Małe bańki mogą zwiększyć zużycie energii elektrycznej o ponad 50% przy produkcji zielonego wodoru.

Zielony wodór ma poważny problem: jego wytwarzanie wymaga dużych ilości energii elektrycznej, co zwiększa jego koszt i utrudnia konkurencję z innymi alternatywami energetycznymi. Dlatego każdy postęp, który pozwoli zmniejszyć zużycie prądu przez elektrolizatory, jest szczególnie istotny dla przyszłości tej technologii.

Teraz zespół badaczy z Uniwersytetu Cornell w Stanach Zjednoczonych oraz City University w Hongkongu zidentyfikował jedną z przyczyn tych strat energii. Co ciekawe, problem leży w czymś tak małym jak bąbelki powstające podczas procesu elektrolizy wody.

Naukowcy opracowali trójwymiarowy model komputerowy, który umożliwia badanie wpływu tych bąbelków na funkcjonowanie elektrolizatorów. Wyniki pokazują, że gdy osiągną określoną wielkość, mogą powodować wzrost napięcia elektrycznego potrzebnego do utrzymania reakcji o ponad 50%, co otwiera drogę do znaczących ulepszeń w projektowaniu tych urządzeń.

Problem bąbelków w produkcji zielonego wodoru

Aby wytwarzać zielony wodór, wykorzystuje się energię elektryczną pochodzącą z źródeł odnawialnych, takich jak energia słoneczna lub wiatrowa, do rozdzielania wody na wodór i tlen. Ten proces, znany jako elektroliza, odbywa się za pomocą urządzeń zwanych elektrolizatorami.

Podczas pracy generowane gazy tworzą małe bąbelki na powierzchni elektrod. Bąbelki te rosną, aż w końcu się oddzielają i wznoszą się przez ciecz, ale dopóki są przyklejone, mogą utrudniać kontakt wody z obszarami, gdzie zachodzą reakcje chemiczne.

To powoduje, że część powierzchni aktywnej zostaje zablokowana, co zwiększa opór przepływu prądu. W rezultacie elektrolizator musi stosować wyższe napięcie, aby wytworzyć tę samą ilość wodoru, co zwiększa zużycie energii w tym procesie.

Do tej pory badacze próbowali rozwiązać ten problem poprzez modyfikację kształtu elektrod, używanych materiałów oraz przepływu wody. Jednak dokładne obliczenie wpływu każdej bańki na efektywność energetyczną okazało się skomplikowane.

Odkrycie, które może znacznie zmniejszyć zużycie prądu

Aby rozwiązać ten problem, badacze opracowali trójwymiarowy model matematyczny, który symuluje zachowanie bańek na elektrodach. Narzędzie to umożliwia analizę procesów mikroskopowych oraz obliczenie wpływu bańek na zapotrzebowanie systemu na prąd.

Wyniki badania umożliwiły określenie krytycznej wielkości bańki, od której straty gwałtownie rosną. Gdy bańki pozostają poniżej tego progu, dodatkowy wzrost napięcia może być utrzymany na poziomie do 3%.

Jednak gdy przekroczą tę wielkość, zapotrzebowanie na napięcie rośnie wykładniczo. W określonych warunkach badacze zaobserwowali, że pojedyncza bańka może spowodować wzrost napięcia o ponad 50% w porównaniu z wartością wymaganą bez jej obecności.

Kluczem jest sprawienie, by bańki oddzielały się od elektrod przed osiągnięciem tej krytycznej wielkości. W tym celu naukowcy proponują opracowanie nowych geometrii i powierzchni, które ułatwią ich usunięcie, zmniejszając straty energetyczne podczas produkcji wodoru.

Model 1000 razy szybszy do tworzenia efektywnych elektrolizatorów

Jednym z najciekawszych aspektów badań jest użyty narzędzie komputerowe. Naukowcy udało się stworzyć system, który funkcjonuje jako cyfrowy bliźniak elektrolizatora, odtwarzając jego materiały, geometrię oraz warunki pracy.

Dzięki temu modelowi mogą badać zachowanie bąbelków i testować różne projekty bez konieczności fizycznego tworzenia każdego prototypu. Ponadto udało im się zredukować obciążenie komputerowe o około 1000 razy, zachowując przy tym dokładność obliczeń.

Kolejnym krokiem będzie rozszerzenie symulacji w celu zbadania, jak współdziałają liczne bańki, jak rosną i jak łączą się ze sobą. Chcą również połączyć tę technologię z narzędziami optymalizacji i druku 3D, aby stworzyć elektrody ułatwiające uwalnianie gazów.

Ważny postęp w obniżaniu kosztów zielonego wodoru

Znaczenie tego odkrycia jest bezpośrednio związane z kosztem produkcji. Obecnie uzyskanie jednego kilograma wodoru poprzez elektrolizę wymaga zazwyczaj od 50 do 60 kWh energii elektrycznej, w zależności od używanej technologii.

To oznacza, że przy cenie prądu 50 euro/MWh sama energia elektryczna stanowi od 2,50 do 3 euro za kilogram wyprodukowanego wodoru. Do tej kwoty należy dodać inwestycję w elektrolizatory, ich konserwację oraz inne koszty operacyjne.

Dlatego też poprawa efektywności energetycznej może mieć znaczący wpływ na konkurencyjność tej technologii, szczególnie w dużych zakładach przemysłowych, które produkują tysiące ton wodoru rocznie.

Rozwój osiągnięty przez Cornell otwiera nową drogę do osiągnięcia tego celu. Zamiast skupiać się wyłącznie na nowych materiałach lub technologiach elektrolizy, badacze wykazali, że optymalizacja powstawania i usuwania bąbelków może być kluczowa dla zmniejszenia zużycia prądu.

Ulepszenie, które mogłoby przyczynić się do zwiększenia konkurencyjności zielonego wodoru w sektorach takich jak hutnictwo, przemysł chemiczny czy produkcja nawozów, gdzie zastąpienie wodoru pozyskiwanego z paliw kopalnych stanowi jedno z największych wyzwań w procesie dekarbonizacji.

Źródło | Pubs.rsc