Крихітні бульбашки можуть збільшити споживання електроенергії на понад 50% для виробництва зеленого водню.

Зелений водень має серйозну проблему: його виробництво вимагає великих кількостей електроенергії, що підвищує його вартість та ускладнює конкуренцію з іншими енергетичними альтернативами. Тому будь-який прорив, який дозволить зменшити споживання електроенергії електролізерами, є особливо важливим для майбутнього цієї технології.

Зараз команда дослідників з Університету Корнелл у Сполучених Штатах та Міського університету Гонконгу виявила одну з причин цих втрат енергії. І що цікаво, проблема полягає у чомусь настільки дрібному, як бульбашки, що утворюються під час процесу електролізу води.

Вчені розробили тривимірну комп’ютерну модель, яка дозволяє досліджувати, як ці бульбашки впливають на роботу електролізерів. Результати показують, що коли вони досягають певного розміру, вони можуть спричинити зростання електричного напруги, необхідного для підтримки реакції, на понад 50%, що відкриває шлях до значних покращень у проектуванні цих пристроїв.

Проблема бульбашок у виробництві зеленого водню

Для виробництва зеленого водню використовується електроенергія з відновлюваних джерел, таких як сонячна чи вітрова, для розділення води на водень та кисень. Цей процес, відомий як електроліз, здійснюється за допомогою пристроїв, що називаються електролізерами.

Під час роботи утворені гази створюють маленькі бульбашки на поверхні електродів. Ці бульбашки зростають, поки не відокремлюються та не піднімаються крізь рідину, але поки вони залишаються прикріпленими, вони можуть ускладнити контакт води з зонами, де відбуваються хімічні реакції.

Це призводить до того, що частина активної поверхні блокується, і зростає опір проходженню струму. Внаслідок цього електролізеру потрібно застосовувати вищу напругу для виробництва такої ж кількості водню, що збільшує електроспоживання процесу.

До цього часу дослідники намагалися вирішити цю проблему, змінюючи форму електродів, їхні матеріали та потік води. Однак було складно з точністю розрахувати, наскільки кожна бульбашка впливає на енергоефективність.

Відкриття, яке може суттєво знизити споживання електроенергії

Щоб вирішити цю проблему, дослідники розробили тривимірну математичну модель, яка відтворює поведінку бульбашок на електродах. Цей інструмент дозволяє аналізувати мікроскопічні процеси та розраховувати, як вони впливають на електроенергетичні потреби системи.

Результати досліджень дозволили визначити критичний розмір бульбашок, після досягнення якого втрати швидко зростають. Коли бульбашки залишаються нижче цього порогу, додаткове збільшення напруги може залишатися в межах 3%.

Однак, коли вони перевищують цей розмір, потреба в напрузі зростає експоненційно. За певних умов дослідники спостерігали, що одна бульбашка може спричинити збільшення напруги більш ніж на 50% порівняно з необхідною напругою без її наявності.

Ключ до рішення полягає у тому, щоб змусити бульбашки відокремлюватися від електродів до досягнення цього критичного розміру. Для цього вчені пропонують розробити нові геометрії та поверхні, які полегшують їх видалення, зменшуючи енергетичні втрати під час виробництва водню.

Модель у 1 000 разів швидша для розробки ефективних електролізерів

Ще одним цікавим аспектом дослідження є комп’ютерний інструмент, який використовується. Вчені змогли створити систему, яка функціонує як цифровий двійник електролізера, відтворюючи його матеріали, геометрію та умови роботи.

Завдяки цій моделі вони можуть досліджувати поведінку бульбашок та тестувати різні дизайни без необхідності фізичного виготовлення кожного прототипу. Крім того, їм вдалося зменшити обчислювальні зусилля приблизно у 1 000 разів, зберігаючи точність розрахунків.

Наступним кроком буде розширення симуляцій для аналізу того, як взаємодіють кілька бульбашок, як вони ростуть та як з’єднуються між собою. Вони також хочуть поєднати цю технологію з інструментами оптимізації та 3D-друку для створення електродів, які сприятимуть виведенню газів.

Важливий крок у зниженні вартості зеленого водню

Значення цього відкриття безпосередньо пов’язане з вартістю виробництва. Наразі для отримання кілограма водню шляхом електролізу зазвичай потрібно від 50 до 60 кВт·год електроенергії, залежно від використовуваної технології.

Це означає, що при ціні електроенергії 50 євро/МВт·год лише витрати на електроенергію становлять від 2,50 до 3 євро за кілограм виробленого водню. До цієї суми потрібно додати інвестиції в електролізатори, їхнє обслуговування та інші витрати на експлуатацію.

Тому підвищення енергоефективності може суттєво вплинути на конкурентоспроможність цієї технології, особливо у великих промислових підприємствах, які щорічно виробляють тисячі тонн водню.

Розробка з Корнельського університету відкриває новий шлях для досягнення цієї мети. Замість того, щоб зосереджуватися виключно на нових матеріалах чи технологіях електролізу, дослідники довели, що оптимізація утворення та видалення бульбашок може бути ключовою для зниження споживання електроенергії.

Удосконалення, яке може допомогти зробити зелений водень більш конкурентоспроможним у таких секторах, як металургія, хімічна промисловість чи виробництво добрив, де заміна водню, отриманого з викопного палива, є однією з основних проблем у процесі декарбонізації.

Джерело | Pubs.rsc