El Зеленият водород се превърна в един от основните играчи на енергийния преход, защото ни позволява да съхраняваме и използваме енергия, без да отделяме CO₂ в точката на потребление. Основната пречка обаче остава как да я произвеждаме евтино, ефективно и наистина устойчиво, без да зависим от изкопаеми горива или оскъдни и скъпи материали.
През последните години Изследователски центрове и университети по целия свят проучват нови материали и производствени пътища.От керамика на базата на перовскит, активирана от слънчева енергия, до интерметални сплави, подложени на еластична деформация, фотоактивни металоорганични рамки (MOF) за фотокатализа, катализатори без благородни метали и иновативни решения в електролизатори и горивни клетки, всичко това рисува цялостна картина на бъдещето на производството на зелен водород.
Защо зеленият водород е ключов за декарбонизацията
Интересът към зеления водород не е случаен: Производството на енергия преживява период на ускорени промени. Бележен от спешната необходимост от намаляване на емисиите и намаляване на използването на изкопаеми горива, водородът, като енергиен носител, предлага начин за съхраняване на излишната възобновяема енергия и освобождаването ѝ, когато е необходимо.
За разлика от първичния енергиен източник, Водородът действа като „химически резервоар“ за енергияТой се генерира от електричество или топлина и след това се консумира в горивни клетки, промишлени процеси или приложения за мобилност. Когато източникът му е възобновяем (слънчева, вятърна, водноелектрическа, биомаса и др.), го наричаме зелен водород.
Проблемът е в това Днес по-голямата част от водорода, използван в промишлеността, идва от изкопаеми горива. (реформиране на природен газ, въглища и др.), което води до приблизително 900 милиона тона емисии на CO₂ годишно в световен мащаб, според Международната агенция по енергетика. Промяната на тази реалност изисква технологии, способни да произвеждат възобновяем водород в голям мащаб и на конкурентни цени.
Освен това, Възобновяемите енергийни източници имат едно основно ограничение: те са непостоянни и променливи.Вятърната и слънчевата енергия произвеждат енергия, когато има вятър или слънце, а не когато системата се нуждае от нея. Зеленият водород ни позволява да „съхраняваме“ този излишък от енергия и да го използваме по-късно, било то за генериране на електричество отново, за получаване на зелени химикали (амоняк, торове, синтетични горива) или за захранване на промишлени процеси и тежък транспорт.
За всичко това, Европа и Испания поставиха зеления водород в основата на своите планове за декарбонизация в средносрочен и дългосрочен план, но масовото му внедряване зависи пряко от напредъка в новите материали и по-ефективните процеси.
Водна електролиза и нови материали за електролизатори
Най-разпространеният и обещаващ начин за получаване на зелен водород в голям мащаб е... електролиза на вода, захранвана от възобновяема електроенергияВ този процес електролизатор разделя водната молекула (H₂O) на водород (H₂) и кислород (O₂) без директни емисии на CO₂.
В електролизера, Водата се вкарва в клетка с два електрода, разделени от мембрана.Чрез прилагане на електричество, на катода се генерира водород, а на анода - кислород. Водородът се събира, компресира и съхранява или се изпраща директно за консумация; кислородът обикновено се освобождава или използва в други приложения (напр. медицински или промишлени).
Има няколко вида електролизатори, всеки от които има Предимства, ограничения и специфични изисквания към материалите:
- Алкален електролизаторЗряла технология, сравнително евтина, но с по-ниска плътност на тока и някои ограничения по отношение на гъвкавостта.
- Твърдооксиден електролизатор (SOEC)Работи при високи температури, с добра ефективност, макар и все още в по-малко търговски фази.
- Електролизатор с анионообменна мембрана (AEM): комбинира някои от предимствата на алкалните и мембранните системи, позволявайки използването на катализатори без благородни метали.
- Електролизатор с полимерна електролитна мембрана (PEM): много компактен, способен да работи с високи токове и да генерира много чист водород, идеален за интегриране на променливи възобновяеми енергийни източници.
PEM технологията е особено интересна за „омекотяване“ на колебанията в производството на възобновяема енергияВъпреки това, той има основен недостатък: зависимостта му от критични материали като платина и иридий в електродите и други компоненти, което увеличава разходите и усложнява глобалното му мащабиране. На практика, реални случаи като например Електролизатор, който задвижва индустриален зелен водород в Навара Те показват технологичните и материалните изисквания за интегриране на PEM с възобновяеми енергийни източници.
Екипи на CSIC, като например тези, ръководени от Мария Ретуерто и Серхио Рохас, са фокусирани върху заменете тези ценни материали с по-изобилни и по-евтини алтернативи които поддържат висока каталитична активност и издръжливост. Целта е не само да се намали цената на оборудването, но и да се намали въздействието върху околната среда, свързано с извличането на платина, иридий или рутений.
Междувременно, Институтът по карбохимически науки към CSIC, с изследовател Мария Хесус Ласаро отпред, развива се Нискотемпературни електролизатори AEM с нови електроди на базата на неблагородни метали. Тази технология се опитва да комбинира най-доброто от двата свята: простотата и ниската цена на течната електролиза и високата чистота и ефективност на PEM системите.
Според тези проучвания, Полимерните анионнообменни мембрани позволяват използването на катализатори без платина, иридий или рутений. и все пак да постигат висока ефективност. Това отваря вратата към по-икономично конкурентно производство на зелен водород с по-малка зависимост от критични суровини.
Нови семейства катализатори без платина благодарение на еластичната деформация
Друга ключова област на изследване е фокусирана върху Разработване на алтернативни катализатори на платината за реакцията на отделяне на водород (HER) в електролизери. Платината остава стандартът поради изключителната си активност и стабилност, но цената и недостигът ѝ правят невъзможно задоволяването на цялото бъдещо търсене с нея.
Изследователи от IMDEA Materials са показали, че вместо да се измислят изцяло нови материали от нулата, Възможно е драстично да се подобрят характеристиките на вече известни интерметални сплави прилагане на контролирани еластични деформации.
В проучване, публикувано в ACS Catalysis, бяха анализирани следните фактори: интерметални тънки слоеве от три нискобюджетни системиAg₃In (сребро и индий), Ni₃Fe (никел и желязо) и Ni₃Sn (никел и калай). Когато тези филми бяха подложени на малки еластични деформации (от порядъка на 1%), се наблюдаваше забележим скок в каталитичната им активност за HER.
Изследователите потвърдиха, че Деформациите на опън повишават активността в Ag₃InДокато Компресионните деформации имат подобен ефект върху Ni₃Fe, Ni₃Sn и дори върху самата платина.В един особено поразителен случай, проба от Ni₃Sn, разтегната с 1,26%, е постигнала приблизително 71% от ефективността на платината.
Изследването, автор на което са изследователи като Хорхе Редондо, Джаячандран Субиан, Мигел Монклюс, Валентин Василев Галиндо, Джон Молина и Хавиер Лорка, представлява една от първите ясни експериментални демонстрации на това как Еластичната деформация, без да въвежда дефекти или пукнатини, може да модулира каталитичните свойства от даден материал.
Това е приблизително офис на една напълно нова пътна карта за проектиране на катализатори, оптимизирани за деформацияТе също така използват техники за скрининг с машинно обучение, за да идентифицират обещаващи комбинации от неблагородни метали и интерметали. Целта е да се ускори откриването на материали, които могат да съвпадат или да се доближат до характеристиките на платината, но с много по-благоприятна наличност и цена.
Керамични перовскити и термохимични цикли със слънчева топлина
Освен електролизата, в Испания има друга много мощна линия на изследване, базирана на да произвежда зелен водород от вода, използвайки само топлината от слънцетобез нужда от електричество. Тук се откроява работата на Групата по химическо и екологично инженерство (GIQA) и Института за изследвания в технологиите за устойчивост (ITPS) към университета „Рей Хуан Карлос“.
Този екип е разработил нови керамични материали, способни да участват в термохимични цикли на разделяне на водатаПринципът е сравнително лесен за обяснение, макар и технологично много взискателен: първо материалите се нагряват до високи температури, освобождавайки кислород от структурата си, а след това реагират с водна пара, генерирайки водород и възстановявайки този кислород.
Използваните материали принадлежат към семейството на керамични перовскитиКерамични съединения с висока кислородна мобилност в кристалната им решетка. Тази мобилност позволява на материала да се окислява и редуцира многократно, издържайки на много цикли без критично разграждане.
Един от най-интересните приноси на работата, публикуван в списанието Катализа днес, е това Тези нови перовскити работят под 1000°CТова е в контраст с 1300-1500°C, изисквани от други конвенционални термохимични системи. Това намаление на температурата води до значителни икономии на енергия и прави използването на слънчеви реактори по-осъществимо.
Изследователят Мария Линарес СераноGIQA подчертава, че Редукционно-окислителният цикъл може да се повтори многократноТова прави технологията обещаваща опция за непрекъснато производство на възобновяем водород в инсталации, които директно използват концентрирана слънчева радиация.
Освен това, екипът не се е ограничил само до опити с керамични прахове. Те са оформили перовскитите в макроскопични формати много по-близко до употребата в реалния свят, като например:
- Керамични пелети компактни изделия.
- Порести керамични пяни с голяма специфична повърхност.
- Тънки слоеве, отложени върху монолитни опори, много подходящ за проточни реактори.
Тези конфигурации подобряват контакта между твърдото вещество и газовете, както и топлопренос вътре в слънчевия реакторТестовете показват значително увеличение на количеството произведен водород, като тънките слоеве върху керамичните монолити са особено забележителни, постигайки най-високите производствени стойности в рамките на изследването.
Този усъвършенстван дизайн на материали и геометрии доближава възможността до обемни слънчеви реактори, способни да произвеждат зелен водород в голям мащабЗа страна с високо слънчево облъчване като Испания, този производствен маршрут, базиран на директна слънчева топлинна енергия, има забележителен стратегически потенциал.
Фотокатализа и MOF: производство на водород от отпадъчни води
Друг иновативен подход почти напълно се освобождава от външно електричество и разчита на Фотокатализа за разграждане на водата с помощта на слънчева светлинаВ тази рамка се намира проектът Hylios, който се стреми да трансформира модела на пречиствателните станции за отпадъчни води.
Целта на Хилиос е проектиране на материали, способни да улавят слънчева енергия и да я използват за производството на зелен водород от замърсена водаИдеята е да се използват фотокаталитични реактори, които, когато са изложени на светлина, разделят водата, без да е необходимо системата да се свързва към електрическата мрежа, като по този начин се намаляват както разходите за енергия, така и сложността на инфраструктурата.
Фотокатализата предлага няколко предимства: Използвайте по-просто и потенциално по-евтино оборудванеМоже да работи с вода с по-ниско качество (намалявайки конкуренцията с питейната вода) и се вписва много добре в концепциите за кръгова водна икономика.
Централен аспект на проекта е разработването на нови металоорганични материали (MOF) на основата на титанЕксперти от IMDEA Energy създадоха MOF IEF-11 (IMDEA Energy Frameworks), който комбинира фотоактивни титаниеви единици с квадратна киселина. Този материал е постигнал много висока фотокаталитична ефективност в реакцията на фоторазделяне на водата, сравнима с титановия оксид, който досега е бил референтният фотокатализатор.
В момента се работи по Модифицирайте и стабилизирайте този MOF, за да подобрите неговата издръжливост. и да разшири обхвата на слънчевата радиация, която е способна да абсорбира. Предизвикателството е да се преодолее настоящият недостиг на дългосрочно стабилни фотоактивни материали и едновременно с това да се трансформират пречиствателните станции за отпадъчни води в малки инсталации за производство на зелен водород, интегрирани в процеса на пречистване на отпадъчни води.
Хилиосът се развива чрез мултидисциплинарен консорциум, ръководен от ЛантанияПроектът, в който участват Ansasol, ITECAM, Институтът по химическа енергия (ITQ) към Политехническия университет във Валенсия и IMDEA Energy, ще продължи поне до октомври 2026 г. и има за цел драстично да намали разходите за енергия и въздействието върху околната среда от пречистването на вода и производството на водород.
Електролиза с нови, по-активни мултиметални съединения
Освен еластично деформирани интерметални катализатори, се откриват и други. мултиметални съединения, които далеч надхвърлят производителността на отделните си компоненти за производството на водород чрез електролиза.
Изследователи на Университет на Твенте Те са разработили нов електроден материал, който съдържа пет различни преходни металаВъпреки че всеки от тези метали е само умерено активен сам по себе си, комбинираното съединение проявява каталитична активност с един до два порядъка по-висока.
При лабораторни тестове, активността на този материал Той превъзхожда отделните съединения с коефициент до 680.Този резултат изненада дори изследователския екип, ръководен от Крис Баумер. Обяснението се крие в ясен синергичен ефект: различните метали си „помагат“ взаимно на електронно и структурно ниво, генерирайки много по-каталитично активна и стабилна повърхност.
Съединението е съставено от елементи, които са в изобилие в земната кора, което го прави... потенциално жизнеспособна алтернатива за заместване на платина и иридий във високопроизводителни електролизатори. В момента активността е валидирана в лабораторна среда и поведението ѝ все още трябва да бъде тествано в промишлен мащаб.
Както посочват изследователите, Комбинацията от пет различни метала е сложна и изисква оптимизиране на пътищата на синтез и процесите на мащабиране. Въпреки това, материалът предлага многообещаваща основа за регулиране на съставите, текстурите и работните условия, за да се превъзхождат настоящите търговски електрокатализатори по ефективност и цена.
Предизвикателства пред материалите, водата и новите възобновяеми източници на водород
Наред с разработването на нови катализатори и усъвършенствана керамика, трябва да се вземат предвид и други фактори. основни предизвикателства, свързани с материалите и водните ресурси за да бъде зеленият водород наистина устойчив.
От една страна, Конвенционалните електролизатори разчитат на благородни метали (платина, иридий, рутений), чийто добив води до сериозни последици за околната среда: деградация на почвата, замърсяване на водите и увреждане на екосистемите, в допълнение към географската концентрация на запасите му.
За да се намали тази зависимост, Разглеждат се евтини алтернативни катализатори базирани на въглеродни производни, магнитни материали или синтетични съединения, разработени чрез зелени процеси. Идеята е да се разшири гамата от възможности и да се намалят както икономическите, така и екологичните разходи на веригата за доставки.
От друга страна наличието на качествена вода Това е чувствителен въпрос. За да се произведе един тон зелен водород чрез електролиза, са необходими около девет тона чиста вода. В контекста на нарастващ недостиг на вода, конкуренцията между водата за човешка консумация, селското стопанство и промишлеността може да се превърне в сериозен проблем.
В отговор, пътища като например използването на морска вода, градски и промишлени отпадъчни води или дори използването на влажност на околната средаТехнологии като H2umidity, разработени от специализирани компании, позволяват генерирането на вода от атмосферна влажност и използването ѝ в електролизери, намалявайки натиска върху конвенционалните водоизточници. Освен това, проекти като CIUDEN валидира системи за съхранение за интеграция със слънчева енергия и зелен водород, улеснявайки жизнеспособността на по-пълни вериги за възобновяема енергия.
The производство на зелен водород от биомаса и отпадъциИнститутът по химични технологии (ITQ), например, работи върху пилотни инсталации, които трансформират биоетанол от отпадъци от селското стопанство и винарската промишленост във водород чрез парно реформиране при 500-700 °C и атмосферно налягане.
В тези процеси се случва следното дихидроген (H₂), който може да се използва за генериране както на електричество, така и на топлина в твърдооксидни горивни клетки (SOFC) както и за синтезиране на незамърсяващи горива. Част от генерирания водород и топлина се реинвестират в самата инсталация, подобрявайки енергийната ѝ самодостатъчност и намалявайки външното търсене.
ITQ също така разследва микровълнови технологии да трансформират електричеството във водород и други химикали, използвайки йонни материали, които освобождават кислород от структурата си. Този подход, патентован и публикуван в Естествена енергияМоже да има бъдещи приложения в съхранението на енергия, синтетичните горива или дори в ултрабързото презареждане на батерии чрез почти мигновено намаляване на целия обем на електрода.
Промишлени приложения, биогорива и водородна икономика
Водородът вече се използва масово в промишлеността, особено за рафиниране на петрол и производство на амоняк и торовено той идва предимно от природен газ. Заместването на този „сив“ водород със зелен водород би могло значително да намали емисиите от промишления сектор; Sidenor успешно тества зелен водород в стоманодобивния си завод в Басаури, който илюстрира реални промишлени приложения в сектори с високо търсене на енергия.
Проект на ITQ екипи пилотни инсталации, които интегрират зелен водород в промишлени процеси така че самият водород да осигурява част от енергийните нужди на завода. По този начин се създават високоефективни цикли, където генерираните топлина и електричество спомагат за поддържането на самия производствен процес.
В Института по катализа и нефтохимия (ICP) групи като тази, ръководена от Хосе Мигел Кампос те учат производството на съвременни биогорива с помощта на възобновяем водородПроцесът комбинира отпадъчни растителни масла с водороден поток в каталитични реактори при 300-400 °C и налягане от около 20 атмосфери.
Първо се произвежда смес от въглеродни оксиди, линейни въглеводороди и вода; след това вторият етап позволява трансформират тези въглеводороди във фракции, подобни на бензин, керосин и дизел, с енергийна ефективност, която може да достигне 85%, което е доста над типичната производителност на конвенционалните двигатели с вътрешно горене.
Всички тези развития засилват идеята, че Зеленият водород ще бъде стълб на бъдещата нисковъглеродна икономикапри условие че продължат да се насърчават фундаменталните изследвания, демонстрационните проекти и политиките за подкрепа (инвестиции в инфраструктура, данъчни стимули, ясни регулаторни рамки).
Сумата от тези постижения в новите материали – от соларизирани керамични перовскити, оптимизирани по отношение на деформацията интерметални сплави и многометални композити без благородни метали, до фотоактивни MOF и алтернативни катализатори за електролизатори – оформя сценарий, в който Производството на зелен водород непрекъснато, ефективно и с по-малко въздействие върху околната среда вече не е далечна обещание. и постепенно се приближава към превръщането си в мащабна технологична и индустриална реалност.
