Загадка электролизера: как ее решение может способствовать энергетическому переходу.

Электролизеры существуют уже сто лет, но до сих пор мы почти ничего не понимаем об их механизме работы. Для нас важно, что эти устройства можно использовать для производства экологически чистого водорода, играющего важную роль в энергетическом переходе. Это более чем достаточная причина для того, чтобы раскрыть секреты электролизера и разработать эффективный, доступный и модульный прибор, который можно было бы использовать в широких масштабах. В рамках консорциума Dutch Electrolyzer Технический университет Эйндховена занимается именно этим. Давайте же ответим на шесть вопросов об анодах, пузырьках и электролитах.

1. Что можно сделать с помощью электролизера?

Сами того не подозревая, вы, скорее всего, уже сталкивались с электролизером. Это типичный эксперимент в средней школе, в котором вы опускаете в стакан с водой два штырька, соединенных с батарейкой. Затем на обоих концах штырьков образуются маленькие пузырьки газа.

Эти пузырьки газа, а точнее водород и кислород, являются продуктами процесса электролиза, в котором электричество используется для расщепления молекул воды. По сути, электролизер делает именно это в гораздо больших масштабах, где этот процесс может быть использован для  наполнения резервуаров водородом.

А вот уже с водородом начинается совсем другая история, ведь он может стать переломным моментом в переходе к энергоснабжению, нейтральному по отношению к CO2. Его можно использовать по-разному.

Прежде всего, как энергоноситель, водород является привлекательным газом для крупномасштабного и долгосрочного хранения электроэнергии, получаемой от солнечных и ветряных технологий (и все благодаря электролизу, конечно). Хранение электроэнергии в водороде может помочь справиться с потенциальными колебаниями спроса и предложения электроэнергии. Кроме того, для транспортировки водорода можно использовать существующую газовую сеть. Водород также может использоваться в топливных элементах для получения электроэнергии, например, в транспортных средствах.

Наконец, водород является ключевым строительным блоком в производстве химических веществ, наряду с СО, который получается при электролизе СО2. В ряде процессов химического производства водород может способствовать альтернативным методам без выбросов CO2, включая те, которые в настоящее время выбрасывают много CO2, например, производство стали или удобрений.

Используя водород, полученный из возобновляемых источников энергии, химическая промышленность, которая традиционно ассоциируется с загрязнением и отходами, может стать значительно «зеленее».

А каков один из самых экологичных способов производства водорода? Да, вы угадали — с помощью электролизера.

2. В чем проблема современных электролизеров?

Электролизеры существуют уже более ста лет, и по сути они не претерпели за это время существенных изменений. Или, как выразился исследователь Технического университета Эйндховена Тийс де Гроот: «Прекрасная технология, но мы как будто все еще ездим в Ford Model T 1900-х годов».

Де Гроот, которого коллеги в шутку называют «мистер электролизер», занимается электролизом всю свою жизнь, как в промышленности, так и в академических исследованиях. Он до сих пор совмещает работу в университете с работой в промышленности в компании Nobian, крупнейшем игроке в области промышленного электролиза в Нидерландах.

По словам де Гроота, «относительно мало исследований и разработок» было проведено в отношении наиболее часто используемого электролизера, так называемого щелочного электролизера, который применяется в больших масштабах с 1930 года. «Это все еще довольно тяжелые, дорогие устройства, которые не производят так много водорода».

Поэтому, чтобы играть значительную роль в энергетическом переходе, электролизеры нуждаются в срочной модернизации. «Чтобы производство водорода с помощью электролизеров стало более масштабным, они должны стать дешевле, эффективнее и гибче», — говорит де Гроот.

Это основная цель консорциума Dutch Electrolyzer — сотрудничества энергетического института Технического университета Эйндховена с Голландским институтом фундаментальных энергетических исследований и VDL Group, созданного благодаря гранту.

Совершенствуя технологию электролиза, с одной стороны, и одновременно получая представление о том, как она может вписаться в рынок, с другой, различные стороны хотят прийти к производству нового типа электролизера, позволяющего производить водород как в малых, так и в больших масштабах.

«Крупномасштабное решение всегда будет состоять из нескольких одинаковых модулей, — говорит Мариус Понтэн, директор по корпоративным инновациям компании VDL. Поэтому важным вопросом является то, какой модуль является оптимальным для увеличения масштаба». Понтэн: «Если говорить совсем конкретно, дешевле ли построить гигаваттную электростанцию из 500 киловаттных модулей или из 20 мегаваттных?».

3.Как разработать идеальный электролизер?

Ну, это не так просто. Несмотря на то, что они существуют уже более ста лет, мы до сих пор не до конца понимаем электролизеры. «Если посмотреть на свойства различных компонентов, то можно ожидать гораздо лучших характеристик, чем сейчас», — говорит де Гроот.

Как же мы можем решить эту загадку? Подход исследователей заключается в том, чтобы вернуться к основам. На территории кампуса можно найти несколько электролизеров разных размеров и типов. Выявить и научиться понимать все аспекты электролизера — каждый «кусочек головоломки» — в деталях. «Например, с 3D-печатными электролизерами мы пробуем разные формы», — говорит де Гроот. «Что происходит потом? И понимаем ли мы это?»

Особенностью проекта «Голландский электролизер» является то, что он является междисциплинарным: от физики до машиностроения, от электротехники до химии. Здесь собраны уникальные области знаний, такие как производство масштабируемых электрохимических реакторов, синтез тонких пленок для очень точного контроля свойств материалов, а также знания в области электрокатализа и электродной техники.

Де Гроот: «Мы постепенно получаем более четкую картину головоломки».

4. Могут ли пузырьки влиять на эффективность?

Пузырьки? Действительно, возможно, по иронии судьбы образующиеся пузырьки газа сами по себе являются подозреваемыми, когда речь идет о неутешительной мощности электролизеров.

«Известно, что при наличии пузырьков в электролите ток не может проходить через него так легко», — говорит исследователь Берт Времан, который работает в Nobian. Он не исключает возможности того, что можно добиться значительного увеличения КПД или мощности (плотности тока) с помощью некоторых незначительных усовершенствований.

Но как отправить эти пузырьки в другое место? По словам Времана, существует несколько возможностей. «Очевидный вариант — быстрее прокачивать раствор электролита, но можно также подумать о другой геометрии реактора, другой форме электродов, другом материале, из которого пузырьки выделяются быстрее. Но неясно, насколько все это важно».

Существенно осложняет дело то, что в работающем электролизере слабо заметен процесс образования пузырьков. «Все белое, как бурная река. Поэтому съемка не дает много информации. Вот почему Времани его коллеги сейчас рассматривают сначала упрощенные ситуации, для которых они проводят детальное компьютерное моделирование.

Таким образом, они могут изучить, как растет один электролитический пузырек, и из этого уже можно многое узнать. «Вам приходится иметь дело с двухфазным потоком (жидкость и газ), поверхностным натяжением, электрохимической реакцией, градиентами концентрации, переносом тепла и электрическим током вокруг пузырька», — перечисляет Времан. «Все эти мини-процессы мы хотим понять досконально».

5. Можем ли мы что-то сделать с электродами?

Электроды также являются очевидным кандидатом на более пристальное внимание. Часто для электродов используются дефицитные драгоценные металлы и соединения, такие как платина и оксид иридия. Иридий — один из самых редких материалов на Земле, что, естественно, значительно повышает стоимость электролизера.

Вот почему команды Адрианы Креаторе (факультет прикладной физики) и Марты Коста Фигейредо (факультет химической инженерии и химии) ищут альтернативы. «Мы ищем более доступные и экономичные материалы без ущерба для эффективности и долгосрочной стабильности», — объясняет Креаторе. С этой целью они также тесно сотрудничают с группой Михалиса Тсампаса в Голландском институте.

В частности, они сосредоточились на реакции на аноде, в ходе которой образуется кислород — процесс, известный в технических терминах как реакция восстановления кислорода (OER). Креаторе: «Эта реакция начинается очень медленно, и необходимый электрокатализатор должен обладать долгосрочной стабильностью в работе, быть изготовленным из материалов, распространенных на Земле, и иметь низкую стоимость, чтобы его можно было производить в больших масштабах».

В настоящее время команда Креаторе использует метод атомно-слоевого осаждения (ALD) для достижения контроля над составом электрокатализаторов вплоть до размеров атомов. В настоящее время они исследуют соединения на основе таких элементов, как кобальт и фосфор, или никель.

«В настоящее время мы проводим сравнительный анализ этих катализаторов с используемыми в настоящее время электрокатализаторами, используя фундаментальные и четко определенные установки и условия», — говорит Коста Фигейредо. «Мы планируем использовать несколько спектроскопических методов для изучения механизма реакции и изменений на электроде в процессе электролиза».

6. Что делает проект электролизера таким особенным?

Спросите участников проекта, и вы получите от всех один и тот же ответ: сочетание вовлеченных сторон и опыта, как в области фундаментальных исследований, так и в промышленной практике, создает идеальную основу для разработки и коммерциализации технологии электролизера.

Стоит отметить, что помимо наиболее известного варианта щелочного электролизера, на который исследователи особое внимание, есть и другие объекты, на которых можно сделать ставку. В последние годы появились и другие перспективные технологии электролизеров. Михалис Цампас и его исследовательская группа уделяют им особое внимание.

К ним относится, например, использование полимерных или керамических ионопроводящих мембран вместо жидкого электролита в так называемом полимерно-электролитном мембранном электролизе (ПЭМ). «Это дает значительное преимущество в виде малого внутриэлектродного расстояния по сравнению с обычным щелочным электролизом», — говорит Тсампас.

«Это может привести к снижению сопротивления и более быстрому отклику системы». Еще на шаг дальше находится так называемый электролизер AEM — новая технология, которая показывает большие перспективы, поскольку сочетает в себе преимущества ПЭМ и щелочного электролиза.

С другой стороны, твердооксидный электролиз предполагает работу при высоких температурах, а роль электролита выполняют керамические оксиды металлов. «Благодаря своему температурному окну такие реакторы предлагают уникальные возможности не только для электролиза воды, но и для производства устойчивых химических веществ и топлива», — говорит Цампас.

Тот факт, что существует прямая связь между исследованиями и промышленностью, означает, что потенциальные усовершенствования электролизеров быстрее найдут свой путь в конечные продукты». Понтэн из VDL: «Вначале основное внимание уделяется «быстрым победам» и совершенствованию уже отработанных технологий, а в более долгосрочной перспективе мы оцениваем альтернативные, более инновационные процессы для дальнейшего развития».

Благодаря объединению всех соответствующих знаний, технологическая карта для электролизера находится в пределах досягаемости. Но это не может произойти достаточно быстро. Ожидается, что к 2030 году спрос на водород в Европе в 20 раз превысит текущие мировые производственные мощности.

А вы задумывались, что по сути в ваших кранах течет тоже потенциальное топливо? .energy – она вокруг нас.

Источник