Ερευνητές του Skoltech ανακάλυψαν έναν τρόπο παραγωγής υδρογόνου από φυσικό αέριο με απόδοση 45% απευθείας στο κοίτασμα, μέσω της έγχυσης ατμού και τη χρήση καταλύτη στη γεώτρηση, και της προσθήκης οξυγόνου για την καύση του αερίου. Η καύση με τη βοήθεια καταλύτη παράγει ένα μείγμα μονοξειδίου του άνθρακα και υδρογόνου, από το οποίο μπορεί εύκολα να εξαχθεί το τελευταίο. Αυτή η τεχνολογία θα βοηθήσει στην επιτάχυνση της μετάβασης από τα ορυκτά καύσιμα σε καθαρή ενέργεια υδρογόνου. Η μελέτη δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Fuel.
Περίπου το 80% της ενέργειας προέρχεται από ορυκτά καύσιμα, όπως το πετρέλαιο και το φυσικό αέριο, τα οποία απελευθερώνουν διοξείδιο του άνθρακα κατά την καύση, απειλώντας το περιβάλλον και συμβάλλοντας περαιτέρω στην κλιματική αλλαγή. Παρόλο που το φυσικό αέριο θεωρείται «καθαρότερο» από το πετρέλαιο λόγω των πολλών τοξικών ρύπων του, εξακολουθεί να εκπέμπει διοξείδιο του άνθρακα κατά την καύση, καθιστώντας το μια απειλή για το περιβάλλον.
Το υδρογόνο, το οποίο εκπέμπει μόνο υδρατμούς, θα μπορούσε να αποτελέσει μια πιο υγιεινή εναλλακτική. Ωστόσο, η ευρεία χρήση αυτής της «πράσινης» πηγής ενέργειας εμποδίζεται από τις δυσκολίες παραγωγής.
Για πρώτη φορά, μια ομάδα επιστημόνων από το Ινστιτούτο Επιστήμης και Τεχνολογίας Skolkovo στη Μόσχα πρότεινε την εξαγωγή υδρογόνου από τις δεξαμενές κοιτασμάτων φυσικού αερίου, οι οποίες είναι πλούσιες σε υδρογονάνθρακες που περιέχουν μεγάλη ποσότητα υδρογόνου σε μοριακό επίπεδο. Αυτό σημαίνει ότι οι υδρογονάνθρακες, μόλις μετατραπούν, μπορούν να αποδώσουν άφθονο «πράσινο» καύσιμο.
Η ομάδα έχει προτείνει μια αποτελεσματική διαδικασία πολλαπλών σταδίων για την παραγωγή υδρογόνου από κοιτάσματα φυσικού αερίου. Πρώτον, εγχέεται ατμός στην πηγή μαζί με έναν καταλύτη που θα βοηθήσει αργότερα στον διαχωρισμό του υδρογόνου από τα συστατικά του φυσικού αερίου. Στη συνέχεια, διοχετεύεται αέρας ή καθαρό οξυγόνο για να αναφλέξει το αέριο απευθείας στη δεξαμενή του κοιτάσματος.
Με τη βοήθεια του ατμού και του καταλύτη, το φυσικό αέριο καίγεται και μετατρέπεται σε μείγμα μονοξειδίου του άνθρακα και υδρογόνου. Το διοξείδιο του άνθρακα που σχηματίζεται από το μονοξείδιο του άνθρακα παραμένει στη δεξαμενή και δεν συμβάλλει στο φαινόμενο του θερμοκηπίου.
Στο τελικό στάδιο, το υδρογόνο εξάγεται από την πηγή μέσω μιας μεμβράνης που αποκλείει άλλα προϊόντα καύσης, αφήνοντας το μονοξείδιο του άνθρακα και το διοξείδιο του άνθρακα μόνιμα παγιδευμένα υπόγεια.
Οι ερευνητές δοκίμασαν τη διαδικασία τους σε εργαστηριακούς αντιδραστήρες που προσομοίωναν ένα πραγματικό περιβάλλον ταμιευτήρα φυσικού αερίου. Τοποθέτησαν θρυμματισμένο βράχο στον αντιδραστήρα και στη συνέχεια άντλησαν μεθάνιο, το κύριο συστατικό του φυσικού αερίου, μαζί με ατμό και καταλύτη, και έπειτα οξυγόνο. Η πίεση μέσα στον αντιδραστήρα διατηρήθηκε σε επίπεδο τυπικό για δεξαμενές φυσικού αερίου (ογδόντα φορές υψηλότερη από την ατμοσφαιρική πίεση).
Καθώς το πείραμα προχωρούσε, η ομάδα ανέλυσε τη σύνθεση των αερίων στον αντιδραστήρα για να αξιολογήσει την αποτελεσματικότητα της μετατροπής του μεθανίου σε υδρογόνο. Αποδείχθηκε ότι το μεγαλύτερο μέρος του υδρογόνου – 45% του συνολικού όγκου αερίου – σχηματίστηκε στους 800°C με μεγάλες ποσότητες ατμού που εγχύθηκαν στον αντιδραστήρα.
Για να γίνει η αντίδραση όσο το δυνατόν πιο αποτελεσματική, θα πρέπει να υπάρχει τέσσερις φορές περισσότερος ατμός από το φυσικό αέριο. Οι ερευνητές επέλεξαν τη θερμοκρασία 800°C επειδή επιτυγχάνεται εύκολα με την καύση φυσικού αερίου και δεν χρειάζεται τεχνητή συντήρηση.
Η απόδοση υδρογόνου εξαρτιόταν επίσης από τη σύνθεση του πετρώματος. Για παράδειγμα, σε πειράματα με πορώδη αλουμίνα (Οξείδιο του αργιλίου), η απόδοση υδρογόνου έφτασε το 55%. Η υψηλότερη απόδοση σε αυτή την περίπτωση εξηγείται από το γεγονός ότι η αλουμίνα είναι αδρανής, δηλαδή δεν αντιδρά με τα γύρω στοιχεία. Το φυσικό πέτρωμα περιέχει άλλα, πιο ενεργά ορυκτά που μπορούν να αντιδράσουν με τα συστατικά του μείγματος αερίων και να επηρεάσουν την απόδοση υδρογόνου.
“Όλα τα στάδια της διαδικασίας βασίζονται σε καθιερωμένες τεχνολογίες που δεν έχουν προηγουμένως προσαρμοστεί για παραγωγή υδρογόνου από πραγματικές δεξαμενές αερίου. Έχουμε αποδείξει ότι η προσέγγιση μας μπορεί να βοηθήσει στη μετατροπή των υδρογονανθράκων σε “πράσινα” καύσιμα στο περιβάλλον πεδίου με αποτελεσματικότητα έως και 45%. Στο μέλλον, σκοπεύουμε να δοκιμάσουμε τη μέθοδο μας σε πραγματικά πεδία φυσικού αερίου», λέει η Elena Mukhina, Ph.D., ανώτερη ερευνήτρια στη Skoltech Petroleum και επικεφαλής του έργου.
