Copilul*: Mamă, când voi mai crește un pic, aș vrea să mă fac activist climatic. Ce-mi poți spune despre hidrogen?
Mama: Hidrogen!... Ce minunat sună acest cuvânt! Este răspunsul perfect și cel mai evident pe care-l poți da încălzirii globale produse de emisiile umane de CO2! Îți spun doar esențialul: În loc să mai ardem hidrocarburi – știi tu, acele combinații nenorocite de hidrogen + carbon, ne descotorosim de partea a doua, cu carbon, și ardem numai pe cea cu hidrogen. Sper că ai învățat la chimie că H2 + O = H2O, adică apă și zero emisii de CO2!! Ce zici?
Copilul: Vai, mamă, ce deșteaptă ești matale! (copilul e de prin Moldova, unde părinții nu sunt tutuiți de copii). Da’ cum de nu s-au gândit și alții la asta?
Mama: Ba s-au gândit așa-numitele „genii politice”. De exemplu, în 2003, președintele George W. Bush s-a adresat națiunii americane:
În discursul său din 2003 privind starea Uniunii, președintele Bush a lansat Inițiativa privind combustibilii pe bază de hidrogen. Scopul acestei inițiative este de a lucra în parteneriat cu sectorul privat pentru a accelera cercetarea și dezvoltarea necesare pentru o economie bazată pe hidrogen. Inițiativa președintelui privind combustibilii pe bază de hidrogen și parteneriatul FreedomCAR oferă aproape 1,72 miliarde de dolari pentru dezvoltarea de pile de combustie alimentate cu hidrogen, tehnologii de infrastructură pentru hidrogen și tehnologii avansate pentru automobile. Inițiativa președintelui va permite comercializarea vehiculelor cu pile de combustie în 2020.
După Bush, a urmat un alt președinte vizionar, cred că ți-l mai amintești, Barack H. Obama, al cărui Secretar al Departamentului de Energie, Ernest Moniz, a declarat în 2013:
Construirea unei industrii americane a pilelor de combustie și a tehnologiilor pe bază de hidrogen în ultimii ani contribuie la deschiderea drumului către un viitor energetic mai curat și mai durabil, care ne protejează aerul și apa, oferă întreprinderilor mai multe opțiuni de transport și reduce dependența de petrol...Ca parte a unei abordări energetice globale, tehnologiile pilelor de combustie deschid calea către competitivitate pe piața globală a energiei curate și către crearea de noi locuri de muncă și afaceri în întreaga țară.
Spre sfârșitul anului 2020, premierul britanic Boris Johnson a făcut publice detaliile unui plan în 10 puncte pentru o așa-numită „revoluție industrială verde”. . . În acest an, guvernul va publica, de asemenea, o strategie privind hidrogenul, care va „schița planurile" de dezvoltare a unei economii bazate pe hidrogen în Regatul Unit. Documentul oficial al Guvernului britanic a fost publicat pe 17 august și poate fi citit aici.
Tot pe 17 august a.c. a apărut articolul Green hydrogen 'transitioning from a shed-based industry' says researcher as the UK hedges its H2 strategy Am I blue? Am I green? Government report isn't quite transparent care discută recent publicata strategie.
În iulie 2021, administrația Biden s-a înscris și ea pe lista fanilor hidrogenului. Am aflat, printre altele, că:
În anunțul său, Biden detaliază oportunitățile vaste pentru ca hidrogenul să joace un rol important în reducerea emisiilor în mai multe sectoare. El vizează în mod special domenii precum electricitatea, clădirile, industria și transporturile ca sectoare care necesită îmbunătățiri, domenii în care hidrogenul a jucat un rol din ce în ce mai important în reducerea poluării. Odată cu intrarea în funcție a unei noi administrații axate pe climă, impulsul este cu siguranță în creștere pentru sectorul hidrogenului.
Ei, drag copil, mai ai nevoie și de alte amănunte despre hidrogen și importanța lui în lupta contra încălzirii globale antropogene?
Copilul: Nu, mamă. Mulțumesc pentru tot ce mi-ai spus. Sunt pregătit acum să activez pentru triumful hidrogenului – salvatorul planetei de la încălzirea antropogenă! Jos combustibilii fosili!!!
*
* *
Dincolo de situația imaginară descrisă mai sus, pentru instruirea temeinică a copilului, viitor activist climatic și/sau politician, ar fi necesare mai multe informații utile, care, de regulă, lipsesc din educația ecologistă curentă. Din punctul de vedere al cunoștințelor comprehensive, ne confruntăm cu niște variante prescurtate, de tipul ad usum delphini, acele cărți din Evul Mediu ale căror pasaje licențioase erau epurate pentru a putea fi citite de copii.
Pentru a demonstra caracterul nefezabil al unei economii bazate pe ardere hidrogenului, trebuie început cu un adevăr simplu, prezent în manualele de chimie din liceu:
Hidrogenul este cel mai ușor și cel mai răspândit (75%) element chimic din univers. Fiind foarte reactiv, el se găsește doar în cantități mici în natură, la suprafața Pământului, dar este prezent într-o gamă largă de compuși.
Cu alte cuvinte, hidrogenul nu este liber, ci este deja combinat cu altceva; pentru a separa hidrogenul trebuie să consumăm energie. Numai după ce am consumat energie și am obținut hidrogenul liber, îl putem arde. Dar aici intervine Legea a doua a termodinamicii. Din cauza ineficienței inevitabile a proceselor, arderea hidrogenului produce mai puțină energie decât cea cheltuită pentru separarea lui din compuși. Și acest fapt trebuie marcat clar în oricare manual de producere a energiei pe bază de hidrogen.
Moduri de producere și „culorile” hidrogenului
Deși este asociat cu și regăsit în numeroși compuși chimici, sursele abundente de compuși ai hidrogenului sunt doar apa, hidrocarburile și biomasa.
Prin electroliza apei se poate extrage hidrogenul. Dar, pentru că legătura oxigen-hidrogen este energetic intensă (110 kcal/mole), molecula de apă este foarte stabilă și, de aceea, foarte dificil de „spart”. Din cauza consumului ridicat de energie, producerea hidrogenului prin electroliză este limitată cel puțin pentru viitoarele câteva decenii.[1] Avantajul electrolizei consta în lipsa emisiilor de CO2, adică, în jargonul ecologist, este un procedeu „curat”. Dacă și energia necesară electrolizei provine din surse regenerabile, atunci culoarea hidrogenului este verde.
În prezent, majoritatea hidrogenului (96%) este produsă din combustibili fosili, în particular prin reformarea metanului cu abur (steam-methane reforming, SMR) și prin gazeificarea cărbunelui.
SMR implică următoarea reacție generală (formată din două reacții subsecvente):
CH4 + 2H2O (+ căldură) → CO2 + 4H2
Temperatura aburului care acționează asupra metanului atinge 700°C–1,000°C și o presiune între 3 – 25 bar. Reacția de mai sus consumă 14,04 g CH4/MJ și produce 38,5 g CO2/MJ. Dacă se consideră și energia consumată pentru a produce, a procesa și a transporta gazul metan folosit la extragerea de hidrogen, emisiile totale de dioxid de carbon ajung la 75,6 g CO2/MJ. [2]
Randamentul energetic al reacție de mai sus este ~74%, iar costul estimat de US DOE în 2015 era ~$1,8/kg.[3] Hidrogenul produs astfel este numit gri, spre a-l deosebi de cel cafeniu, produs prin gazeificarea cărbunelui.
Pe lângă emisiile de CO2, producția de hidrogen gri prin SMR include și emisii de metan fugitiv în timpul forajelor și transportului prin gazoducte. Împreună, emisiile de gaze cu efect de seră sunt mari și, de aceea, industria gazelor naturale și alții promovează hidrogenul albastru, o tehnologie relativ nouă prin care emisiile de CO2 sunt captate și sechestrate geologic.
Dar folosirea captării și sechestrării emisiilor de CO2 produce ea însăși un supliment de CO2, pentru că sunt activități consumatoare de energie. În consecință, emisiile totale pentru a genera hidrogen albastru ajung la 135 g CO2 eq/MJ.
În perioada 2009-2012, pe baza unui grant câștigat prin concurs național, administrația Obama, prin Departamentul de Energie, mi-a oferit posibilitatea de a cerceta sechestrarea geologică a CO2 în trei rezervoare sărăcite de gaze naturale, aflate în cele trei comitate – Cimarron, Texas și Beaver – care alcătuiesc Oklahoma Panhandle.[4]
Trecând peste faptul că procesele de captare a CO2 la sursă, comprimare la presiuni supercritice (pentru a deveni un lichid), transportare și injectare în rezervor necesită consum de energie, apar numeroase probleme legate de existența unor rezervoare insuficiente ca locație, număr și volum pentru sechestrarea CO2. În plus, în studiul meu am investigat și chestiunile petrofizice care asigură etanșeizarea rezervoarelor (proprietăți compoziționale și texturi specifice ale rocilor rezervor și de etanșare). Concluzia finală, trimisă la DOE, a fost că sechestrarea CO2 în Oklahoma Panhandle este limitată ca volum și potențial afectată de seisme, care ar produce fracturi de-a lungul cărora CO2 supercritic ar începe migrarea către suprafață.
În prezent, hidrogenul albastru este produs doar în două instalații din lume: una în Alberta, Canada (operatorul este Shell) și alta în Texas (operatorul este Air Products). De multe ori, acest tip de hidrogen este lăudat ca având emisii-zero de gaze cu efect de seră. Dar o analiză recentă, publicată de o echipă de doi cercetători de la universitățile Cornell și Stanford, a demontat acest mit.2 Nu toate emisiile de CO2 pot fi capturate și o anumită cantitate de CO2 este chiar emisă în timpul producției de hidrogen albastru.
Concluziile celor doi cercetători cu privire la viitorul climatic al hidrogenului gri și albastru sunt pesimiste:
Departe de a produce emisii reduse de dioxid de carbon, emisiile de gaze cu efect de seră din producția de hidrogen albastru sunt destul de ridicate, în special din cauza eliberării de metan fugitiv. Pentru ipotezele noastre implicite (rata de emisie de 3,5% a metanului din gazele naturale și un potențial de încălzire globală de 20 de ani), emisiile echivalente totale de dioxid de carbon pentru hidrogenul „albastru” sunt cu doar 9%-12% mai mici decât cele pentru hidrogenul „gri”. În timp ce emisiile de dioxid de carbon sunt mai mici, emisiile fugitive de metan pentru hidrogenul albastru sunt mai mari decât în cazul hidrogenului gri, din cauza utilizării sporite a gazului natural pentru alimentarea cu energie electrică a instalațiilor de captare a CO2.
Hidrogenul albastru nu aduce niciun beneficiu. Sugerăm că hidrogenul albastru este cel mai bine privit ca o distragere a atenției, ceva ce poate întârzia acțiunile necesare pentru a decarboniza cu adevărat economia energetică globală...
Poate surprinzător, amprenta de gaze cu efect de seră a hidrogenului albastru este cu peste 20% mai mare decât arderea gazului natural sau a cărbunelui pentru căldură și cu 60% mai mare decât arderea motorinei pentru încălzire [s. m.]...
O întrebare de bun simț se impune imediat: Dacă arderea hidrogenului albastru produce mult mai multe gaze cu efect de seră decât arderea gazului metan ori a motorinei sau cărbunilor, de ce nu ardem doar combustibili fosili? În loc să irosim energie în procesul de „reformare cu abur”, nu mai bine producem mai multă energie prin simpla ardere a metanului?!? Acesta este doar unul din adevărurile pe care mamele lui Bush, Obama, Boris Johnson și Biden nu le-au spus copiilor lor.
Ce mai trebuiau să spună acele mame?
Pe bază de masă, hidrogenul are un conținut energetic superior benzinei și gazului metan: 120 MJ/kg pentru hidrogen față de 44 MJ/kg pentru benzină și 50 MJ/kg pentru gaz metan. Pe bază de volum, însă, situația este inversă; hidrogenul lichid are o densitate de numai 8 MJ/Li, în timp ce benzina are o densitate de 32 MJ/L, iar metanul are 22 MJ/L (Fig. 1).
Fig. 1. Densitatea volumetrică (MJ/L) vs. densitatea gravimetrică (MJ/kg) a hidrogenului în comparație cu gazul metan, benzina și motorina. Sursa
Cu alte cuvinte, este necesar un volum de patru ori, respectiv de cca trei ori mai mare de hidrogen pentru a produce aceeași energie ca benzina, respectiv metanul.
De exemplu, un camion-cisternă de 40 de tone metrice transportă 3.000 kg de metan la o presiune de 20 MPa și livrează 2.400 kg la utilizator. Același camion poate transporta doar 320 kg de hidrogen la o presiune de 20 MPa și livrează doar 288 kg utilizatorului. clientului.[5]
Nevoia de a stoca mai mult hidrogen pentru a produce energia similară a benzinei sau metanului aduce în prim plan o altă problemă pentru „mame” – fragilizarea oțelului (embrittlement) din care sunt construite containerele conținând H2 (Fig. 2). Acest lucru înseamnă că, în special la temperaturi ambiante și la presiuni ridicate, hidrogenul gazos nu poate fi stocat în rezervoare de oțel și nici transportat prin conducte de oțel. Hidrogenul trebuie să fie produs la fața locului și la cerere prin electroliza apei. Rezervoarele de combustibil din autoturisme ar trebui să stocheze hidrogen la presiuni ridicate, deci nu pot fi din oțel. De asemenea, oxigenul rezidual din procesul de electroliză prezintă un pericol de incendiu.
Fig. 2. Crăpături în oțel induse de hidrogen (Hydrogen-Induced Cracks). Sursa
Care sunt costurile diferitelor culori de hidrogen și ale metanului?
Conform S&P Global Market Intelligence, pe 5 mai 2021, au fost estimate următoarele costuri :
Hidrogen verde: $3/kg - $6,55/kg
Hidrogen gri: ~$1.50/kg
Hidrogen albastru: ~$2.40/kg
Metan: ~$0,80/kg[6]
Prin comparație, hidrogenul este de cca 2 – 8 ori mai scump decât metanul.
