Studie ukazuje, že výroba vodíku z hliníkových plechovek a mořské vody je škálovatelná a udržitelná

Vodík má potenciál stát se ekologickým palivem, jelikož při jeho spalování nevzniká oxid uhličitý. V současné době se však většina metod výroby vodíku opírá o fosilní paliva, což snižuje jeho ekologický přínos během celého životního cyklu.

Nový proces vyvinutý inženýry MIT by mohl výrazně snížit uhlíkovou stopu spojenou s výrobou vodíku.

V loňském roce tým oznámil, že dokáže produkovat vodík kombinací mořské vody, recyklovaných hliníkových plechovek a kofeinu. Otázkou však bylo, zda je tento laboratorní proces použitelný v průmyslovém měřítku a jaké jsou jeho environmentální náklady.

Nyní výzkumníci provedli analýzu životního cyklu „od kolébky po hrob“, která zohledňuje každý krok procesu v průmyslovém měřítku. Tým například vypočítal emise uhlíku spojené s získáváním a zpracováním hliníku, jeho reakcí s mořskou vodou za účelem produkce vodíku a přepravou paliva na čerpací stanice, kde by řidiči mohli tankovat vodík do nádrží pro pohon motorů nebo palivových článků. Zjistili, že nový proces by mohl generovat zlomek emisí uhlíku ve srovnání s konvenční výrobou vodíku.

Ve studii, která dnes vyšla v časopise Cell Reports Sustainability, tým uvádí, že na každý kilogram vyrobeného vodíku by proces generoval 1,45 kilogramu oxidu uhličitého během celého svého životního cyklu. Pro srovnání, procesy založené na fosilních palivech emitují 11 kilogramů oxidu uhličitého na kilogram vyrobeného vodíku.

Nízká uhlíková stopa je srovnatelná s jinými navrhovanými technologiemi „zeleného vodíku“, jako jsou ty poháněné solární a větrnou energií.

„Jsme v oblasti zeleného vodíku,“ říká hlavní autor Aly Kombargi PhD '25, který letos na jaře promoval na MIT s doktorátem v oboru strojírenství. „Tato práce zdůrazňuje potenciál hliníku jako čistého zdroje energie a nabízí škálovatelnou cestu pro nasazení vodíku s nízkými emisemi v dopravě a v odlehlých energetických systémech.“

Spoluautory studie z MIT jsou Brooke Bao, Enoch Ellis a profesor strojírenství Douglas Hart.

Plynové bubliny

Hození hliníkové plechovky do vody obvykle nezpůsobí žádnou výraznou chemickou reakci. Je to proto, že když je hliník vystaven kyslíku, okamžitě se na něm vytvoří ochranná vrstva. Bez této vrstvy existuje hliník v čisté formě a může snadno reagovat při smíchání s vodou. Reakce, která probíhá, zahrnuje atomy hliníku, které efektivně rozkládají molekuly vody, čímž se vytváří oxid hlinitý a čistý vodík. A k tomu, aby se vytvořilo značné množství plynu, stačí jen malé množství kovu.

„Jednou z hlavních výhod použití hliníku je energetická hustota na jednotku objemu,“ říká Kombargi. „S velmi malým množstvím hliníkového paliva můžete teoreticky dodat značnou část energie pro vozidlo na vodíkový pohon.“

V loňském roce on a Hart vyvinuli recept na výrobu vodíku na bázi hliníku. Zjistili, že mohou prorazit přirozenou ochrannou vrstvu hliníku ošetřením malým množstvím gallia-india, což je vzácná kovová slitina, která efektivně čistí hliník do jeho čisté formy. Výzkumníci poté smísili pelety čistého hliníku s mořskou vodou a pozorovali, že reakce produkovala čistý vodík. Navíc sůl ve vodě pomohla srážet gallium-indium, které poté tým mohl získat zpět a znovu použít k výrobě více vodíku v úsporném a udržitelném cyklu.

„Na konferencích jsme vysvětlovali vědu tohoto procesu a otázky, které jsme dostávali, byly: ‚Kolik to stojí?‘ a ‚Jaká je jeho uhlíková stopa?‘“ říká Kombargi. „Proto jsme se chtěli na proces podívat komplexně.“

Udržitelný cyklus

Pro svou novou studii Kombargi a jeho kolegové provedli analýzu životního cyklu, aby odhadli environmentální dopad výroby vodíku na bázi hliníku v každém kroku procesu, od získávání hliníku po přepravu vodíku po výrobě. Zaměřili se na výpočet množství uhlíku spojeného s generováním 1 kilogramu vodíku – množství, které si zvolili jako praktickou ilustraci na úrovni spotřebitele.

„S vozem s palivovými články, který používá 1 kilogram vodíku, můžete ujet 60 až 100 kilometrů, v závislosti na účinnosti palivového článku,“ poznamenává Kombargi.

Analýzu provedli pomocí Earthster – online nástroje pro analýzu životního cyklu, který čerpá data z rozsáhlého úložiště produktů a procesů a jejich spojených emisí uhlíku. Tým zvažoval několik scénářů výroby vodíku pomocí hliníku, od výchozího „primárního“ hliníku těženého ze Země přes „sekundární“ hliník recyklovaný z hliníkových plechovek a jiných produktů až po použití různých metod přepravy hliníku a vodíku.

Po provedení analýzy životního cyklu pro asi tucet scénářů tým identifikoval scénář s nejnižší uhlíkovou stopou. Tento scénář se zaměřuje na recyklovaný hliník – zdroj, který šetří značné množství emisí ve srovnání s těžbou hliníku – a mořskou vodu – přírodní zdroj, který také šetří peníze díky získávání gallia-india. Zjistili, že tento scénář by od začátku do konce generoval přibližně 1,45 kilogramu oxidu uhličitého na každý kilogram vyrobeného vodíku. Vypočítali, že náklady na vyrobené palivo by činily přibližně 9 dolarů za kilogram, což je srovnatelné s cenou vodíku, který by se vyráběl pomocí jiných zelených technologií, jako je větrná a solární energie.

Výzkumníci předpokládají, že kdyby se proces s nízkým obsahem uhlíku rozšířil do komerčního měřítka, vypadal by asi takto: Výrobní řetězec by začínal s odpadem z hliníku získaným z recyklačního střediska. Hliník by se roztrhal na pelety a ošetřil galliem-indiem. Poté by řidiči mohli přepravovat předupravené pelety jako hliníkové „palivo“, nikoli přímo přepravovat vodík, který je potenciálně výbušný. Pelety by se přepravovaly na čerpací stanici, která by se ideálně nacházela poblíž zdroje mořské vody, která by se pak mohla na vyžádání smíchat s hliníkem za účelem výroby vodíku. Spotřebitel by si pak mohl přímo natankovat plyn do auta s motorem se spalováním nebo palivovým článkem.

Celý proces produkuje vedlejší produkt na bázi hliníku, böhmit, což je minerál běžně používaný při výrobě polovodičů, elektronických prvků a řady průmyslových produktů. Kombargi říká, že pokud by se tento vedlejší produkt získal po výrobě vodíku, mohl by se prodat výrobcům, čímž by se dále snížily náklady celého procesu.

„Je třeba zvážit mnoho věcí,“ říká Kombargi. „Ale proces funguje, což je ta nejzajímavější část. A ukazujeme, že může být enviromentálně udržitelný.“

Skupina dále vyvíjí proces. Nedávno navrhli malý reaktor, o velikosti plastové láhve na vodu, který přijímá hliníkové pelety a mořskou vodu k výrobě vodíku – dost na to, aby po několik hodin poháněl elektrické kolo. Dříve prokázali, že proces může produkovat dostatek vodíku pro pohon malého automobilu. Tým také zkoumá podvodní aplikace a navrhuje vodíkový reaktor, který by přijímal okolní mořskou vodu k pohonu malého člunu nebo podvodního vozidla.

Tento výzkum byl částečně podpořen programem MIT Portugal.