Морская вода является бесконечным источником металлов, минералов, питьевой воды, кислорода и водорода. Учёные всех стран десятилетиями ищут возможность добывать эти богатства из морских и океанских глубин. Главная задача — делать работы экономически выгодно, но именно с этим связаны все барьеры на пути разработчиков. В Китае решили одну из этих проблем — научились простой добыче водорода без лишних затрат.

Источник изображений: Nature

Водород извлекается из воды в процессе электролиза. Это простая и понятная операция, но только если добывать этот газ из чистой воды. Добыча водорода непосредственно из морской воды требует предварительного опреснения или очень сложных установок. Растворённые в морской воде соли (ионы) металлов и минералов разрушают катализаторы электролизёров и другие узлы устройств, как и требуют работы насосов для прокачки морской воды.

Учёные из Нанкинского технического университета в Китае в журнале Nature рассказали об уникальной установке, которая лишена всех указанных выше недостатков. Без насосов и быстрого износа катализаторов она способна длительное время добывать водород и кислород прямо из морской воды.

«Наша стратегия реализует эффективный, гибкий по размеру и масштабируемый прямой электролиз морской воды, аналогичный расщеплению пресной воды, без заметного увеличения эксплуатационных расходов», — сказал Цзунпин Шао (Zongping Shao), профессор химической инженерии из Нанкинского технического университета в Китае.

Для защиты катализаторов от воздействия морской воды — солей и ионов — предложено интересное решение. Покрытые катализатором электроды, на которых вырабатывается водород и кислород (один на катоде, а другой на аноде), никогда не контактируют с морской водой. От этого их защищает насыщенный электролит в виде гидроксида калия, в который эти электроды погружены. Как же туда попадает вода?

Электролит с обеих сторон электродов защищён мембраной. Богатая фтором мембрана пропускает водяной пар, но не жидкость. Через мембрану в электролит попадает только водяной пар, оставляя соли в морской воде. В электролите пар снова превращается в воду и расщепляется на водород и кислород как опреснённая вода без негативных последствий для катализаторов. Подкачка пара в электролит идёт за счёт внешнего избыточного давления и не требует насосов.

Насосы нужны разве что для прокачки морской воды, но в случае электролиза с пресной водой они тоже будут нужны, так что это не увеличивает накладные расходы. Более того, из воды с повышенной концентрацией солей удобно и выгодно добывать минералы и металлы, например, тот же литий или уран.

Исследователи на практике доказали работу инновационной установки. Демонстратор из 11 электролизных ячеек опустили в воды залива Шэньчжэнь, где он проработал без остановки 130 дней. Каждый час установка вырабатывала 386 л водорода. Затраты электричества шли только на подкачку свежей морской воды и на сам процесс электролиза. Система отлично себя показала в испытаниях, хотя о коммерческом внедрении говорить пока рано. Учёные планируют значительно повысить её эффективность, для чего необходимы эксперименты с разными составами электролита и катализаторов.

Компания Shell подписала контракт с американской компанией NuScale, которая первой получила лицензию Комиссии по ядерному регулированию США (NRC) на строительство в стране малых модульных атомных реакторов. По контракту Shell и NuScale проработают проект производства водорода на таких реакторах. Модульные АЭС обеспечат мир не только чистой электрической и тепловой энергией, но также укрепят основу водородной энергетики, которая заменит природный газ.

Безопасная АЭС на модульных реакторах в представлении художника. Источник изображения: NuScale Power

Основной смысл производства водорода как сопутствующего продукта работы АЭС в том, что реакторы вырабатывают достаточно много избыточного тепла и электричества, чтобы хотелось использовать их с толком, а не просто рассеивать в окружающем пространстве.

Реакторы, даже малые, это инерционные машины. В случае появления излишков мощности её было бы желательно направить на выполнение полезной работы. В частности, на электролизные ячейки для получения водорода. Затем водород можно либо просто сжечь для получения тепла или электричества или использовать как топливо для транспорта и механизмов.

Наделить малые модульные реакторы решениями для баланса мощности в виде побочного производства водорода стало бы высшим пилотажем в сфере атомной энергетики. Малые реакторы ценны сами по себе, поскольку обещают такую выгоду, как быстрое тиражирование АЭС от проекта до ввода в строй без обычного перерасхода средств и затягивания строительства, чем болеют полномасштабные АЭС. И если к этому добавится возможность вырабатывать, хранить и обеспечивать транспортировку водорода, то это будет максимум, который можно будет выжать для будущей экологичной экономики.

Компании Shell и NuScale совместно оценят такую возможность. Они разработают проект установки по побочной выработке водорода модульными реакторами NuScale, испытают модели, способы интеграции, дадут оценку экономической эффективности, очертят границы возможностей и так далее. Возможно даже, что первый в США малый модульный реактор NuScale, который планируется построить на базе Национальной лаборатории в Айдахо, получит подобные установки для практического эксперимента, благо там нет ничего принципиально сложного.

Являясь крупнейшим автопроизводителем в мире, корпорация Toyota Motor до сих пор шла своим путём в части миграции на альтернативные энергоносители. Даже серьёзно продвинувшись в использовании водородных топливных ячеек, японский автогигант не забрасывает идею превращения водорода в топливо для ДВС с минимальными переделками. Очередной прототип позволяет ездить на водороде, сохраняя место в салоне для пятерых человек.

Источник изображения: CNET, Toyota

Как поясняет CNET, компания Toyota продемонстрировала прототип кроссовера Corolla Cross Hydrogen Concept, который оснащён модифицированным под работу на водороде двигателем внутреннего сгорания. Ранее компания уже испытывала на гоночном треке версию спортивного хэтчбека Yaris с силовой установкой такого типа, но тогда её элементы занимали не только багажник, но и пространство сидений второго ряда. В случае с кроссовером Corolla Cross в салоне машины остаётся достаточно места для пятерых человек. В качестве основы силовой установки используется турбированный ДВС объёмом 1,6 литра от GR Corolla.

Источник изображения: CNET, Toyota

Известно и о совместных экспериментах Toyota с компанией Yamaha по созданию двигателей внутреннего сгорания большого объёма, способных работать на водороде. По мнению руководства японского автогиганта, использование водорода в сочетании с ДВС способствует достижению экологических целей без серьёзных потрясений для отрасли по производству таких силовых установок. Как отмечается, сейчас Toyota находится примерно на 40 % пути к выпуску серийной версии машины с таким типом двигателя, а в случае с прототипом Corolla Cross Hydrogen Concept испытания в условиях зимы должны начаться на севере Японии уже в этом году.

Разработчик и производитель водородного суперкара XP-1 — компания Hyperion готовится к развёртыванию в США сети мобильных водородных заправок, дополнительно способных служить в качестве зарядных станций для электромобилей. При этом такие заправки довольно автономны — они не требуют подвоза водорода и добывают его электролизом непосредственно из воды.

Источник изображения: Hyperion

Согласно статистике, в США имеется 72 296 автозаправочных станций, а по данным компании GLP Autogas, водородных заправок в стране всего 107, включая частные. Если не учитывать Калифорнию и Гавайи, водородных заправок не останется вообще. Впрочем, ситуация всё равно лучше, чем, например, в Австралии, где на всю страну имеется три водородных заправочных станции. Даже в Японии и Южной Корее, продвигающих водородные топливные элементы, таких станций пока всего 166 и 34 соответственно.

Проект компании Hyperion может столкнуться с некоторыми трудностями. Одним из главных преимуществ электромобилей является возможность заряжать их дома или на работе, поэтому возвращение к заправкам вряд ли вызовет восторг потенциальных клиентов. Тем не менее не исключено, что водородному автопрому в мировой истории придётся уделить больше внимания, чем ожидается — пока в мире элементарно не производится достаточно лития, чтобы обеспечить всё население мира аккумуляторами в ближайшие десятилетия.

Источник изображения: Hyperion

Впрочем, решение Hyperion, разработавшей водородный гиперкар с запасом хода 1600 км, довольно эффективно и не полагается на традиционные цепочки поставок водорода. Заправки будут производить водород из воды там, где есть её источники и электричество. Хотя заправки будут оснащаться солнечными элементами питания, этого вряд ли будет достаточно для производства газа в значимых количествах для массовой заправки машин, поэтому, вероятно, размещать их будут в зоне доступа к обычной электроэнергии.

Станции предусматривают самообслуживание. Более того, такие заправки могут служить и для зарядки обычных электромобилей, позволяя заряжать машины на электрической тяге до 80 % за 20 минут. На заправку водородом будет уходить около 5 минут.