Vodík s negatívnymi emisiami, výrobnou cenou pod 0,87 eura za kilogram a bez potreby výhradne obnoviteľnej elektriny. Výskumníci z Ohijskej štátnej univerzity predstavili proces, ktorý na papieri rieši tri problémy naraz: vysokú spotrebu elektrolýzy, priemyselný odpad aj emisie oxidu uhličitého.

Výsledky publikované v odbornom časopise ACS Energy Letters vyzerajú mimoriadne sľubne. Kým súčasný zelený vodík stojí násobne viac, nový postup ho má dostať pod cenu vodíka vyrábaného z fosílnych palív. Má to však zásadný háčik. Zatiaľ ide o laboratórnu technológiu a uvádzaná cena počíta aj s predajom ďalšieho produktu.

Z odpadu vzniká palivo aj priemyselný minerál

Tím pod vedením Tomaza Nevesa-Garciu spojil elektrolýzu vody s mineralizáciou oxidu uhličitého. Ako surovinu použil trosku z výroby ocele a popol zo spaľovania uhlia, teda materiály bohaté na zlúčeniny vápnika. Keď tieto priemyselné zvyšky reagujú s CO₂, uhlík sa naviaže do pevného uhličitanu vápenatého. Výsledkom je kalcit s vysokou čistotou, ktorý sa využíva v stavebných materiáloch, poľnohospodárstve, papierenskom priemysle aj pri výrobe niektorých farmaceutických produktov.

Nejde teda iba o dočasné zachytenie plynu do nádrže. Oxid uhličitý sa chemicky premení na stabilný minerál. Za vhodných podmienok v ňom môže zostať uložený dlhodobo bez rizika, že jednoducho unikne späť do atmosféry.

Samotná mineralizácia CO₂ nie je novým nápadom. Vedci už roky skúmajú, ako na tento účel využiť oceľovú trosku, popol alebo prírodné horniny. Americký tím však energiu uvoľňovanú počas reakcie zapojil priamo do výroby vodíka.

„Namiesto toho, aby sme túto energiu premrhali, získavame ju z procesu zachytávania a používame na výrobu zeleného vodíka a hodnotného kalcitu,“ vysvetľuje hlavný autor štúdie v tlačovej správe Ohijskej štátnej univerzity.

Elektrolýza dostala chemickú „výpomoc“

Pri bežnej elektrolýze privádza zariadenie elektrickú energiu do vody a rozdeľuje ju na vodík a kyslík. Proces však nie je dokonale účinný. Moderné zariadenia spotrebujú na kilogram vodíka desiatky kilowatthodín elektriny, ktorá tvorí veľkú časť výslednej ceny.

Nová metóda využíva energiu uvoľnenú pri reakcii CO₂ s priemyselným odpadom na udržiavanie rozdielneho pH pri elektródach. Tento obrátený gradient pH znižuje napätie, ktoré musí systému dodať externý zdroj.

Autori v trojkomorovom laboratórnom reaktore vytvorili rozdiel pH na úrovni 4,4 a potrebné napätie dokázali znížiť až o 0,39 voltu. Elektrolýza sa začala pri napätí približne 1,30 voltu. Súčasne dosiahli 93-percentnú Faradayovu účinnosť fixácie CO₂, teda vysoký podiel elektrického náboja skutočne využili na požadovanú chemickú reakciu.

Podľa štúdie spotrebuje zachytenie a mineralizácia kilogramu CO₂ menej než 0,5 kWh, ak sa v bilancii zohľadní energetický obsah vyrobeného vodíka. Výskumníci preto tvrdia, že systém môže zachytiť viac oxidu uhličitého, než nepriamo vznikne pri výrobe spotrebovanej elektriny zo siete.

Práve odtiaľ pochádza tvrdenie o vodíku s negatívnymi emisiami. Neznamená to, že elektrolýza odstraňuje uhlík zo vzduchu sama od seba. Systém potrebuje koncentrovaný zdroj CO₂, vhodný minerálny odpad a elektrinu. Výsledná bilancia bude závisieť od spôsobu získania plynu, emisnej náročnosti elektrickej siete, dopravy surovín aj ďalšieho spracovania produktov.

Označenie „zelený vodík“ je preto pri napájaní bežnou sieťovou elektrinou prinajmenšom diskutabilné. V Európe sa tento pojem spája predovšetkým s elektrinou z obnoviteľných zdrojov. Presnejšie môžeme hovoriť o elektrolytickom vodíku, ktorý môže mať veľmi nízke alebo dokonca záporné čisté emisie v konkrétne nastavenej bilancii.

Ilustračný obrázok (Gemini)

Cena pod jedno euro má dôležitú podmienku

Najväčšiu pozornosť púta odhadovaná cena. Výskumníci tvrdia, že kilogram vodíka by mohol stáť menej než jeden dolár. To by bola extrémne nízka hodnota. Medzinárodná energetická agentúra ešte vo svojom globálnom prehľade uvádzala, že obnoviteľný vodík by sa do roku 2030 mohol podľa regiónu vyrábať približne za 2 až 9 dolárov, teda po prepočte asi za 1,73 až 7,80 eura za kilogram. Súčasné projekty bývajú ešte drahšie.

Cena americkej technológie však nie je iba cenou elektriny a elektrolyzéra. Kalkulácia odpočítava výnos z predaja kalcitu. Vodík je lacný aj preto, že druhá časť procesu vytvára komerčne využiteľný materiál.

Takýto model môže fungovať pri prvých závodoch, no pri masovom rozšírení narazí na veľkosť trhu. Ak by stovky zariadení začali vyrábať obrovské objemy kalcitu, jeho cena by mohla klesnúť. Rovnako bude potrebné dokázať, že minerál vyrobený z rôznych druhov trosky a popola má stabilnú čistotu a spĺňa požiadavky konkrétnych odberateľov.

Do odhadu treba zahrnúť aj prípravu odpadu, zachytávanie a čistenie CO₂, membrány, čerpadlá, údržbu reaktora či dopravu produktov. Verejne komunikovaná cena preto zatiaľ nie je cenníkom pre priemyselný závod, ale výsledkom technicko-ekonomického modelu.

Potenciál je obrovský, reaktor zatiaľ nie

Autori odhadujú, že pri nasadení naprieč oceliarskym a energetickým priemyslom by technológia mohla zabrániť vypusteniu viac než 500 miliónov ton CO₂ ročne. To je približne 500 miliónov metrických ton, takže údaj si nevyžaduje prepočet na európske jednotky.

Takýto scenár predpokladá prístup k mimoriadne veľkým objemom reaktívneho odpadu, CO₂ a infraštruktúre na odber vodíka aj kalcitu. Chemické zloženie trosky a uhoľného popola sa navyše mení podľa závodu a použitého procesu. Nie každý odpad preto bude reagovať rovnako dobre.

Doterajší experiment prebehol v trojkomorovom laboratórnom zariadení. Štúdia potvrdzuje chemický princíp, nie dlhodobú prevádzku priemyselného reaktora. Vývojári ešte musia ukázať stabilitu membrán a elektród, životnosť systému, nepretržitú prevádzku a ekonomiku vo väčšom meradle.

Napriek tomu ide o neobvykle zaujímavý smer. Technológia sa nesnaží iba zefektívniť elektrolyzér o niekoľko percent. Prepája výrobu vodíka s dvoma odpadovými tokmi a vytvára z nich predajný produkt. Ak sa výsledky podarí zopakovať vo veľkom zariadení, oceliarne by mohli spracovať vlastnú trosku a časť zachyteného CO₂ priamo v jednom areáli.

Pre Slovensko je zaujímavý najmä priemyselný rozmer. Domáca spotreba vodíka sa sústreďuje v chemickom a petrochemickom priemysle, pričom väčšina sa stále vyrába z fosílnych surovín. Technológia využívajúca priemyselný odpad by preto dávala väčší zmysel pri oceliarni, elektrárni alebo chemickom podniku než na čerpacej stanici pre osobné autá.

Americký výskum zatiaľ nevyriešil lacný vodík vo svetovom meradle. Dokázal však, že reakcia, ktorá ukladá CO₂ do pevného minerálu, môže súčasne znížiť energetickú náročnosť elektrolýzy. Teraz príde podstatne náročnejšia etapa: preniesť elegantnú laboratórnu chémiu do zariadenia, ktoré bude spoľahlivo fungovať celé roky.

Čítajte viac z kategórie: Ekológia