Hidrogen verde pentru focurile viitorului: motoare cu ardere, mașini și centrale termoelectrice, renăscute din propria cenușă

Imperativul crucial al lumii moderne este menținerea, pe cât posibil, a temperaturii atmosferei terestre la nivelul actual, ceea ce implică reducerea drastică, dacă nu chiar anihilarea emisiilor antropogene de dioxid de carbon. Acestea provoacă, în măsură determinantă, un efect de încălzire a atmosferei, care se produce la reflectarea razelor solare, numit, prin analogie cu lucrurile pământești cunoscute, «efect de seră».

Pe de altă parte, orice proces caracterizat de schimburi de energie sub formă de căldură sau lucru mecanic este bazat pe reacții chimice, la temperaturi joase, și, în multe cazuri, la temperaturi înalte, prin ardere.

Dacă ardem, cu oxigenul din aer, o substanță care conține atomi de carbon, din reacție vor rezulta tot ațâți atomi de carbon ca la intrare, legați în dioxid de carbon sau, la o ardere incompletă, monoxid de carbon plus vapori de apă și cantități infime de substanțe poluante.

Dacă ardem, cu oxigenul din aer, o substanță care nu conține carbon, nu vom găsi nici un atom de carbon în substanțele arse. Așadar, arzând hidrogen cu oxigen vom obține doar vapori de apă.

Anul 1712 a adus lumii nu numai industrializarea, prin folosirea lucrului mecanic transformat din căldură, ci și creșterea semnificativă a emisilor antropogene de dioxid 

de carbon generate prin arderea de cărbune, petrol și gaze, toate acestea conțînând carbon fosilizat de milioane de ani.

Thomas Newcomen introdusese în acel an de pomină mașina cu cazan de abur, (cazan asemănător cu unul din baia pe care strabunicile noastre îl încălzeau vinerea cu cocs sau cu lemne) respectiva mașină fiind utilizată într-o mînă de cărbune, in Staffordshire (Stan, C. : Future Fire Forms, Springer Internațional, 2023). 

Stan, C.: Future Fire Forms, Springer Internațional, 2023: foc care generează căldură, transformată în lucru mecanic, dar și emisii de dioxid de carbon

Câțiva ani mai târziu, în 1764, James Watt, mecanic la Universitatea din Glasgow, pus fiind să repare o asemenea mașină de-a lui Newcombe, i-a adus niște îmbunătățiri, dar nu a uitat să depună și un brevet propriu de invenție pentru cea nou-adaptată. După un timp, același Watt, încercând să-și convingă clienții să cumpere mașinile lui cu cazane de abur, a introdus, ca infailibil argument de marketing, comparația cu caii care scoteau apă din fântâni, și de acolo, noțiunea de cal-putere, devenită mai târziu, cu corecturile de rigoare, impuse de sistemul metric internațional (ȘI), watt, kilowatt, megawatt și gigawatt (1CP=0,735kW), unități cu care clienții din zilele noastre sunt epatați de către vânzătorii și producătorii de asemenea instalații.

În anul 1783 englezul Richard Trevitch a dezvoltat, tot pe baza unei mașini cu cazan de apă pus la foc de cărbuni, prima locomotivă cu abur din lume. 

Motor cu abur pentru propulsia unei locomotive: pistonul de lucru (jos) este acționat de abur sub presiune, introdus, alternativ, în camerele din stânga/dreapta prin acționarea unui piston de distribuție (sus). Sursă : National Railway Museum York.

Exact cu o sută de ani mai târziu suedezul Laval a introdus, plecând tot de la cazanul de apă încălzit la un foc, prima turbină activată de abur. Acest fel de turbină a devenit în decursul timpului un element modular de bază pentru generarea de putere în diverse circuite din centralele termice și electrice. Cazanul de apă care trebuia să fie fiartă până la vaporizare, a fost, de atunci încoace, pus la foc de cocs, de lemne, de gaz metan sau încălzit cu elemente radioactive care emană multă căldură în timpul reacției.

Această scurtă istorie a focului de sub cazanele de apă sprijină o afirmație binecunoscută în zilele noastre: industrializarea lumii a început de la James Watt.

Focul, generator de cai putere, mai modern spus de kilowați, dar și de dioxid de carbon antropogen, rezultat din arderea cărbunelui, iar mai târziu a petrolului și a gazului natural, a cucerit industria, centralele sau sobele pentru încălzirea întreprinderilor, a blocurilor și a locuințelor, dar și transportul pe uscat, pe mare și în văzduh. 

Ca exemple:

Producția de fontă și oțel în furnalele clasice, în care un amestec de fier (extras ca minereu sub formă de oxid de fier) cu cărbune, respectiv cu oxid de carbon, reacționează la temperaturi înalte, emițând și dioxid de carbon – care ajunge la peste 7% din cantitatea totală de dioxid de carbon la nivel global! 

Producția de oțel în furnale duce, datorită reacțiilor chimice, și la emisii de dioxid de carbon

Industria petrochimică este răspunzătoare pentru alte 3,6% de emisii de dioxid de carbon, diverse alte industrii pentru aproape 11%, urmate fiind de agricultură și multe alte ramuri chimice.

Căldura produsă de centralele termice din întreprinderi, blocuri și locuințe ne « costă » 17,5% din emisiile de dioxid de carbon emanate de focul generator de kilowați, care în decurs de nopți și zile se adună în kilowați-ore, sau, mai pe înțeles, în kilocalorii.

Propulsia vehiculelor pentru transportul pe uscat, pe mări și prin văzduh are o participare de 16%, dintre care aproape 12% cel terestru. Două treimi din cele 12%, adică tot atât cât furnalele, sunt provocate de automobile și motociclete.

Hidrogenul ar fi, așadar, foarte necesar, pentru eliminarea dioxidului de carbon produs prin arderea, până în prezent, de combustibili antropogeni, în primul rând, în producția de fontă și oțel, la încălzire și în transporturi. 

Și lucrurile au început să se miște : ArcelorMittal, ThyssenKrupp și mulți alți gigantici producători de fier, fontă și oțel înlocuiesc actualmente furnalele cu oxid de fier și cocs, introducând hidrogenul în instalații de reducție directă a oxizilor de fier cu hidrogen, rezultatul final fiind oțel (respectiv fontă sau fier) și vapori de apă.

În centralele termice, gazul metan, un combustibil fosil utilizat, de exemplu, într-o jumătate din casele din Germania (Statista 2022) este actualmente amestecat, în anumite instalații comercializabile, precum H2 Ready, cu hidrogen în proporție de 10% până la 20%. În principiu, nimic nu stă în calea înlocuirii complete a gazului metan cu hidrogenul, sunt de părere atât specialiștii cât și furnizorii centralelor.

În transporturi hidrogenul cucerește teren în navele cu propulsie de mare putere și în camioanele de mare gabarit.

Cum impachetăm hidrogenul produs în Patagonia, Australia sau Africa de Sud pentru a-l putea transporta spre Europa, Statele Unite, Canada sau China am descris în articolul trecut. Un scurt rezumat ar putea fi de folos:

-       hidrogenul poate să curgă, în faza gazoasă, prin conducte, la fel ca și gazul metan, de la locul unde a fost generat până la utilizatorul care, de obicei, este la mulți kilometri depărtare. Pentru acest fel de transport este necesar ca hidrogenul să fie comprimat în mai multe trepte, dată fiind densitatea de opt ori mai mică decât cea a gazului metan.

-       hidrogenul poate fi înmagazinat la bordul navelor-cisternă, fie la înaltă presiune (similar rezervoarelor din automobilele Toyota, Hyundai – 350bar, 700 bar sau chiar 900 bar), fie la temperaturi joase, (similar tehnicii criogenice din automobilul BMW, la minus 253 grade Celsius), la care hidrogenul devine lichid, însă la o densitate mult mai redusă decât cea a benzinei sau motorinei.

-       înmagazinarea sub presiune “costă” aproximativ 12% din energia inițială a masei respective de hidrogen, iar cea criogenică ajunge la un consum de energie de până la 30%.

-       stocarea hidrogenului în acumulatori cu structuri metalice, ca în niște bureți care absorb hidrogenul în pori, cu legături chimice mai degrabă slabe, care pot fi desfăcute, pentru eliberarea ulterioară a hidrogenului, prin creșterea temperaturii.

-    legarea hidrogenului prin legături chimice mai strânse, care duc la creșterea densității, sub formă de amoniac. Formarea amoniacului, prin clasicul procedeu Haber-Bosch se efectuează la 300 de bari și 450 de grade Celsius. La minus 33 grade Celsius amoniacul se lichefiază, la fel și la presiuni peste 9 bari. Pentru a  « desface », la destinație, o asemenea legătură în elementele componente ale amoniacului, care sunt azotul și hidrogenul, este suficientă încălzirea acestuia la 700 de grade Celsius. Amoniacul lichid are o densitate foarte apropiată de cea a benzinei.

-      în LOHC - Liquid Organic Hydrogen Carriers, adică transportori organici lichizi de hidrogen, care sunt niște structuri chimice cu catene de carbon legate în ochiuri ca la plasele de sârmă, cu atomi de hidrogen in tranzit prin ochiuri. Hidrogenul care trebuie transportat poate fi « legat », aplicând o tehnică recentă, la 30 – 50 de bari și 150 – 200 grade Celsius, folosind un catalizator, iar mai apoi « dezlegat » prin încălzire la peste 250 de grade Celsius.

-      în metanolul lichid, cu densitate chiar mai mare decât cea a benzinei, la presiune și temperatura ambientă, fără probleme deosebite de stocare, dacă se da atenție garniturilor și elementelor de etanseizare din materiale plastice. Metanolul poate fi obținut în instalațîi industriale de serie, din dioxidul de carbon absorbit din aer, sau, mai nou, din vecinătatea furnalelor și a fabricilor, combinat într-o reacție de sinteză cu hidrogenul obținut electrolitic, folosind energia eoliană și pe cea fotovoltaică.

Există însă și proiecte mai ciudate ale unor firme în sine serioase, în care la bordul unei nave-cisternă este stocat mai întâi metanol lichid, care are avantajul densitățîi mult superioare combustibililor gazoși, care, la bord, este retransformat în hidrogen. Iar acesta din urmă hrănește motorul cu multe tuburi de admisie și pistoane. (comentariul autorului acestui articol : metanolul injectat direct în camerele de ardere ale motoarelor a dus, în cadrul unor proiecte de anvergură, la rezultate foarte promițătoare, care sunt confirmate în literatura internațională de specialitate). În fond, proiectul menționat mai sus este comparabil cu cel al învățatului nord-american, care la un recent congres internațional ii învăța pe cei care abia intrau în lumea științifică, în ce fel își imaginează el funcționarea unui motor Diesel pe Marte, cu simulările și figurile de rigoare. M-ar fi interesat cam ce gaz, la ce temperatură și presiune ar fi intrat pe acea planetă în plămânii savantului dus cu motorul pe Marte.

Hidrogenul a ajuns așadar, presurizat sau criogenizat, împachetat în amoniac sau în  LOHC, dacă nu chiar în methanol, în Europa, Statele Unite, Canada sau China. 

Folosirea acestui prețios hidrogen verde, în special pentru propulsie în sistemele de transport sau în mașinile de lucru presupune, după transport, o distribuire adecvată, cu o logistică eficientă.

     Stațiile de distribuire a hidrogenului la nivel mondial: este remarcabilă concentrarea lor în Europa de Vest, California, pe coasta estică a SUA, în Japonia și în China

În lume existau la sfârșitul anului 2021 circa 700 de stații de distribuire a hidrogenului. Germania deținea în aprilie 2022 nu mai puțîn de 157 din totalul de 179 de stații în Europa (a se compara cu cele 14.460 de benzinării clasice existente în aceeași țară). În vestul Europei, din Spania până în Belgia și Italia astfel de stații sunt încă foarte rare, câte una până la trei. În estul Europei nu există încă niciuna. În Extremul Orient, Japonia are cam la fel de multe stații pentru hidrogen că și Germania în Europa.

În general, aceste stații oferă 3 forme de hidrogen :

-       lichid, la o presiune de până la 16,5 bar, la o temperatura de minus 253°C

-       gazos, la 250/350 bar, la temperatura ambientă

-       gazos, la 700 bar, la minus 40°C.

De remarcat sunt însă și costurile unei asemenea stații, cu condiții speciale de presiune, temperatură și, în consecință, de materiale și tehnici de etanseizare. Ca exemplu, o asemenea stație cu 4 prize de alimentare, costă în California aproape un million de dolari!

Hidrogenul verde, produs prin electroliză, pe baza curentului, în centrale eoliene și fotovoltaice în Patagonia, Australia sau Africa de Sud, nefiind așadar generabil în continuu, transportat fiind pe oceane la mari distanțe, trebuie folosit la un randament maxim din perspectiva energiei produse față de cea utilizată, dar și a prețului. 

Centralele termice actuale, pe cărbuni au, în general, randamente de până la 40%. Arzând hidrogen în loc de cărbune într-o asemenea centrală nu pot fi așteptate rezultate spectaculoase, chiar dacă puterea calorifică (căldura de ardere) a hidrogenului este mai mare și amestecul combustibil/aer la ardere mai favorabil.

Viitorul aparține, considerând dezvoltările cele mai recente, combinațiilor termodinamice inteligente, în două planuri:

-       două cicluri termodinamice într-o singură instalație, unul cu apă/abur, celălalt cu aer/combustibil/gaze arse, cuplate între ele (CCGT- Combined Cycle Gas Turbine)

-       livrarea de energie electrică, dar și de căldură, folosind aceeași instalație, în general de tip CCGT.

O instalație de tip CCGT ajunge la randamente de până la 63%. Folosind și căldura emisă pentru încălzire se poate ajunge la 85%-90%.

O centrală clasică, având ca agent de lucru apa/aburul, funcționează având că element principal turbina cu abur, dezvoltată de suedezul Laval, în anul 1888, descris mai sus: apa este încălzită într-un cazan/rezervor/schimbător de căldură de un mediu exterior (flacăra focului cu cărbune, cu gaz, cu lemne sau cu hidrogen) sau de un fluid încălzit la rândul său de un reactor nuclear în funcțiune, până se transformă în abur supraîncălzit, care este destins apoi într-o turbină pentru abur, până când îi scad în mod considerabil atât presiunea, cât și (mai ales) temperatura. Acest flux de abur este răcit în continuare, într-un condensator, până atunci când apa se lichefiază, putând așadar să fie transferată cu o pompă cazanului/schimbătorului de căldură inițial.

Într-un sistem cuplat de tip CCGT, apa nu mai este încălzită cu cărbune sau cu lemne, într-un cazan, ci de un imens flux de gaze arse într-un motor turboreactor, ca cele din avioane, cu temperaturi de până la 2200°C.

Iar tot acest cuplaj de cicluri termodinamice cu agenți de lucru diferiți (apă / gaze) și de energie utilă (electrică și termică) funcționează cu flacăra livrată de un singur combustibil: până acum gazul metan, în viitor hidrogenul!  

Instalație cu cicluri termodinamice cu doi agenți de lucru diferiți (apă vaporizată în circuitul turbinei cu abur/gaze în circuitul motorului turboreactor) și cu două forme de energie utilă (electrică și termică) – funcționând cu flacăra livrată doar de hidrogen

Propulsia vehiculelor utilizând hidrogenul verde este actualmente divizată în două direcții clare:

-       cu reacții la temperaturi relativ joase (80°C-300°C), în pilele de combustie

-       cu reacții la temperaturi înalte (2000 – 2500°C) în motoarele cu ardere internă.

Pe baza aplicațiilor, respectiv a rezultatelor obținute în ultimii 20 – 30 de ani cu vehicule de marcă la nivel mondial nu se întrevede, independent de domeniul de aplicație (nave, autobuze, camioane de mare tonaj) o convergență spre una dintre cele 2 soluții.

Se disting însă clar criteriile de alegere a uneia sau a celeilalte soluții : prețul, complexitatea, fiabilitatea.

În automobile nu vom vedea prea curând nici pile de combustie pe scară largă (exceptând seriile de pionierat Toyota Mirai și Hyundai Nexo), dar nici motoare cu piston utilizatoare de hidrogen (exceptând seria de pionierat BMW Hydrogen 759 hL, sau 760Li).

BMW prezentase în anul 2000 o serie de 15 asemenea vehicule, cu motor cu piston cu hidrogen, care în 2009 au fost retrase de pe piață, fără multe comentarii.

Pe de altă parte, trei automobile de pre-serie Mercedes B-Klasse cu pile de combustie (ca rezultat al programului de vehicule cu pile de combustie cu hidrogen NECAR-New Electric Car, inițiat de Mercedes în 1994) au parcurs, în anul 2011 o distanță de 30.000 de kilometri pe mai multe continente, în 125 de zile, (F-Cell World Drive) demonstrând fezabilitatea acestei soluții tehnice. 200 de automobile de acest tip au fost închiriate pe bază de leasing unor clienți aleși de Daimler. Dar introducerea în serie a unei asemenea soluții a fost mereu amânată.  

Iată insa că mai nou reapare BMW cu o asemenea soluție, în automobilul iX5, cu pilă de combustie cu hidrogen, prevăzut pentru vânzare într-o serie limitată, începând din anul acesta.

Riscă BMW să lanseze acum un automobil iX5 cu pilă de combustie cu hidrogen, după ce BMW 7 cu motorul cu piston cu hidrogen a fost înmormântat fără multe comentarii, și după ce Mercedes își tot amână, la nesfârșit, programul de automobile cu pilă de combustie și hidrogen ? De ce oare? De la Stuttgart (Mercedes) la München (BMW) nu sunt decât 250 de kilometri de autostradă!

Independent de soluția de propulsie, pilă de combustie sau motor cu piston, prețul hidrogenului a crescut în ultimii ani, ajungând în prezent, în Germania, la aproape 13 Euro pe kilogram. Prețul pare a fi foarte ridicat în comparație cu cel al benzinei sau al motorinei, dar trebuie remarcat faptul că un autoturism de talie medie cu pilă de combustie consumă, conform ciclurilor în vigoare, cam un kilogram de hidrogen la suta de kilometri. Cu benzină sau motorină costurile combustibilului pentru 100 de kilometri sunt în general, cel puțin în vestul Europei, mai mari.

În domeniile motoarelor de nave de mare tonaj, al camioanelor de mare gabarit sau al autobuzelor, soluțiile referitoare la utilizarea hidrogenului între pile de combustie și motoare cu piston sunt, iarăși, împărțite, ținând cont de costuri, complexitate, fiabilitate și acceptanță din partea clienților. 

Camion Mercedes cu pilă de combustie (stânga) și cu motor cu piston FEV cu hidrogen (dreapta)

Deutz AG din Germania, cu o cifră de afaceri de 1,6 miliarde de Euro, va lansa în anul viitor în producția de serie un motor cu hidrogen cu piston cu 6 cilindri, de 7,8 litri, TCG7.8 H2, adaptabil pentru o largă paletă de aplicații în mașini, vehicule și nave.

MAN AG, Germania, a dezvoltat recent un motor Dual-Fuel-V12 care poate funcționa atât cu motorină, cât și cu hidrogen, prevăzut în special pentru marile nave. FEV Germania a dezvoltat un proiect asemănător.

Alți constructori de nave sau de autobuze preferă însă soluții cu pile de combustie. 

Prototipuri de autobuz și de camion dezvoltate de firma start-up Keyou, München, Germania, pe baza motorului de 7,8 litri al Deutz AG (stânga) și autobuz Hyundai cu pilă de combustie cu hidrogen(dreapta). 

Nave cu propulsie cu pile de combustie pe bază de hidrogen verde (nava cisternă, sus, și iaht, jos dreapta), respectiv cu motoare cu ardere internă, alimentate cu hidrogen verde (remorcher, stânga jos).

Referitor la folosirea hidrogenului verde în propulsia vehiculelor se impun câteva concluzii:

-       utilizarea pilelor de combustie sau a motoarelor cu piston care folosesc hidrogenul în camioane de mare tonaj și în nave se va decide, în cadrul unor serii mai mari, relevante, pe termen lung, în funcție de costuri, complexitate, fiabilitate și acceptanță din partea clienților  

-        utilizarea pilelor de combustie sau a motoarelor cu piston care folosesc hidrogenul în automobile nu pare a fi rentabilă, conform experienței câștigate în proiectele de anvergură din ultimii 30 de ani de mărci bine fixate în piață internațională.

Nu căutați noi sisteme de propulsie a automobilelor pentru hidrogenul verde, ci alți combustibili, fără impact cu mediul, pentru sistemele de propulsie care folosesc combinații eficiente de motoare cu piston, turbine cu gaz și motoare electrice. Formați ingineri care pot dezvolta asemenea mașini!

Autovehiculele propulsate de motoare electrice cu energia livrată de baterii la bord ar avea nevoie tot de centralele electrice sus menționate, pentru reîncărcarea bateriilor. Electricitate produsă de turbine eoliene, din când în când, în Patagonia, transformată, prin electroliza, în hidrogen, care va fi purtat apoi cu vaporul până la Hamburg, împachetat în amoniac, și retransformat în electricitate într-o centrală electrică.

Ne scărpinăm cu mâna stânga, pe după ceafă, la urechea dreaptă?

Multe, suficient de multe mașini electrice compacte, pentru folosință urbană, pot fi încărcate de la generatoare de curent acționate de motoare cu biogaz, combustibil care poate fi alimentat la marginea fiecărei urbe. Cu o Dacia Spring de 33 kW, cu bateria alimentată de un generator pe baza de biogaz de la fermă de vaci din apropiere de Fundulea, lângă București, putem ajunge liniștiți până la malul mării.

Ne trebuie chiar un BMW  i7 electric de șase sute de kilowați, pentru stat la coadă, între esapamente fumegande, de la București până la Sinaia, cu megabateria plină de curent din Patagonia?