Producţia de hidrogen: cum se produce şi ce este hidrogenul?

Hidrogenul devine tot mai important ca alternativă de energie curată – în special în vederea unui viitor mai ecologic. Dar v-aţi întrebat vreodată ce este de fapt şi cum se produce hidrogenul? În acest articol, trecem în revistă aspectele de bază şi tehnologiile utilizate pentru a produce hidrogen şi ce face hidrogenul să fie un element special.

În termeni simpli, hidrogenul este un gaz incolor, inodor şi insipid. Se bucură de reputaţia de cel mai simplu şi mai abundent element chimic din univers. Hidrogenul este format din particule mici, numite protoni şi electroni.

Este extrem de receptiv şi se poate combina cu alte elemente pentru a forma compuşi, cum ar fi apa. Acţionează drept combustibil puternic şi poate fi utilizat pentru a genera electricitate, a opera vehicule şi a genera căldură. Ca purtător de energie curată, hidrogenul are potenţialul de a reduce impactul asupra mediului şi de a constitui o sursă sustenabilă de energie.

Există mai multe tehnologii pentru producţia de hidrogen, care pot fi utilizate în funcţie de cerinţele precise şi de resursele disponibile. Iată câteva metode obişnuite:
 

• Reformarea cu abur a gazelor naturale: în prezent este cea mai utilizată tehnologie pentru producţia de hidrogen. Pe parcursul acestui proces, gazele naturale, formate în principal din metan, sunt încălzite cu vapori de apă în prezenţa unui catalizator. La figurat, reformarea cu aburi poate fi considerată o "descompunere" a gazelor naturale.
  
  În acest proces, metanul din gazele naturale reacţionează cu vaporii de apă, producând hidrogen (H2) şi monoxid de carbon (CO). Hidrogenul obţinut este purificat şi poate fi apoi utilizat drept combustibil în vehicule, pentru a genera electricitate în celulele de combustibil sau în diferite întrebuinţări industriale. Acest proces este ieftin, dar prezintă şi dezavantaje. Dioxidul de carbon eliberat ca produs secundar are impact asupra mediului.

• Electroliza apei: în timpul electrolizei, apa este separată în hidrogen şi oxigen cu ajutorul unui curent electric. Nişte echipamente numite electrolizoare sunt cele care efectuează procesul de electroliză.

• Producţia solară a hidrogenului: prin această metodă, în procesul de electroliză este utilizată energia solară în locul celei electrice. Acest lucru se poate face fie prin expunerea la lumina directă a soarelui, fie prin concentrarea radiaţiilor solare cu ajutorul oglinzilor solare sau a colectoarelor. Această nouă tehnologie ar putea fi utilizată în ţările suficient de însorite şi ar face producerea hidrogenului deosebit de rentabilă.

• Producţia termochimică a hidrogenului (producţie biologică de hidrogen): unele microorganisme, cum ar fi anumite bacterii sau alge, pot produce hidrogen prin fermentare sau fotosinteză. Această metodă este încă în curs de dezvoltare, dar are potenţial ca sursă de hidrogen sustenabilă şi ecologică. Dezavantajul acestui tip de producţie îl reprezintă resursele finite.

Trebuie remarcat faptul că nu toate procesele de producţie a hidrogenului sunt la fel de durabile sau de ecologice. Sustenabilitatea producţiei de hidrogen depinde de sursa de energie utilizată şi de emisiile de CO2 din timpul procesului de producţie. Pentru a profita la maximum de beneficiile hidrogenului ca sursă de energie curată, este foarte important să se utilizeze surse regenerabile de energie pentru producerea sa.

Utilizarea energiilor regenerabile, cum ar fi cea solară, cea eoliană sau hidroenergia, poate reduce semnificativ emisiile de CO2 din producţia de hidrogen, făcând-o tot mai sustenabilă. Se produce hidrogen ecologic. Acesta este un pas important pentru un viitor cu emisii scăzute de dioxid de carbon şi combaterea schimbărilor climatice.

Electroliza reprezintă procesul cel mai promiţător, deoarece permite producţia ecologică de hidrogen, în special dacă energia electrică utilizată provine din surse regenerabile. Aceste tehnologii joacă un rol important în a face hidrogenul curat să se remarce drept purtător de energie sustenabil pentru diferite întrebuinţări. Am examinat în detaliu diferitele tehnologii şi avantajele şi dezavantajele fiecăreia.

Electroliza PEM, cunoscută şi sub numele de electroliză cu membrană de schimb de protoni, separă apa în hidrogen şi oxigen folosind o membrană polimerică şi curent electric.

Avantaje:

• Activare rapidă şi adaptare imediată la diferite sarcini
• Eficienţă mare în funcţionarea cu încărcare parţială
• Temperatură de funcţionare scăzută (50-80 °C), reducând utilizarea materialelor scumpe
• Dimensiuni mici şi integrare uşoară în sistemele existente
• Nivel înalt de maturitate tehnologică (TRL 7-8)

Dezavantaje:

• Sensibilă la impurităţile din apă, prin urmare necesită tratarea prealabilă a apei
• Durată de viaţă limitată a celulei de combustibil PEM (cca. 10000 de ore de funcţionare)
• Costuri mai mari în comparaţie cu electroliza alcalină

În electroliza alcalină, apa este separată în constituenţii săi, hidrogen şi oxigen, folosind un electrolit alcalin, de obicei o soluţie apoasă de hidroxid de potasiu.

Avantaje:

• Costuri mai mici în comparaţie cu electroliza PEM
• Rezistenţă la contaminanţii din apă
• Durată lungă de viaţă a celulei electrolitice (cca. 40000-80000 de ore de funcţionare)
• Cel mai înalt nivel de maturitate tehnologică (TRL 8-9)

Dezavantaje:

• Rată de reacţie mai lentă în comparaţie cu electroliza PEM
• Temperaturi mai ridicate de funcţionare (70-100 °C), ducând la un consum mai mare de energie
• Integrare mai dificilă în sistemele existente din cauza diferiţilor parametri de operare

SOEC înseamnă celulă electrolitică cu oxid solid şi se referă la o celulă electrolitică cu temperatură mare care transformă apa în hidrogen şi oxigen la temperaturi ridicate şi cu oxizi solizi pe post de electrolit.

Avantaje:

• Eficienţă mare şi recuperare de căldură datorită temperaturilor de funcţionare ridicate (800-1000 °C)
• Flexibilitate în utilizarea diferiţilor combustibili (de ex. abur, CO2)

Dezavantaje:

• Pentru temperaturile ridicate de funcţionare sunt necesare materiale scumpe şi o izolaţie termică specială
• Pornire şi adaptare lentă la încărcări variabile
• Dimensiuni mai mari şi integrare complexă în sistem
• Puţină experienţă de operare pe scară largă

AEM vine de la membrană cu schimb de anioni şi se referă la o tehnologie cu electrolizor care utilizează o membrană specială, care permite trecerea ionilor încărcaţi negativ şi separă apa în hidrogen şi oxigen folosind curent electric.

Avantaje:

• Costuri mai mici în comparaţie cu electroliza PEM
• Rezistenţă la contaminanţii din apă
• Funcţionare la temperaturi mai scăzute (aprox. 60-80 °C)

Dezavantaje:

• Dezvoltare şi comercializare limitate în comparaţie cu electroliza PEM şi cu cea alcalină
• Posibile dificultăţi în stabilitatea pe termen lung a membranei
• Nu sunt disponibile instalaţii pe scară largă. Nivel scăzut de maturitate tehnologică.