Cīņā par saudzīgāku planētas resursu izmantošanu ūdeņradis arvien biežāk tiek vērtēts kā viens no nākotnes enerģijas nesējiem. Viens no iespējamiem tā ieguves avotiem? ir alumīnija atkritumi. No viena kilograma tīra alumīnija teorētiski var iegūt tik daudz ūdeņraža, lai ar to pietiktu pilnībā uzlādēt aptuveni 30 vidējas jaudas klēpjdatoru. Par to, vai šī tehnoloģija nākotnē patiešām varētu kļūt par daļu no videi draudzīgākas enerģētikas, stāsta Latvijas Universitātes Cietvielu fizikas institūta (LU CFI) Enerģijas materiālu laboratorijas vadošā pētniece Dr. phys. Līga Grīnberga.
Ūdeņradis – enerģētikas “konfekte”
Ūdeņradis ir Visumā visizplatītākais un vieglākais ķīmiskais elements. Normālos apstākļos tā ir bezkrāsaina gāze bez smaržas un garšas. Mūsdienās ūdeņradi galvenokārt izmanto naftas pārstrādē, amonjaka un metanola ražošanā, kā arī pārtikas rūpniecībā, piemēram, hidrogenētu augu tauku ražošanā, kas mājsaimniecībā labāk pazīstams kā margarīns.
Tomēr arvien lielāka uzmanība ūdeņradim tiek pievērsta kā enerģijas nesējam. Projektā “LACISE” Šveices-Latvijas sadarbības programmas ietvaros kopīgu darbu īsteno LU CFI, Rīgas Tehniskā universitāte un Paula Šērera institūts Šveicē. Projekts ļauj Latvijas zinātniekiem pētīt videi draudzīgākus ūdeņraža ieguves veidus.
“Svarīgi saprast, ka ūdeņradis nav primārais enerģijas avots, kādi ir, piemēram, saule vai vējš. Tas drīzāk ir līdzīgs konfektei – vispirms jāpatērē enerģija, lai attītu papīriņu, un tikai tad konfekti var apēst, iegūstot izmantojamu enerģiju. Ūdeņradis var palīdzēt uzglabāt atjaunīgo enerģiju brīžos, kad tā saražota vairāk, nekā iespējams uzreiz patērēt. Izmantojot ūdeņradi degšūnā, rodas elektrība un ūdens, taču kopējā ietekme uz vidi ir atkarīga no tā, kā ūdeņradis iegūts,” skaidro Līga Grīnberga.
LU CFI laboratorijā šobrīd pēta, kā dažādi sadzīves un rūpnieciskie alumīnija atkritumi reaģē ar ūdeni sārmainā vidē. Nākamajā pētījuma posmā plānots pārbaudīt arī reakciju jūras ūdenī.
“Mēs analizējam alumīnija saturu un sakausējuma sastāvu, piemaisījumus, pārklājumus, daļiņu izmēru, sārma koncentrāciju, temperatūru, reakcijas ātrumu un iegūtā ūdeņraža daudzumu. Rezultāti rāda, ka ūdeņraža izdalīšanos būtiski ietekmē gan alumīnija saturs atkritumos, gan materiāla uzbūve un pārklājumi. Mūsu mērķis ir radīt efektīvu metodi neviendabīgu alumīnija atkritumu pārstrādei, vienlaikus iegūstot ūdeņradi, siltumu un potenciāli izmantojamus blakusproduktus,” atklāj vadošā pētniece.
Kas notiek reakcijas traukā?
Kas īsti notiek, alumīnijam saskaroties ar ūdeni? “Ļoti vienkāršoti var teikt, ka alumīnijs piesaista ūdenī esošo skābekli un pārvēršas par alumīnija hidroksīdu – baltu želejveida vai pulverveida vielu. Savukārt ūdeņradis izdalās gāzes veidā. Alumīnija hidroksīdu var izmantot alumīnija oksīda, keramikas, sorbentu, liesmu slāpējošu piedevu un citu materiālu ražošanā,” skaidro Līga Grīnberga.
Taču parasts alumīnija gabals ūdenī uzreiz nereaģē, jo to aizsargā ļoti plāna, bet izturīga alumīnija oksīda kārtiņa. Lai reakcija sāktos, aizsargkārta jānoņem vai jāsabojā, izmantojot sārmainu šķīdumu, piemēram, nātrija hidroksīdu, mehānisku apstrādi vai citu aktivēšanas metodi.
Tīrs alumīnijs ar ūdeni reaģē labi, taču izmantot šim nolūkam no rūdas tikko iegūtu metālu nebūtu lietderīgi, jo alumīnija ražošanai vajag daudz enerģijas, un to vērtīgāk izmantot kā metālu. Arī tīrus un augsta alumīnija satura atgriezumus parasti ir izdevīgāk pārkausēt. Tāpēc pētnieku uzmanības centrā ir atkritumi ar vidēja vai zema alumīnija saturu, kā arī laminēti vai sīkos gabaliņos sadalīti atkritumi, kurus citādi pārstrādāt ir grūti.
“Augsta alumīnija satura atkritumiem jau ir labas pārkausēšanas metodes. Taču sadzīvē lietots alumīnijs bieži ir pārklāts ar krāsu, plastmasu vai papīru vai sakausēts ar citiem elementiem. Ja no šādiem atkritumiem izdotos iegūt ūdeņradi un izmantojamus alumīnija savienojumus, vienlaikus varētu iegūt enerģiju un mazināt atkritumu daudzumu,” stāsta pētniece.
Kā šī metode atšķiras no citiem ūdeņraža ieguves veidiem?
Ūdeņradi var iegūt arī elektrolīzes ceļā vai no dabasgāzes. Galaprodukts vienmēr ir viena un tā pati ūdeņraža molekula, taču atšķiras ražošanas process, izmaksas un ietekme uz vidi.
Lielu daļu ūdeņraža pašlaik ražo no dabasgāzes, taču procesā rodas oglekļa dioksīda emisijas. Tās var uztvert un uzglabāt, bet tas palielina izmaksas. Elektrolīzē ūdeni sadala ar elektrību. Ja elektrība iegūta no vēja, saules vai hidroenerģijas, iegūto ūdeņradi sauc par zaļo ūdeņradi.
Pašā alumīnija reakcijā elektrība nav nepieciešama, taču tā iepriekš patērēta alumīnija ražošanā, tāpēc šo metodi nevar automātiski saukt par “zaļu” vai ekonomiski izdevīgu. Ieguvumi ir vislielākie, ja izmanto grūti pārstrādājamus atkritumus, savāc procesā radušos siltumu, atgūst sārmaino šķīdumu un atkārtoti izmanto reakcijas produktus.
Tā kā pašai ķīmiskajai reakcijai nav vajadzīgs ārējs elektroenerģijas avots, ūdeņradi varētu ražot tieši tur, kur tas jāizmanto – arī attālās vietās ar ierobežotu elektroapgādi. Tas mazinātu vajadzību ūdeņradi transportēt lielos attālumos vai ilgstoši uzglabāt. Tomēr viens no galvenajiem neatbildētajiem jautājumiem ir ekonomiskā lietderība. Līdz šim tā vērtēta galvenokārt ar modelēšanu, balstoties uz reāliem, bet laboratorijas mēroga ražošanas datiem, tomēr trūkst liela mēroga reālu datu, jo tādu rūpnieciska mēroga prototipu šobrīd vēl nav.
Viss sākas ar atkritumu atlasi un šķirošanu
Pirmais solis ūdeņraža ieguvei no alumīnija ir savākt un sašķirot alumīniju saturošus atkritumus. Pēc tam tos sagatavo reakcijai: dažiem materiāliem pietiek ar sasmalcināšanu, citiem jānoņem pārklājumi vai nepieciešams ilgāks reakcijas laiks.
“Teorētiski var izmantot dažādus alumīnija atkritumus ̶ dzērienu skārdenes, foliju, vecus logu rāmjus, ražošanas pārpalikumus, zāļu iepakojumus, vadus un laminētus materiālus. Tomēr katrs atkritumu veids reaģē atšķirīgi. Plāns vai smalki sasmalcināts alumīnijs parasti reaģē ātrāk, jo tam ir lielāks virsmas laukums. Krāsoti, lakoti vai ar plastmasu un papīru laminēti materiāli reaģē lēnāk, jo šķīdumam vispirms jāpiekļūst metāliskajam alumīnijam,” stāsta Līga Grīnberga.
Materiālu ievieto slēgtā reakcijas traukā, kam pievienota ūdeņraža savākšanas sistēma un sensori temperatūras un pH mērīšanai. Traukā ielej ūdeni un reakcijas aktivētāju, kas bojā alumīnija aizsargkārtu. Kad šķīdums piekļūst metāliskajam alumīnijam, sākas reakcija, kurā izdalās ūdeņradis un siltums.
Iegūto gāzi savāc un analizē, lai noteiktu tās sastāvu, vai pievada degšūnai, lai noskaidrotu, cik daudz elektrības iespējams saražot. Pētnieki analizē arī cietos un šķidros reakcijas atlikumus, vērtējot, vai no tiem var atgūt alumīnija savienojumus, varu, dzelzi, hromu un citus materiālus vai tie jānodod atkritumu apsaimniekošanai.
Cik droši tas ir?
Daudzos bažas rada ūdeņraža uzliesmojamība. Tomēr Līga Grīnberga uzsver: “Jā, ūdeņradis ir viegli uzliesmojošs un noteiktos apstākļos sprādzienbīstams, taču arī dabasgāze ir ugunsbīstama. Ūdeņradi var droši izmantot, ja iekārta ir pareizi projektēta. Nepieciešama atbilstoša ventilācija, ūdeņraža sensori, drošības vārsti, spiediena un temperatūras kontrole, liesmas slāpētāji un automātiska reakcijas apturēšanas sistēma. Telpā nedrīkst atrastiesdzirksteļu avoti, atklāta liesma vai elektroiekārtas, kas nav paredzētas darbam sprādzienbīstamā vidē.”
Cik daudz enerģijas var iegūt no kilograma alumīnija?
Teorētiski no viena kilograma tīra alumīnija var iegūt 0,11 kilogramus ūdeņraža, kas satur aptuveni 3,7 kWh ķīmiskās enerģijas. Degšūnā no tā varētu saražot aptuveni 2 kWh elektroenerģijas. Ar to pietiktu, lai 10 vatu LED spuldze degtu aptuveni 200 stundas vai lai pilnībā uzlādētu ap 30 vidējas jaudas klēpjdatoru. Savācot reakcijā izdalīto siltumu, varētu iegūt vēl aptuveni 1,5 kWh siltumenerģijas ̶ tikpat, cik 1 kW sildītājs patērē pusotras stundas laikā.
Alumīnija un ūdens reakcija ir labi zināma, un pasaulē jau demonstrēta īpaši aktivētu alumīnija pulveru un sakausējumu izmantošana, kas istabas temperatūrā spēj ātri ražot ūdeņradi. Šī metode vēl nav kļuvusi par plaši izmantotu rūpniecisku tehnoloģiju, taču nākotnē alumīnija atkritumi varētu kļūt par nišas enerģijas resursu. Visreālākais pielietojums varētu būt vietās, kur pēc pieprasījuma vajadzīgs neliels vai vidējs ūdeņraža daudzums un iespējams izmantot arī reakcijā radušos siltumu, piemēram, metālapstrādes uzņēmumos, kur alumīnija atkritumi rodas uz vietas. Kompaktas automatizētas iekārtas, kas savienotas ar degšūnu, varētu nodrošināt elektroapgādi attālās vietās, glābšanas operācijās vai ārkārtas situācijās. Tehnoloģijas nākotne būs atkarīga no tā, vai izdosies izveidot pilnvērtīgu alumīnija atkritumu aprites ciklu: izmantot grūti pārstrādājamu alumīniju, atgūt sārmu, savākt reakcijas siltumu un pārvērst atlikumus vērtīgos produktos.
“Līdzīgi kā citur pasaulē, arī mūsu laboratorijā pētījums pašlaik ir laboratorijas eksperimentu un agrīna prototipa stadijā. Īpašu uzmanību pievēršam Latvijā pieejamajiem atkritumiem ar vidēju alumīnija saturu. Vēl būs vajadzīgs laiks, taču, ja izdosies izveidot ekonomiski pamatotu procesu, šādi alumīnija atkritumi var kļūt par vērtīgu resursu aprites ekonomikā,” secina laboratorijas vadošā pētniece.
Par programmu
Šveices un Latvijas sadarbības programma “Lietišķā pētniecība” ir daļa no Šveices ieguldījuma ekonomisko un sociālo atšķirību mazināšanai Eiropas Savienībā, stiprinot divpusējo sadarbību starp Šveici, partnervalstīm un Eiropas Savienību. Programma veicina Latvijas zinātnes un inovāciju attīstību, atbalstot projektus viedo materiālu, informācijas tehnoloģiju un viedās enerģētikas jomā. Programmu īsteno Izglītības un zinātnes ministrija sadarbībā ar Latvijas Zinātnes padomi.
