Žaliasis vandenilis: pigesnis kelias į švarią energijos ateitį

KTU Matematikos ir gamtos mokslų fakulteto (KTU MGMF) tyrėjų komanda siekia iš vandens gaminti vandenilį – ateities kurą, kuris galėtų pakeisti iškastinį kurą ir padėti pasiekti klimato neutralumą.

Reikia brangiųjų metalų

Projekte „SUSTAIN-H₂O“ mokslininkai kuria naujos kartos katalizatorius, leidžiančius vandenilį gaminti pigiau ir tvariau, naudojant plačiai paplitusius metalus vietoj brangiųjų. Tyrėjų komanda iš esmės siekia patobulinti vandenilio gamybos technologiją – kad ji būtų pigesnė, efektyvesnė ir prieinamesnė.

„Šiandien daugiau kaip 90 proc. pasaulyje gaminamo vandenilio vis dar gaunama iš gamtinių dujų ar anglies – procesų, kurie sukuria milžiniškas CO₂ emisijas. Žaliasis vandenilis – gaminamas elektrolizės būdu, kai vanduo išskaidomas į vandenilį ir deguonį, naudojant elektros energiją iš atsinaujinančių šaltinių. Tokio vandenilio gavimas laikomas vienu svarbiausių žingsnių klimato neutralumo link“, – teigia dr. Kristina Bočkutė.

Tačiau šis procesas turi vieną brangų trūkumą: veiksmingai jam vykti reikia brangiųjų metalų katalizatorių – tokių kaip platina ar iridžio oksidas. Jie veikia puikiai, tačiau yra reti ir labai brangūs. Lietuvos tyrėjų komanda siūlo alternatyvą: įprasti metalų oksidai ar jų junginiai – geležies, nikelio, kobalto, vario, molibdeno oksidai – gali tapti naujaisiais vandenilio katalizatoriais.

Siūlo naujus būdus

„Ieškome būdų, kaip iš kasdienėje pramonėje naudojamų metalų junginių sukurti katalizatorius, kurie būtų tokie pat efektyvūs kaip platina, bet dešimtis kartų pigesni“, – sako KTU mokslininkė dr. Ieva Barauskienė.

Tyrėjų komanda dirba su vadinamaisiais pereinamųjų metalų oksidais (Transition Metal Oxides, TMO) – medžiagomis, kurių paviršiuje galima sukurti itin aktyvius taškus elektros srovei perduoti. Tai leidžia spartinti deguonies išsiskyrimo reakciją (Oxygen Evolution Reaction, OER) – vieną svarbiausių etapų vandenilio gamyboje.

Pereinamųjų metalų oksidai, ypač nikelio, geležies ir kobalto junginiai, didelės entropijos oksidai (High-Entropy Oxides, HEO) bei NiFe heterostruktūros (NiFeCrCo ar NiFe-CoZn) šiuo metu gali būti laikomi vienais iš efektyviausių ir perspektyviausių OER katalizatorių. Jie užtikrina gerą balansą tarp aktyvumo, stabilumo ir kainos, o jų tolesnis tobulinimas, pasitelkiant nanostruktūrizavimą bei elektroninės struktūros valdymą, leidžia tikėtis dar didesnio vandens skilimo proceso efektyvumo ateityje.

Kad procesas būtų ne tik pigus, bet ir ilgaamžis, mokslininkai kuria nanostruktūrinius katalizatorius, kurių paviršiaus plotas yra gerokai didesnis, o atomų išsidėstymas itin tiksliai valdomas. Tokios plonos dangos leidžia užtikrinti, kad elektrodų paviršius išliktų aktyvus net po tūkstančių veikimo valandų.

Tikslas – realūs katalizatoriai

„Tyrinėjame, kaip katalizatorių paviršius keičiasi elektrolizės metu, kokios transformacijos vyksta ir kaip tai veikia jų aktyvumą. Kiekvienas šių atominių pokyčių žingsnis tiesiogiai lemia, kiek švarios energijos galime pagaminti ateityje“, – teigia projekto vadovas, KTU MGMF prof. dr. Giedrius Laukaitis.

Projekto tikslas – ne tik laboratoriniai eksperimentai, bet ir realių katalizatorių integravimas į elektrolizės sistemas.

Jo metu laboratoriniai katalizatoriai integruojami į elektrolizės sistemas per laidžių padėklų panaudojimą, nanostruktūrų optimizavimą ar elektrodų konstrukciją bei tokių sistemų plėtrą, taip užtikrinant, kad pasiekti aktyvumo ir stabilumo rezultatai taptų praktiškai pritaikomi realiose vandenilio gamybos sistemose.

Naujų medžiagų katalizatoriai gali būti integruojami į realias elektrolizės sistemas suformuojant juos ant laidžių elektrodų, tokių kaip nikelio puta, titano tinkleliai ar grafeno sluoksniai.

Gali tapti nauja eksporto šaka

Tai daroma siekiant užtikrinti efektyvų elektronų perdavimą ir mechaninį stabilumą, formuojant daugiafunkcinius elektrodus, kurie vienu metu optimizuoja vandenilio ir deguonies išsiskyrimo reakcijas, kartu pritaikant elektrolito sudėtį ir pH katalizatorius optimaliam darbui.

Integruojant tai modulinėse struktūrose, kur kelios mažos elektrodų plokštės sujungiamos į didesnius blokus, būtų galima įvertinti katalizatoriaus efektyvumą, stabilumą bei energetinį ir ekonominį pritaikomumą realiose gamybos sąlygose.

„Jeigu šio projekto rezultatai bus sėkmingi, lietuviški katalizatoriai galėtų tapti eksportuojama žaliosios energetikos technologija, svarbia tiek vietos, tiek tarptautinėms vandenilio gamybos grandinėms“, – teigia dr. Kristina Bočkutė.

Projektas „SUSTAIN-H₂O“ prisideda prie plataus tikslo – kad Lietuva nebūtų tik žaliosios energetikos vartotoja, bet ir jos kūrėja. Tai sutampa su Europos Sąjungos planu – iki 2050-ųjų pasiekti anglies dioksido neutralumą ir išplėtoti žaliųjų technologijų pramonę.

„Norime, kad mūsų darbas nebūtų vien tik teorija – siekiame, kad iš jo gimtų realūs sprendimai, kurie padėtų Lietuvai tapti žaliųjų technologijų lydere regione“, – sako KTU prof. Giedrius Laukaitis.

Mokslininkų teigimu, pagal „Vandenilio plėtros Lietuvoje gaires iki 2050 m.“, iki 2030 m. Lietuvoje planuojama įrengti bent 1,3 GW elektrolizės pajėgumų ir pagaminti ne mažiau kaip 129 tūkst. tonų atsinaujinančio vandenilio per metus, o iki 2050 m. planuojama išvystyti 8,5 GW elektrolizės pajėgumų ir pagaminti apie 732 tūkst. tonų vandenilio per metus.

Jeigu šis sumanymas pasiteisins, vandenilis iš vandens gali tapti ne tik moksliniu laimėjimu, bet ir Lietuvos žaliąja vizitine kortele – nuo laboratorijos iki pramonės gamyklų, nuo saulės elektrinių iki švaraus transporto.

KTU informacija