Европейский проект ANEMEL добился значительных успехов в разработке устойчивого способа производства зеленого водорода с использованием источников воды низкого качества, таких как морская или сточная вода. Зеленый водород рассматривается как ключевой элемент перехода к энергетике с нулевыми выбросами углерода, однако существующие методы его получения часто оказываются длительными, дорогими и недостаточно эффективными. Исследователи активно ищут новые подходы, позволяющие использовать для производства водорода более доступные водные ресурсы.
Проект ANEMEL, финансируемый Европейским инновационным советом (EIC) и возглавляемый Ирландским национальным университетом в Голуэе, направлен на создание эффективных электролизеров, работающих на возобновляемых источниках энергии. Особенностью этих устройств является использование некритических, широко распространенных сырьевых материалов во всех ключевых компонентах, включая электрокатализаторы и мембраны. Такой подход призван снизить стоимость компонентов электролизера, улучшить их пригодность к переработке, сократить количество отходов и обеспечить конкурентное преимущество технологии.
Проект объединяет усилия исследователей из девяти организаций по всей Европе под руководством Университета Голуэя. Недавние достижения стали возможными благодаря этому тесному партнерству и знаменуют важные вехи на пути к созданию более экономичного, устойчивого и эффективного производства водорода. Координатор ANEMEL, доктор Пау Фаррас, поясняет, что основная цель проекта заключается в разработке электролизера — устройства, которое расщепляет воду на кислород и водород с помощью электричества. Это критически важный путь для водородной экономики, поскольку электролизеры, работающие на возобновляемой энергии, позволяют производить водород без выбросов углерода.
Хотя электролизеры воды не являются новой технологией, а некоторые их типы используются уже около ста лет, существующие коммерческие решения имеют свои недостатки. Традиционные щелочные электролизеры часто используют высококонцентрированные растворы едких щелочей, таких как гидроксид калия или натрия, что создает проблемы с коррозией и безопасностью при строительстве крупных установок. Более современные электролизеры с протонообменной мембраной (PEM) требуют для работы исключительно чистой, деионизированной воды. В обоих случаях необходима высокая степень очистки воды для стабильного процесса электролиза.
ANEMEL же стремится разработать компоненты электролизера (электроды и мембраны), устойчивые к примесям в воде. Работа ведется поэтапно, с постепенным усложнением условий эксплуатации. Первой задачей является снижение концентрации гидроксида калия в анионообменных мембранных электролизерах (AEM), чтобы уменьшить их опасность и коррозионную активность, сделав эксплуатацию проще и дешевле. Стандартные AEM-электролизеры обычно работают с концентрированными растворами КОН, чего проект стремится избежать.
Следующий этап — обеспечение работы AEM-электролизера в условиях, аналогичных PEM-электролизерам, но без использования дорогостоящих и редких драгоценных металлов (иридия, рутения, платины), необходимых для PEM. AEM-технология позволяет использовать более дешевые и распространенные металлы, но их нужно адаптировать для работы с чистой водой, имитируя эффективность драгоценных металлов.
Заключительный и наиболее амбициозный шаг — работа с неочищенной водой, в частности, с соленой водой, имитирующей по концентрации солей морскую. Идея состоит в том, чтобы использовать водные потоки, не конкурирующие с источниками питьевой воды, например, морскую воду или промышленные стоки, которые часто содержат соли. Цель — доказать возможность работы электролизера в таких условиях.
Выбор в пользу совершенствования именно AEM-электролизеров, а не PEM, обусловлен спецификой работы с соленой водой. Основная соль — хлорид натрия. При электролизе воды, содержащей хлорид-ионы, реакция окисления воды конкурирует с реакцией окисления хлорид-ионов до хлора — агрессивного газа, разрушающего компоненты электролизера. Чтобы избежать этой нежелательной реакции, необходимо работать в нейтральной или щелочной среде (pH). В кислых условиях, характерных для PEM-электролизеров, разница в потенциалах окисления воды и хлорид-ионов очень мала, что повышает риск образования хлора при малейших отклонениях в работе или деградации катализатора. Щелочные условия AEM-электролиза предоставляют больше возможностей для управления процессом и минимизации этого риска.
В итоге, проект ANEMEL нацелен на создание более надежных и долговечных электролизеров по сравнению с существующими на рынке. Только разработка таких устойчивых систем позволит снизить стоимость чистого водорода до уровня, конкурентоспособного с водородом, получаемым из ископаемого топлива. Важно также создавать компоненты, менее подверженные разложению, чтобы продлить срок службы технологий.
Среди недавних достижений проекта — разработка партнерами из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) в Швейцарии дизайна 1-киловаттного электролизера. С помощью компьютерного моделирования им удалось определить оптимальную конфигурацию для достижения высокой эффективности. Моделирование мембранно-электродного блока (MEA) размером 1×1 см², основанного на коммерчески доступных материалах, показало, что pH является наиболее влияющим параметром на производительность. Результаты опубликованы в рецензируемом научном журнале.
Мембранно-электродный блок представляет собой многослойную структуру, похожую на сэндвич, где мембрана расположена посередине и покрыта с обеих сторон катализаторами. Мембрана разделяет производимые газы — водород и кислород, а катализаторы ускоряют электрохимические реакции на каждой стороне, требуя специфических материалов для выделения водорода и кислорода.
Также достигнут прогресс в работе с единичными ячейками, из которых собирается стек электролизера (обычно пять ячеек образуют стек). Исследование компонентов и работы одной ячейки позволяет понять процессы во всем стеке. Совместно с партнерами из Технического университета Берлина (TU Berlin) и EPFL была продемонстрирована работа одноячеечной системы в условиях соленой воды.
Другим значительным успехом стала демонстрация группой профессора Силе Ху из EPFL работы системы анионообменного мембранного электролиза воды (AEMWE) с использованием чистой воды при очень высоких плотностях тока (10 А/см²). Это обеспечивает значительно большее производство водорода по сравнению со старыми технологиями, работающими при низких плотностях тока и требующими больших габаритов для той же производительности. Исследование, опубликованное в журнале *Angewandte Chemie*, показало стабильную работу AEMWE при ультравысокой плотности тока более 800 часов без снижения производительности, что примерно в 500 000 раз дольше, чем у современных эталонных электролизеров, способных выдерживать такие токи лишь несколько секунд.
Команда проекта также активно работает над дизайном электрокатализаторов — ключевых компонентов, размещаемых на мембранах. Электроды составляют значительную часть стоимости стека AEMWE, поэтому ведется интенсивный поиск новых, эффективных и недорогих катализаторов, хорошо работающих в щелочной среде, что позволит снизить затраты и повысить производительность.
В ближайший год приоритетом проекта станет запуск полноценного стека электролизера, работающего как на чистой, так и на соленой воде. Продолжится разработка электрокатализаторов и мембран, способных функционировать в этих условиях. Переход от одиночной ячейки к стеку требует масштабирования производства компонентов. Необходимо наладить выпуск катализаторов не в миллиграммовых, а в десятках граммов, и мембран — не квадратными сантиметрами, а квадратными метрами. Этот процесс масштабирования требует тщательных исследований, чтобы обеспечить соответствие принципам циркулярной экономики для всех производимых компонентов.
Ключевую роль в успехе проекта играет сотрудничество. Разработка электролизера требует экспертизы в самых разных областях, от материаловедения до инжиниринга, и ни одна группа или организация не может справиться с этим в одиночку. Большинство производителей электролизеров специализируются на сборке из компонентов, купленных у других поставщиков, а не разрабатывают все с нуля. Поэтому взаимодействие с экспертами из различных институтов является единственным путем к успеху. Партнерство с компаниями особенно ценно на этапе масштабирования благодаря их опыту вывода продуктов на рынок. Их вклад в разработку процессов масштабирования и преодоление разрыва между академическими исследованиями и промышленным производством незаменим.
+ There are no comments
Add yours