A világ évente megközelítőleg 75 millió tonna hidrogént használ fel, amelynek a 99%-a fosszilis energiából származik. Rengeteg hidrogénre van tehát szükségünk már azelőtt is, hogy az energiatárolás egyáltalán szóba kerülne, és szeretnénk, ha ez a mennyiség fenntartható forrásokból származna. A zöld hidrogén előállításának legismertebb, és ma még szinte egyeduralkodónak számító formája az elektrolízis, amikor is megújuló energiából származó áram segítségével vizet bontunk. A megújuló energia lehet például napenergia, ám a nap fényével más módokon is készíthetünk hidrogént ipari mennyiségben. A következőkben ezekről az alternatívákról fogunk egy rövid áttekintést adni az amerikai Energiaügyi Minisztérium által készített tájékoztató segítségével. A fotobiológiai módszer A fotolitikus biológiai rendszerekben a mikroorganizmusok – például a zöld mikroalgák vagy a cianobaktériumok – napfény segítségével oxigén- és hidrogénionokra bontják a vizet. A hidrogénionok közvetlen vagy közvetett úton egyesülhetnek, és hidrogéngázként szabadulhatnak fel. Ennek a módszernek a kihívásai közé tartozik a hidrogéntermelés alacsony sebessége, valamint az a tény, hogy a víz bontása során oxigén is keletkezik, amely gyorsan gátolja a hidrogéntermelő reakciót, és bizonyos koncentrációkban a hidrogénnel keveredve biztonsági problémát jelenthet. A kutatók olyan módszerek kifejlesztésén dolgoznak, amelyek lehetővé teszik, hogy a mikrobák hosszabb ideig termeljenek hidrogént, és növeljék a termelés sebességét. Egyes fotoszintetikus mikrobák a napfényt használják a szerves anyagok lebontására, hidrogént szabadítva fel. Ezt nevezik fotofermentatív hidrogéntermelésnek. Ennek a folyamatnak a legnagyobb kihívásai közé tartozik a nagyon alacsony hidrogéntermelési sebesség és az alacsony napenergia-hidrogén hatásfok, ami miatt ez a megoldás jelenleg kereskedelmi szempontból nem életképes a hidrogén előállítására. A kutatók azt vizsgálják, hogyan lehetne a mikrobákat jobbá tenni az energia gyűjtésében és felhasználásában, hogy több energia álljon rendelkezésre a hidrogéntermeléshez, és hogyan lehetne megváltoztatni a mikrobák szokásos biológiai folyamatait a hidrogéntermelés sebességének növelése érdekében. Termokémiai vízbontás A termokémiai vízbontási folyamatok magas hőmérsékletet (500-2000°C) használnak fel egy sor kémiai reakció elindítására, amelyek során hidrogén keletkezik. A folyamat során felhasznált vegyi anyagokat minden egyes ciklusban újra felhasználják, így egy zárt körfolyamat jön létre, amely csak vizet fogyaszt, és hidrogént, illetve oxigént termel. A vízbontáshoz szükséges magas hőmérsékletet a napfény koncentrálásával állítják elő, de egyébként a nukleáris energiával történő hidrogéngyártás is ezt a módszert alkalmazza. A hidrogén előállítására számos különböző termokémiai vízbontó ciklus ismert, amelyek mindegyike különböző működési feltételekkel, műszaki kihívásokkal és hidrogéntermelési lehetőségekkel rendelkezik. A szakirodalomban több mint 300 különböző metódust írnak le. A termokémiai vízbontó ciklusok két példáját, a „közvetlen” kétlépcsős cérium-oxid termikus ciklust, és a „hibrid” réz-klorid ciklust az alábbi ábra szemlélteti. A közvetlen ciklusok jellemzően kevésbé bonyolultak, kevesebb lépést tartalmaznak, de a bonyolultabb hibrid ciklusokhoz képest magasabb üzemi hőmérsékletet igényelnek. Kép: energy.gov A kereskedelmi szempontból is életképes termokémiai ciklusok és reaktorok kutatása, fejlesztése és demonstrációja azonban továbbra is kihívást jelent: Javítani kell a termokémiai ciklusokban használt reaktánsanyagok hatékonyságát és tartósságát. Hatékony és robusztus reaktorkonstrukciókat kell kifejleszteni, amelyek kompatibilisek a magas hőmérsékletekkel és a hőciklusokkal. A termokémiai napkollektoros rendszerek esetében csökkenteni kell a koncentráló tükörrendszerek költségeit. A koncentrált napenergia-technológiákkal és az újonnan megjelenő napenergiás üzemanyag-előállítási technológiákkal való szinergiák kihasználása azonban komoly lehetőségekkel kecsegteti a kutatókat. A termokémiai vízbontás előnye, hogy a napfénynek olyan spektrumait is képes hasznosítani, amit a fotovoltaikus panelek nem. Fotoelektrokémiai és fotokatalitikus vízbontás A FEK eljárás során félvezető anyagokat használnak a vízmolekulák bontására. Ezek a félvezető anyagok hasonlóak a fotovoltaikus napelemekben használtakhoz, de a FEK alkalmazásokban vízalapú elektrolitba vannak merítve. A félvezető fotoelektródában a fény hatására elektron-lyuk párok keletkeznek, ezeket a töltéshordozókat azonban nem áram formájában „nyerik ki” a rendszerből (mint egy napelemnél), hanem redukciós és oxidációs kémiai reakciókat hajtanak végre. A fotokatalitikus vízbontás is hasonló elven működik, de itt nanoméretű fotoaktív részecskéket alkalmaznak, amelyek az elektrolittal együtt egy iszapszerű elegyet alkotnak. Mindkét megközelítésnek megvannak a maga előnyei és kihívásai, de az elmondható, hogy a panelrendszereket vizsgálták a legszélesebb körben, a bevált fotovoltaikus paneltechnológiákkal való hasonlóság miatt. A következő ábra a FEK-reaktor lehetséges tervezési sémáit mutatja. Az a)-val jelölt rész egy síkágyas, illetve egy csöves reaktort (amely koncentrálja is a napfényt egy elektródára) mutat be, míg a b) egy műanyag „zacskóval” fedett, kétágyas részecskés reaktort ábrázol. Kép: energy.gov A piaci életképességhez a hatékonyság, a tartósság és a költségek folyamatos javítására van szükség. A FEK anyagok, eszközök és rendszerek fejlesztése azonban jelentős előrehaladást ért el az elmúlt években, így a közeljövőben számos megoldás piacra lépése várható. A fotoelektrokémiai vízbontás előnye, hogy hatékonyabb és potenciálisan olcsóbb megoldás lehet az elektrolízishez képest. Ez még nagy durranás lehet: érkezik a hidrogént termelő napelem Kép: solhyd.org dr. Papp László (Sol Invictus)Technológiai elemző, és a Villanyautosok.hu csapatának megújuló energiákkal, energiatárolással, illetve piaci trendekkel foglalkozó szakértője. Célja, hogy minél többek számára tegye egyértelművé, hogy a fenntartható jövő gazdaságilag is a legracionálisabb választás. Google hírek iratkozz fel! Heti hírlevél iratkozz fel! Kővédő fólia védd az autód!
