Maailmalla on haasteena energiatarpeet – kysynnän ja tarjonnan tasapainottaminen, kustannukset ja ympäristövaikutukset – ja yksi mahdollinen ratkaisu tähän ongelmaan on vety.
Vety on lupaava polttoaineenlähde polttomoottoreissa, polttokennoissa ja vaihtoehtona maakaasulämmitykselle. Ainoa jäännös sen palamisesta on vesi ja on olemassa useita tapoja tuottaa kaasua ilman hiilidioksidipäästöjen uhkaa.
Puhdas vetykaasu on kuitenkin kallista tuottaa kestävästi ja vielä kalliimpaa varastoida ja kuljettaa perinteisiin fossiilisiin polttoaineisiin verrattuna. Energiatutkijat ovat yrittäneet löytää parhaita tapoja hankkia vetyä sekä käytännöllisimpiä menetelmiä sen kuljettamiseen, jotta se olisi todellinen kilpailija maakaasun tai petrokemian kanssa. On olemassa muutamia tapoja lähestyä tätä ongelmaa, lue lisää alta.
Kaikessa käyttötarkoituksessaan puhtaalla kaksiatomisella vedyllä on rajoituksia, jotka estävät sitä käyttämästä käytännöllistä suuremmassa mittakaavassa. Vetypolttoaineen tuotanto ei ole täysin vapaata kasvihuonekaasuista, ja siellä on sekä kestäviä että kestämättömiä tuotantomenetelmiä jotka on otettava huomioon. Lupaavin tällä hetkellä on veden elektrolyyttinen halkaisu (uusiutuvaa energiaa käyttäen), jonka seurauksena syntyy vetyä ja happikaasuja.
Kun tuotantoongelma on ratkaistu, hyötysuhdekysymys toteutuu – ympäristön paineessa ja lämpötilassa vetykaasun tilavuusyksikköä kohti ei yksinkertaisesti ole tarpeeksi energiaa, jotta voitaisiin verrata fossiilisia polttoaineita. Vetykaasun energiatiheys per kilogramma on lähes kolminkertainen perinteisiin polttoaineisiin verrattuna, mutta realistinen energiakapasiteetti per litra on suuruusluokkaa pienempi.
Vaikka vetykaasua voidaan puristaa korkeassa paineessa, tämä vaatii erikoislaitteita ja vielä enemmän energiaa, ja voi silti saavuttaa vain noin 5 % vetyä painoyksikköä kohden (jossa loput 95 % on paineistetun astian painoa ). Samaa voidaan sanoa nesteytetystä vedystä, joka vaatii -253 °C tai kylmempää lämpötilaa, mikä vaatii jäähdytyslaitteita ja lisätehoa.
Paras ratkaisu vedyn tehokkaaseen käyttöön ja kuljettamiseen, jonka tutkijat ovat havainneet, ei itse asiassa ole lainkaan puhdasta vetyä. On olemassa vaihtoehtoja, joissa on paljon potentiaalia – nimittäin kemiallinen varastointi ja fyysinen varastointi.
Kemiallinen varastointi on paikka, jossa vetyatomit varastoidaan molekyyleihin kemiallisten sidosten kautta, ja ne vapautuvat vasta kemiallisen reaktion jälkeen. Vedyn kemiallisille kantajille on monia mahdollisia vaihtoehtoja, kuten metallihydridejä tai orgaanisia molekyylejä (esim. alkoholit, hiilihydraatit).
Jotta materiaali olisi tehokkain, sen vetykapasiteetin tulee olla vähintään 7 painoprosenttia ja sen työskentelylämpötilan on oltava välillä 0 - 100 °C. Monet metallihydridit vaativat vähintään 200 °C:n lämpötilan vedyn vapauttamiseksi. Orgaaniset hiilivedyt ovat samanlaisessa asemassa, ja niiden lisähaittana on hiilidioksidipäästöt2 reaktiotuotteena.
Fyysiset varastointivaihtoehdot mahdollistavat vedyn adsorboitumisen materiaalin pinnalle paljon suurempia määriä kuin kaasun poistuminen itsestään. Yleisimpiä näistä ovat erittäin huokoisia sienimäisiä materiaaleja, kuten aktiivihiili tai metalli-orgaaniset kehykset (MOF). Vuonna 2020 raportoidun MOF:n todettiin saavuttavan erinomaisen vetykapasiteetin 14 painoprosenttia. Monien MOF:ien rajoituksena on kuitenkin se, että ne suorittavat adsorption parhaiten hyvin matalissa lämpötiloissa (monet noin -200 °C) ja menettävät tehonsa lämpötilan noustessa.
Ammoniakki on jo tehnyt itselleen mainetta lannoitteiden tärkeänä komponenttina. Maailmanlaajuinen vuosituotanto ylittää 200 miljoonaa tonnia vuonna 2021. Se on myös herättänyt inspiraatiota kemiallisen vedyn varastoinnin menetelmänä.
Nykyinen ammoniakin tuotantomenetelmä ei ole vihreä – Haber-prosessi tarkoittaa typpikaasun ja vetykaasun reagoimista keskenään korkeissa lämpötiloissa ja paineissa, joissa kyseinen vety on useimmiten peräisin fossiilisista polttoaineista. Energiatutkijat ovat kuitenkin edistyneet vaihtoehtoisilla tuotantomenetelmillä, kuten polttokennoilla ja kalvoreaktoreilla, jotka voivat antaa ammoniakille vihreämmän jalanjäljen polttoaineille, lannoitteille ja muille.
Ammoniakki on epäorgaaninen molekyyli, joka koostuu yhdestä typpiatomista ja kolmesta vetyatomista. Tämä vetytiheys tekee siitä houkuttelevan vedyn kemiallisen kantajan energiatarkoituksiin vaihtoehtona puhtaan nestemäisen vedyn kuljettamiselle. Sen sijaan, että ammoniakki vaatisi alle -253 °C:n lämpötiloja, se on neste, jonka lämpötila on vain -77 °C ilmakehän paineessa tai jopa -10 °C hieman korkeammissa paineissa. Lisäksi ammoniakki ei sisällä hiiltä, joten sillä on suuri potentiaali hiilineutraalina polttoaineen lähteenä. Se voidaan jakaa vedyksi ja typpikaasuiksi käänteisessä polttokennossa, jossa kaksiatominen typpi voi yksinkertaisesti liittyä takaisin ilmakehään ilman haittaa ympäristölle.
Jos haluat tietää enemmän erilaisista kemikaaleista tai minimoida riskit kemikaalien kanssa työskennellessään, olemme täällä auttamassa. Meillä on työkaluja, jotka auttavat sinua pakollisessa raportoinnissa ja luomisessa SDS ja riskiarvioinnit. Meillä on myös kirjasto verkkoseminaareja kattavat maailmanlaajuiset turvallisuusmääräykset, ohjelmistokoulutuksen, akkreditoidut kurssit ja merkintävaatimukset. Lisätietoja saat ottamalla meihin yhteyttä tänään osoitteessa sa***@ch*******.net.
Lähteet:
