Ważny krok w stronę zielonej energii
Wodór – jako najprostszy, najlżejszy i najpowszechniej występujący pierwiastek we wszechświecie – ma wiele potencjalnych zastosowań, dzięki czemu w przyszłości ma stać się jednym z kluczowych paliw transformacji energetycznej. Zastosowanie go jako zielonego paliwa wymaga jednak jeszcze uporania się z wieloma wyzwaniami.
Kolejnym krokiem prowadzącym do tego celu są badania kierowane przez naukowców Politechniki Śląskiej, którzy pracują nad innowacyjnym czujnikiem do wykrywania wodoru w mieszaninach gazów. Projekt o nazwie HydroSens prowadzony jest z partnerami z Hiszpanii i Szwecji oraz z Polskim Górnictwem Naftowym i Gazownictwem (PGNiG), w ramach programu Horyzont 2020.
INNOWACYJNE CZUJNIKI
Głównym celem projektu badawczego jest opracowanie czujników (sensorów) oraz systemu do wykrywania wodoru w mieszaninach gazów, w tym zawierających gaz ziemny. Urządzenia te, w założeniu, będą wykorzystywane m.in. do badania zawartości wodoru w mieszankach transportowanych sieciami dystrybucyjnymi i przesyłowymi.
– Podstawowym przeznaczeniem opracowywanych przez nas czujników jest wykrywanie wodoru w powietrzu, lecz czujniki te zdolne są do pracy w innych gazach i niewykluczone, że będą z powodzeniem pracować również w mieszaninie wodoru z metanem i innymi komponentami gazu ziemnego – powiedział kierownik projektu dr inż. Tomasz Jarosz z Wydziału Chemicznego Politechniki Śląskiej.
Dodał, że kwestia wykrywania wodoru w gazie ziemnym wynika m.in. z przyjętej przez Unię Europejską „Strategii wodorowej”, która określa potencjalne zastosowania wodoru jako paliwa przyszłości, w tym możliwość mieszania wodoru z gazem ziemnym, by zmniejszyć ślad węglowy tego drugiego. – Niewykluczone więc, że operatorzy dostarczający gaz ziemny, w tym PGNiG, będą musieli wprowadzać określoną ilość wodoru (np. 5% obj.) do dostarczanego gazu ziemnego. Wymusza to konieczność monitorowania stężenia wodoru w gazie ziemnym. A z uwagi na zjawisko „korozji wodorowej”, konieczne jest również monitorowanie wycieków wodoru z istniejących sieci dystrybucyjnych gazu ziemnego, które nie były projektowane z myślą o przenoszeniu wodoru – wyjaśnił badacz.
Opracowywane przez nich czujniki są nowością. – Czujniki wodoru wykonane w oparciu o polikarbazol są zupełną nowością, choć prowadzone były już prace nad wykorzystaniem monomeru karbazolu jako substancji mogącej być „magazynem” wodoru. Prace te jednak zakończyły się negatywną konkluzją, dlatego karbazol i polikarbazol przez wiele lat nie były badane w kontekście swych interakcji z wodorem. Poza tym, obecnie stosowane czujniki wodoru są zdolne do pracy w podwyższonych temperaturach, przez co są energochłonne i mogą być źródłem zapłonu mieszanin wodoru z powietrzem. Ponadto najbardziej rozpowszechnione czujniki katalityczne nie wykazują selektywności na wodór w obecności innych gazów palnych – odpowiadają tak samo na wodór, jak i na inne gazy palne (np. metan). Nasze czujniki są zdolne do pracy w temperaturze pokojowej, dzięki czemu nie wymagają ogrzewania – są znacząco mniej energochłonne i nie mogą być źródłem zapłonu mieszaniny wodoru z powietrzem – wskazał chemik.
Ponadto – kontynuował dr inż. Jarosz – obecnie stosowane czujniki wytwarzane są z półprzewodników nieorganicznych; ich wytwarzanie wymaga więc materiałów bardzo wysokiej czystości, co wiąże się z koniecznością prowadzenia licznych energo- i materiałochłonnych operacji oczyszczania i przetwórstwa. – Opracowywane przez nas czujniki wytwarzane są z półprzewodników organicznych – polikarbazolu i jego pochodnych. Polikarbazol można wytwarzać z roztworu za pomocą polimeryzacji elektrochemicznej, która nie wymaga materiałów wysokiej czystości i cechuje się tylko minimalnym zużyciem energii elektrycznej. Kolejną zaletą opracowywanych przez nas czujników jest to, że są one w stanie wykrywać bardzo niskie stężenia wodoru. Pomimo iż dla czujników, które opisaliśmy kilka lat temu w publikacji naukowej, nie prowadziliśmy żadnej optymalizacji pod kątem uzyskania korzystniejszych parametrów pracy, już wtedy mogliśmy pochwalić się czujnikami o parametrach porównywalnych, jeśli nie przewyższających parametry obecnie stosowanych czujników wodoru – powiedział dr inż. Jarosz.
Czujniki mają być wykorzystywane głównie w szeroko pojętym przemyśle wodorowym, a podstawowymi obszarami ich zastosowania ma być infrastruktura wytwarzania, transportu i użytkowania wodoru, w tym infrastruktura partnera przemysłowego w projekcie – PGNiG. Dr inż. Tomasz Jarosz zapewnił jednak, że czujniki nie będą ograniczone w zastosowaniu tylko do infrastruktury przemysłowej. – Jeśli wdrożone zostaną plany, by gaz ziemny w sieci przesyłowej częściowo suplementować wodorem, niewątpliwie znajdą one zastosowanie bliższe ludziom, gdyż będą mogły służyć do wykrywania ewentualnych wycieków wodoru z instalacji gazowych – wskazał.
– Podstawowym wyzwaniem w naszym projekcie będzie połączenie szeregu zagadnień z różnych dyscyplin nauki i techniki, tak aby uzyskać możliwie najbardziej użyteczne sensory. Konieczne będzie dobranie odpowiednich przetworników, projektowanych przez partnera hiszpańskiego, naniesienie i zoptymalizowanie parametrów warstw polikarbazolu i jego pochodnych, dobranie przez partnerów szwedzkich odpowiednich elementów elektrycznych i elektronicznych oraz opracowanie odpowiedniego oprogramowania i systemu komunikacji – podkreślił dr inż. Jarosz.
Pełna nazwa realizowanego projektu brzmi: „Niskotemperaturowe czujniki wodoru na bazie polikarbazolu i jego pochodnych”. Projekt realizowany jest w ramach europejskiego programu Horyzont 2020, poprzez mechanizm M-ERA.NET 3, przez konsorcjum obejmujące: Politechnikę Śląską (lidera), Institute of Microelectronics of Barcelona (Hiszpania), STC – Sensible Things that Communicate (Szwecja), PGNiG oraz MidDec Scandinavia AB (Szwecja). W Polsce program jest finansowany i koordynowany przez NCBiR. Projekt ma się skończyć w 2025 r. Zakładane jest osiągnięcie 7. Poziomu Gotowości Technologicznej (TRL 7), co oznacza etap ostatecznego prototypu zdolnego do pracy w docelowych warunkach użytkowania. Po zakończeniu projektu badacze, wraz z pozostałymi partnerami, planują przeprowadzenie dalszych prac rozwojowych i wdrożenie opracowanego rozwiązania.
Czteroosobowy zespół z Politechniki Śląskiej tworzą: dr inż. Tomasz Jarosz (lider), prof. Agnieszka Stolarczyk i mgr inż. Karolina Głosz z Wydziału Chemicznego oraz dr inż. Marcin Procek z Katedry Optoelektroniki Wydziału Elektrycznego.
DLACZEGO WODÓR?
Wodór – jako najprostszy, najlżejszy i najpowszechniej występujący pierwiastek we wszechświecie – ma wiele potencjalnych zastosowań. Ponowny wzrost popularności wodoru jako potencjalnego paliwa w dużej mierze powiązany jest z kwestią zmian klimatu i działaniami podejmowanymi na rzecz ograniczenia tych zmian. Dr inż. Jarosz przypomniał, że paliwa pochodzenia kopalnego (węgiel, ropa naftowa, oleje opałowe, itd.) zawierają atomy węgla, przez co ich spalanie powoduje wytwarzanie dwutlenku węgla, którego rosnące stężenie w atmosferze jest jednym z motorów zachodzących zmian klimatycznych. Ponadto, paliwa kopalne zawierają liczne związki azotu i siarki, a także soli nieorganicznych. O ile substancje te mogą być cennymi surowcami dla przemysłu chemicznego i warto rozważać wykorzystanie wydobywanego w Polsce węgla w charakterze ich źródła, o tyle spalanie tych substancji prowadzi do wytworzenia wielu problematycznych zanieczyszczeń np. tlenków azotu, tlenków siarki i popiołów.
W przeciwieństwie do paliw kopalnych, wodór może być otrzymywany w wyniku elektrolizy wody, a jego spalanie w powietrzu prowadzi do odtworzenia wody, z której został pozyskany. W konsekwencji hipotetyczne zastosowanie wodoru jako paliwa nie miałoby jako takie istotnego oddziaływania na środowisko. Jeśli energia elektryczna zużyta w procesie elektrolizy wody do otrzymania wodoru pozyskiwana byłaby ze źródeł odnawialnych (np. energia słoneczna), wytwarzanie i użytkowanie wodoru nie wiązałoby się z emisją żadnych zanieczyszczeń ani gazów cieplarnianych.
Jednocześnie, pomimo znacznego potencjału zastosowania wodoru jako paliwa, istnieje wiele problemów technologicznych, które muszą zostać rozwiązane, by możliwe było szerokie praktyczne zastosowanie wodoru jako paliwa. – Podstawowym problemem jest fakt, iż wodór z powietrzem tworzy mieszaniny palne i wybuchowe w bardzo szerokim zakresie stężeń (odpowiednio 4-75% obj. i 18.3-59% obj.), a w konsekwencji jego wyciek może prowadzić do katastrofalnych w skutkach zdarzeń. Cecha ta oznacza konieczność zastosowania układu czujników, pozwalającego błyskawicznie wykrywać wycieki wodoru, tak aby możliwe było wdrożenie działań zaradczych zanim osiągnięte zostanie stężenie wodoru pozwalającego na jego zapalenie się lub wybuch – powiedział badacz.
Kolejnym ograniczeniem zastosowania wodoru jest brak odpowiednio wydajnych rozwiązań w zakresie magazynowania wodoru. – Idealnym rozwiązaniem byłoby opracowanie technologii pozwalającej magazynować dowolnie duże ilości wodoru przez dowolnie długi czas, a jednocześnie w sposób kontrolowany uwalniać ten wodór, gdy zaistnieje potrzeba jego wykorzystania. Na chwilę obecną znane są technologie pozwalające długoterminowo magazynować niewielkie ilości wodoru lub krótkoterminowo magazynować większe ilości tego gazu, ale z uwagi na występowania zjawiska „korozji wodorowej” niepraktyczne jest zastosowanie tradycyjnych zbiorników na wodór – wyjaśnił dr inż. Jarosz.
– W konsekwencji rozwój „technologii wodorowych” pozwala spodziewać się szans szerszego wykorzystania wodoru jako przyjaznego środowisku (zielonego) paliwa, lecz zastosowanie to wymaga jeszcze uporania się z wieloma wyzwaniami – podsumował badacz.
Dr inż. Tomasz Jarosz – Katedra Fizykochemii i Technologii Polimerów, Wydział Chemiczny Politechniki Śląskiej
tekst: Agnieszka Kliks-Pudlik
zdjęcia: Arch. prywatne
