Изследователи от Станфордския инженерен факултет разработиха нов, високоефективен метод за производство на водород чрез пиролиза на метан. Този подход дава отговор на основните екологични и икономически предизвикателства, свързани с производството на водород. Водородът е от съществено значение както като химически градивен елемент за световната промишленост, така и като ключов енергиен носител за дълбока декарбонизация.

Пиролизата на метан е процес, при който метанът се подлага на термична обработка, за да се раздели на водородно гориво и твърд въглерод. Тя винаги е обещавала по-чиста алтернатива на конвенционалното рафиниране на водород, но мащабирането на процеса изискваше нагряване на огромни промишлени реактори до екстремни температури. Нагряването на тези гигантски съоръжения отвън също се оказа бавно, неефективно и скъпо.

„Ако искате да извършвате пиролиза в мащаба, необходим за задоволяване на нуждите на пазарите на водород, тогава трябва да създадете много големи реактори. За да нагреете тези реактори до много високи температури, като например 1000 градуса Целзий, а методите ви за нагряване трябва да бъдат много ефективни.“

каза главният автор Матео Каргнело, доцент по химическо инженерство в Станфордския университет

За да преодолеят това предизвикателство, екипът от Станфорд опита нещо, което противоречи на логиката и се опита да постави горелката вътре в реактора.

Директно вътрешно нагряване

Изследователите от Станфорд преодоляха това предизвикателство, като разработиха метод за вътрешно нагряване. Вместо да нагряват огромни реактори неефективно отвън или да изгарят метан, екипът постави горелка директно вътре в реактора, за да изгори малка част от водорода. Този вътрешен процес генерира необходимата висока температура и отделя предимно водна пара, като успешно поддържа реакцията, без да се отделят директни въглеродни емисии.

Този метод на автотермично вътрешно нагряване води до приблизително 10-кратно повишаване на ефективността в сравнение с конвенционалните техники. Той оптимизира преноса на топлина толкова ефективно, че един реактор достига производителността на десет конвенционални реактора с външно нагряване, като използва точно същото количество енергия.

„Всичко се свежда до идеята за ефективност. Можете да намалите емисиите на CO₂ като изобщо не ги генерирате, но можете също така да ги намалите, като използвате енергията си по-ефективн, така че има много начини да се създаде по-устойчив процес.“

лаза Хенри Мойз, съавтор на статията Изненадващ страничен продукт

След това дойде истинската изненада. Неочаквана полза от този процес е, че твърдият въглероден страничен продукт се оказа графит – материал, използван в батерии и електроди, който САЩ понастоящем внасят. Необходими са допълнителни изследвания, за да се постигне достатъчна чистота на графита за взискателните приложения в батериите. Екипът счита тази изненадващо „висока степен на графитизация“ за значителна крачка напред към осигуряване на вътрешно производство.

Водородът остава основен градивен елемент на световната икономика. Той е от съществено значение за производството на метанол, отстраняването на сяра от бензина и производството на амонячни торове, които подхранват почти половината от световното население. Понастоящем литиево-йонните батерии се отличават с краткосрочно съхранение на електроенергия, но водородът може да се съхранява в големи количества в подземни солни каверни в продължение на месеци, като по този начин се балансират сезонните колебания в производството на възобновяема енергия.

Това съвместно изследване има за цел да декарбонизира един широко разпространен ресурс, като позволи по-чисто и по-евтино производство на водород. Екипът признава, че мащабирането на процеса за широкомащабно промишлено приложение ще изисква продължително финансиране и междуинституционални усилия.