzina reakcije u poređenju sa PEM elektrolizom
• Više radne temperature (70-100°C) dovode do veće potrošnje energije
• Teža integracija u postojeće sisteme zbog različitih parametara rada

SOEC je skraćenica od čvrstu oksidnu elektroliznu ćeliju i odnosi se na elektrolitičku ćeliju visoke temperature koja pretvara vodu u vodonik i kiseonik na visokim temperaturama i sa čvrstim oksidima kao elektrolitom.

Prednosti:

• Visoka efikasnost i povrat toplote zbog visokih radnih temperatura (800-1000°C)
• Fleksibilnost u korišćenju različitih goriva (npr. para, CO2)

Nedostaci:

• Visoke radne temperature zahtevaju skupe materijale i posebnu toplotnu izolaciju
• Sporo pokretanje i prilagođavanje promenljivim opterećenjima
• Veće dimenzije i složena sistemska integracija
• Malo operativnog iskustva u velikim razmerama

AEM je skraćenica za Anion Exchange Membrane - Anjonske provodne membrane i odnosi se na tehnologiju elektrolizatora koja koristi specijalnu membranu koja omogućava propustljivost negativno naelektrisanih jona i razdvaja vodu na vodonik i kiseonik pomoću električne struje.

Prednosti:

• Niži troškovi u poređenju sa PEM elektrolizom
• Otporan na zagađivače u vodi
• Rad na nižim temperaturama (približno 60-80°C)

Nedostaci:

• Ograničeni razvoj i komercijalizacija u poređenju sa PEM i alkalnom elektrolizom
• Potencijalni izazovi za dugoročnu stabilnost membrane
• Nema dostupnih velikih instalacija. Nizak nivo tehnološke zrelosti.