Vandenilio ekonomika

Įžanga

Vandeniliu buvo žavėtasi ištisų kartų per šimtmečius, įskaitant tokius vizionierius, kaip Jules Verne. Vandenilio ekonomika dažnai laikoma tobulu sprendimu gamtosaugos ir energijos poreikių patenkinimo atžvilgiu.
Vandenilis gali būti išgaunamas naudojant vandenį ir elektros srovę. Jo virsmas į šilumą arba elektros srovę yra paprastas ir švarus. Deginamas su deguonimi vandenilis neišskiria teršalų, o tiktai vandenį, kuris reakcijai įvykus gali būti grąžinamas į gamtą. Tačiau vandenilis, dažniausiai planetoje sutinkamas elementas, neegzistuoja grynoje formoje, o visais atvejais gamtoje randamas cheminių junginių sudėtyje. Norint išgauti gryną vandenilį iš vandens naudojamas elektrolizės metodas, o išgavimui iš hidrokarbonatų ar kitų junginių atitinkamai kitos cheminės reakcijos. Elektra elektrolizei gali būti gaunama iš švarių, atsinaujinančių energijos šaltinių, tokių, kaip saulės kolektoriai, vėjo jėgainės, geoterminės energijos ir pan.. Taigi vandenilis galėtų tapti svarbiu elementu leidžiančiu kaupti ir pernešti švarią energiją.
Kaip ir kiekvieno kito produkto gamybos procese, vandenilis turi būti talpinamas į talpykles, transportuojamas, saugomas ir pan. Šiems standartiniams procesams reikalinga energija. Šių dienų iškastinio kuro ekonomikoje, energijos nuostoliai tarp šaltinio ir vartotojo yra maždaug 12 % naftai ir apie 5 % dujoms.  Norint vandenilį naudoti kaip energijos nešiklį, energijos išeigos ir nuostolių skaičiavimai būtų esminiai tokios ekonomikos tikslingumo įvertinimui.

Vandenilio gavyba

Vandenilis dažniausiai išgaunamas cheminiu būdu iš angliavandenilinio iškastinio kuro. Taip pat vandenilis gali būti išgaunamas iš vandens biologinių procesų, vykstančių dumblių bioreaktoriuje, metu, be to naudojant elektrą – elektrolizės arba kaitrą – termolizės būdais; pastarieji du metodai kol kas laikomi brangiais ir neekonomiškais lyginant su pirmuoju.

Vandenilio gavyba iš angliavandenilių

Vandenilis gali būti generuojamas iš gamtinių dujų pasiekiant maždaug 80 % efektyvumą, taip pat iš kitų angliavandenilių atitinkamai skirtingu efektyvumu. Angliavandenilių perdirbimo metu išsiskiria šiltnamio efektą sukeliančios dujos. Kadangi gamyba vykdoma vienoje vietoje, dėl to galima surinkti kenksmingas dujas ir jų tinkamai atsikratyti; pavyzdžiui, anglies teršalų sulaikymo metodu, t. y. suskystinti ir įpumpuoti į išnaudotus naftos arba dujų telkinius. Tokį projektą Šiaurės jūroje, Sleipner telkinyje vykdo norvegų bendrovė StatoilHydro, tačiau paprastai ši galimybė nėra įgyvendinama dėl sąlyginio brangumo.

Garų kaupčiavimo (steam reforming) metodas

Didžioji dalis komercinio vandenilio yra išgaunama garų kaupčiavimo metodu iš gamtinių dujų. Maždaug 700–1100 °C temperatūroje, garas (H₂O) reaguoja su metanu (CH₄), šia reakcija gaunamos sintetinės dujos: CH₄ + H₂O → CO + 3 H₂ – 191,7 kJ/mol. Procesui reikalinga kaitra dažniausiai gaunama deginant dalį metano dujų.

Anglies monoksido gazifikavimo metodas

Vandenilis gali būti išgaunamas iš vandens 1300 °C temperatūroje vykdomoje anglies monoksido (CO) ir vandens reakcijoje: CO + H₂O → CO₂ + H₂ + 40,4 kJ/mol. Tokioje reakcijoje deguonies (O) atomas atskiriamas nuo vandens (garų) ir oksiduojasi su anglimi (C), išlaisvindamas gryną vandenilį.

Anglies gazifikavimo metodas

Anglis gali būti perdirbama į sintetines dujas ir metaną anglies gazifikavimo būdu.

Biologinė gavyba

Vandenilis gali būti išgaunamas iš dumblių bioreaktoriuje. 1939 m. vokiečių mokslininkas Hans Gaffron, dirbdamas Čikagos universitete, pastebėjo, jog jo tiriami žalieji dumbliai Chlamydomonas reinhardtii, tam tikromis aplinkybėmis vietoje paprastai išskiriamo deguonies gamindavo vandenilį. Priežastis nebuvo atskleista iki XX a. 10-o dešimtmečio, kai Kalifornijos Berkeley universiteto profesorius Anastasios Melis pastebėjo, jog dumblių terpėje pašalinus sierą, fotosintezės metu vietoje paprastai išskiriamo deguonies dumbliai išskiria vandenilį.
Vandenilis taip pat gali būti ir yra išgaunamas bioreaktoriuose, kuriuose naudojamos kitos biologinės žaliavos nei dumbliai, dažniausiai naudojamos biologinės atliekos. Proceso metu bakterijos, maitinamos angliavandeniliais, išskiria vandenilį ir anglies dvideginį. Tokio tipo bandomasis vandenilio bioreaktorius yra pastatytas šiaurės rytų Pensilvanijoje, Welch vynuogių sulčių spaudykloje; čia naudojamos vynuogyno biologinės atliekos.

Vandens elektrolizė

Vandens elektrolizės metu elektros srovė leidžiama per vandenį, kuris skaidosi į deguonį ir vandenilio dujas. Proceso metu visi 100 % elektros energijos nėra paverčiami chemine vandenilio energija. Energijos nuostoliai atsiranda kadangi jonai pernešantys elektrą turi judėti įkaitindami vandenį. Kai kurie tvirtina pasiekę 50–70 % efektyvumo, tuo tarpu kiti – 80–94 %. Šie skaičiai nenurodo energijos sunaudotos elektros gamybai nuostolio. Įskaičiuojant energiją sunaudojamą elektros gamybai vandenilio gavybos efektyvumas būtų apie 25–45 %.
Vandens elektrolizė:
2H2O(s)-> 2H2(d)+O2(d)
A(+) 2H2O -> O2(d)+4H(teigiami jonai)+ 4e
– oksidacija
K(-) 2H2O + 2e -> H2(d)+ 2OH(neigiami jonai)
– redukcija

Aukštos temperatūros elektrolizė (ATE)

ATE procesai numatomi tik turint atominės reakcijos kaitros šaltinį, kadangi kiti aukštos temperatūros šaltiniai nebūtų pakankamai rentabilūs. Mokslinių tyrimų rezultatai leidžia tikėtis, jog ateityje ATE vykdoma aukštos temperatūros atominėse jėgainėse taps pakankamai ekonomiška ir prilygs garų kaupčiavimo (steam reforming) metodui.
Naujai bandomų IV-os kartos, atominių jėgainių reaktoriai dirba 850–1000 °C temperatūroje, gerokai aukštesnėje temperatūroje nei šiuolaikinių jėgainių. Branduolinės fizikos bendrovė General Atomics, remdamasi savo atliktais tyrimais, pranašauja, jog vandenilis gaminamas aukštos temperatūros dujų aušinimo reaktoriuje (ATDAR) kainuotų apie $1,53/kg. 2003 m. garų kaupčiavimo metodu išgaunamas vandenilis kainavo $1,40/kg, tačiau 2005 m. dujų kainoms pakilus vandenilio kaina atitinkamai pakilo iki $2,70/kg.
Vienas pagrindinių tokios sistemos privalumų būtų tas, jog reaktorius gaminantis elektrą, taip pat ir vandenilį, galėtų keisti gamybą pagal momentinį poreikį. Pavyzdžiui, elektrą gaminti dieną, o vandenilį – naktį.

Termocheminė gavyba

Tam tikri termocheminiai procesai, tokie kaip sieros ir jodo ciklas, gali išskirti vandenilį ir deguonį iš vandens nenaudojant elektros energijos. Kol kas termocheminiai bandymai atlikti tik cheminėse laboratorijose.

Laikymas suspaustame būvyje

Kambario temperatūroje ir spaudime, vandenilio tankis yra toks žemas, jog tūrio vieneto energijos kiekis prilygtų 1/300 benzino energijos kiekiui. Tam, kad sutalpinti į tinkamo naudojimui dydžio talpą, vandenilis turi būti suspaudžiamas padidinant jo tankumą. Kai kurie vandeniliu varomi automobiliai turi kuro bakus, kuriuose vandenilis suspaudžiamas iki neįtikėtinai didelio 10000 psi. The Sequel, General Motors pagamintas automobilis, talpina 8 kg tokiu būdu suspausto vandenilio, leidžiančio nuvažiuoti apie 500 km. Kuro papildymas tokiu būdu yra sąlyginai paprastas, tačiau netgi suspaustas vandenilis reikalauja didelių kuro talpų, užimančių atitinkamai keturis, penkis kartus daugiau vietos, nei įprastiniai benzino bakai. kuro elementais varomi automobiliai galėtų talpinti didesnius kuro bakus, kadangi jų varikliai yra kompaktiškesni.

Suskystintas vandenilis

Vietoj suspausto vandenilio galima būtų naudoti ir suskystintą vandenilį. Atšaldytos iki beveik absoliutaus nulio, vandenilio dujos tampa skystomis ir lyginant su benzinu atitinkamas tūrio vienetas turi 1/4 energijos kiekio. Techonologija yra žinoma ir naudojama gan seniai aeronautikos srityje. Šaldymo procesas eikvoja daug energijos (apie trečdalį vandenilyje turimos energijos). Laikymo talpos yra didelės, sunkios ir brangios.

Laikymas kietame būvyje

Tam tikri cheminiai junginiai pasižymi savybe sulaikyti vandenilio molekules kambario temperatūroje ir spaudime, po to, tam tikrose aplinkybėse jas išlaisvinti. Iki šiol daugiausiai žadantys tyrimai buvo atlikti su metalo hidritais. Šie metalai yra pastovūs, tačiau sunkūs: apie 400 kg sverianti kuro talpa laikytų maždaug 2-iem valandom automobilio varymui užtenkančios energijos. Šiuo metu tyrinėjami 'egzotiški' cheminai junginiai gali parodyti jog įmanomas tikrai praktiškas vandenilio laikymas. 'Apsistojame prie aukšto spaudimo kuro talpų, kol išrasime medžiagas leidžiančias efektyviai laikyti vandenilį kietame būvyje', sako General Motors vandeniliu varomų automobilių progarmos direktorius Dan O’Connell.

Pervežimas

Pernešti vandenilį iš vietos į vietą yra gana sudėtinga. Vandenilis gali susilpninti embrittle plieną ir kitas medžiagas iki skilimo. Šiuo metu didžioji dalis vandenilio yra transportuojama tanklaiviais skystame pavidale arba autocisternomis – suspaustame. Abu metodai yra neefektyvūs. Pavyzdžiui, pervežus medžiagą 300 km išeikvojama 11 % jos turimos energijos.

Tiekimas vamzdynu

Vienas iš būdų išvengti pervežimo neefektyvumo yra tiekti vandenilį vamzdžiais. JAV šiuo metu yra nutiesta apie 1500 km vandenilio vamzdynų, paprastai greta vandenilio vartotojų, tokių kaip naftos perdirbimo įmonių ar pan. Ilgiausias pasaulyje vandeniltiekis yra apie 500 km ilgio linija tarp Belgijos ir Prancūzijos. Vamzdynų grūdinimas apsaugant jas nuo irimo ir aukšto spaudimo yra labai brangus, apie 0.5$ mln. už tiesinį kilometrą. Tačiau įdiegus toks metodas laikomas pigiausiu.

Vietinė gamyba

Šiuo metu JAV dirba maždaug 36-ios vandenilį tiekiančios degalinės, beveik visos jų vandenilį gamina vietoje. Keturios iš jų naudoja dujas, likusios gamina elektrolizės metodu. 2003 m. Honda pristatė Namų Energijos Stotį Home Energy Station – į savininko garažą telpantį, vandenilio gamybos aparatą, gamybai naudojantį gamtines dujas. Kai kurie pagaminti automobilių prototipai turi įmontuotus vandenilio gaminimo įrenginius. Pavyzdžiui, DaimlerChrysler NECAR 3 gamina vandenilį iš metanolio. Tyrėjai taip pat atlieka eksperimentus su futuristinėmis gamybos technologijomis, kuriose vykdomos reakcijos tarp vandens ir tokių reagentų, kaip boras arba aliuminis. Tokios technologijos turi gerokai pažengti į priekį iki praktinio realizavimo galimybės.