Klimato kaita ir globalinis atšilimas – vienas didžiausių šių laikų pasaulio iššūkių, kuriam įveikti reiktų sumažinti anglies dioksido išmetimą į atmosferą. Japonijoje, Šidžuokos universitete daktaro disertaciją apsigynęs KTU mokslininkas Vytautas Kavaliūnas kurią įrankį, skirtą išgauti žaliajam vandeniliui. Pastaroji medžiaga įvardijama kaip vienas efektyviausių atsinaujinančių energijos šaltinių.
Mokslininkai jau seniai įspėjo, kad anglies dioksido kiekis atmosferoje turi mažėti. Paryžiaus susitarimu dėl klimato kaitos iki 2025 m. klimato šilimą siekiama sumažinti 2 laipsniais (lyginant su iki industriniu laikotarpiu). Labai garsiai kalbama, kad norint sumažinti šilimą lemiančią anglies dvideginio koncentraciją, būtina didinti investicijas į atsinaujinančią energetiką.
Švarus arba žaliasis vandenilis yra viena iš Europos žaliojo kurso ir ES priimtos strategijos dalių, kuria siekiama sumažinti priklausomybę nuo nešvaraus, importuojamo iškastinio kuro. Juo paremtos technologijos sulaukia vis daugiau dėmesio ir įvardijamos kaip vienas iš pagrindinių ekonomikos dekorbanizacijos ramsčių.
Apie tai ir apie kuriamą įrankį žaliam vandeniliui išgauti kalbamės su Kauno technologijos universiteto Matematikos ir gamtos mokslų fakulteto (KTU MGMF) mokslininku dr. Vytautu Kavaliūnu. Pasak fiziko, šioje srityje vystoma nemažai mokslinių tyrimų, tačiau vis nerandama komerciškai patrauklaus, visiškai „žalio" bei efektyvaus būdo vandeniliui išgauti.
– Vytautai, kodėl žaliasis vandenilis?
– Vandenilį galima išgauti įvairiais būdais, ir priklausomai nuo to, kokiu būdu tai padaroma, jis skirstomas pagal spalvas. Plačiai naudojami terminai – mėlynasis ir žaliasis vandenilis. Rečiau – rožinis, geltonas, baltas, pilkas ar turkio spalvos.
Žaliasis vandenilis yra švariausias, kadangi jo gavybai naudojami atsinaujinantys energijos šaltiniai (vėjas ar saulė), o galutinis produktas yra tik vandenilis ir deguonis. Žaliojo vandenilio gavybos metu nesusidaro šalutiniai produktai, sukeliantys šiltnamio efektą, t. y. anglies dvideginis (CO2).
Vandenilio panaudojimą galima prilyginti gamtinėms dujoms ar kurui. Jis gali pilnai pakeisti gamtines dujas, naudojamas tiek buityje, tiek pramonėje. Dabartinis vamzdžių „tinklas“, kuris naudojamas dujoms transportuoti, gali būti pritaikytas vandeniliui.
Negana to, dar 2018 m. buvo pranešta apie vidaus degimo variklių galimybę pritaikyti vandeniliui. Tai reikštų, kad ši technologija (priešingai nei elektromobiliai) būtų prieinama visoms socialinėms grupėms ir nereikėtų gaminti naujų, brangių, specialiai vandeniliui pritaikytų automobilių.
– Skamba išties daug žadančiai. Minėjote, kad sprendimų yra ieškoma ir kuriama jau kurį laiką, tačiau jie ne visi sėkmingi? Kokios yra būtinos sąlygos, kad šios technologijos neštų naudą?
– Būtinos sąlygos vandenilio gavyboje yra efektyvumas, t. y. sunaudojamas energijos kiekis negali būti didesnis negu gauto vandenilio suteikiamas energijos kiekis, ekologiškumas, t. y. negali susidaryti gamtą teršiantys šalutiniai produktai (CO2) bei atsinaujinančios energetikos panaudojimas – vandenilio gavybai negali būti naudojamas iškastinis kuras ar kiti energijos šaltiniai, kurie teršia aplinką.
Žaliasis vandenilis dažniausiai yra išgaunamas elektrolizės būdu. Kadangi vandenilio energetikoje yra svarbus ekologiškas būdas gauti vandeniliui, pakalbėkime apie konkrečius skaičius elektrolizės procese.
Įsivaizduokime, norint išgauti 1 kg vandenilio dujų, reikia apie 9 l distiliuoto vandens ir apie 50 kilovatvalandžių (kWh) elektros energijos. Tačiau 1 kg vandenilio dujų gali suteikti tik apytikriai 33 kWh energijos (beveik tris kartus daugiau, nei kg benzino ar dyzelino ~12 kWh), tačiau tai reiškia, kad proceso efektyvumas yra apie 66 proc.
Remiantis statistika, 1 kWh kaina Europoje 2020 m. buvo apie 0,22 Eur, o vandenilio kaina yra 11 Eur už kg neskaičiuojant transportavimo ir laikymo kaštų. Taigi, elektrolizės būdu gautas vandenilis nėra komerciškai patrauklus, ir jo „spalva“ priklauso nuo to, kokia energija yra naudojama elektrolizei: vėjo jėgainės, saulės baterijos, iškastinis kuras ar branduolinė energija.
– Kiek stiprų ir kokį poveikį klimato kaitai galėtų turėti komerciškai sėkmingo sprendimo suradimas? Ar tikrai galėtume šias technologijas tuomet pavadinti pasaulio dekorbanizacijos ramsčiu?
– Proveržis žaliojo vandenilio gavyboje būtų tvirtas atspirties taškas atsinaujinančios energetikos srityje ir paliktų ryškų švaresnio rytojaus pėdsaką. Vadovaujantis tuo, kad naudojant vandenilį, kaip energijos šaltinį, šalutiniai produktai gali būti vanduo ar vandens garai, – galima drąsiai teigti, kad tai taptų tvirtu pasaulio dekarbonizacijos ramsčiu.
Akivaizdu, kad vandenilio energetika yra būtent ta sritis, į kurią turime koncentruotis norėdami išvengti baisių padarinių, ateinančių kartu su globaliniu atšilimu.
– Ir jūs savo tyrimais siekiate sukurti komerciškai sėkmingą technologiją, įrankį? Papasakokite plačiau.
– Idėjos esmė paprasta: įrenginį įmerkus į distiliuotą vandenį ir apšvietus jį saulės šviesa, gaunamas deguonis ir vandenilis.
Kalbant šiek tiek plačiau, mes dirbame su sistema kurią sudaro hibridinis titano dioksido fotoelektrodas (vadinkime jį pagrindiniu) bei saulės elemento pagrindu sukurtas fotoelektrodas (vadinkime jį šalutiniu) (žr. paveikslėlyje).
Naudojant pateiktą sistemą, atsiranda galimybė gauti žaliąjį vandenilį iš vandens naudojant tik saulės energiją, be papildomų energijos šaltinių. Taip pat tam reikalingi specialiai šiam procesui pritaikyti indai, kuriuose deguonis ir vandenilis būtų nedelsiant surenkami, be galimybės sureaguoti tarpusavyje.
Negana to, dalis mokslinių darbų orientuojasi į pagrindinio fotoelektrodo gamybą ir modifikaciją, o kaip šalutinį fotoelektrodą naudoja platinos elektrodą. Ne paslaptis, kad platina yra priskiriama tauriesiems metalams ir yra ganėtinai brangi. Tad mūsų tikslas – ne tik sukurti pagrindinį fotoelektrodą, bet ir komerciškai patrauklią alternatyvą platinos elektrodui.
Paskutiniai atlikti tyrimai parodė, kad mūsų sukonstruota sistema, naudojant pagrindinį fotoelektrodą ir saulės elemento pagrindu sukurtą šalutinį fotoelektrodą, pasiekia beveik 75 proc. didesnį efektyvumą, lyginant su platinos elektrodu. Tad, manau, kad einame teisinga linkme.
– Ar jūsų kuriamas įrankis bus komercializuojamas?
– Sudėtingas klausimas, tačiau į jį atsakymas būtų toks: mano tikslas – švari energija ir mūsų Žemės išsaugojimas. Taigi, sukurtas produktas turi būti plačiai prieinamas visoms socialinėms grupėms bei visoms šalims, tam kad CO2 emisija būtų sumažinta kaip įmanoma sparčiau.
– Kaip ši technologija galėtų būti pritaikoma pramonėje? Energetikos, transporto sektoriuose?
– Galbūt pradėsiu nuo transporto sektoriaus, kadangi studijuojant Japonijoje, pačiam teko pasinaudoti viešojo transporto paslauga Tokijuje, kur autobusas buvo varomas vandeniliu. Vandenilis, kaip alternatyva kurui, bei jo realus panaudojimas kai kuriose šalyse jau yra taikomas. Tiesa, tokių autobusų Tokijuje yra vienetai, lyginant su iškastiniu kuru varomais autobusais, tačiau tai parodo, kiek jau yra pažengta šioje srityje. Žinoma, tai labiau atspindi vandenilio panaudojimą, bet ne jo gavybą.
Pramonės ar energetikos srityje vandenilis galėtų pakeisti gamtines dujas, iškastinį kurą, tikėtina, kad ir branduolines jėgaines. Įrangą, kaip panaudoti vandenilį, mes jau turime. Reikia tik rasti būdų, kaip efektyviai ir ekologiškai išgauti vandenilį.
– Neseniai apsigynėte disertaciją šia tema. Ar ketinate tęsti mokslinę veiklą? Ar ta pačia linkme? Kokie jūsų ateities planai?
– Savo daktaro disertaciją apsigyniau Japonijoje, Šidzuokos universitete. Būtent ten gimė idėja apie mūsų kuriamą „įrenginį“ vandenilio gavybai. Čia norėčiau paminėti žmogų be kurio, tikriausiai, nebūčiau sugebėjęs išvystyti šios idėjos – tai profesorius Yoshinori Hatanaka.
Su juo dirbome dvejus metus. Idėją kartu su savimi parsivežiau į Lietuvą ir savo žiniomis bei patirtimi stengiuosi pasidalyti su KTU MGMF Fizikos katedroje esančia komanda. Be jokios abejonės, planuoju tęsti mokslinius tyrimus.
– Svajonė apie švarią energiją taps realybe?
– Reikia sugebėti atsirinkti, kokia energija iš tikrųjų yra visiškai švari. Vien tai, kad žmogus turi elektra varomą automobilį, dar nereiškia, kad energija jam pakrauti yra žalioji energija, nepaliekanti CO2 pėdsako atmosferoje.
