Παραγωγή υδρογόνου: Πώς γίνεται το υδρογόνο και τι είναι;

Το υδρογόνο αποκτά ολοένα και μεγαλύτερη σημασία ως πολλά υποσχόμενος φορέας καθαρής ενέργειας – ιδίως ενόψει ενός φιλικότερου για το κλίμα μέλλοντος. Αναρωτηθήκατε όμως ποτέ τι είναι στην πραγματικότητα το υδρογόνο και πώς παράγεται; Σε αυτό το άρθρο, εξετάζουμε τα βασικά στοιχεία και τις τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή υδρογόνου και αυτό που καθιστά το υδρογόνο ένα ιδιαίτερο στοιχείο.

Με απλά λόγια, το υδρογόνο είναι ένα άχρωμο, άοσμο και άγευστο αέριο. Απολαμβάνει τη φήμη του ως το απλούστερο και πιο άφθονο χημικό στοιχείο του σύμπαντος. Το υδρογόνο αποτελείται από μικροσκοπικά σωματίδια, πρωτόνια και ηλεκτρόνια.

Έχει εξαιρετική απόκριση και μπορεί να συνδυαστεί με άλλα στοιχεία για τον σχηματισμό ενώσεων όπως το νερό. Λειτουργεί ως ισχυρό καύσιμο και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή ηλεκτρισμού, τη λειτουργία οχημάτων και την παραγωγή θερμότητας. Ως φορέας καθαρής ενέργειας, το υδρογόνο έχει τη δυνατότητα να μειώσει τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις και να συμβάλει στον βιώσιμο ενεργειακό εφοδιασμό

Υπάρχουν αρκετές τεχνολογίες για την παραγωγή υδρογόνου, οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν ανάλογα με τις ειδικές απαιτήσεις και τους διαθέσιμους πόρους. Ακολουθούν ορισμένες συνήθεις μέθοδοι:
 

• Αναμόρφωση φυσικού αερίου με ατμό: Αυτή είναι σήμερα η ευρύτερα χρησιμοποιούμενη τεχνολογία για την παραγωγή υδρογόνου. Στη διαδικασία αυτή, το φυσικό αέριο, το οποίο αποτελείται κυρίως από μεθάνιο, θερμαίνεται με υδρατμούς παρουσία καταλύτη. Μεταφορικά, η αναμόρφωση με ατμό μπορεί να θεωρηθεί ως η "διάσπαση" του φυσικού αερίου.
  
  Στη διαδικασία αυτή, το μεθάνιο του φυσικού αερίου αντιδρά με τους υδρατμούς, παράγοντας υδρογόνο (H2) και μονοξείδιο του άνθρακα (CO). Το υδρογόνο που λαμβάνεται καθαρίζεται και μπορεί, στη συνέχεια, να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο σε οχήματα, για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε κυψέλες καυσίμου ή σε διάφορες βιομηχανικές εφαρμογές. Αυτή η διαδικασία είναι φθηνή, αλλά έχει και μειονεκτήματα. Το διοξείδιο του άνθρακα απελευθερώνεται ως υποπροϊόν και αυτό έχει επιπτώσεις στο περιβάλλον.

• Ηλεκτρόλυση νερού: Στην ηλεκτρόλυση, το νερό διαχωρίζεται σε υδρογόνο και οξυγόνο με τη βοήθεια ηλεκτρικού ρεύματος. Ο εξοπλισμός ή ο εξοπλισμός που ονομάζεται ηλεκτρολυτικές κυψέλες εκτελεί τη διαδικασία ηλεκτρόλυσης για να το επιτύχει αυτό.

• Ηλιακή παραγωγή υδρογόνου: Στη μέθοδο αυτή χρησιμοποιείται ηλιακή ενέργεια αντί της ηλεκτρικής ενέργειας για τη διαδικασία της ηλεκτρόλυσης. Αυτό μπορεί να γίνει είτε με απευθείας ηλιακό φως είτε με συγκέντρωση ηλιακής ακτινοβολίας με τη βοήθεια ηλιακών κατόπτρων ή συλλεκτών. Αυτή η νέα τεχνολογία θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε χώρες όπου υπάρχει επαρκής ηλιοφάνεια και να καταστήσει δυνατή την ιδιαίτερα οικονομική παραγωγή υδρογόνου.

• Θερμοχημική παραγωγή υδρογόνου (βιολογική παραγωγή υδρογόνου): Ορισμένοι μικροοργανισμοί, όπως ορισμένα βακτήρια ή άλγη, μπορούν να παράγουν υδρογόνο μέσω ζύμωσης ή φωτοσύνθεσης. Η μέθοδος αυτή βρίσκεται ακόμη υπό ανάπτυξη, αλλά έχει δυνατότητες ως βιώσιμη και φιλική προς το περιβάλλον πηγή υδρογόνου. Ωστόσο, το μειονέκτημα αυτού του τύπου παραγωγής είναι οι πεπερασμένοι πόροι.

Πρέπει να σημειωθεί ότι δεν είναι όλες οι διαδικασίες παραγωγής υδρογόνου εξίσου βιώσιμες ή φιλικές προς το περιβάλλον. Η βιωσιμότητα της παραγωγής υδρογόνου εξαρτάται από την χρησιμοποιούμενη πηγή ενέργειας και τις εκπομπές CO2 κατά τη διαδικασία παραγωγής. Προκειμένου να αξιοποιηθούν στο έπακρο τα οφέλη του υδρογόνου ως καθαρής πηγής ενέργειας, είναι εξαιρετικά σημαντικό να χρησιμοποιούνται ανανεώσιμες πηγές ενέργειας για την παραγωγή υδρογόνου.

Η χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, όπως η ηλιακή ενέργεια, η αιολική ενέργεια ή η υδροηλεκτρική ενέργεια, μπορεί να μειώσει σημαντικά τις εκπομπές CO2 στην παραγωγή υδρογόνου, καθιστώντας την πιο βιώσιμη. Παράγεται υδρογόνο φιλικό προς το περιβάλλον. Αυτό είναι ένα σημαντικό βήμα προς την επίτευξη ενός μέλλοντος με χαμηλές εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα και την αντιμετώπιση της κλιματικής αλλαγής.

Η ηλεκτρόλυση είναι η περισσότερο υποσχόμενη διαδικασία. Η διαδικασία ηλεκτρόλυσης επιτρέπει την φιλική προς το περιβάλλον παραγωγή υδρογόνου, ιδίως αν η ηλεκτρική ενέργεια που χρησιμοποιείται για αυτό προέρχεται από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Οι τεχνολογίες αυτές διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στην ανάπτυξη καθαρού υδρογόνου ως βιώσιμου ενεργειακού φορέα για διάφορες εφαρμογές. Ρίξαμε μια λεπτομερή ματιά στις διάφορες τεχνολογίες και ρίξαμε μια ματιά στα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα κάθε τεχνολογίας.

Η ηλεκτρόλυση PEM, γνωστή και ως ηλεκτρόλυση μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων, διαχωρίζει το νερό σε υδρογόνο και οξυγόνο χρησιμοποιώντας μια μεμβράνη πολυμερούς και ηλεκτρικό ρεύμα.

Πλεονεκτήματα:

• Γρήγορη εκκίνηση και γρήγορη προσαρμογή σε μεταβλητά φορτία
• Υψηλή απόδοση κατά τη λειτουργία με μερικό φορτίο
• Χαμηλή θερμοκρασία λειτουργίας (50-80°C), μειώνοντας τη χρήση ακριβών υλικών
• Μικρό μέγεθος και εύκολη ενσωμάτωση σε υπάρχοντα συστήματα
• Υψηλό επίπεδο τεχνολογικής ωριμότητας (TRL 7-8)

Μειονεκτήματα:

• Ευαισθησία σε ακαθαρσίες μέσα στο νερό, απαιτεί επομένως προεπεξεργασία του νερού
• Περιορισμένη διάρκεια ζωής της κυψέλης καυσίμου PEM (περίπου 10.000 ώρες λειτουργίας)
• Υψηλότερο κόστος σε σύγκριση με την αλκαλική ηλεκτρόλυση

Στην αλκαλική ηλεκτρόλυση, το νερό διαχωρίζεται στα συστατικά του, υδρογόνο και οξυγόνο, με τη χρήση αλκαλικού ηλεκτρολύτη, συνήθως υδατικό διάλυμα υδροξειδίου του καλίου.

Πλεονεκτήματα:

• Χαμηλότερο κόστος σε σύγκριση με την ηλεκτρόλυση PEM
• Ανθεκτική σε ρύπους στο νερό
• Μεγάλη διάρκεια ζωής του ηλεκτρολυτικού στοιχείου (περίπου 40.000-80.000 ώρες λειτουργίας)
• Υψηλότερο επίπεδο τεχνολογικής ωριμότητας (TRL 8-9)

Μειονεκτήματα:

• Βραδύτερος ρυθμός αντίδρασης σε σύγκριση με την ηλεκτρόλυση PEM
• Οι υψηλότερες θερμοκρασίες λειτουργίας (70-100°C) οδηγούν σε υψηλότερη κατανάλωση ενέργειας
• Πιο δύσκολη ενσωμάτωση σε υπάρχοντα συστήματα λόγω διαφορετικών λειτουργικών παραμέτρων

Το αρκτικόλεξο SOEC σημαίνει στοιχείο ηλεκτρόλυσης στερεού οξειδίου και αφορά ένα ηλεκτρολυτικό κύτταρο υψηλής θερμοκρασίας που μετατρέπει το νερό σε υδρογόνο και οξυγόνο σε υψηλές θερμοκρασίες και με στερεά οξείδια όπως ο ηλεκτρολύτης.

Πλεονεκτήματα:

• Υψηλή απόδοση και ανάκτηση θερμότητας λόγω υψηλών θερμοκρασιών λειτουργίας (800-1000°C)
• Ευελιξία στη χρήση διαφορετικών καυσίμων (π.χ. ατμός, CO2)

Μειονεκτήματα:

• Οι υψηλές θερμοκρασίες λειτουργίας απαιτούν ακριβά υλικά και ειδική θερμική μόνωση
• Αργή εκκίνηση και προσαρμογή σε μεταβλητά φορτία
• Μεγαλύτερες διαστάσεις και περίπλοκη ενσωμάτωση συστήματος
• Μικρή εμπειρία χειρισμού σε μεγάλη κλίμακα

Το αρκτικόλεξο AEM σημαίνει μεμβράνη ανταλλαγής ανιόντων και αφορά μια τεχνολογία ηλεκτρολυτικών κυψελών που χρησιμοποιεί μια ειδική μεμβράνη η οποία επιτρέπει τη διαπερατότητα σε αρνητικά φορτισμένα ιόντα και διαχωρίζει το νερό σε υδρογόνο και οξυγόνο χρησιμοποιώντας ηλεκτρικό ρεύμα.

Πλεονεκτήματα:

• Χαμηλότερο κόστος σε σύγκριση με την ηλεκτρόλυση PEM
• Ανθεκτική σε ρύπους στο νερό
• Λειτουργία σε χαμηλότερες θερμοκρασίες (περίπου 60-80°C)

Μειονεκτήματα:

• Περιορισμένη ανάπτυξη και εμπορευματοποίηση σε σύγκριση με την ηλεκτρόλυση PEM και την αλκαλική ηλεκτρόλυση
• Πιθανές προκλήσεις για τη μακροπρόθεσμη σταθερότητα της μεμβράνης
• Δεν υπάρχουν διαθέσιμες εγκαταστάσεις μεγάλης κλίμακας. Χαμηλό επίπεδο τεχνολογικής ωριμότητας.