– Odkryliśmy, że węgiel może być tą geologiczną baterią wodorową – powiedział Shimin Liu, profesor nadzwyczajny inżynierii energetycznej i mineralnej w Penn State. – Możesz wstrzykiwać i przechowywać energię wodoru i mieć ją tam, kiedy potrzebujesz jej użyć.

Wodorowy potencjał

Wodór to paliwo o czystym spalaniu i obiecującym zastosowaniu w najbardziej energochłonnych sektorach gospodarki — transporcie, wytwarzaniu energii elektrycznej i produkcji. Naukowcy twierdzą, że potrzeba jeszcze dużo pracy, aby zbudować infrastrukturę wodorową i uczynić ją niedrogim i niezawodnym źródłem energii. Obejmuje to opracowanie sposobu przechowywania wodoru. Dziś jego magazynowanie jest drogie i nieefektywne. Naukowcy stwierdzili, że formacje geologiczne są intrygującą opcją, ponieważ mogą przechowywać duże ilości wodoru i sprostać sytuacjom, gdy zapotrzebowanie na energię zmienia się codziennie lub sezonowo.  

– Węgiel jest dobrze zbadany, a od prawie pół wieku produkujemy gaz z węgla – powiedział Liu. – Rozumiemy to. Mamy infrastrukturę. Myślę, że węgiel byłby logicznym miejscem do geologicznego magazynowania wodoru.

Aby to sprawdzić, naukowcy przeanalizowali osiem rodzajów węgli z pól węglowych w całych Stanach Zjednoczonych. Chcieli lepiej zrozumieć ich potencjał sorpcyjny i dyfuzyjny i to, ile wodoru mogą pomieścić.

Wszystkie osiem rodzajów wykazywało znaczne właściwości sorpcyjne, przy czym nisko lotny węgiel bitumiczny ze wschodniej Wirginii i węgiel antracytowy ze wschodniej Pensylwanii uzyskały najlepsze wyniki w testach.

– Myślę, że jest wysoce prawdopodobne, że węgiel może być najlepszym wyborem do geologicznego składowania z naukowego punktu widzenia – powiedział Liu. – Odkryliśmy, że węgiel przewyższa inne formacje, ponieważ może pomieścić więcej i jest szeroko dostępny w całym kraju i w pobliżu obszarów zaludnionych.

Najlepszymi kandydatami mogą być wyeksploatowane złoża metanu z pokładów węgla. Pokłady te zawierają niekonwencjonalny gaz ziemny, taki jak metan, i w ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat stały się ważnym źródłem energii z paliw kopalnych. Metan przykleja się do powierzchni węgla w procesie zwanym adsorpcją.

Podobnie wtryskiwanie wodoru do węgla spowodowałoby wchłonięcie lub przyklejenie się tego gazu. Formacje te często mają na wierzchu warstwę łupków lub mułowców, które działają jak uszczelnienie utrzymujące metan, lub w tym przypadku wodór, zamknięty do czasu, gdy będzie potrzebny.

– Wiele osób definiuje węgiel jako skałę, ale tak naprawdę jest to polimer – powiedział Liu. – Ma wysoką zawartość węgla z wieloma małymi porami, które mogą przechowywać znacznie więcej gazu. Tak więc węgiel jest jak gąbka, która może pomieścić o wiele więcej cząsteczek wodoru w porównaniu z innymi materiałami niewęglowymi.

MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE

Firmy

Produkcja wodoru będzie musiała gonić popyt

Dekarbonizacja światowej gospodarki, będąca jednym z celów Porozumienia Paryskiego, wymaga znalezienia czystych źródeł energii, umożliwiających jednocześnie zaspokojenie globalnych potrzeb energetycznych. Jedną z ważniejszych ról w tym procesie może odegrać wodór, wynika z raportu „Wodór. Paliwo przyszłości”, przygotowanego przez firmę doradczą Deloitte. Zgodnie z szacunkami Unii Europejskiej do 2030 r. rozwój sektora produkcji tego paliwa przyczyni się do powstania 10 tys. miejsc pracy na każdy zainwestowany miliard euro. Realizacja ambitnych celów dotyczących produkcji wodoru nie będzie jednak możliwa bez wsparcia organów państwowych oraz samorządów.

Naukowcy zaprojektowali specjalny sprzęt do przeprowadzania eksperymentów. Węgiel ma słabsze powinowactwo do wodoru w porównaniu z innymi gazami sorpcyjnymi, takimi jak metan i dwutlenek węgla, więc tradycyjne urządzenia ciśnieniowe do określania sorpcji nie zadziałałyby.

Nowatorski projekt

– Zrobiliśmy bardzo nowatorski i bardzo wymagający projekt – powiedział Liu. – Zajęło lata, aby dowiedzieć się, jak to zrobić właściwie. Musieliśmy odpowiednio, metodą prób i błędów, zaprojektować system eksperymentów, opierając się na wcześniejszych doświadczeniach z węglami i łupkami.

Na podstawie uzyskanych wyników naukowcy ustalili, że węgle antracytowe i półantracytowe są dobrymi kandydatami do magazynowania wodoru w zubożonych pokładach węgla, a nisko lotny węgiel bitumiczny jest lepszym kandydatem do pokładów węgla gazowego.

Rozwój magazynowania wodoru w społecznościach górniczych może przynieść tym regionom nowe możliwości gospodarcze, pomagając jednocześnie w tworzeniu narodowej infrastruktury wodorowej.

– Podczas transformacji energetycznej to właśnie społeczności węglowe odczuły największy wpływ ekonomiczny – powiedział Liu. – Jest to z pewnością okazja do zmiany przeznaczenia regionu węglowego. Jeśli możemy zbudować infrastrukturę i zmienić ich możliwości gospodarcze – myślę, że powinniśmy to rozważyć.

Przyszłe prace będą koncentrować się na dynamicznej dyfuzyjności i dynamicznej przepuszczalności węgla, czyli cechach, które określają, jak szybko wodór może być wstrzykiwany i wypompowywany.

– Myślę, że Penn State jest właściwym miejscem do prowadzenia wszystkich tych badań – mamy rezerwy węgla, mamy gaz ziemny, mamy zarówno wiedzę inżynieryjną, jak i ekonomiczną na uniwersytecie – powiedział Liu. – To dobre miejsce, aby prowadzić badania.

Źródło: Penn State