Οι ερευνητές της Skoltech ανέπτυξαν μια μέθοδο παραγωγής υδρογόνου απευθείας σε κοιτάσματα φυσικού αερίου με απόδοση 45%. Η διαδικασία περιλαμβάνει την έγχυση ατμού και ενός καταλύτη σε ένα φρεάτιο αερίου, που ακολουθείται από την προσθήκη οξυγόνου για την έναρξη της καύσης.
Τα αποτελέσματα της νέας μεθόδου
Αυτή η υποβοηθούμενη από καταλύτη αντίδραση δημιουργεί ένα μείγμα υδρογόνου και μονοξειδίου του άνθρακα, από το οποίο μπορεί να διαχωριστεί αποτελεσματικά το υδρογόνο. Η ανακάλυψη, που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Fuel και υποστηρίζεται από επιχορήγηση από το Ρωσικό Ίδρυμα Επιστημών (RSF), προσφέρει ένα πολλά υποσχόμενο βήμα προς την παραγωγή υδρογόνου μεγάλης κλίμακας στην πηγή.
Αν και το φυσικό αέριο θεωρείται συχνά ως καθαρότερο ορυκτό καύσιμο λόγω των χαμηλότερων εκπομπών τοξικών ρύπων σε σύγκριση με το πετρέλαιο, εξακολουθεί να παράγει σημαντικό διοξείδιο του άνθρακα.
Αντίθετα, το καύσιμο υδρογόνου εκπέμπει μόνο υδρατμούς κατά τη χρήση, καθιστώντας το μια πιο καθαρή εναλλακτική. Ωστόσο, οι προκλήσεις στην παραγωγή υδρογόνου έχουν περιορίσει την ευρεία υιοθέτησή του. Η νέα μέθοδος της Skoltech θα μπορούσε να βοηθήσει να ξεπεραστούν αυτά τα εμπόδια και να επιταχυνθεί η στροφή προς καθαρότερες πηγές ενέργειας.
Μια νέα προσέγγιση παραγωγής υδρογόνου
Για πρώτη φορά, μια ομάδα από το Ινστιτούτο Επιστήμης και Τεχνολογίας Skolkovo στη Μόσχα πρότεινε την εξόρυξη υδρογόνου από τις δεξαμενές πεδίων φυσικού αερίου, που είναι πλούσια σε υδρογονάνθρακες που περιέχουν μεγάλη ποσότητα υδρογόνου σε μοριακό επίπεδο. Αυτό σημαίνει ότι οι υδρογονάνθρακες, αφού μετατραπούν, μπορούν να αποδώσουν άφθονο «πράσινο» καύσιμο.
Η ομάδα έχει προτείνει μια αποτελεσματική διαδικασία πολλαπλών σταδίων για την παραγωγή υδρογόνου από κοιτάσματα αερίου. Αρχικά, εγχέεται ατμός στο φρεάτιο μαζί με έναν καταλύτη που αργότερα θα βοηθήσει στο διαχωρισμό του υδρογόνου από τα συστατικά του φυσικού αερίου. Στη συνέχεια, αντλείται αέρας ή καθαρό οξυγόνο για να αναφλεγεί το αέριο απευθείας στη δεξαμενή. Με τη βοήθεια του ατμού και του καταλύτη, το φυσικό αέριο καίγεται και μετατρέπεται σε μείγμα μονοξειδίου του άνθρακα και υδρογόνου.
Το διοξείδιο του άνθρακα που σχηματίζεται από το μονοξείδιο του άνθρακα παραμένει στη δεξαμενή και δεν συμβάλλει στο φαινόμενο του θερμοκηπίου. Στο τελικό στάδιο, το υδρογόνο εξάγεται από το πηγάδι μέσω μιας μεμβράνης που εμποδίζει άλλα προϊόντα καύσης, αφήνοντας το μονοξείδιο του άνθρακα και το διοξείδιο του άνθρακα μόνιμα παγιδευμένα υπόγεια.
Εργαστηριακές δοκιμές και προσομοιώσεις
Οι ερευνητές δοκίμασαν τη διαδικασία τους σε εργαστηριακούς αντιδραστήρες που προσομοίωσαν ένα πραγματικό περιβάλλον δεξαμενής αερίου. Τοποθέτησαν θρυμματισμένο βράχο στον αντιδραστήρα και στη συνέχεια αντλούσαν μεθάνιο, το κύριο συστατικό του φυσικού αερίου, μαζί με ατμό και έναν καταλύτη, και στη συνέχεια οξυγόνο. Η πίεση στο εσωτερικό του αντιδραστήρα διατηρήθηκε σε ένα τυπικό επίπεδο των δεξαμενών αερίου, που είναι ογδόντα φορές υψηλότερο από την ατμοσφαιρική πίεση.
Καθώς το πείραμα προχωρούσε, η ομάδα ανέλυσε τη σύνθεση των αερίων στον αντιδραστήρα για να αξιολογήσει την αποτελεσματικότητα της μετατροπής του μεθανίου σε υδρογόνο. Αποδείχθηκε ότι το μεγαλύτερο μέρος του υδρογόνου – 45% του συνολικού όγκου αερίου – σχηματίστηκε στους 800° C με μεγάλες ποσότητες ατμού που εγχύθηκαν στον αντιδραστήρα. Για να γίνει η αντίδραση όσο το δυνατόν πιο αποτελεσματική, θα πρέπει να υπάρχει τέσσερις φορές περισσότερος ατμός από το φυσικό αέριο. Οι ερευνητές επέλεξαν τη θερμοκρασία 800° C γιατί επιτυγχάνεται εύκολα με την καύση φυσικού αερίου και δεν χρειάζεται τεχνητή συντήρηση.
Η απόδοση υδρογόνου εξαρτιόταν επίσης από τη σύνθεση του πετρώματος. Για παράδειγμα, σε πειράματα με πορώδη αλουμίνα, η απόδοση υδρογόνου έφτασε το 55%. Η υψηλότερη απόδοση σε αυτή την περίπτωση εξηγείται από το γεγονός ότι η αλουμίνα είναι αδρανής, δηλαδή δεν αντιδρά με τα γύρω στοιχεία. Το φυσικό πέτρωμα περιέχει άλλα, πιο ενεργά ορυκτά που μπορούν να αντιδράσουν με τα συστατικά του μείγματος αερίων και να επηρεάσουν την απόδοση υδρογόνου.
“Όλα τα στάδια της διαδικασίας βασίζονται σε καθιερωμένες τεχνολογίες που δεν έχουν προηγουμένως προσαρμοστεί για παραγωγή υδρογόνου από πραγματικές δεξαμενές αερίου. Έχουμε αποδείξει ότι η προσέγγισή μας μπορεί να βοηθήσει στη μετατροπή των υδρογονανθράκων σε “πράσινα” καύσιμα στο πεδίο του περιβάλλοντος με απόδοση έως και 45%. Petroleum και ο επικεφαλής του έργου που υποστηρίζεται από τα RSF.
