Konec šedé éry - řešení výzvy udržitelné výroby vodíku

Potenciál vodíku jako ekologicky šetrného paliva bude využit pouze tehdy, pokud se jej podaří učinit nákladově efektivním a pokud se společnost dokáže oprostit od současné převahy „šedého vodíku“ na trhu a jeho neudržitelných emisí CO₂. Pyrolýza biomasy byla dobře prozkoumána jako potenciálně uhlíkově neutrální způsob výroby vodíku, ale obvykle vyžaduje rozsáhlé zpracování vstupních surovin a vysokou spotřebu energie.

Nyní se však britský start-up Wild Hydrogen domnívá, že všechny tyto problémy překonal díky nové konstrukci zplyňovacího reaktoru. Hovoříme s nimi o tom, jak chtějí dosáhnout toho, aby výroba vodíku byla bezemisní, a jak využívají GC-MS od společnosti Shimadzu k  pochopení složení svých plynných, kapalných a pevných produktů.

Shimadzu: Obrázek 1 - Vodík nabízí perspektivu ekologičtějších procesů v těžké dopravě a průmyslu, které je jinak obtížné zbavit uhlíku - ale pouze v případě, že samotný způsob výroby vodíku neuvolňuje CO2.

Šedý, modrý, zelený ... a čistý vodík

Celosvětový trh s vodíkem má v současné době hodnotu 100 miliard liber, přičemž hlavní cílové aplikace jsou v odvětvích, která se obtížně převádějí na elektrickou energii, jako je těžký průmysl, a jako palivo pro nákladní vozidla a lodní dopravu.

Vodík má však jeden velký problém - a tím je způsob jeho výroby. Na trhu v současné době dominuje šedý vodík, který se vyrábí zplyňováním fosilních paliv, ale při tomto procesu se uvolňuje velké množství CO₂. Modrý vodík, vyráběný stejným způsobem, ale se zachycováním a ukládáním uhlíku, je náročný na zdroje, a proto velmi drahý. A zelený vodík, vyráběný elektrolýzou vody pomocí elektřiny z obnovitelných zdrojů, má stejné problémy a také využívá vzácné materiály, takže je neekonomický.

Jak tedy dosáhnout toho, aby výroba vodíku byla méně náročná na zdroje a zároveň eliminovala - nebo dokonce zvrátila - emise CO₂, které ji obvykle doprovázejí? Výzkumná a vývojová společnost Wild Hydrogen si myslí, že má odpověď, a na cestě k tomu, co nazývá „čistý vodík“, používá GC-MS od společnosti Shimadzu.

Přidání zachycování uhlíku do zplyňování biomasy

Společnost Wild Hydrogen vznikla v říjnu 2021 během rozhovoru v kavárně mezi Jamesem Milnerem (nyní CEO) a Markem Wickhamem (nyní CTO). „Název vzešel z našeho odhodlání k technologickým inovacím v oblasti výroby vodíku a odvážné ochoty zpochybnit status quo ve vyvíjející se energetice, '' říká James Milner. O několik měsíců později byla společnost založena a byla navázána spolupráce s Cranfieldskou univerzitou a společností Helical Energy, která měla pomoci jejich nápad uskutečnit.

Tato myšlenka se soustředí na zplyňování biomasy na vodík a CO₂, přičemž se používá proces založený na reaktoru, který účinně odstraňuje atmosférický CO₂ tím, že jej zachycuje z proudu produkovaného plynu. Protože vstupní surovina nepochází z fosilního uhlíku a protože CO₂ lze zachytit, je tato metoda potenciálně nejen uhlíkově neutrální, ale i uhlíkově negativní. Jedním tahem by tak bylo možné vyrábět vodík potřebný pro ekonomiku zítřka a zároveň (v podstatě) využívat fotosyntézu k náročné práci odstraňování CO₂ z atmosféry, který je příčinou klimatických změn.

Vzhledem k tomu, že jejich práce je stále ve fázi vývoje, podrobnosti o jejich reaktoru a procesu, který používají, zatím nejsou veřejně dostupné. Dosáhli však tří zásadních pokroků, které jim umožnily učinit výrobu vodíku ekonomicky životaschopnou:

• Minimální předběžná příprava: Jejich metoda nevyžaduje rozsáhlé zpracování vstupní suroviny před vložením do reaktoru. Konkrétně může mít biomasa obsah vody až 50 % hmot. a nemusí být rozemleta na stejnou velikost, což zvyšuje celkovou ekonomickou efektivitu.
• Snížení nákladů na ohřev: Díky pečlivému nastavení reaktoru a pracovnímu postupu se podařilo snížit množství času a energie potřebné ke zvýšení teploty a tlaku biomasy potřebných ke zplyňování.
• Minimální využití zdrojů: Díky použití pouze snadno dostupných kovů a keramiky jejich přístup eliminuje potřebu vzácných nebo nebezpečných kovů vzácných zemin. Na rozdíl od některých jiných metod také není nutné používat velké množství vody, což dále zvyšuje ekologičnost této metody.

Aby tým společnosti Wild Hydrogen prokázal, že jejich koncepce funguje v praxi, pracoval v posledních dvou letech na vývoji řady prototypů, jejichž rozsah, účinnost a robustnost se neustále zvyšovaly. Bylo také prokázáno, že jejich konstrukce reaktoru funguje s různými vstupními surovinami z biomasy, včetně bioenergetických plodin, lesních zbytků, makrořas a také odpadních produktů, jako je například nadměrný kompost. Reaktor dosahuje dobrých výsledků dokonce i s plastovým odpadem!

Shimadzu: Obrázek 2 - Sláma, dřevěné pelety a kompost - jedny z biogenních surovin, které tým Wild Hydrogen zkoumal pro výrobu vodíku

Hodnocení čistoty vodíku ... a složení vedlejších produktů

Výsledkem procesu přeměny biomasy společnosti Wild Hydrogen je plyn bohatý na vodík, který však obsahuje také oxid uhličitý, oxid uhelnatý, metan a řadu dalších těkavých sloučenin v nízkých koncentracích. Aby se však jejich reaktor stal životaschopnou komerční nabídkou, musí vyrábět plyn s vysokou čistotou a mít analytický systém, který tuto čistotu dokáže prokázat.

Čistota jejich vodíku, jakkoli je pro společnost důležitá, není konec příběhu. Výsledkem procesu zplyňování je také pevný biouhel a malé množství kapalného biooleje (neboli dehtu). Pochopení chemických látek přítomných v těchto produktech je nezbytné pro vypracování procesů, které probíhají uvnitř reaktoru, a tím i pro optimalizaci výtěžnosti vodíku. Tým však také usiluje o to, aby byl celý proces co nejvíce „kruhový“, a to opětovným využitím těchto vedlejších produktů: biouhel by se mohl použít například k zachycování CO₂, zatímco bioolej by se mohl přidat zpět do suroviny k výrobě dalšího vodíku.

Pro pochopení složení všech těchto plynů, kapalin a pevných látek je zapotřebí všestranné analytické zařízení - a právě zde přichází na řadu společnost Shimadzu.

Shimadzu: Obrázek 3: Analýza plynů ve společnosti Wild Hydrogen zahrnuje odběr alikvotní části z plynových vaků používaných pro odběr vzorků - což je nezbytné, protože podmínky v reaktoru s biogenním materiálem vylučují odběr vzorků online.

Vývoj analytického systému na míru

Rozhovor se společností Shimadzu začal již na počátku, po setkání na laboratorním veletrhu. Tým společnosti Wild Hydrogen byl obzvláště nadšený možností pokrýt celou škálu plynných analytů v jednom cyklu a rozhodnutí pro společnost Shimadzu bylo utvrzeno poté, co si uvědomili hodnotu konzultačního přístupu společnosti Shimadzu a jakmile se na vlastní oči přesvědčili o schopnostech jejich přístrojů.

Brzy bylo jasné, že bude zapotřebí vlastní systém, protože podmínky v reaktoru vylučovaly použití online vzorkování, zatímco přání společnosti Wild Hydrogen umožnit analýzy necílových sloučenin v kapalných a pevných frakcích i v plynných vzorcích znamenalo, že bude zapotřebí MS detekce (spíše než FID, TCD nebo BID).

Hotové systémy pro tento druh práce nejsou snadno dostupné, ale společnost Shimadzu se specializuje na úpravu standardních GC-MS přístrojů pro specifické aplikace, takže se pustila do práce na vývoji sestavy pro Wild Hydrogen. Výsledkem byl systém na míru založený na přístroji Shimadzu GCMS-QP2020 NX, jehož nastavení pro analýzu plynů zahrnuje dvě smyčky pro vzorky plněné z kanystru nebo plynového vaku. Smyčky jsou připojeny ke kolonám PLOT, které poskytují vynikající výkon pro vodík, oxid uhličitý a další očekávané stálé plyny. Použití MS detektoru znamená, že systém může detekovat a identifikovat těkavé organické sloučeniny očekávané z biouhlu a biooleje, přičemž separace směsí se dosáhne jednoduchou výměnou jedné z kolon PLOT za kapilární kolonu.

Shimadzu: Obrázek 4: Pracovník společnosti Wild Hydrogen Dr. Michael Sims na snímku s vlastním systémem Shimadzu, který společnost Wild Hydrogen používá ke kontrole složení plynů, kapalin a pevných látek vznikajících při zplyňování biogenních materiálů.

Výzkumný chemik Dr. Michael Sims

Systém byl nainstalován v létě 2023, zhruba ve stejné době, kdy Dr. Michael Sims nastoupil do společnosti Wild Hydrogen jako výzkumný chemik. Díky svému vzdělání v oblasti organické geochemie byl Michael obeznámen s využitím pyrolýzy ke studiu organických zbytků v horninách, takže přechod ke studiu produktů rozkladu biomasy v reaktorech společnosti pomocí nového GC-MS byl přirozeným krokem. Ve své současné funkci pracuje na jejich čtvrtém prototypu reaktoru, přezdívaném „Mini“, se zaměřením na maximalizaci energetické účinnosti a zpětné získávání tepla.

Všestranné přístrojové vybavení a pohotový personál

Po téměř ročním používání systému Shimadzu Michael říká, že je s ním velmi spokojen: „Líbí se nám na něm jeho všestrannost - můžeme nastavení přizpůsobit tak, abychom mohli provádět řadu různých analýz, a přepínání mezi nimi je velmi jednoduché. Kdybychom si pořídili jen plynový analyzátor nebo hotový systém GC-MS, tuto možnost bychom neměli.“

A mít vlastní systém znamená, že může rychle reagovat na interní požadavky, protože se nemusí spoléhat na drahé a časově náročné externí analýzy. „S naším systémem Shimadzu mohu provést analýzu plynu a do 10 minut mohu zbytku týmu sdělit, jaké je složení. Je to náš laboratorní kůň a dá se říci, že se stal důležitou součástí našich operací.“

Dodává, že pro Michaela a zbytek týmu ve společnosti Wild Hydrogen je důležitá úroveň služeb, které jim společnost Shimadzu poskytla: „Zprovoznění systému bylo bezproblémové a následná péče byla také velmi pozitivní - všichni jsou opravdu přístupní, a pokud máme nějaký dotaz, byť malý, můžeme se na ně obrátit.“

Shimadzu: Obrázek 5: Dr. Michael Sims kontroluje kolonu v peci zakázkového GCMS Shimadzu, v popředí je vidět ochranná kolona a dvě kolony pro separaci sloučenin (žlutá a oranžová). Použití více kolon znamená, že celkový průtok plynu do MS je vyšší než obvykle - to však snadno zvládá vysokokapacitní dvoufázové turbopumpa systému, která je schopna zvládnout až 15 ml/min bez ztráty citlivosti.

Vedoucí postavení v oblasti udržitelného vodíku

V současné době, říká Michael, se pouštějí do projektů zkoumajících nejlepší podmínky pro čištění jejich plynů. Prvním aspektem je navazující technologie pro oddělení CO₂ od vodíku, následovaná čisticím zařízením.

U vodíku bude podle Michaela hodně záležet na tom, co budou požadovat odběratelé jejich plynů. „Ale“, dodává, “v zásadě se snažíme vyrábět vodík dostatečné čistoty vhodný pro palivové články používané ve vozidlech na vodíkový pohon.“

Aby zajistili, že CO_2, který oddělí, bude mít vhodnou čistotu pro ukládání uhlíku, budou muset zkontrolovat, zda neobsahuje kyslík a další kontaminanty - což je další aspekt jejich pracovního postupu, pro který bude jejich systém Shimadzu nepochybně velmi užitečný, vysvětluje.

Závěrem lze tedy říci, že společnost Wild Hydrogen získává ze svého GCMS Shimadzu velkou hodnotu. Michael říká: „Všestranný analytický systém, který umožňuje rychlou výměnu vzorků, nejenže urychlil náš výzkum a vývoj, ale bude také nedílnou součástí ověřování čistoty plynů, které vyrábíme.“

A tyto výhody budou mít zásadní význam pro to, aby společnost Wild Hydrogen zaujala vedoucí postavení v nákladově efektivní a udržitelné výrobě „čistého vodíku“ - což je výhra pro průmysl i klima.

Wild Hydrogen: Clear H2