Pozyskiwanie wodoru

Na Ziemi w stanie wolnym wodór występuje głównie zewnętrznej warstwie atmosfery, której razem z helem stanowi podstawowy składnik. Niestety dostęp do tych zasobów jest bardzo utrudniony. Jedynym więc rozwiązaniem pozyskiwania wodoru w postaci cząsteczkowej jest jego produkcja…

Na skalę przemysłową wodór otrzymuje się z ropy naftowej, gazu ziemnego i węgla, wykorzystując głównie metodę reformingu z parą wodną, poprzez częściowe utlenienie ciężkich węglowodorów lub zgazowanie węgla. Przykładowe reakcje wykorzystywane w tych procesach są przedstawione poniżej:

CH4 + H2O → CO + 3 H2 ΔE= -191.7 kJ/mol

CO + H2O → CO2 + H2 ΔE= -40.4 kJ/mol

CnHm + H2O + O2 → H2 + CO +CO2

C + H2O → CO + H2

CO + H2 + H2O → CO2 + 2H2

Są to metody najbardziej wydajne, a ich efektywność dochodzi do 85%,[5] są także najbardziej opłacalne. Substratem tych reakcji są jednak surowce, dotychczas wykorzystywane w przemyśle paliwowym, których eksploatację chce się ograniczyć. Ponadto problemem jest powstawanie dużej ilości dwutlenku węgla, który przyczynia się do pogłębienia efektu cieplarnianego. Używanie do produkcji wodoru źródeł odnawialnych miałoby najmniej szkodliwy wpływ na środowisko.

Największe nadzieje rokuje się między innymi w wykorzystaniu procesów biologicznych. Z procesów tych można wyróżnić kilka grup. Jedną z nich jest metoda fermentacyjna, w której następuje beztlenowa fermentacja biomasy. Biomasę można pozyskiwać z produktów odpadowych w rolnictwie oraz specjalnych, dających duże przyrosty hodowli organizmów np.: glonów, bakterii. Proces ten mogą przeprowadzić bakterie anaerobowe takie jak Enterobacter, Citrobacter, Bacillius Clostridium. Produktami reakcji są głównie wodór oraz dwutlenek węgla (w mniejszych ilościach również metan, tlenek węgla, amoniak i siarkowodór):

C6H12O6 + H2O = 2CH3COOH + 4H2 + 2CO2

C6H12O6 = 2CH3(CH2)2COOH + 2H2 + 2CO2

Drugim sposobem jest bezpośrednia fotoliza wody przez organizmy żywe. Proces ten jednak nie został jeszcze w pełni opanowany na tyle, aby został uruchomiony na skale przemysłową. Problemy wynikają z nieciągłości procesu oraz z przygotowania (aktywacji) odpowiednich organizmów (np.: alga Chlamidomonas reinhardtii). Inną metodą są zgazowanie bądź piroliza biomasy.

Jedną z bezemisyjnych metod produkcji wodoru jest elektroliza wody:

Anoda

2OH → H2O + ½O2 + 2e

Katoda:

2H+ + 2e → H2

Wymaga ona jednak dużej ilości energii elektrycznej, którą można uzyskać między innymi z elektrowni jądrowych. Na stan obecny produkcja wodoru poprzez elektrolizę jest 3.5 razy droższa niż produkcja za pomocą reformingu parowego metanu. Za elektrolizą wody przemawia fakt, że nie dostarcza ona dwutlenku węgla do atmosfery. Nie mniej jednak produkcja wodoru poprzez elektrolizę wody, a następie jej „spalanie” w ogniwach wodorowych jest mniej efektowne niż bezpośrednie wykorzystanie energii elektrycznej. Podsumowanie poszczególnych sposobów otrzymywania wodoru jest przedstawione w poniżej tabeli.

Tabela 1. Podstawowe sposoby produkcji wodoru.[6]

Podstawa metody produkcji wodoru

Proces

Substraty

Energia

Zanieczyszczenia

Termiczna

(cieplna)

Reforming z parą wodną

Gaz ziemny

Wysoka temperatura

par

CO2

Dodatkowe odpady

Rozkład termiczny wody

Woda

Bardzo wysoka temperatura otrzymywana z gazu chłodzącego reakcję jądrowe.

Brak

Gazyfikacja

Węgiel, biomasa

Para wraz z tlenem pod wysokim ciśnieniem temperaturą

CO2

Dodatkowe odpady

Zgazowanie

Biomasa

Umiarkowanie wysoka temperatura pary

CO2

Dodatkowe odpady

Elektrochemiczna

Elektroliza

Woda

Energia elektryczna pochodząca z wiatru, słońca lub z elektrowni jądrowych

Brak

Elektroliza

Woda

Energia elektryczna pochodząca ze spalania węgla oraz gazu ziemnego

CO2 pochodzący z produkcji energii elektrycznej

Fotoelektroliza

Woda

Energia pochodząca bezpośrednio ze słońca

Brak

Biologiczna

Fitobiologiczna

Woda i glony

Energia słoneczna

Brak

Beztlenowe trawienie

Biomasa

Wysoka temperatura

Odpady

Fermentacja mikroorganizmami

Biomasa

Wysoka temperatura

Odpady


Literatura

[1] Doppler, M. Rozwój i przyszłość napędu hybrydowo-wodorowego dla samochodów. Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica, Kraków, 2005.

[2] Sachi Gahan, http://en.wikipedia.org/wiki, licencja: CC-BY-SA 3.0 Deed: http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/deed.pl

[3] Bbqjunkie, http://en.wikipedia.org/wiki, licencja: CC-BY-SA 3.0 Deed: http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/deed.pl

[4] Kothari, R.; Buddhi, D.; Sawhney, R. L., Comparison of environmental and economic aspects of various hydrogen production methods. Renewable and Sustainable Energy Reviews 2008, 12, (2), 553-563.

[5] Holladay, J. D.; Hu, J.; King, D. L.; Wang, Y., An overview of hydrogen production technologies. Catalysis Today 2009, 139, (4), 244-260

[6] Hydrogen production overviev. http://www.hydrogenassociation.org/general/factSheet_production.pdf

[7] Surygała, J., Wodór jako paliwo. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne: Warszawa, 2008.