Connect with us

Hi, what are you looking for?

Наука и технологии

Ученые работают над новой технологией электролиза для производства зеленого водорода

Для обеспечения успешного энергетического перехода потребуются большие количества водорода. В рамках проекта HighHy международная группа исследователей из Германии и Новой Зеландии работает над повышением эффективности новой технологии электролиза AEM для производства зеленого водорода.

Чтобы сделать это возможным, ученые из Института производственных технологий и передовых материалов Фраунгофера IFAM в Дрездене обратились к легкодоступным и ресурсосберегающим металлам, марганцу и никелю, в попытке внедрить этот многообещающий процесс электролиза в крупномасштабную промышленность. Новая технология предлагает ряд других преимуществ в дополнение к снижению затрат по сравнению с существующими процессами.

Что мы будем использовать для передвижения в будущем? Как мы будем управлять нашими промышленными предприятиями? Или временно хранить энергию в течение более длительных периодов времени? Водород может стать ответом на многие проблемы, связанные с энергетическим переходом. Самый легкий элемент таблицы Менделеева является универсальным и может использоваться в автомобильном транспорте, промышленности и теплоснабжении. Тот факт, что водород настолько универсален, означает, что в будущем, вероятно, потребуются его большие количества. Однако массовое производство по-прежнему сопряжено с проблемами, многие из которых команда проекта HighHy намерена решить, разработав катализаторы для высокоэффективного и экономичного производства водорода.

Производство водорода с помощью обычных процессов электролиза

Водород может быть получен электролизом в промышленных масштабах. Электрическая энергия используется для расщепления молекул воды на водород и кислород при погружении в воду, смешанную с проводящей солью — так называемым электролитом. Энергия поглощается и сохраняется в водороде в виде химических связей. Таким образом, этот газ является привлекательным средством долгосрочного хранения энергии, вырабатываемой, например, ветряными турбинами или солнечными панелями, которые нельзя напрямую подавать в сеть. Водород, вырабатываемый возобновляемыми источниками энергии, известен как «зеленый».

В настоящее время широко используются три основных процесса электролиза. Наиболее технически значимым и исторически распространенным является щелочной электролиз (AEL), который включает, например, добавление гидроксида калия в воду. Недостатком этого способа является ограниченный нижний диапазон частичной нагрузки, т. е. при использовании флуктуирующего источника питания полный диапазон мощности не может потребляться в качестве электрической нагрузки.

В случае электролиза с участием электролизера с протонообменной мембраной (ПЭМ-ЭЛ) ионы водорода перемещаются в сильнокислой среде через газонепроницаемую мембрану, находящуюся в непосредственном контакте с электродами (так называемая мембранно-электродная сборка, или МЭА). Такой подход обеспечивает высокую удельную мощность и очень динамичное поведение нагрузки при сохранении высокой степени чистоты газа. Однако электроды требуют использования редких и дорогих благородных металлов, таких как иридий, чтобы противостоять высококоррозионной среде, а также дорогих мембран.

Проект HighHy: катализаторы для высокоэффективного АЭМ-электролиза

Электролиз с использованием анионообменных мембран (АЕМ) является относительно новым подходом. Он сочетает в себе преимущества AEL, такие как высокая долговременная стабильность и использование недорогих и широкодоступных металлов, с преимуществами PEM-EL, т.е. более высокой производительностью, адаптируемостью к различным нагрузкам и чистотой газа. Электролиз AEM еще не был успешным в промышленных применениях, потому что реакция выделения кислорода (OER), участвующая в этом процессе, протекает слишком медленно при использовании неблагородных металлов. Следовательно, необходимое напряжение ячейки для электролиза воды очень велико для желаемой плотности тока, и, как следствие, энергия, необходимая для производства водорода, очень высока.

Это задача, которую решает проект HighHy: немецко-новозеландское сотрудничество, финансируемое Федеральным министерством образования и исследований Германии (BMBF) в рамках «Сотрудничества по исследованиям зеленого водорода с Новой Зеландией», работает над развитием ООР. катализаторы, а впоследствии и высокоэффективные электролизеры АЭМ. «Вместе с тремя новозеландскими университетами и университетом Байройта мы стремимся найти идеальный состав для необходимых катализаторов», — говорит д-р Кристиан Бернекер, глава рабочей группы по электрохимическим технологиям в Fraunhofer IFAM, резюмируя цель проекта.

Доступно и недорого: каталитическая смесь на основе никеля и марганца

Исследователи проекта HighHy намерены использовать инновационное соединение никеля и марганца в качестве катализатора OER для производства зеленого водорода в промышленных масштабах с помощью электролиза AEM. Это соединение имеет важные преимущества: оба металла недороги и легко доступны в качестве сырья. Они также обладают многообещающей химической активностью. Команды HighHy одновременно работают над потенциальными решениями с целью разработки идеального соединения для использования в промышленности.

Доктор Клеменс Кубейл, научный сотрудник отдела водородных технологий Fraunhofer IFAM в Дрездене, где он отвечает за проект, объясняет их подход: «Дополнительный подход совершенно особенный: партнеры по проекту тестируют множество различных методов синтеза, композиций, структура поверхности и размер материала для покрытия катализаторов. В конечном итоге будет выбрано лучшее решение и подвергнуто всесторонним испытаниям на демонстрационном стенде, созданном в Новой Зеландии».

Группа Fraunhofer IFAM привносит свой опыт в стратегии порошковой металлургии для разработки этого катализатора: важна не только электрохимическая активность катализатора, но также необходимо оптимизировать электрический контакт между электродами и потоком электролита, позволяя пузырькам газа как можно лучше от электрода. Ключевым фактором здесь является ноу-хау в отношении пористых структур, подобных тем, которые образуются при использовании никель-марганцевого порошка для покрытий. Исследователи надеются, что новые катализаторы снизят количество электроэнергии, необходимой для генерации кислорода, и тем самым повысят эффективность электролиза АЭМ.

Цена, гибкость, чистота водорода: высокий потенциал АЭМ-электролиза

Существует большой потенциал электролиза AEM, подходящего для использования в промышленности: целевые показатели ЕС по использованию энергии электролиза в новом процессе установлены на уровне примерно 48 киловатт-часов на килограмм произведенного водорода к 2030 году. Это означает, что AEM-EL сможет достигая примерно 80-процентной эффективности, т. е. значений, аналогичных ранее установленным процессам AEL и PEM-EL, предлагая при этом значительно большую гибкость с точки зрения приводимых в действие нагрузок и мест использования, а также значительно меньшие материальные затраты.

«Целевая цена на приобретение системы электролиза AEM в пересчете на произведенный водород составляет около 300 евро за установленный киловатт-час, тогда как PEM-EL стоит около 500 евро. Даже для классического щелочного электролиза цель в настоящее время по-прежнему составляет 400 евро. Это означает, что AEM-EL — единственное серьезное решение для электролиза с точки зрения цены», — говорит Клеменс Кубейл.

«Тот факт, что его можно производить под высоким давлением из-за газонепроницаемой мембраны, электролита с более низкой концентрацией и асимметричного потока электролита, является еще одним преимуществом. Это приводит к производству очень чистого и сжатого водорода, который легче подавать.  В свою очередь, это позволило бы системам быстрее запускаться и выключаться, а также работать с частичной нагрузкой, что очень интересно при выводе приложения на изменчивый рынок».

Ученые работают над новой технологией электролиза для производства зеленого водорода

В тренде