Chiar dacă tandemul Hidrogen – pilă de combustibil este considerat de tot mai mulți cercetători și tehnicieni soluția pentru sistemele energetice ale viitorului, încă mai persistă o serie de bariere tehnologice și de cost care se cer trecute pe calea către democratizarea accesului la energie și reducerea modificărilor climatice.

Hidrogenul constituie aproximativ 75% din Univers și este elementul cu cea mai simplă structură, atomul său fiind format doar dintr-un proton și un electron. În ciuda abundenței sale, pe Pământ hidrogenul se găsește în mod natural sub formă de gaz doar într-o foarte mică proporție (0,00005% din compoziția atmosferei), în cea mai mare parte fiind prezent în diverse combinații chimice, preponderent sub formă de apă și hidrocarburi, din care poate fi extras prin diferite metode fizico-chimice. Aceasta înseamnă că hidrogenul nu reprezintă o sursă primară de energie, ci, asemenea electricității, este un vector energetic, servind transferului de energie între sursa primară si utilizator.

Preocuparea pentru utilizarea hidrogenului în scopuri energetice nu este tocmai nouă și s-a accentuat din ultimele decenii ale secolului trecut, pe măsură ce îngrijorarea vizavi de modificările climatice tot mai evidente și de insecuritatea energetică datorată distribuției „nedemocratice” a resurselor de combustibili fosili a devenit tot mai mare.

Este evident faptul că viziunea asupra viitorului omenirii trebuie centrată obligatoriu pe generarea sustenabilă de energie prietenoasă cu mediul, în special prin reducerea emisiilor de dioxid de carbon rezultate, ceea ce se poate realiza, în primul rând, prin micșorarea raportului carbon/hidrogen în combustibilul utilizat drept sursă de energie. De aici și până la imaginarea unui sistem energetic bazat pe hidrogen ca vector energetic, caz în care acest raport devine nul, nu a mai fost decât un pas.

Ciclul Hidrogenului

Pentru a-și putea îndeplini misiunea de vector energetic, în funcție de utilizarea finală, hidrogenul trebuie să parcurgă câțiva sau toți pașii următori: producere, transport, stocare, distribuire și conversie, fiecare dintre aceștia punând în fața cercetătorilor și a inginerilor o serie de provocări, atât tehnologice cât și economice, astfel încât să fie capabili să răspundă în mod optim tuturor criteriilor de eficiență și securitate energetică, de reducere a emisiilor de dioxid de carbon și de cost.

În prezent, hidrogenul este produs în cea mai mare parte prin reformarea catalitică a metanului și a celorlalte hidrocarburi ușoare din gazele naturale, precum și prin gazeificarea cărbunelui si a fracțiilor grele de hidrocarburi. Dezavantajul major al acestor metode de obținere a hidrogenului îl reprezintă emisiile de dioxid de carbon asociate, care pot fi reduse prin diferite metode de captare și sechestrare, precum și faptul că utilizează surse de energie fosile, în curs de epuizare.

O altă metodă de producere a hidrogenului este prin descompunerea apei, utilizând cel mai vechi proces electrochimic cunoscut: electroliza. Impactul acesteia asupra mediului depinde numai de combustibilii și tehnologiile utilizate pentru producerea energiei electrice. Dacă energia provine din combustibili fosili, emisiile de carbon vor fi chiar mai mari decât în cazul reformării catalitice, iar dacă se utilizează surse regenerabile (solară, eoliană, geotermală, hidro), sistemul energetic bazat pe hidrogenul astfel produs va fi într-adevăr unul cu emisii de carbon nule.

Gazeificarea biomasei provenite din deșeuri sau din culturi dedicate, utilizând procese termochimice sau biochimice, este o altă metodă de obținere a hidrogenului care se poate solda cu emisii nete de carbon reduse sau nule.

Transportul, stocarea și distribuția Hidrogenului depind de modul centralizat sau descentralizat în care a fost produs. În prezent, cea mai mare parte a hidrogenului produs este utilizat local. Chiar dacă se are în vedere dezvoltarea unei rețele de transport și distribuție prin conducte, asemeni gazului metan, pentru utilizare la distanță hidrogenul se stochează îndeobște sub formă de gaz comprimat sau lichefiat.

Mai puțin răspândită este stocarea în medii solide, utilizând diferite metode chimice sau fizice, sub formă de hidruri metalice, carbohidrați, amino-borani, etc. respectiv pe nanotuburi de carbon, microsfere de sticlă, etc. Ceea ce trebuie subliniat este faptul că indiferent care este metoda de stocare folosită, sunt implicate consumuri energetice ridicate.

Avantajul pilei de combustibil cu hidrogen

Pila de combustibil este un dispozitiv electrochimic capabil să realizeze conversia energiei chimice în energie electrică, apă și căldură. Față de motorul cu combustie internă, pila de combustibil are avantajul unei eficiențe mai mari (cca. 60%, față de 20% până la 35% – eficiența motorului cu combustie internă, deoarece conversia electrochimică nu se supune legilor termodinamicii), precum și pe cel al funcționării fără piese în mișcare.

În plus față de acestea, pila de combustibil cu hidrogen nu produce emisii poluante, iar caracteristicile sale permit să fie utilizată pentru toate tipurile de aplicații: staționare, mobile sau portabile. Avantajul major al includerii pilelor de combustibil în sistemele energetice este acela că permite compensarea în totalitate a caracterului intermitent al majorității surselor regenerabile prin intermediul stocării hidrogenului produs în perioadele în care există exces de energie și al generării de energie utilizând pilele de combustibil pe seama hidrogenului stocat, în perioadele de deficit.

Hidrogenul poate reprezenta o soluție pe termen lung pentru creșterea securității alimentării cu energie și încetinirea încălzirii globale doar dacă se îndeplinesc simultan două cerințe:
– va fi produs utilizând energie regenerabilă (sau cu tehnologii ne-regenerabile care să includă obligatoriu recuperarea și sechestrarea dioxidului de carbon);
– guvernele, cercetătorii și mediul de afaceri, inclusiv industria petrolieră, vor reuși să acționeze sinergic pentru depășirea tuturor barierelor tehnologice și de cost existente încă în toate etapele, dar mai ales în ceea ce privește stocarea și conversia.

ICSI – promotor al dezvoltării tehnologiilor energetice eficiente și nepoluante

O mare parte a statelor lumii au elaborat foi de parcurs și planuri pe termen mediu și lung pentru dezvoltarea unei economii bazate pe hidrogen, care are în vedere implementarea unei infrastructuri complete de producere, stocare, distribuție și conversie. România a recunoscut și ea necesitatea dezvoltării unui mediu de cercetare la standarde internaționale în domeniul tehnologiei hidrogenului și al pilelor de combustibil, concretizat prin dezvoltarea infrastructurii de cercetare pentru servicii tehnice și științifice care să permită elaborarea și aplicarea de tehnologii avansate în domeniu.

Rezultatele obținute de Institutul Național de Cercetare-Dezvoltare pentru Tehnologii Criogenice și Izotopice – ICSI în cadrul Planului Național de Cercetare-Dezvoltare II (pilot experimental pentru producerea de hidrogen; o nouă aplicație a pilelor de combustibil în domeniul transportului / un automobil electric de mici dimensiuni cu propulsor cu pile de combustibil; un sistem de producere a energiei, folosind o turbină eoliană și o mică platformă fotovoltaică, cuplat la un centru de stocare și furnizare putere dotat cu un electrolizor și un ansamblu de pile de combustibil etc.), au convins factorii de decizie politică asupra oportunității unei investiții majore pentru dezvoltarea unui Centru Național de Hidrogen și Pile de Combustibil (CNHPC) la Râmnicu Vâlcea, ca o entitate distinctă în cadrul acestuia.

Centrul este dotat cu facilități experimentale și de testare necesare abordării unei vaste game de cercetări legate direct de utilizarea hidrogenului în scopuri energetice, care sunt oferite în parteneriat oricărei organizații de cercetare sau companii industriale ce are interese în domeniu. Principalele direcții de dezvoltare ale CNHPC vizează tehnologiile de producere a hidrogenului, proiectarea, testarea, realizarea și validarea tehnologică a pilelor și ansamblurilor de pile de combustibil cu membrană schimbătoare de protoni, precum și aplicațiile acestora.

Odată deschise oportunitățile de experimentare și testare din cadrul CNHPC, s-au gândit, la scara națională, o serie de parteneriate demarate prin înființarea, într-o primă etapă, a Asociației pentru Energia Hidrogenului din România, în anul 2012.

Aceasta are drept scop sprijinirea acțiunilor referitoare la economia hidrogenului și la integrarea energiilor regenerabile în sisteme energetice prin transfer de tehnologie, promovarea contribuțiilor românești, strânsă cooperare cu asociații internaționale, susținerea implementării de politici educaționale și de cercetare, toate având o singura direcție: reprezentarea intereselor naționale.

Asociația este recunoscută și sprijinită de asociații similare internaționale (International Association for Hydrogen Energy) și Europene (European Hydrogen Association). De asemenea, mai trebuie menționat că, în octombrie 2008, la nivel european, s-a lansat The Joint Technology Initiative Undertaking on Hydrogen and Fuel Cells, în care CNHPC este membru cu drepturi depline.

Upgrade