С намаляването на цената на възобновяемата енергия нараства интересът към намирането на начини за икономичното й спестяване. Батериите могат да се справят с краткосрочни скокове в производството, но може да не са в състояние да се справят с дългосрочен недостиг или сезонни вариации в производството на електроенергия. Водородът е една от няколкото разглеждани опции, която има потенциала да служи като дългосрочен мост между периодите на висока производителност на възобновяема енергия.
Но водородът има своите проблеми. Получаването му чрез разделяне на водата е доста неефективно от енергийна гледна точка и съхраняването му за дълги периоди може да бъде трудно. Повечето катализатори за производство на водород също работят най-добре с чиста вода – не непременно тази, която е лесно достъпна, тъй като изменението на климата увеличава интензивността на сушите.
Група изследователи в Китай са разработили устройство, което може да произвежда водород от морска вода – всъщност трябва да е в морска вода, за да работи устройството. Ключовата концепция зад работата му ще бъде позната на всеки, който разбира как работят повечето водоустойчиви дрехи.
Водоустойчивите, дишащи дрехи разчитат на мембрана с внимателно структурирани пори. Мембраната е изработена от материал, който отблъсква водата. Има пори, но те са твърде малки, за да пропускат течна вода. Но те са достатъчно големи, за да могат отделни водни молекули да преминат през тях. В резултат на това цялата вода от външната страна на дрехата остава там, но всяка пот от вътрешната страна, която се изпарява, все още ще тече през тъканта и ще си проправи път към външния свят. В резултат на това тъканта диша.
Такава мембрана е централна за функционирането на новото устройство. Той не пропуска течна вода през мембраната, но пропуска водни пари. Голямата разлика е, че течната вода е от двете страни на мембраната.
Отвън - морска вода със стандартен набор от соли. Вътре има концентриран разтвор на една сол - в този случай калиев хидроксид (KOH) - който е съвместим с процеса на електролиза, който произвежда водород. В разтвора на КОН е потопен набор от електроди, които произвеждат водород и кислород от двете страни на сепаратора, поддържайки газовите потоци чисти.
Какво се случва след като оборудването започне да работи? Тъй като водата вътре в устройството се разделя, за да произведе водород и кислород, намаленото ниво на водата увеличава концентрацията на солевия разтвор каустик (който първоначално е бил много по-концентриран от морската вода). Това прави енергийно ефективно преместването на водата през мембраната на морската вода за разреждане на KOH. И, благодарение на порите, това е възможно, но само ако водата се движи под формата на пара.
В резултат на това, докато е вътре в мембраната, водата остава в състояние на пара за кратко време и след това бързо се превръща в течност, веднага щом влезе в устройството. Цялата сложна смес от соли, съдържаща се в морската вода, остава извън мембраната и към електродите, които я разделят, се осигурява постоянен поток от прясна вода. Важно е, че всичко това се случва без да се използва енергията, която обикновено се използва за обезсоляване, което прави цялостния процес по-енергийно ефективен от обработката на вода за използване в стандартен електролизер.
По принцип всичко това звучи страхотно, но наистина ли работи? За да разбере, екипът сглоби устройството и го тества в морската вода на залива Шенжен (залив на север от Хонконг и Макао). И по почти всяка разумна мярка се представи добре.
Той поддържа производителност дори след 3200 часа употреба, а електронната микроскопия на мембраната след употреба показва, че порите остават неблокирани на този етап. КОН, използван за системата, не беше напълно чист, така че съдържаше ниски нива на йони, открити в морската вода. Но тези нива не се увеличиха с течение на времето, потвърждавайки, че системата не позволява на морската вода да навлезе в електролизната камера. По отношение на потреблението на енергия, системата използва почти същото като стандартен електролизатор, което потвърждава, че обработката на водата не изисква никакви енергийни разходи.
Разтворът на KOH също се самобалансира, като дифузията на водата в устройството се забавя, ако вътрешният му разтвор стане твърде разреден. Ако стане твърде концентриран, ефективността на електролизата пада, така че отстраняването на водата се забавя.
Авторите изчисляват, че тяхното устройство може да работи под налягане на морска вода на дълбочини до 75 м. Температурата на тези дълбочини обаче може да бъде ограничаваща, тъй като скоростта на дифузия на водата през мембраната е шест пъти по-висока при 30°C, отколкото при 0 °C.
Дори и с всички тези добри новини, има възможности за подобряване на ефективността. Различни соли, различни от KOH, са добри и някои може да работят по-добре. Изследователите също установиха, че включването на КОН в хидрогела около електродите увеличава производството на водород. И накрая, възможно е промяната на материала или структурата на електродите, използвани при разделянето на водата, да ускори допълнително процеса.
И накрая, екипът предположи, че може да бъде полезен за повече от просто производство на водород. Вместо в морска вода, те потопили едно от устройствата в разреден разтвор на литий и установили, че след 200 часа работа концентрацията на литий се е увеличила повече от 40 пъти поради навлизащата в устройството вода. Има много други контексти, като третирането на замърсена вода, където тази способност за концентрация може да бъде полезна.
Това не решава всички проблеми, свързани с използването на водород като хранилище на енергия. Но със сигурност има потенциала да ни позволи да зачеркнем „нуждата от чиста вода“ от списъка с тези проблеми.
Можете да помогнете на Украйна да се бори срещу руските нашественици, най-добрият начин да направите това е да дарите средства на въоръжените сили на Украйна чрез Savelife или през официалната страница НБУ.
Също интересно: