Узбекские ученые разработали прорывную технологию получения зеленого водорода

Фотокатализатор, разработанный группой ученых Института материаловедения АН Узбекистана, под руководством доктора Рустама Рахимова обещает совершить революцию в производстве зеленого водорода. Новый катализатор позволяет получать водород при помощи солнечной энергии с рекордной эффективностью до 95%.

Задачи декарбонизации делают использование водорода одной из горячих тем в современной экономической повестке. Переход ряда секторов на использование «низкоуглеродного» водорода вместо ископаемого топлива – необходимое условие уменьшения вредных выбросов в атмосферу.

Однако, проблема в том, что в свободном виде водород на Земле практически не существует, поэтому его надо производить. Из закона сохранения энергии следует, что потери на цикл «производство водорода – использование водорода» неизбежны.

В настоящее время существует множество методов промышленного производства водорода: разрабатывались технологии производства водорода из мусора, этанола, металлургического шлака, биомассы и другие технологии. К подобным способам относятся также паровая конверсия (риформинг) метана и природного газа, газификация угля, электролиз воды, пиролиз, частичное окисление, щелочные электролизеры, биотехнологии и некоторые другие менее эффективные.

Надо иметь в виду, что водород не источник энергии — это средство преобразования других источников энергии в химическую энергию в форме запасенного чистого водорода, которую можно использовать впоследствии при его окислении.

Разнообразие способов получения водорода является одним из главных преимуществ водородной энергетики, так как повышает энергетическую безопасность и снижает зависимость от отдельных видов сырья.

На настоящий момент наиболее экономически выгодным считается производство водорода из ископаемого сырья и в данный момент наиболее доступным и дешёвым процессом является паровая конверсия метана.

В Соединенных Штатах 90% чистого водорода получается из природного газа, с КПД использования 72%. Это означает, что 28% энергии, содержащейся в природном газе – метане, теряется, не считая энергии, которая расходуется на добычу и транспортировку природного газа до завода, производящего водород.

Только 4% водорода получают из воды посредством электролиза. Себестоимость производства водорода из воды (различные виды электролиза) в 3-6 раз выше, чем получение водорода из природного газа. Этот метод используют лишь тогда, когда необходимо получить особо чистый водород. Так как большая часть электричества для электролиза производится с использованием ископаемого топлива с эффективностью 30%, и КПД электролиза составляет 70%, это означает, что затрачивается четыре единицы энергии для создания одной единицы водородной энергии: 70%*30%, и мы получаем, эффективность использования водородной энергии составляет приблизительно 20%. (https://mgimo.ru/files/120132/polyakova_vodorod.pdf?utm_source=google.com&utm_medium=organic&utm_campaign=google.com&utm_referrer=google.com).

Исследовательский центр Agora Energiewende (ФРГ) в соавторстве с компанией Guidehouse опубликовал доклад Making renewable hydrogen cost-competitive: Policy instruments for supporting green H2 («Как сделать возобновляемый водород конкурентоспособным: инструменты политики для поддержки зелёного H2»). Agora Energiewende утверждает: «Даже цены на выбросы углерода от 100 до 200 евро за тонну будет недостаточно, чтобы сделать возобновляемый водород достаточно конкурентоспособным», — считают авторы. Поэтому поддержка использования возобновляемого водорода в соответствии с целями европейской Водородной стратегии будет стоить Европе 10–24 млрд евро в год в течение всего текущего десятилетия.

Лучшие промышленные солнечные батареи имеют КПД 10%, или надо затратить 9 единиц солнечной энергии, чтобы получить 1 единицу водородной энергии. На этом фоне фотокатализатор, который разработан группой ученых Института материаловедения АН РУз, под руководством доктора Рустама Рахимова обещает совершить революцию в производстве зеленого водорода. Владимир Паньков, доктор химических наук, профессор Белорусского государственного университета считает, что в отличие от существующих методов, новый катализатор позволяет получать водород при помощи солнечной энергии с рекордной эффективностью до 95%. Это значительно экономит энергию по сравнению с традиционными термо- и фотохимическими процессами.

Ключевой особенностью, открытием узбекских ученых является использование импульсного туннельного эффекта. Благодаря этому удается точно подогнать параметры импульса излучения под энергию разложения воды. Это делает процесс чрезвычайно энергоэффективным.

Еще одно преимущество — катализатор может работать при температуре пара всего 93-98 градусов, в то время как известные методы требуют нагревать воду до 900 градусов – даже человек малосведущий в физике поймет разницу почти в десять раз.

Фотокатализатор обладает высокой эффективностью и долговечностью. Первые испытания показали стабильную работу катализатора на протяжении полугода. Он полностью сохранил свою активность и работоспособность.

Ученые надеются, что их разработка поможет масштабировать производство зеленого водорода. Это сделает энергетику более чистой и эффективной.

Традиционно для получения энергии из света, фактически, используют гармонические колебания, где свет действует как маятник, равномерно «раскачивая» электроны в веществе. Эффективность такого взаимодействия невелика — много энергии тратится на «разогрев» частиц, чтобы они сумели преодолеть энергетический барьер фотореакции.

В новом подходе используют не маятник, а «молоток» — импульсно-туннельное излучение.

Первое и принципиальное преимущество — такой импульс полностью фокусирует все электроны в одном направлении, заряжая их огромной энергией. Это позволяет провести реакцию мгновенно, одним точным ударом, а не получать маленькие порции при равномерных колебаниях. Именно это ударная, мгновенная реакция, а не долгие колебания позволяют провести реакцию получения водорода при значительно меньших энергетических затратах.

Второе преимущество туннельного «молотка» — он может иметь любую «форму». То есть узбекские ученые умеют настраивать фронт нарастания импульса. Благодаря контролю над фронтом нарастания импульса удается преодолеть ограничение, которое накладывает естественный солнечный спектр. Это позволяет точно подстраивать процесс под любую заданную энергию, оптимизируя выход продукции или адаптируясь к различным условиям, что дает возможность получать результат напрямую от естественного солнечного спектра, а не от дорогостоящих источников.

Ученые полагают, что разработанная технология имеет большой потенциал не только для водородной энергетики, но и других областей, где используются фотохимические реакции. Это может революционизировать целые отрасли промышленности и энергетики – производство углепластика, сушка красок, лаков и многое другое.

О разработках института материаловедения можно также прочесть в материалах:

Арал из проблемы может стать катализатором развития

Рустам Рахимов: «Я не хочу, чтобы отечественные технологии в будущем продавали нам же»

Освоение зоны Приаралья и других маловодных зон даст серьезный социально-экономический эффект