Wodór: Sztuczna fotosynteza i czyste paliwo

13 minute read

Zaktualizowano Sun Aug 29 2021

W poprzednim rozdziale dowiedzieliśmy się, że akumulatory pozwalają nam zastąpić 71% paliw ropopochodnych energią elektryczną. Dotyczy to samochodów, ciężarówek i innych środków transportu lądowego, ale akumulatory nie są w stanie pomieścić wystarczającej ilości energii na kilogram, aby samoloty i statki mogły być napędzane energią elektryczną.

Może tu pomóc wodór, a gdy stanie się wystarczająco tani, może być również używany do napędzania samochodów! Jak? Wodór posiada 128x więcej energii na kilogram niż baterie litowo-jonowe.

Energia właściwa wodoru i akumulatorów litowo-jonowych

W przyrodzie wodór (H) występuje zazwyczaj jako para atomów (H₂). Dotyczy to również tlenu (O₂).

Woda (H₂O) jest zbudowana z wodoru i tlenu. Prawdopodobnie nigdy nie widziałeś, żeby woda rozpadła się na H₂ i O₂, prawda? To dlatego, że woda jest stabilnym związkiem. Rozszczepienie H₂O wymaga energii. Dlatego możemy magazynować energię, rozdzielając wodę (2H₂O) na 2H₂ i O₂, a później odzyskać energię, łącząc je z powrotem.

Paliwo z wody?

Pomysł jest prosty: wykorzystać czystą energię elektryczną (ze źródeł odnawialnych lub z energii jądrowej) do rozszczepienia wody w procesie zwanym elektrolizą.

Elektroliza

Następnie możemy zamienić H₂ w energię elektryczną, używając czegoś zwanego wodorowym ogniwem paliwowym:

Wodorowe ogniwo paliwowe

Jak obecnie wytwarzany jest wodór?

Od 1975 roku występuje znaczne zapotrzebowanie na wodór.A ponieważ wodór jest dziś wytwarzany z gazu ziemnego, jego produkcja powoduje 2% globalnej emisji CO₂!

Dlaczego warto używać gazu zamiast odnawialnych źródeł energii? Ze względu na koszty. Ale dzięki innowacjom i dalszemu rozwojowi energetyki słonecznej i wiatrowej, możemy znacznie je obniżyć:

Cena wodoru

Co musi się zmienić?

Wyższa wydajność elektrolizy: Im więcej wodoru na jednostkę energii, tym lepiej!

Higher compression efficiency: Każda jednostka energii wydawana przez nas na kompresję trafia zasadniczo do odpadów. Musimy jednak kompresować wodór, aby umieścić go w zbiornikach. W końcu to gaz.

Higher fuel cell efficiency: Im więcej energii dostajemy z każdego kilograma wodoru, tym lepiej.

Cheaper electrolysis: Energia jest tylko częścią kosztu wodoru. Elektrolizatory muszą być tańsze o 20-50% w celu spełnienia przewidywań z wykresu, który pokazaliśmy wcześniej.

Infrastructure: Gazy są trudne do transportu. Aby uniknąć ogromnych kosztów wstępnych budowy rurociągów, H₂ może być produkowany w pobliżu miejsca, w którym jest używany. Jest to kompromis, ponieważ budowa wielu mniejszych elektrolizerów byłaby prawdopodobnie droższa niż kilka dużych.

Czy sztuczna fotosynteza może pomóc?

Efektywność fotosyntezy

A gdybyśmy mogli robić to, co robią rośliny, aby uzyskać energię, tylko lepiej?

Jakich składników potrzebują rośliny, aby rosnąć?


Jakie są produkty fotosyntezy u roślin?


Z punktu widzenia inżyniera rośliny to maszyny, które przekształcają CO₂, wodę i energię w cukier i tlen.

Równanie fotosyntezy

Naukowcy pracują nad sztuczną fotosyntezą, technologią, która bezpośrednio zamienia wodę, światło słoneczne i powietrze w H₂ i O₂, a nawet paliwa podobne do tych, których używamy obecnie w samochodach!

Chociaż czynione są postępy, nawet naukowcy pracujący nad sztuczną fotosyntezą twierdzą, że nie stanie się ona przystępną technologią w najbliższej przyszłości lub nawet za 20 lat.

Cena i pułapka akumulatorów wodorowych

Akumulatory stały się tańsze!

Oprócz innowacji, zwiększony popyt umożliwił powstanie ekonomii skali, dzięki której rzeczy stają się tańsze, jeśli wytwarza się ich więcej.

Na przykład aby wyprodukować jedną torebkę chipsów, trzeba zbudować farmę ziemniaków i fabrykę produkującą chipsy. Jeśli następnie wyprodukujemy 100 000 kolejnych torebek i podzielimy pomiędzy nie początkowy koszt, każda stanie się tańsza!

Ponieważ stało się to już w przypadku akumulatorów w samochodach, wodorowi może być trudno nadrobić zaległości.

Podsumowanie

Wodór mógłby zastąpić paliwa ropopochodne w samolotach i statkach, których nie mogą zastąpić akumulatory.

Zmniejszenie kosztów produkcji, sprężania, przechowywania i transportu wodoru mogłoby mieć ogromny wpływ na cały ekosystem energetyczny, a w ramach efekt ubocznego pomogłoby uniknąć 2% globalnych emisji pochodzących obecnie z produkcji wodoru.

Potrzebujemy innowacji!

Następny rozdział