Лабораторные эксперименты и кампания по параболическому полету позволили международной группе исследователей из Центра Гельмгольца в Дрездене-Россендорфе (HZDR) по-новому взглянуть на электролиз воды, при котором водород получают из воды с применением электрической энергии. Электролиз воды может сыграть ключевую роль в преобразовании энергии, если удастся добиться повышения эффективности. Выводы, недавно опубликованные в журнале Physical Review Letters, предлагают возможную отправную точку для усиления воздействия технологий на основе водорода на окружающую среду.
Рабочие решения для промежуточного хранения энергии необходимы для того, чтобы избыточная электроэнергия, вырабатываемая солнечными и ветровыми энергетическими системами во время пиковой производительности, не тратилась впустую. Производство водорода, который затем может быть преобразован в другие химические энергоносители, является привлекательным вариантом. Важно, чтобы этот процесс происходил наиболее эффективным и, следовательно, рентабельным способом.
Группа исследователей HZDR под руководством профессора Керстин Эккерт специально сосредоточилась на электролизе воды. Этот метод использует электрическую энергию для расщепления молекул воды на составные части - водород и кислород. Для этого на два электрода, погруженных в кислый или щелочной водный раствор, подается электрический ток. На одном электроде образуется газообразный водород, а на другом кислород. Однако преобразование энергии связано с потерями. На практике этот метод в настоящее время обеспечивает энергоэффективность от 65 до 85 процентов, в зависимости от используемого электролитического процесса. Целью исследований в области электролиза является повышение эффективности примерно до 90 процентов за счет разработки более совершенных методов.
Колебательные пузырьки водорода дают новое понимание
Лучшее понимание основных химических и физических процессов необходимо для оптимизации процесса электролиза. Пузырьки газа, растущие на электроде, обладают плавучестью, заставляя пузырьки подниматься вверх. Проблема точного предсказания времени отрыва пузырьков газа от электродов годами ставила исследователей в тупик. Известно также, что потеря тепла происходит, когда на электроде остаются пузырьки. Комбинируя лабораторные эксперименты и теоретические расчеты, ученые теперь лучше понимают силы, действующие на пузырь. «Наши результаты разрешают старый парадокс исследований пузырьков водорода», - считает Эккерт.
В предыдущих экспериментах исследователи уже заметили, что пузырьки водорода начинают быстро колебаться. Они исследовали это явление более подробно: с помощью высокоскоростной камеры они запечатлели тени пузырьков и проанализировали, как отдельные пузырьки могут отрываться от электрода сто раз в секунду, чтобы сразу же после этого снова присоединяться к нему. Они поняли, что электрическая сила, которой до сих пор пренебрегали, конкурирует с плавучестью, способствуя колебаниям.
Эксперимент также показал, что между газовым пузырем и электродом постоянно образуется своеобразный ковер из микропузырьков. При толщине ковра выше определенной электрическая сила больше не может оттягивать пузырек назад, позволяя ему подняться. Теперь эти знания можно использовать для повышения эффективности всего процесса.
Параболические полеты подтверждают выводы
Чтобы подтвердить свои результаты, исследователи повторили эксперимент во время параболического полета, спонсируемого Немецким аэрокосмическим центром (DLR). Это позволило им изучить, как изменения плавучести влияют на динамику пузырьков газа.«Измененная гравитация во время параболы позволила нам варьировать ключевые физические параметры, на которые мы не могли повлиять в лаборатории», - пояснил Александр Башкатов, ведущий автор недавно опубликованного исследования. Аспирант HZDR провел эксперименты на борту параболического полета вместе с другими коллегами. В периоды приблизительной невесомости, когда во время полета по параболе происходит свободное падение, плавучесть практически равна нулю, но значительно увеличивается в конце параболы. Результаты полетов также показали, что перевести водородные технологии на потенциальное применение в космосе будет сложно - без плавучести удаление пузырьков газа с электрода было бы еще более сложной задачей, чем на Земле.
Применение электролизеров воды: регенеративная энергия для региона
Несмотря на то, что эксперименты исследовательской группы должны были проходить в упрощенных лабораторных условиях, новые результаты будут способствовать повышению эффективности электролизеров в будущем. Исследователи во главе с Керстин Эккерт в настоящее время планируют объединиться с партнерами из Fraunhofer IFAM Dresden, TU Dresden, Университета прикладных наук Циттау-Гёрлиц и местными промышленными партнерами для проекта по изучению производства зеленого водорода в немецком регионе Лужица. Целью проекта является улучшение электролиза щелочной воды до такой степени, чтобы она могла заменить ископаемое топливо. «Щелочные электролизеры намного дешевле и экологически безопасны, и не используют скудные ресурсы, поскольку не нуждаются в электродах с покрытием из драгоценных металлов. Долгосрочная цель консорциума - разработать новое поколение мощных щелочных устройств», - резюмировал Эккерт..