Žaliasis vandenilis ir saulės energija: lietuvių mokslininkai tiesia kelią ateities technologijoms

Šią ateitį bando priartinti ir lietuvių mokslininkai, ieškodami naujų, ekologiškų būdų, kaip išgauti vandenilį.

Šiuo metu pasaulyje didžioji dalis vandenilio gaminama pramoniniu – garų riformingo – būdu naudojant iškastinį kurą, t. y. gamtines dujas. Čia kyla ekologinių problemų, nes proceso metu į aplinką išskiriamos šiltnamio efektą sukeliančios dujos.

Siekiant mažinti klimato atšilimą, Europa ir visas pasaulis imasi vadinamosios dekarbonizacijos priemonių – siekiama plėsti ir vystyti atsinaujinančių energijos šaltinių panaudojimo technologijas, kurios leistų atsisakyti iškastinio kuro.

Europos žaliasis kursas (Europos Komisijos parengta strategija) numato didelę žaliojo vandenilio gamybos plėtrą visoje Europoje. Siekiama, kad iki 2050 m. grynasis šiltnamio efektą sukeliančių dujų kiekis būtų lygus nuliui, o ekonomikos augimas būtų atsietas nuo gamtinių išteklių naudojimo. Taigi, energetikos, transporto ir kitose pramonėse lauks didžiuliai pokyčiai, kadangi per mažiau nei  30 metų turėsime visiškai atsisakyti iškastinio kuro.

Todėl ypatingas dėmesys skiriamas šių technologijų vystymui, siekiant padidinti jų efektyvumą ir sumažinti kainą.   

„Žaliasis vandenilis yra viena iš potencialiausių atsinaujinančios energijos kaupimo rūšių“, – sako dr. Milda Petrulevičienė iš FTMC Cheminės inžinerijos ir technologijų skyriaus. Ji su kolegomis tiria fotoelektrocheminius procesus, kuriuose šviesos energija yra paverčiama į cheminę energiją, bei tokių technologijų pritaikymą žaliojo vandenilio ir kitų vertingų cheminių junginių gamybai.

Ekologiškiausias vandenilis

Pirmiausia – kas yra tas „žaliasis vandenilis“?

Pagal gavimo būdus vandenilis skirstomas į pilkąjį, mėlynąjį, žaliąjį ir geologinį, dar vadinamą baltuoju arba auksiniu. Pilkasis vandenilis, kaip minėta, gaminamas iš metano dujų riformigo būdu, kuomet į aplinką yra išskiriamas anglies dvideginis – CO₂. Mėlynasis vandenilis gaminamas taip pat, kaip ir pilkasis, tačiau gamybos metu išsiskiriantis CO₂ yra sugaudomas naudojant tam skirtus filtrus ir nepatenka į aplinką. Tuo metu žaliasis vandenilis yra toks, kurio gamybai naudojami atsinaujinantys energijos šaltiniai, o baltasis (auksinis) – išgaunamas iš Žemės gelmių. Tai yra vandenilio dujos, susidarančios Žemės mantijoje ir dėl įvairių geologinių procesų išsiskiriančios į paviršių.

Iš visų šių rūšių technologiškai paklausiausias – žaliasis vandenilis, kurio gamyba visiškai neteršia aplinkos. Jis išgaunamas vandens elektrolizės būdu, t. y. kai, naudojant elektros srovę, vanduo suskaidomas į vandenilį ir deguonį. Šiam procesui reikalinga elektra pagaminama naudojant saulės ar vėjo energiją, kurie yra neišsenkantys ir atsinaujinantys energijos šaltiniai.

Pasak chemikės M. Petrulevičienės, vandens elektrolizei reikalingi elektrolizeriai – įrenginiai, kurių pagrindinis komponentas yra skirtingų polių elektrodai (anodas ir katodas); ant jų ir vyksta vandens skaidymo reakcijos.

JAV ir Europoje jau veikia pramoninės žaliojo vandenilio gamyklos. Tačiau kol kas toks H₂ gamybos metodas vis dar brangesnis nei pilkojo vandenilio gamyba. Taigi ieškoma būdų, kaip padidinti technologijos efektyvumą ir sumažinti galutinio produkto kainą.

Pagamintas vandenilis gali būti naudojamas įvairiose srityse. Viena iš galimybių –  kuro celės, kurios vandenilio pavidalu sukauptą energiją gali paversti elektros energija, skirta transportui, šildymui ir t. t. Kita svarbi sritis – chemijos pramonė, kuri plačiai naudoja vandenilį kaip žaliavą.  

Alternatyvių technologijų paieškos

FTMC Cheminės inžinerijos ir technologijų skyriuje veikia Energijos elektrocheminės konversijos laboratorija – kurioje, be kitų tyrimų, išgaunamas ir žaliasis vandenilis bei kiti vertingi junginiai. Lietuvių chemikai ieško tam skirtų technologijų ir jas tiria.

Čia vandenilis gaminamas fotoelektrocheminiu būdu, dar vadinamu dirbtine fotosinteze. Kaip daugelis žinome, įprasta fotosintezė yra tokia: augalai paima iš aplinkos CO₂ ir vandenį bei sugeria saulės šviesą, šitaip pasigamindami jiems reikalingų angliavandenių ir išskirdami deguonį. Kažkas panašaus vyksta ir FTMC laboratorijoje: iš vienų cheminių medžiagų gauname kitas, šiuo atveju – šviesa veikia elektrodus (pagamintus iš puslaidininkinių medžiagų), ir ant jų paviršiaus vyksta vandens skaidymo bei kitos reakcijos.

Ši technologija skiriasi nuo įprastinės vandens elektrolizės tuo, kad fotoelektrocheminėje sistemoje šviesa tiesiogiai sąveikauja su elektrodų medžiagomis. Kitaip sakant, čia nebereikia saulės elementų – elektros energija gaunama iš saulės, „be tarpininkų“; šiuo atveju elektrodai veikia kaip saulės elementai, nes jie šviesą verčia elektra, kuri savo ruožtu sukelia elektrochemines reakcijas. Toks yra mokslininkų išsikeltas tikslas – o kol kas viskas vyksta laboratorijose, kur saulės šviesą atstoja specialūs simuliatoriai.

Jeigu apsilankytumėte FTMC Energijos elektrocheminės konversijos laboratorijoje, pamatytumėte įdomų įrenginį – „mini reaktorių“, kuriame gaminamas žaliasis vandenilis. Ant stalo telpantis prietaisas susideda iš dviejų dalių celės (elektrolizerio atitikmens) bei saulės simuliatoriaus, kurio skleidžiama šviesa atitinka natūralios saulės šviesos spektrą ir intensyvumą.  

Kaip visa tai veikia? Pirmiausia sukonstruojama celė, kurioje sumontuojami pačių mokslininkų susintetinti ir pagaminti elektrodai; celė pripildoma vandeninio elektrolito (druskos tirpalo, skirto padidinti elektros laidumui), pajungiama prie potenciostato (prietaiso, kuris leidžia sekti per sistemą tekančią srovę ir kitus parametrus), taip pat įjungiamas vandenilio jutiklis, ir tyrimas prasideda. Kol nėra apšvietimo, sistemoje tekanti srovė būna labai silpna – kelių mikroamperų dydžio. Tuo metu, kai įjungiamas šviesos šaltinis, srovė padidėja šimtus kartų, kadangi ant apšviesto elektrodo paviršiaus pradeda vykti elektrocheminės reakcijos.

Ant vieno iš elektrodų – katodo – susidaro vandenilis. Jo kiekis matuojamas specialiu jutikliu. Lygiagrečiai tiriamos reakcijos, kurios vyksta ant kito elektrodo – fotoanodo, kurį „dirbtinė saulė“ būtent ir apšviečia minėtame „mini reaktoriuje“.

Pastaruoju metu M. Petrulevičienė kartu su kolegomis daugiausia dirba su volframo oksido, bismuto vanadato fotoanodais, bei jų heterosandūromis. FTMC mokslininkė nagrinėja procesus, kurie vyksta ant fotoanodo paviršiaus, keičia sistemos parametrus, tyrimo sąlygas ir t. t., siekdama ištobulinti sistemą ir padidinti jos našumą.

Laboratorijoje taip pat atliekami jūros vandens fotoelektrocheminio skaidymo tyrimai, praversiantys kitoje – jau nebe energetikos – srityje. „Kadangi jūros vandenyje yra daug ištirpusios druskos natrio chlorido, tokiu būdu ant fotoanodo galima gaminti hipochloritą – stiprų oksidatorių, kuris naudojamas dezinfekcijai.

Taigi dirbtinės fotosintezės technologija galėtų duoti dvigubą naudą – stiprių oksidatorių bei vandenilio gamybą, tuo pačiu metu tam panaudojant praktiškai neišsenkančius išteklius – jūros vandenį ir saulės šviesą“, – sako chemikė Milda.

Fotoelektrocheminės dezinfekcijos eksperimentus M. Petrulevičienė atliko kartu su mokslininkais iš Vilniaus universiteto Gyvybės mokslų centro.

„Tyrimai buvo sėkmingi, susidarė stiprūs oksidantai (hipochloritas, persulfatas), kurie pažeidžia vandenyje esančių bakterijų sieneles, ir jos žūsta. Galime įsivaizduoti tokios technologijos panaudojimą šiltuosiuose kraštuose, pavyzdžiui, baseinų plytelės padengtos mūsų sukurtomis medžiagomis, šviečia saulė, ir ant plytelių paviršiaus vyksta stiprių oksidantų gamyba, savaiminė dezinfekcija“, – sako FTMC mokslininkė. Ji atkreipia dėmesį, kad pasaulyje jau plėtojami tokie tyrimai, kai specialiomis medžiagomis padengiami paviršiai, durų rankenos ir t. t., kurie, esant apšvietimui, pasižymi antimikrobiniu poveikiu.

Sunaikinti, ko nereikia, ir sujungti, ką reikia

Dar viena svarbi ir daug žadanti technologijos panaudojimo sritis – organinių teršalų skaidymas.  

„Vienas iš pavyzdžių būtų farmacijos gamyklos, kurios perdirba, degina ar kitais būdais tvarko savo atliekas. Tačiau dalis farmacinių junginių (hormoninių vaistų, antibiotikų ir kt.) vis tiek patenka į atviruosius vandenis, ir tai kenkia gyvūnijai.

Mūsų sukurtos fotoelektrocheminės sistemos padeda šviesos poveikyje susidarančių stiprių oksidatorių pagalba suskaidyti farmacinius teršalus iki mažiau kenksmingų darinių arba tiesiog iki CO₂  ir vandens. Tuo pat metu, ant katodo gali būti išskiriamas vandenilis, kas irgi gali padėti gamykloms, pavyzdžiui, turėti savo energijos šaltinį“, – svarsto pašnekovė.

Pasak mokslininkės Mildos, šiuo metu ji su kolegomis tobulina šią technologiją ir ieško sprendimų, kaip didinti jos efektyvumą:

„Savo eksperimentuose įvertiname produktų susidarymo išeigas pagal fotosrovę, t. y. skaičiuojame eksperimentiškai nustatyto ir teoriškai įvertinto produktų kiekio santykį. Galime įvertinti energijos konversijos procesų nuostolius, kiek energijos buvo prarasta. Dezinfekuojančių oksidatorių, tokių kaip hipochloritas ir persulfatas, išeiga pagal srovę siekia 85–95 proc. Tuo metu mūsų tyrimuose kai kurių junginių skaidymo efektyvumas siekia net ir 100 proc.

Svarbu paminėti, kad tai priklauso ne tik nuo šių junginių prigimties, molekulių struktūros, bet ir nuo elektrolite ištirpintų druskų. Taigi intensyviai dirbame šioje srityje, kad išsiaiškintume faktorius, kurie daro įtakos skaidymo efektyvumams, bei kokių sistemos parametrų reikia, kad junginiai būtų galutinai suskaidomi.“

M. Petrulevičienė su kolegomis planuoja vystyti ir naują temą – „atvirkščią“ metodą, kai organiniai junginiai ne skaidomi, bet sintetinami, kuriami. Tik šįkart tie junginiai būtų naudingi, pritaikomi įvairiose srityse, tokiose kaip chemijos pramonė ar farmacija. 

Simonas Bendžius, Fizinių ir technologijos mokslų centras (FTMC)