Крошечные пузырьки могут увеличить потребление электроэнергии более чем на 50% для производства зеленого водорода.

У зеленого водорода есть серьезная проблема: его производство требует большого количества электроэнергии, что увеличивает его стоимость и затрудняет конкуренцию с другими альтернативными источниками энергии. Поэтому любой прорыв, позволяющий снизить потребление электроэнергии электролизаторами, имеет особое значение для будущего этой технологии.

Теперь группа исследователей из Корнельского университета в США и Городского университета Гонконга выявила одну из причин таких потерь энергии. И что интересно, проблема заключается в чем-то настолько мелком, как пузырьки, образующиеся в процессе электролиза воды.

Учёные разработали трёхмерную компьютерную модель, позволяющую изучать, как эти пузырьки влияют на работу электролизаторов. Результаты показывают, что при достижении определённого размера они могут вызывать увеличение напряжения, необходимого для поддержания реакции, более чем на 50%, что открывает путь к значительному улучшению дизайна этих устройств.

Проблема пузырьков при производстве зелёного водорода

Для производства зеленого водорода используется электроэнергия из возобновляемых источников, таких как солнечная или ветровая, для разделения воды на водород и кислород. Этот процесс, называемый электролизом, осуществляется с помощью устройств, известных как электролизаторы.

Во время работы газы, образующиеся в процессе, создают мелкие пузырьки на поверхности электродов. Эти пузырьки растут, пока не отрываются и не поднимаются сквозь жидкость, но пока они прикреплены, они могут затруднять контакт воды с участками, где происходят химические реакции.

Это приводит к тому, что часть активной поверхности блокируется, и увеличивается сопротивление протеканию тока. В результате электролизатору необходимо приложить более высокое напряжение для получения того же количества водорода, что увеличивает электропотребление процесса.

До сих пор исследователи пытались решить эту проблему, изменяя форму электродов, их материалы и режим циркуляции воды. Однако было сложно с точностью рассчитать, насколько каждая пузырька влияет на энергоэффективность.

Открытие, способное значительно снизить электропотребление

Чтобы решить эту проблему, исследователи разработали трехмерную математическую модель, воспроизводящую поведение пузырьков на электродах. Этот инструмент позволяет анализировать микроскопические процессы и определять, как они влияют на электрические потребности системы.

Результаты исследований позволили определить критический размер пузырей, после достижения которого потери резко увеличиваются. Когда пузыри находятся ниже этого порога, дополнительное увеличение напряжения может оставаться в пределах 3%.

Однако при превышении этого размера потребности в напряжении растут экспоненциально. В определённых условиях исследователи обнаружили, что один пузырь может привести к увеличению напряжения более чем на 50% по сравнению с уровнем, необходимым без его наличия.

Ключ к решению проблемы заключается в том, чтобы пузыри отделялись от электродов до достижения критического размера. Для этого учёные предлагают разрабатывать новые геометрии и поверхности, способствующие их удалению, тем самым снижая энергетические потери при производстве водорода.

Модель в 1000 раз быстрее для разработки эффективных электролизаторов

Ещё одним из самых интересных аспектов исследования является используемый компьютерный инструмент. Учёные смогли создать систему, которая функционирует как цифровой двойник электролизатора, воспроизводя его материалы, геометрию и условия работы.

Благодаря этой модели они могут изучать поведение пузырьков и тестировать различные конструкции без необходимости физического изготовления каждого прототипа. Кроме того, им удалось сократить вычислительные затраты примерно в 1000 раз, сохраняя при этом точность расчётов.

Следующим шагом будет расширение симуляций с целью анализа того, как взаимодействуют множество пузырьков, как они растут и как соединяются друг с другом. Они также хотят сочетать эту технологию с инструментами оптимизации и 3D-печати для создания электродов, способствующих выходу газов.

Важный прорыв в снижении стоимости зеленого водорода

Значимость этого открытия напрямую связана с затратами на производство. В настоящее время для получения килограмма водорода путем электролиза обычно требуется от 50 до 60 кВт·ч электроэнергии, в зависимости от используемой технологии.

Это означает, что при цене на электроэнергию в 50 евро/МВт·ч только стоимость электроэнергии составляет от 2,50 до 3 евро за килограмм произведенного водорода. К этой сумме необходимо добавить затраты на электролизаторы, их обслуживание и прочие операционные расходы.

Следовательно, повышение энергоэффективности может оказать значительное влияние на конкурентоспособность этой технологии, особенно на крупных промышленных предприятиях, производящих тысячи тонн водорода в год.

Разработка, сделанная в Корнеллском университете, открывает новый путь для достижения этой цели. Вместо того чтобы сосредотачиваться исключительно на новых материалах или технологиях электролиза, исследователи показали, что оптимизация образования и удаления пузырьков может сыграть ключевую роль в снижении электропотребления.

Улучшение, которое может способствовать повышению конкурентоспособности зеленого водорода в таких секторах, как металлургия, химическая промышленность или производство удобрений, где замена водорода, получаемого из ископаемого топлива, является одной из главных задач декарбонизации.

Источник | Pubs.rsc