Группа ученых под руководством Корнеллского университета разработала недорогой метод производства безуглеродного «зеленого» водорода путем электролиза морской воды с использованием солнечной энергии. Дополнительным полезным результатом этого процесса является получение питьевой воды.
Устройство гибридной солнечной дистилляции и электролиза воды (HSD-WE), о котором сообщается в журнале Energy & Environmental Science, в настоящее время производит 200 миллилитров водорода в час с энергоэффективностью 12,6%, используя непосредственно морскую воду и естественный солнечный свет. Исследователи прогнозируют, что в течение 15 лет эта технология может снизить стоимость производства зеленого водорода до 1 доллара за килограмм, что является ключевым шагом к достижению нулевых выбросов к 2050 году.
Ленан Чжан, доцент Школы машиностроения и аэрокосмической техники Сибли Корнеллского университета, возглавляющий проект, поясняет, что вода и энергия критически необходимы для повседневной жизни, но обычно для производства большего количества энергии требуется больше воды. Он добавляет, что, с другой стороны, человечеству нужна питьевая вода, поскольку две трети населения мира сталкиваются с ее нехваткой. Поэтому, по его словам, существует узкое место в производстве зеленого водорода, что отражается на его стоимости.
Зеленый водород производится путем расщепления молекул воды высокой чистоты, то есть деионизированной, на водород и кислород посредством электролиза. Высокая стоимость обусловлена огромным количеством чистой воды, необходимой для процесса; себестоимость производства зеленого водорода может быть примерно в 10 раз выше, чем у обычного водорода.
Именно поэтому, как говорит Чжан, они и разработали эту технологию. Он отмечает, что они задумались о самых обильных ресурсах на Земле и пришли к выводу, что солнце и морская вода являются практически бесконечными и бесплатными ресурсами.
Будучи научным сотрудником Массачусетского технологического института (MIT), Чжан начал изучать способы использования солнечной энергии для преобразования морской воды в питьевую с помощью термического опреснения — эти усилия были отмечены журналом Time как одно из «Лучших изобретений 2023 года». К моменту перехода в Корнеллский университет в 2024 году Чжан получил поддержку Национального научного фонда для расширения технологии с целью производства зеленого водорода.
Работая с исследователями из MIT, Университета Джонса Хопкинса и Университета штата Мичиган, команда Чжана разработала прототип устройства размером 10 на 10 сантиметров, которое использует один из недостатков фотоэлектрических элементов — их относительно низкую эффективность. Большинство фотоэлементов могут преобразовывать лишь до 30% солнечной энергии в электричество, остальное рассеивается в виде отработанного тепла. Однако устройство команды способно улавливать большую часть этого тепла и использовать его для нагрева морской воды до испарения.
Чжан объясняет, что коротковолновый солнечный свет взаимодействует с солнечным элементом для выработки электричества, а более длинноволновый свет генерирует отработанное тепло для опреснения морской воды. Таким образом, по его словам, вся солнечная энергия может быть полностью использована, и ничего не пропадает зря.
Для осуществления межфазного термического испарения ключевым компонентом является капиллярный фитиль, который удерживает воду в виде тонкой пленки, находящейся в непосредственном контакте с солнечной панелью. Благодаря этому нагревать нужно только тонкую пленку, а не большой объем воды, что повышает эффективность испарения до более чем 90%.
После испарения морской воды соль остается, а опресненный пар конденсируется в чистую воду, которая затем поступает в электролизер, расщепляющий молекулы воды на водород и кислород.
Чжан называет это высокоинтегрированной технологией. Он признает, что разработка была сложной из-за множества взаимосвязей: опреснение связано с электролизом, электролиз — с солнечной панелью, а солнечная панель — с опреснением через преобразование и транспорт солнечной, электрической, химической и тепловой энергии. Теперь, по его словам, впервые можно производить достаточное количество воды для удовлетворения потребностей производства водорода, и при этом остается дополнительная вода для питья — одним выстрелом убивают двух зайцев.
Текущая стоимость производства зеленого водорода составляет примерно 10 долларов за килограмм, по данным Чжана. Однако, учитывая изобилие солнечного света и морской воды, в течение 15 лет устройство его команды может снизить стоимость до 1 доллара за килограмм. Чжан также видит потенциал для интеграции этой технологии в солнечные фермы для охлаждения фотоэлектрических панелей, что повысит их эффективность и продлит срок службы.
Он заявляет о стремлении избежать выбросов углерода и загрязнения. Но в то же время, по его словам, важна и стоимость, поскольку чем ниже затраты, тем выше рыночный потенциал для крупномасштабного внедрения. Он выражает уверенность в огромном потенциале для будущих установок.
