Почти чистый электролиз снижает энергопотребление в 6 раз.

Биоуголь. Используется для получения более чистого водорода. Источник.

Топливо на основе водорода выступает одним из наиболее перспективных решений для реализации идеи чистой энергетики. Однако производство чистого газообразного H₂ ‒ процесс настолько энергоёмкий, что во многом нивелирует его «зелёную» роль. Для обеспечения необходимой эффективности часто требуется ископаемое топливо вроде угля или природного газа, причём в больших количествах.

Многопрофильная команда инженеров, представляющих университеты UIC (Иллинойс, Чикаго), Стэнфорда, Техасский технический, Корейский, Индийский технологический институт Рурки и компанию Orochem Technologies Inc., под руководством Минеша Сингха из UIC представила в журнале Cell Reports Physical Science новый процесс экологически чистого производства водорода. Авторы уверены, что предлагаемое ими использование возобновляемых источников энергии вроде солнца или ветра вкупе с применением побочных продуктов из других областей имеет все шансы свести выбросы парниковых газов к чистому нулю. И действительно: их метод, работающий исключительно на солнечной энергии и отходах сельхозпроизводства, в 6 раз снижает энергозатраты на извлечение «топлива будущего» из воды.

Ключевое место в своей работе исследователи отводят богатому углеродом веществу, известному как биоуголь. Именно за его счёт происходит столь колоссальное снижение требований к объёму энергоресурсов для преобразования H₂O в H₂.

«…Вы можете производить водород, используя биомассу с напряжением в доли вольта, ‒ говорит адъюнкт-профессор кафедры химической инженерии UIC, Минеш Сингх. ‒ Это преобразующая технология».

Поскольку расщепление воды на составляющие посредством электролиза требует немалых затрат электричества, для выработки которого в промышленных масштабах часто используется ископаемое топливо, научный мир постоянно ищет способы разомкнуть этот, казалось бы, замкнутый круг. Так, недавно удалось снизить напряжение, необходимое для реакции, введя в неё источник углерода. Однако и в этом случае экологичность процесса осталась под вопросом: в качестве носителя углерода нём используются уголь или дорогостоящие химикаты, а в виде побочного продукта ‒ словно в насмешку ‒ выделяется углекислый газ.

Сингх с коллегами модифицировали этот подход, заменив уголь и сложную продукцию химпрома на биомассу обычных отходов ‒ сельского хозяйства, животноводства, сточных вод. Чтобы обогатить её углеродом, все эти составные смешиваются с серной кислотой, вследствие чего образуется тот самый биоуголь ‒ богатое углеродом вещество, напоминающие своей консистенцией суспензию.

В ходе экспериментов команда протестировала различное сырьё для своего решения. Его получали из шелухи сахарного тростника, отходов конопли, бумажного мусора и коровьего навоза. Оказалось, что, при добавлении в камеру электролиза, все эти разновидности биоугля снижают мощность, необходимую для реакции. Однако среди изучаемых кандидатов выделился победитель: самый эффективный биоуголь для преобразования воды в водород получился из коровьего навоза. Он позволил снизить потребление электроэнергии в шесть раз ‒ примерно до пятой части вольта (0,2 В). Такой результат сподвиг исследователей тут же проверить целевую свою идею, а именно ‒ возможность электролиза только за счёт совмещения биомассы отходов с солнечной энергией.

Итак, продемонстрированные новым биоуглём потребности в энергии оказались вполне достаточными, чтобы реакция могла быть запитана с помощью всего одного стандартного кремниевого солнечного элемента, который вырабатывает примерно 15 миллиампер тока при напряжении в полвольта. Для наглядности ‒ обычная батарея АА типа («пальчиковая») вырабатывает больше.

Графическое представление процесса. Источник.

«Это очень эффективно, при этом биоуголь и солнечная энергия преобразуются в водород почти на 35%. Это мировые рекорды; они самые высокие, которые кто-либо демонстрировал», ‒ рассказывает соавтор работы Рохит Чаухан, научный сотрудник лаборатории Сингха, о результативности метода на единицу энергозатрат.

Однако и в этой доработке процесса существует всё тот же изъян: чтобы свести его к «экологическому нулю», он должен улавливать углекислый газ, образующийся в результате реакции. Доцент Сингх замечает на это, что данный побочный продукт также может обернуться экологическими и экономическими выгодами. Его можно будет использовать для приготовления газированных напитков, для получения чистого диоксида углерода или в производстве пластмасс, превратив его в этилен и другие нужные соединения.

«Это не только диверсифицирует использование биологических отходов, но и позволяет производить экологически чистые химические вещества помимо водорода, ‒ воодушевлён недавний выпускник UIC, соавтор статьи о разработке, Нишитан Кани. ‒ Этот дешёвый способ получения водорода может позволить фермерам самостоятельно удовлетворять свои энергетические потребности или создать новые источники дохода».

Команда UIC в своём исследовании была поддержана компанией Orochem Technologies Inc., которая теперь подала заявку на получение патентов на процессы получения биоугля и водорода. В рамках дальнейшего сотрудничества планируется расширить тестирование разработанной методики на больших масштабах с целью проведения дополнительных исследований и доработок технологии.

АРМК, по материалам UIC.