Wodór z powietrza – nowy projekt badawczy Toyoty i instytutu DIFFER

Toyota pracuje nad nowym urządzeniem, które w kontakcie z powietrzem, pod wpływem światła słonecznego produkuje wodór – bez żadnych kosztów. Pomysł ten stanowi punkt wyjścia do badań naukowych, prowadzonych wspólnie przez Toyota Motor Europe oraz Dutch Institute for Fundamental Energy Research (DIFFER).

Wspólny projekt badawczy Toyoty i DIFFER o nazwie LIFT (Launchpad for Innovative Future Technology) otrzymał grant z publiczno-prywatnego funduszu NWO ENW PPS2. Celem projektu jest opracowanie urządzenia, które będzie absorbować parę wodną i wyodrębniać z niej wodór oraz tlen przy użyciu energii słonecznej.

Podstawowe cele – prosta i tania produkcja wodoru
Naukowcy z DIFFER i Toyoty poszukują innowacyjnych metod bezpośredniej produkcji wodoru z wilgotnego powietrza. Głównym celem tych badań jest ograniczenie zależności od paliw kopalnych oraz obniżenie emisji gazów cieplarnianych. Wodór to ekologiczne paliwo do różnego rodzaju pojazdów, które można traktować jako wygodny magazyn energii odnawialnej. Wodór w reakcji z tlenem w ogniwach paliwowych uwalnia energię elektryczną, a jedynym produktem ubocznym tego procesu jest para wodna.

Badania prowadzą specjaliści z ośrodka rozwojowego Advanced Material Research przy Toyota Motor Europe wspólnie z zespołem Catalytic and Electrochemical Processes for Energy Applications w instytucie DIFFER, którego szefem jest dr Mihalis Tsampas. Najważniejszą innowacją w projekcie jest wyodrębnianie wodoru z pary wodnej zamiast wody w stanie ciekłym, która to metoda jest szeroko stosowana na świecie.

„Zajmowanie się wodą w stanie gazowym zamiast ciekłego ma wiele zalet” – wyjaśnia dr Mihalis Tsampas. – „Ciecze powodują pewne problemy techniczne, takie jak niepożądane tworzenie się pęcherzyków. Co więcej, dzięki zastosowaniu pary wodnej, nie potrzebujemy kosztownych instalacji do oczyszczania wody. A dzięki temu, że korzystamy z wilgoci występującej w otaczającym powietrzu, nasza technologia może służyć także w oddalonych miejscach, gdzie nie ma dostępu do wody”.

Studium wykonalności
W ubiegłym roku DIFFER i Toyota Motor Europe przeprowadziły stadium wykonalności, które udowodniło, że pomysł ma szansę się udać. Badacze opracowali nowatorskie ogniwo fotoelektrochemiczne w stanie stałym, które wychwytuje wilgoć z powietrza i pod wpływem światła słonecznego produkuje wodór. Pierwszy prototyp osiągnął imponującą, 70-procentową efektywność w stosunku do porównywalnego urządzenia produkującego wodór z wody w stanie ciekłym. System składa się z siatki z elektrolitu polimerowego, porowatych fotoelektrod i materiałów absorbujących wilgoć, połączonych w specjalnie opracowanych urządzeniach ze zintegrowaną siatką.

Kolejny etap – wydajność i skalowalność
Następnym etapem projektu będzie udoskonalenie urządzenia. „W naszym pierwszym prototypie zastosowaliśmy fotoelektrody, które są bardzo stabilne. Jednak użyty w nich materiał pochłania tylko promieniowanie UV, które stanowi mniej niż 5% całego promieniowania słonecznego docierającego do Ziemi” – mówi dr Mihalis Tsampas. – „Następnym krokiem będą eksperymenty z użyciem najbardziej zaawansowanych materiałów, aby zoptymalizować architekturę systemu pod względem ilości pochłanianej pary wodnej oraz promieniowania słonecznego”.

Kiedy uda się rozwiązać te zagadnienia, zespół skoncentruje się na kwestii skalowania nowej technologii. Obecnie ogniwa fotolektrochemiczne produkujące wodór są bardzo małe – o wielkości około centymetra kwadratowego. Aby rozwiązanie to stało się opłacalne, ogniwa muszą osiągnąć rozmiary większe przynajmniej o dwa czy trzy rzędy wielkości.

„Przed nami jeszcze wiele pracy, ale mamy nadzieję, że w przyszłości tego rodzaju systemy będą używane w prywatnych gospodarstwach do zasilania domu i tankowania samochodu” – dodaje dr Mihalis Tsampas.

Toyota pionierem technologii wodorowych
Toyota rozpoczęła prace badawcze nad technologią wodorowych ogniw paliwowych w 1992 roku, zaś pierwszy prototyp został zaprezentowany w Osace w 1996 roku. Toyota Mirai, pierwszy samochód na ogniwa paliwowe marki, zadebiutował na rynku w 2014 roku.

„Jako pionier technologii wodorowych i producent pierwszego masowo produkowanego sedana na ogniwa paliwowe, Toyota wciąż poszukuje nowych metod produkcji wodoru bez użycia paliw kopalnych” – powiedziała Isotta Cerri, główna dyrektor Advanced Material Research, TME. – „Nasze zaangażowanie w technologie wodorowe wpisuje się w program Toyota Environmental Challenge 2050, którego jednym z 6 celów jest wyeliminowanie emisji CO2 z całego cyklu życia samochodów produkowanych przez Toyotę. Produkcja wodoru oparta na odnawialnych źródłach energii pomoże znacząco ograniczyć emisję gazów cieplarnianych. Tego rodzaju badania podstawowe przybliżają nas do wdrożenia gospodarki wodorowej. Zmierzają bowiem do opracowania przystępnych i łatwych w użyciu zastosowań wodoru”.

Instytut DIFFER
Dutch Institute for Fundamental Energy Research to jeden z dziewięciu instytutów badawczych Netherlands Organisation for Scientific Research, narodowego funduszu naukowego Holandii, podlegającego bezpośrednio Ministerstwu Edukacji, Kultury i Nauki. Instytut prowadzi interdyscyplinarne badania nad materiałami, procesami i systemami do budowy globalnej infrastruktury energii odnawialnej.