MIT má riešenie ako radikálne zvýšiť účinnosť využitia slnka na výrobu čistého vodíkového paliva

Inžinieri z MIT chcú vyrábať úplne ekologické vodíkové palivo bez emisií uhlíka pomocou nového systému reaktorov, ktorý je poháňaný výlučne slnkom. V štúdii, ktorá vyšla v časopise Solar Energy Journal, výskumníci predstavujú koncepčný návrh systému, ktorý dokáže efektívne vyrábať „solárny termochemický vodík“. Systém využíva slnečné teplo na priame štiepenie vody a výrobu vodíka – čistého paliva, ktoré môže poháňať nákladné autá, lode a lietadlá na dlhé vzdialenosti, pričom sa nevypúšťajú žiadne emisie skleníkových plynov.

V súčasnosti sa vo veľkej miere vyrába „sivý“ vodík prostredníctvom procesov, ktoré zahŕňajú zemný plyn a iné fosílne palivá. Naopak, solárny termochemický vodík (solar thermochemical hydrogen – STCH) ponúka úplne bezemisnú alternatívu, pretože sa pri výrobe vodíka spolieha výlučne na obnoviteľnú slnečnú energiu. Existujúce konštrukcie STCH však majú zatiaľ obmedzenú účinnosť. Na výrobu vodíka sa využíva len približne 7 % prichádzajúceho slnečného svetla.

Tím MIT odhaduje, že jeho nová konštrukcia by mohla využiť až 40 percent slnečného tepla na výrobu oveľa väčšieho množstva vodíka, čo je veľký krok smerom k realizácii solárnych palív. Zvýšenie účinnosti by mohlo znížiť celkové náklady na systém, čím by sa STCH stal potenciálne škálovateľnou a cenovo dostupnou možnosťou, ktorá by pomohla dekarbonizovať dopravu. Podobne ako iné navrhované projekty by sa systém MIT spojil s existujúcim zdrojom solárneho tepla, napríklad s koncentrovanou solárnou elektrárňou – kruhovou sústavou stoviek zrkadiel, ktoré zbierajú a odrážajú slnečné svetlo do centrálnej prijímacej veže.

Systém STCH potom absorbuje teplo z prijímača a smeruje ho na štiepenie vody a výrobu vodíka. Tento proces sa veľmi líši od elektrolýzy, pri ktorej sa na štiepenie vody namiesto tepla používa elektrina. Základom koncepčného systému STCH je dvojstupňová termochemická reakcia. V prvom kroku je voda vo forme pary vystavená pôsobeniu kovu. To spôsobí, že kov zachytí kyslík z pary a zanechá za sebou vodík. Táto „oxidácia“ kovu je podobná hrdzaveniu železa v prítomnosti vody, ale prebieha oveľa rýchlejšie. Po oddelení vodíka sa oxidovaný (alebo zhrdzavený) kov opätovne zahreje vo vákuu, čo spôsobí zvrátenie procesu hrdzavenia a regeneráciu kovu.

Po odstránení kyslíka sa kov môže ochladiť a opäť vystaviť pôsobeniu pary, aby sa vyrobilo viac vodíka. Tento proces sa môže opakovať stokrát. Systém MIT je tvorený súpravou reaktorov v tvare škatule pripomínajúcou vlak, ktorá sa pohybuje po kruhovej dráhe. V praxi by táto dráha bola postavená okolo solárneho tepelného zdroja, napríklad veže koncentrovanej solárnej elektrárne. V každom reaktore vo vlaku by bol umiestnený kov, ktorý prechádza redoxným alebo vratným procesom hrdzavenia. Každý reaktor by najprv prešiel horúcou stanicou, kde by bol vystavený slnečnému teplu (až 1500 °C).

Toto extrémne teplo by účinne vytiahlo kyslík z kovu reaktora. Kov by bol potom v „redukovanom“ stave, pripravený na zachytávanie kyslíka z pary. Aby sa tak stalo, reaktor by sa presunul do chladnejšej stanice s teplotou okolo 1000 °C, kde by bol vystavený pôsobeniu pary na výrobu vodíka. Ďalšie podobné koncepty STCH narazili na spoločnú prekážku: čo robiť s teplom uvoľneným redukovaným reaktorom pri jeho ochladzovaní. Bez rekuperácie a opätovného využitia tohto tepla je účinnosť systému príliš nízka na to, aby bol praktický.

Druhá výzva súvisí s vytvorením energeticky účinného vákua, kde sa môže kov odhrdzovať. Niektoré prototypy vytvárajú vákuum pomocou mechanických čerpadiel, hoci čerpadlá sú príliš energeticky náročné a nákladné na výrobu vodíka vo veľkom rozsahu. Dizajn MIT zahŕňa niekoľko riešení na úsporu energie. Na získanie väčšiny tepla, ktoré by inak uniklo zo systému, sa reaktorom na opačných stranách kruhovej dráhy umožní výmena tepla tepelným žiarením; horúce reaktory sa ochladzujú, zatiaľ čo studené reaktory sa ohrievajú. To udržuje teplo v systéme.

Výskumníci pridali aj druhú súpravu reaktorov, ktoré by krúžili okolo prvého „vlaku“ a pohybovali sa v opačnom smere. Táto vonkajšia skupina reaktorov by pracovala pri všeobecne nižších teplotách a používala by sa na odvádzanie kyslíka z teplejšej vnútornej skupiny bez potreby mechanických čerpadiel spotrebúvajúcich energiu.

Tieto vonkajšie reaktory by niesli druhý typ kovu, ktorý tiež môže ľahko oxidovať. Keď krúžia okolo, vonkajšie reaktory by absorbovali kyslík z tých vnútorných, čím by účinne odhrdzovali pôvodný kov bez toho, aby museli používať energeticky náročné vývevy. Obidve reaktorové súpravy by bežali nepretržite a vytvárali by oddelené prúdy čistého vodíka a kyslíka. Výskumníci vykonali podrobné simulácie koncepčného návrhu a zistili, že by to výrazne zvýšilo účinnosť solárnej termochemickej výroby vodíka – zo 7 percent na 40 percent.

Ak sa návrh podarí zrealizovať, mohlo by to výrazne zmeniť našu energetickú budúcnosť. Umožnilo by to výrobu vodíka 24 hodín denne a 7 dní v týždni. V budúcom roku tím zostrojí prototyp systému, ktorý plánuje otestovať v zariadeniach koncentrovanej solárnej energie v laboratóriách amerického ministerstva energetiky, ktoré v súčasnosti projekt financuje.

Zdroj: news.mit.edu.