Konvertovanje prirodnog gasa u vodonik bez štetnih emisija

Nagli skok proizvodnje gasa bio je ključni razlog naglog pada emisija ugljen-dioksida u SAD. Razlog tome treba tražiti, svakako, u činjenici da glavni sastojak prirodnog gasa, metan, oslobađa više energije od bilo kog atoma sagorelog ugljenika iz drugih vrsta fosilnih goriva. Ipak, i dalje svaki molekul metana sadrži atom ugljenika, pa bi eventualni prelazak na prirodni gas, kao pogonsko gorivo, u krajnjoj liniji mogao da dovede do toga da se pozitivni efekti njegovog, umesto sagorevanja drugog fosilnog goriva, umanje. Svi su izgledi, da bi sačuvali prirodno okuženje, na kraju, da ćemo morati da napustimo i prirodni gas kao pogonsko gorivo.

Ipak, ove nedelje su objavljeni naučni radovi koji sugerišu u pogledu dva načina korišćenja prirodnog gasa, bez njegovog sagorevanja. Radovi daju detaljan prikaz efikasnih metoda konverzije metana u vodonik, na takav način da se u atmosferu ispusti, veoma malo ili čak nijedan atom ugljenika. Na ovaj način dobijen vodonik bi zatim bio upotrebljen za konverziju u električnu energiju koja bi pokretala vozilo (FCEV). Pride, vodonik dobijen preradom metana bi mogao biti dopunjen isporukom dodatnog vodonika iz drugog izvora.

Tehnologija koja je primenjena u ovom slučaju je veoma interesantna i uključuje stavke poput katalizatora rastvorenih u tečnom metalu i čvrste materijale koji dozvoljaju njihov tok, pre poput protona, a ne elektrona.

Prvi način: protonska provodljivost

Pojednostavljeno rečeno, metan nije ništa drugo do atom ugljenika koji je u molekulu integrisan sa četiri atoma vodonika. Otuda i hemijska formula: CH₄. Ovaj ugljenovodonični lanac je srednjeg nivoa stabilnosti između zapaljivih vodonik/vodonik lanaca i ekstremno stabilnih molekula koji nastaju kao posledica njegovog sagorevanja: ugljen-dioksida i vode. Prema toma, preraspodela ovih lanaca, kako bi se izolovao vodonik, zahteva veoma promišljenu termodinamiku.

Jedan od boljih načina uključuje mešanje metana i vodene pare na visokim temperaturama. Pod ovim uslovima, praktično razdvajate jedinjenje vode, za šta je potrebna zavidna količina energije. Ali zato dobijate ugljen-dioksid, što je poželjno, a takođe i vodonik, kako iz metana, tako i iz vode. Ovde se kao problem javlja to što se proces završava mešavinom dva gasa niskog pritiska, što čini ovako dobijeno gorivo manje upotrebljivim, bez dodatnih ekstenzivnih tretmana.

Kako bi razrešili ovaj problem, špansko-norveški tim je primenio tehnologiju o kojoj se malo zna: čvrsta protonska provodljivost elektrolita. Elektroliti su jednostavni materijali koji omogućavaju tranzit jona kroz njih. Većina ih je u tečnom stanju. Međutim, postoji par elektrolita u čvrstom stanju koji su razvijeni za potrebe baterijskih jedinica. U tom slučaju, elektroliti poprimaju osobine protona, jonizovane forme atoma vodonika. Drugim rečima, to je provodljivi materijal koji dozvoljava prenos na način svojstven protonima, pre nego elektronima.

Ključna pretpostavka za primenu ovog procesa: ukoliko upotrebite razliku u voltaži kroz ceo materijal, joni vodonika proizvedeni rekacijom između metana i vodene pare, će preći na drugu stranu, gde se formira molekul vodonika. Kako bi se rezultat još dodatno popravio, autori su obložili jednu stranu materijala niklom, koji je katalizator reakcije metana i vodene pare.

Kada se ovaj materijal koristi za oblaganje zidova komore za reakciju, dolazite do proizvodnje komprimovanog vodonika sa manje od četiri milionita dela koja završavaju van komore. Ovako dobijen vodonik je spreman za korišćenje ili deponovanje u gorivnu ćeliju. Unutra, ostaće koncentrovani ugljen-dioksid sa primesama vodene pare. U osnovi, postigli ste da ugljenik nastao sagorevanjem metana, ostane zarobljen, umesto emitovan u atmosferu. Pored toga, dobili ste i gorivo koje može da bude uskladišteno. Glavni smisao cele tehnologije je da se na ovaj način emituju ekstremno niske količine štetnih materija.

Autori insistiraju i na ekonomskoj isplativosti tehnologije, odnosno mogućnosti široke upotrebe. Kao primer raznih mogućnosti navode i mali reaktor, koji bi mogao da se priključi na gasnu instalaciju domaćinstva, čime bi se omogućilo noćno punjenje gorivnih ćelija automobila. Toplota od 800 stepeni Celzijusa, koja nastaje kao nus proizvod reakcije, mogla bi da se upotrebi za zagrevanje prostora u domu, ili za zagrevanje vode. Loša strana ovakve primene se ogleda u tome da bi celokupna emisija ugljen dioksida, skoro sasvim sigurno, završila u atmosferi.

Drugi način: reakcije u tečnom metalu

Američko/indijski tim je otkrio mogućnost da se iz metana ekstrahuje vodonik korišćenjem reakcije koja se odigrava unutar tečnog metala. Glavni izazov se ogleda u rešenju problema različitih tipova reakcije metana, sa ciljem da se vodonik direktno izdvoji iz metana, ostavljajući pritom ugljenik u čvrstom stanju.

Postoje puno različitih metala koji mogu da izazovu ovu reakciju, ali svi imaju jedinstven problem: ugljenik se zadržava na njihovoj površini, praktično van domašaja metana. Rešenje se odnosi na izazivanje hemijske reakcije unutar tečnog metala.

Ideja je da se uzme katalitički metal koji bi se razložio na leguru unutar metala koji je u tečnoj formi usled uslova koji odgovaraju reakciji. Uslovi koji odgovaraju reakciji podrazumevaju temperature koje prevazilaze hiljadu stepeni Celzijusa. Stoga, nema limita u izboru materijala koji ostaju tečni na temperaturama koje su bliske sobnoj. Metal se zatim u mehurima provlači kroz katalitičku leguru, pri čemu se mehuri konvertuju u skoro čist vodonik, svaki put kada dodirnu površinu. Ugljenik se, kao posledica hemijskog procesa, izoluje pri vrhu površine tečnog metala.

Autori su testirali više rastvarača (indijum, bizmut, srebro i druge) kao i nikl, bakar i platinu. Kao najefektniji katalizator ispostavio se kombinovani nikl u bizmutu. Na temperaturi od 1.065 stepeni Celzijusa, jedan metar tečnog materijala je bio dovoljan da se konvertuje 95% metana u vodonik, a procenat je pokazao tendenciju porasta sa produženjem linije tečnog metala. Metan se ne javlja kao problem kod većine gorivnih ćelija, pa se i ne može smatrati uzrokom štetnih posledica po prirodu.

Tokom trajanja 170 časova testiranja, sve je proteklo u skladu sa planiranim, odnosno katalitička reakcija nije oslabila aktivnost. Prema očekivanju, ugljenik je plutao na površini i lako ga je bilo odstraniti odatle.

Ono što je zajedničko za oba ova metoda, odnosi se na činjenicu da se njihovom primenom obezbeđuje manje energije nego prostim sagorevanjem metana, s obzirom na neophodnost postizanja veoma visokih temperatura, kako bi se reakcije inicirale.

Međutim, kako se regulativa u pogledu štetnih emisija bude pooštravala, i fosilna goriva budu istiskivana iz upotrebe, tako će primena ovih tehnologija omogućiti metanu da još dugo ostane u dozvoljenim grancima sve strožijih restrikcija.

Izvor: Arstechnica

(625)