Зеленый водород: повышение эффективности
Лабораторные эксперименты и кампания по параболическому полету позволили международной команде исследователей из центра им. Гельмгольца Дрезден-Россендорф (HZDR) получить новое представление о водном электролизе, в котором водород получают из воды с помощью электрической энергии. Результаты, опубликованны в журнале Physical Review Letters, где предлагается возможная отправная точка для усиления воздействия технологий на основе водорода на окружающую среду.
Работоспособные решения для промежуточного хранения энергии необходимы для того, чтобы избыточное электричество, вырабатываемое системами солнечной и ветровой энергии во время пиковой выработки, не терялось. Производство водорода, который затем может быть превращен в другие химические энергоносители, является привлекательным вариантом. Важно, чтобы этот процесс происходил наиболее эффективным и, следовательно, экономически наиболее выгодным способом.
Команда исследователей HZDR, возглавляемая профессором Керстином Эккертом, специально занималась электролизом воды. Этот метод использует электрическую энергию для разделения молекул воды на составные части – водород и кислород. Для этого электрический ток подается на два электрода, погруженных в кислый или щелочной водный раствор. Газообразный водород образуется на одном электроде, а кислород – на другом. Однако преобразование энергии сопряжено с потерями. На практике метод в настоящее время обеспечивает эффективность использования энергии от 65 до 85 %, в зависимости от используемого электролитического процесса. Целью исследований электролиза является повышение эффективности примерно до 90% путем разработки более совершенных методов.
Лучшее понимание основных химических и физических процессов необходимо для оптимизации процесса электролиза. Пузырьки газа, растущие на электроде, испытывают плавучесть, которая заставляет их подниматься. Проблема точного прогнозирования времени отрыва газовых пузырьков от электродов ставила исследователей в тупик на протяжении многих лет. Также известно, что потеря тепла происходит, когда на электроде остаются пузырьки. Благодаря комбинации лабораторных экспериментов и теоретических расчетов ученые теперь лучше понимают силы, действующие на пузырь. «Наши результаты решают старый парадокс исследований водородных пузырьков», – считает Эккерт.
В предыдущих экспериментах исследователи уже заметили, что пузырьки водорода начинают быстро колебаться. Они исследовали это явление более подробно: используя высокоскоростную камеру, они захватили тень пузырьков и проанализировали, как отдельные пузырьки могут отсоединяться от электрода сто раз в секунду, только чтобы присоединиться к нему сразу же после этого. Они поняли, что электрическая сила, которой до сих пор пренебрегали, конкурировала с плавучестью, облегчая колебания.
Эксперимент также показал, что между пузырьком газа и электродом постоянно образуется своего рода микропузырьковый ковер. Выше определенной толщины ковра электрическая сила больше не способна оттянуть пузырь назад, позволяя ему подняться. Эти знания теперь могут быть использованы для повышения эффективности всего процесса.
Чтобы подтвердить свои результаты, исследователи повторили эксперимент во время параболического полета, спонсируемого Немецким аэрокосмическим центром (DLR). Это позволило им изучить, как изменения плавучести влияют на динамику пузырьков газа. «Изменение гравитации во время параболы позволило нам изменять ключевые физические параметры, на которые мы не могли повлиять в лаборатории», – пояснил Александр Башкатов, ведущий автор недавно опубликованного исследования. Аспирант HZDR вместе с другими коллегами проводил эксперименты во время параболического полета. В периоды приблизительно нулевой гравитации, плавучесть практически равна нулю, но значительно усиливается в конце параболы.
Несмотря на то, что эксперименты исследовательской группы должны были проводиться в упрощенных лабораторных условиях, новые результаты будут способствовать повышению эффективности электролизеров в будущем. Исследователи, возглавляемые Керстином Эккертом, в настоящее время планируют объединиться с партнерами из Fraunhofer IFAM Dresden, TU Dresden, университета прикладных наук Zittau-Görlitz и местными промышленными партнерами для проекта по исследованию зеленого водорода на производстве в немецком регионе Лужица. Целью проекта является улучшение электролиза щелочной воды до такой степени, чтобы он смог заменить ископаемое топливо. «Щелочные электролизеры намного дешевле и экологически безопасны и не используют скудные ресурсы, поскольку им не нужны электроды с покрытием из драгоценных металлов. Долгосрочная цель консорциума – разработка нового поколения мощных щелочных устройств», – резюмировал Эккерт.
https://econet.ru/articles/zelenyy-vodorod-povyshenie-effektivnosti