Зі здешевленням відновлюваної енергії зростає інтерес до пошуку способів її економного зберігання. Батареї можуть впоратися з короткочасними потоками у виробництві, але можуть бути не в змозі впоратися з довгостроковими дефіцитами або сезонними змінами у виробництві електроенергії. Водень є одним з декількох варіантів, що розглядаються, який має потенціал слугувати довгостроковим мостом між періодами високої продуктивності відновлюваних джерел енергії.
Але водень має свої проблеми. Отримання його шляхом розщеплення води є досить неефективним з енергетичної точки зору, а зберігання його протягом тривалого періоду може бути складним. Більшість каталізаторів, що виробляють водень, також найкраще працюють з чистою водою – не обов’язково з тією, яку легко отримати, оскільки зміна клімату збільшує інтенсивність посух.
Група дослідників з Китаю розробила пристрій, який може виробляти водень з морської води – фактично, для того, щоб пристрій працював, він повинен знаходитись у морській воді. Ключова концепція його роботи буде знайома кожному, хто розуміє, як працює більшість водонепроникного одягу.
Водонепроникний, дихаючий одяг покладається на мембрану з ретельно структурованими порами. Мембрана зроблена з матеріалу, який відштовхує воду. Він має пори, але вони занадто малі, щоб пропускати рідку воду. Але вони достатньо великі, щоб окремі молекули води могли проходити крізь них. В результаті, будь-яка вода на зовнішній стороні одягу залишається там, але будь-який піт на внутрішній стороні, який випаровується, все одно протікатиме через тканину і прокладатиме собі шлях у зовнішній світ. В результаті тканина дихає.
Подібна мембрана є центральною у функціонуванні нового пристрою. Вона не пропускає рідку воду через мембрану, але пропускає водяну пару. Велика різниця полягає в тому, що рідка вода знаходиться по обидва боки мембрани.
Зовні – морська вода зі стандартним набором солей. Всередині – концентрований розчин однієї солі – в цьому випадку гідроксиду калію (KOH), який сумісний з процесом електролізу, що виробляє водень. У розчин КОН занурений набір електродів, які виробляють водень і кисень по обидва боки сепаратора, зберігаючи газові потоки чистими.
Що ж відбувається після того, як обладнання починає працювати? Оскільки вода всередині пристрою розщеплюється, виробляючи водень і кисень, знижений рівень води збільшує концентрацію розчину каустичної солі (який спочатку був набагато концентрованішим, ніж морська вода). Це робить енергетично вигідним рух води через мембрану з морської води для розведення КОН. І, завдяки порам, це можливо, але тільки якщо вода рухається у вигляді пари.
В результаті, перебуваючи всередині мембрани, вода недовго перебуває у пароподібному стані, а потім швидко переходить у рідину, як тільки потрапляє всередину апарату. Вся складна суміш солей, що міститься в морській воді, залишається за межами мембрани, а до електродів, які її розщеплюють, забезпечується постійний приплив свіжої води. Важливо, що все це відбувається без використання енергії, яка зазвичай витрачається на опріснення, що робить загальний процес енергоефективнішим, ніж очищення води для використання в стандартному електролізері.
В принципі, все це звучить чудово, але чи працює це насправді? Щоб з’ясувати це, команда зібрала пристрій і випробувала його на морській воді затоки Шеньчжень (затока на північ від Гонконгу і Макао). І майже за усіма розумними показниками він працював добре.
Він зберігав продуктивність навіть після 3200 годин використання, а електронна мікроскопія мембрани після використання показала, що пори залишились не заблокованими на цьому етапі. КОН, що використовувався для системи, не був повністю чистим, тому містив низькі рівні іонів, що містяться в морській воді. Але ці рівні не зростали з часом, підтверджуючи, що система не допускала потрапляння морської води в електролізну камеру. З точки зору енергоспоживання, система використовувала приблизно стільки ж, скільки стандартний електролізер, що підтверджує, що очищення води не вимагало жодних енергетичних витрат.
Розчин КОН також був самобалансуючим, при цьому дифузія води в пристрій сповільнювалася, якщо його внутрішній розчин ставав занадто розбавленим. Якщо він стає занадто концентрованим, ефективність електролізу падає, тому усунення води сповільнюється.
За оцінками авторів, їхній пристрій може працювати під тиском морської води на глибині до 75 м. Однак температура на цих глибинах може бути обмежуючою, оскільки швидкість дифузії води через мембрану в шість разів вища при 30° C, ніж при 0° C.
Навіть попри всі ці хороші новини, існують можливості для поліпшення продуктивності. Різні солі, крім КОН, підходять, і деякі з них можуть працювати краще. Дослідники також виявили, що включення КОН в гідрогель навколо електродів збільшило виробництво водню. Нарешті, можливо, що зміна матеріалу або структури електродів, що використовуються при розщепленні води, може ще більше прискорити процес.
Нарешті, команда припустила, що це може бути корисно не тільки для виробництва водню. Замість морської води вони занурили один з пристроїв у розбавлений розчин літію і виявили, що за 200 годин роботи концентрація літію збільшилася більш ніж у 40 разів через те, що вода потрапила всередину пристрою. Існує багато інших контекстів, таких як очищення забрудненої води, де така здатність до концентрації може бути корисною.
Це не вирішує всіх проблем, пов’язаних з використанням водню як накопичувача енергії. Але це, безумовно, має потенціал, щоб дозволити нам викреслити «потребу в чистій воді» зі списку цих проблем.
Ви можете допомогти Україні боротися з російськими окупантами, найкращий спосіб зробити це – пожертвувати кошти Збройним Силам України через Savelife або через офіційну сторінку НБУ.
Також цікаво: