Silnik czterosuwowy może rozwiązać problemy z produkcją i dystrybucją wodoru

Silnik spalinowy o spalaniu wewnętrznym wykorzystany jako reaktor produkujący na bieżąco wodór dla ogniw paliwowych? To właśnie CHAMP (CO2/H2 Active Membrane Piston) opracowany przez profesora Andreia Fedorova z Georgia Institute of Technology. Mamy ogólnokrajową sieć dystrybucji gazu, więc znacznie łatwiej jest wykorzystać go do produkcji wodoru w miejscu, gdzie ma być użyty, niż zmagać się z dystrybucją wodoru. Nasza technologia pozwala na produkowanie wodoru wszędzie tam, gdzie jest dostępny gaz naturalny, rozwiązując jeden z główny problemów gospodarki wodorem - mówi uczony.

Prace nad CHAMP-em trwają od 2008 roku. Fedorov i jego zespół wykorzystali ideę silnika czterosuwowego, dodali doń katalizator, membranę do separacji wodoru oraz pochłaniacz dwutlenku węgla. Uzyskali w ten sposób urządzenie produkujące wodór w dość niskiej temperaturze, które można dowolnie skalować w górę i w dół w zależności od potrzeb. Rozwiązanie takie można by stosować wszędzie tam, gdzie chcemy użyć wodorowych ogniw paliwowych - od budynków jednorodzinnych poprzez autobusy po samochody osobowe. System może pracować nie tylko na gazie naturalnym, ale również na metanolu czy gazie uzyskiwanym z odpadów i odchodów. Ponadto wychwytuje on dwutlenek węgla.

W przeciwieństwie do konwencjonalnych silników z ich tysiącami obrotów na minutę CHAMP pracuje z prędkością kilku cykli na minutę. Wszystko zależy od jego wielkości i zapotrzebowania na wodór. Nie dochodzi w  nim też do zapłonu, nie spala on bowiem żadnego paliwa.

Kluczem do pojawienia się w CHAMP-ie pożądanej reakcji jest praca tłoków. Podobnie jak w konwencjonalnym silniku kontrolują one przepływ gazu. W pierwszym kroku gaz i para trafiają po obniżeniu tłoku do cylindra, który ulega zamknięciu, gdy tłok osiągnie najniższy poziom. Tłok unosi się, kompresuje metan i parę wodną, co prowadzi do ich podgrzania. Gdy temperatura osiąga około 400 stopni Celsjusza, zachodzi reakcja, w wyniku której powstaje wodór i dwutlenek węgla. Wodór przechodzi przez membranę, a CO₂ jest wychwytywany przez sorbent zmieszany z katalizatorem. Tłok jest następnie obniżany, zmniejsza się ciśnienie, dwutlenek węgla jest uwalniany z sorbentu i trafia do cylindra. Tłok ponownie się unosi, wypychając CO₂ z cylindra, który jest gotowy na kolejny cykl. Mamy wszystkie elementy układanki. Wyzwaniem jest ekonomika całego procesu. W najbliższym czasie wybudujemy pilotażowy reaktor CHAMP - mówi profesor Fedorov.

Technologia ta ma być odpowiedzią na problemy związane z produkcją, przechowywaniem i dystrybucją wodoru. Obecnie gaz ten powstaje z pary wodnej i metanu w temperaturze około 900 stopni Celsjusza. Do uzyskania każdej molekuły wodoru konieczne jest użycie trzech molekuł wody. Później wyprodukowany gaz trzeba przechować i przetransportować w miejsce, w którym ma zostać użyty. A nie jest to łatwe zadanie.

Grupa Fedorova przeprowadziła obliczenia, z których wynika, że można wykorzystać silnik czterosuwowy do produkcji na miejscu niewielkich ilości wodoru. Naukowcy postawili sobie za cel opracowanie procesu uzyskiwania wodoru w temperaturze 400-500 stopni Celsjusza, który będzie wykorzystywał dwie molekuły wody na każdą molekułę metanu, w wyniku czego mają powstawać cztery molekuły wodoru, który można będzie skalować oraz który będzie przechwytywał powstający CO₂ w celu jego składowania lub późniejszego wykorzystania.

Chcieliśmy całkowicie przebudować reaktor. Zdaliśmy sobie sprawę, że jeśli chcemy spełnić nasze założenia, to musimy stworzyć reaktor o dynamicznie zmieniającej się pojemności. Przyjrzeliśmy się istniejącym systemom mechanicznym i zauważyliśmy, że świetnie nadaje się do tego silnik o wewnętrznym spalaniu - mówi Fedorov.

CHAMP jest bardzo elastyczny. Można go skalować tak, by produkował setki kilogramów wodoru dziennie, co może przydać się na stacji paliw, lub też by jego produkcja wynosiła kilka kilogramów, dzięki czemu może znaleźć zastosowanie w samochodzie lub domku jednorodzinnym. Reaktor jest skalowalny i modułowy. Można używać jednego lub setek modułów, w zależności od tego, ile wodoru potrzebujemy. Procesy reformingu paliwa, oczyszczania wodoru i przechwytywania dwutlenku węgla zachodzą w jednym niewielkim systemie - dodaje uczony.

CHAMP silnik czterosuwowy wodór