Водород по заказу - в Технионе открыт новый метод электролиза воды

Ведущими исследователями были Авигаль Ландман (докторант программы Nancy & Stephen Grand Technion Energy Program (GTEP)) и доктор Хен Дотан из лаборатории электрохимических устройств и материалов. Ландман работает над своим докторатом под руководством профессора Авнера Ротшильда с факультета материаловедения и инженерии и профессора Гидеона Градера, декана факультета химической инженерии. 

Исследование проводилось при поддержке израильского Центра по поддержке передовых исследований (I-CORE) для исследований солнечной энергии (финансируемым комитетом планирования и бюджета при Совете Высшего образования в Израиле), министерством национальной инфраструктуры, энергии и воды, European Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking (FCH JU), Grand Technion Energy Program (GTEP), и Эдом Сателлом и фондом Аделис. 

Водород считается одним из самых многообещающих энергетических ресурсов для транспорта и других нужд в силу наличия у него существенных преимуществ:

●     Водород может быть получен из воды и его производство не опирается на невозобновляемые природные ресурсы;

●     Использование водородного топлива повысит количество энергии, доступной населению Земли, и снизит зависимость от других видов горючего, таких как нефть и газ, чья доступность зависит от географических, политических и других факторов;

●     В отличие от бензиновых и газовых двигателей, загрязняющих воздух, единственным побочным продуктом работы водородного двигателя является вода. 

Из-за преимуществ водородного топлива многие страны - в первую очередь Япония, Германия и США - вкладывают значительные средства в программы разработки дружественных к окружающей среде «зеленых» технологий производства водорода. Большая часть водорода сейчас производится из природного газа в процессе, в ходе которого выделяется углекислый газ, создающий "парниковый эффект".

Однако каждый школьник знает, что можно производить водород и из воды, расщепляя молекулу воды на водород и кислород в процессе, который называется электролиз. До сих пор этот процесс был более дорогим в промышленном масштабе, поскольку требует больших затрат энергии, да и производство электричества само по себе загрязняет окружающую среду. Исследователи из Техниона и всего мира разрабатывают фотоэлектрохимические (PEC) клетки, которые утилизируют солнечную энергию и используют ее для расщепления воды на водород и кислород напрямую, без необходимости во внешнем источнике энергии. 

В разработке солнечных ферм PEC для производства водорода исследователи столкнулись с тремя основными проблемами:  

•   сохранение водорода и кислорода разделенными;
•  собирание водорода из миллионов PEC-ячеек;
•   транспортировка водорода к точке продажи.

Группа исследователей из Техниона решила все эти проблемы, разработав новый метод разделения воды PEC-ячейками. При его применении водород и кислород формируются в двух отдельных ячейках - одна производит водород, вторая - кислород. Это резко контрастирует с конвенциональным методом, при котором водород и кислород производятся в одной и той же ячейке, разделенной тонкой мембраной, которая препятствует смешиванию газов и получению горючей и взрывоопасной смеси. 

Новый процесс позволяет географически разделить солнечные фермы с миллионами PEC-ячеек, производящих исключительно кислород, и место, где водород производится централизованно, эффективно и выгодно. Это было достигнуто с помощьюу пары вспомогательных электродов, сделанных из гидроксида никеля, недорого материала, применяемого при изготовлении перезаряжаемых аккумуляторов. Электроды соединены металлической проволокой. 

«В статье мы описываем новый метод выработки водорода путем физического разделения производства водорода и производства кислорода», - подчеркивает Ландман. «По нашим оценкам стоимости, наш метод может успешно конкурировать с ныне применяемыми методами разделения воды и служить дешевой и безопасной платформой для производства водорода». 

Эта диаграмма демонстрирует обычное PEC-устройство с мембраной, разделяющей два продукта (кислород справа, водород слева)

На второй диаграмме отображена технология, разработанная в Технионе: кислород и водород производятся и хранятся в совершенно отдельных ячейках. По словам Ландман, один из электродов (анод) может быть заменен светочувствительным электродом (фото-анодом), так что превращение воды и солнечной энергии в водородное топливо и кислород может происходить напрямую одновременно в обеих ячейках.

​Однако это еще не все. Исследователи Техниона стремятся добиться полного географического разделения мест производства кислорода и водорода: в одном месте будет ферма солнечных батарей, которая собирает энергию солнца и производит кислород, а в другом месте, удаленном на километры, централизованно будет происходить производство водорода. Таким образом вместо транспортировки сжатого водорода с места его производства к точке продаже будет нужно только поменять  местами вспомогательные электроды между местами производства. Экономические расчеты, выполненные в сотрудничестве с исследователями из Evonik Creavis GmbH и института солнечных исследований в Германском Аэрокосмическом центре (DLR), показывают потенциал для существенной экономии как во внедрении, так и в производстве водорода таким методом. 

31 октября Ландман заняла первое место в соревновании «Диссертация за 3 минуты» в категории «энергия» в Австралии. Соревнования проводились по инициативе университета в Квинсленде, от участников требовалось представить новаторское исследование за три минуты. В своей лекции, с которой можно ознакомиться по ссылке, Ландман кратко представила текущее исследование. 

Разработанный в Технионе метод разделения производства водорода и кислорода лег в основу новой двухступенчатой технологии электролиза. Эта технология, разработанная доктором Хен Дотан, позволяет осуществить производство водорода при высоком давлении с беспрецедентной эффективностью, что существенно уменьшает стоимость производства. В данный момент технология находится в стадии до-индустриальной разработки.