Китайская пилотная установка совместила опреснение и получение водорода

Международная дискуссия о будущем зелёного водорода упирается в одну практическую проблему: электролизёрам нужна чистая вода, а не морская. Это означало либо строить дорогие опреснительные установки перед электролизёром, либо искать пресноводные источники. Команда учёных из Далянского института химической физики Китайской академии наук (DICP) предложила принципиально иной подход и продемонстрировала его на пилотной установке. Результаты опубликованы в Nature Energy.

Предложенный маршрут называется STHW (seawater to hydrogen and fresh water — от морской воды к водороду и пресной воде). Его центральная идея: использовать тепло, которое щелочной электролизёр (AWE) неизбежно выделяет как отходы, для дистилляции морской воды. Так из одного процесса получаются сразу два продукта — водород и пресная вода.

Почему стандартные подходы неэффективны

Прямой электролиз морской воды — очевидное решение на первый взгляд — на практике не работает хорошо: хлорид-ионы в морской воде разрушают электроды, а конкурирующие реакции снижают эффективность и выход водорода. Именно поэтому коммерческие установки традиционно сначала опресняют воду, а только потом пускают её в электролизёр.

Эта «тандемная» схема (опреснение → электролиз) надёжна, но расточительна по энергии: каждый процесс требует отдельного оборудования, а тепло электролизёра (нагрев рабочего раствора электролита достигает значительных значений) обычно просто рассеивается без использования.

Как работает система STHW

Авторы разработали схему низкотемпературной вакуумной дистилляции, приводимой в движение именно этим «бросовым» теплом электролизёра.

Тепло, которое в стандартной схеме расходовалось бы впустую, направляется в дистилляционный модуль. Там при пониженном давлении морская вода испаряется при существенно более низкой температуре, чем при нормальных условиях. Дистиллят поступает на электролиз; избыток пресной воды отдаётся как самостоятельный продукт.

Результаты пилотных испытаний двух установок:

• 20-кВт-система: производительность 3,8 Нм³/ч водорода и 1,2 кг/ч пресной воды, устойчивая работа в течение 100 дней;
• 250-кВт-система: 48 Нм³/ч водорода и 31,6 кг/ч пресной воды, электрическая эффективность системы выросла на 14,4% по сравнению с обычным щелочным электролизом пресной воды.

Что это значит для рынка

Технико-экономический анализ, проведённый авторами, показывает: система STHW выгоднее традиционной тандемной схемы «опреснение плюс электролиз». Это обусловлено сразу несколькими факторами.

• Рекуперация тепла снижает суммарное энергопотребление.
• Совмещение двух процессов в одной системе уменьшает капитальные затраты на оборудование.
• Пресная вода становится вторым продаваемым продуктом, улучшая экономику проекта.

Комплексный подход позволяет использовать низкопотенциальное тепло и получать пресную воду как сопутствующий продукт. При этом результаты пилотной установки ещё не равнозначны готовности к крупномасштабному коммерческому внедрению.

Читайте также: Фотокатализ делает перекись водорода из солнца, воды и воздуха.

До промышленного масштабирования потребуются дальнейшие испытания надёжности при длительной работе. Тем не менее 100-дневная устойчивая работа 20-кВт-пилота — весомое доказательство принципа.