Исследователи Израильского технологического института Технион разработали новый подход к производству водорода из воды с использованием солнечной энергии. В выводах, опубликованных в Nature Materials, исследователи поясняют, что такой подход позволит производить водород централизованно в точке продажи (например, на заправке для электромобилей, работающих на водороде), расположенной далеко от солнечной фермы.. Ожидается, что новая технология значительно снизит стоимость производства водорода и доставки его потребителю.
Исследование проводилось Авигейл Лэндман, докторантом Энергетической программы Нэнси и Стивена Гранд Технион (GTEP), и доктором С. Хен Дотан из Лаборатории электрохимических материалов и устройств. Г-жа Ландман работает над докторской диссертацией под руководством профессора Авнера Ротшильда с факультета материаловедения и инженерии и профессора Гидеона Грейдера, декана факультета химического машиностроения.
Водород считается одним из самых перспективных энергоносителей для транспортных средств и различных других применений из-за его существенных преимуществ:
1. Водород можно производить из воды, поэтому производство не зависит от доступа к невозобновляемым природным ресурсам.
2. Использование водородного топлива уменьшит зависимость от ископаемых видов топлива, таких как нефть и природный газ, доступность которых зависит от географических, политических и других факторов, и увеличит доступность энергии для населения Земли.
3. В отличие от дизельных и бензиновых двигателей, которые выбрасывают в воздух значительное количество загрязняющих веществ, единственным побочным продуктом использования водородного топлива является вода.
Из-за преимуществ водородного топлива многие страны - во главе с Японией, Германией и США - вкладывают огромные средства в программы разработки экологически чистых («зеленых») технологий производства водород. Большая часть водорода в настоящее время производится из природного газа в процессе, при котором в воздух выделяется углекислый газ, но также возможно производить водород из воды путем расщепления молекул воды на водород и кислород в процессе, называемом электролизом. Однако, поскольку производство электроэнергии само по себе является дорогостоящим и загрязняющим окружающую среду процессом, исследователи из Техниона и по всему миру разрабатывают фотоэлектрохимическую (PEC) ячейку, которая использует солнечную энергию для непосредственного разделения воды на водород и кислород без необходимости во внешнем источнике энергии.
Основными проблемами при разработке солнечных ферм PEC для производства водорода являются 1.) хранение водорода и кислорода отдельно друг от друга, 2.) сбор водорода из миллионов ячеек PEC и 3.) транспортировка водорода к месту продажи. Команда Техниона решила эти проблемы, разработав новый метод разделения воды на ПЭК. С помощью этого метода водород и кислород образуются в двух отдельных ячейках - одна производит водород, а другая - кислород. Это отличается от традиционного метода, в котором водород и кислород производятся в одной и той же ячейке и разделены тонкой мембраной, которая предотвращает их смешивание и образование легковоспламеняющейся и взрывоопасной смеси.
Новый процесс позволяет географически разделить солнечную ферму, состоящую из миллионов ячеек PEC, которые производят исключительно кислород, и место, где водород производится централизованным, рентабельным и эффективным способом. Они добились этого с помощью пары вспомогательных электродов, сделанных из гидроксида никеля, недорогого материала, используемого в перезаряжаемых батареях, и соединяющего их металлического провода.
«В настоящей статье мы описываем новый метод производства водорода посредством физического разделения производства водорода и производства кислорода», - говорит г-жа Ландман. «Согласно нашей оценке стоимости, наш метод может успешно конкурировать с существующими методами разделения воды и служить дешевой и безопасной платформой для производства водорода."
Но это еще не все. Как уже говорилось, видение исследователей Техниона заключается в географическом разделении мест, где производятся кислород и водород: на одном месте будет солнечная ферма, которая будет собирать солнечную энергию и производить кислород, а водород будет производиться централизованно. способом на другом сайте, в нескольких милях отсюда. Таким образом, вместо того, чтобы транспортировать сжатый водород от места производства до точки продажи, нужно будет только поменять местами вспомогательные электроды между двумя местами. Экономические расчеты, выполненные в сотрудничестве с научными сотрудниками из Evonik Creavis GmbH и Института солнечных исследований Немецкого аэрокосмического центра (DLR), указывают на потенциальную возможность значительной экономии затрат на установку и эксплуатацию производства водорода.
В октябре г-жа Ландман заняла первое место в категории энергии на конкурсе Three Minute Thesis (3MT), проходившем в Австралии. На конкурсе, проводимом по инициативе Университета Квинсленда, участники должны представить революционное исследование всего за три минуты.
Разработанный в Технионе метод разделения производства водорода и кислорода лег в основу разработки новой технологии двухстадийного электролиза. Эта технология, разработанная доктором Хен Дотаном, позволяет производить водород при высоком давлении и с беспрецедентной эффективностью, что значительно снижает затраты на производство водорода. Новая технология сейчас находится на стадии доиндустриальной разработки.