Инновационный топливный элемент решит проблему хранения энергии из возобновляемых источников - «Технологии»

Важнейшей проблемой перехода на возобновляемые источники энергии является отсутствие доступных технологий конверсии электричества, полученного из энергии солнца и ветра, в химическое топливо для долговременного хранения, и в обратном направлении. Определенные решения в этой области уже есть, но пока они слишком затратные и работают только в одну сторону преобразования. Однако сейчас ученые предложили рабочую лабораторную модель топливного элемента, который превращает энергию в топливо и обратно, и если принцип его работы удастся поставить на коммерческие рельсы, развитие ВИЭ получит новый мощный толчок.

Рынок таких технологий рос параллельно с развитием возобновляемой энергетики: в 2007 году с помощью солнца и ветра в США добывали всего 0.8% от всего объема электроэнергии, а в 2017 году – уже 8%. Но спрос и предложение не всегда соответствуют друг другу: так, в Калифорнии солнечные панели в ясные дни генерируют значительно больше электричества, чем его нужно энергосистеме в светлое время суток, но не производят его после заката, когда все потребители дома и активно расходуют электричество.

Некоторые домохозяйства пытаются решить эту проблему путем покупки больших аккумуляторов, но такие батареи очень дороги и разряжаются за считанные часы. Другое решение – это превращение добытой электроэнергии в водородное топливо путем электролиза воды, продуктами которого являются кислород и водород. Конвертировать его обратно в электричество для использования в подзарядке электромобилей или передачи в энергосистему можно с помощью топливных элементов. Второй путь кажется более прогрессивным, но его недостаток состоит в необходимости покупки двух устройств, так как электролиз и обратное преобразование не получалось провести одним устройством.

Исследователи создали новый тип топливной ячейки – протонпроводящий тепловыделяющий элемент (PCFC), который конвертирует электричество в водородное топливо и обратно одним набором катализаторов. Он состоит из двух электродов, разделенных мембраной, пропускающей протоны.

На первом, «воздушном» электроде пар и электричество попадают на керамический катализатор, который разбивает молекулы воды на позитивно заряженные ионы (протоны) водорода, электроны и молекулы кислорода. Электроны по внешнему проводу перетекают на второй, «топливный» электрод, где встречаются с протонами водорода, прошедшими чрез мембрану. Здесь никелевый катализатор «склеивает» их вместе с образованием газообразного водорода Н2.

Ученые из Университета Эванстона, штат Иллинойс, повысили производительность PCFC, улучшив воздушный электрод. В январе этого года они сообщили о создании металлокерамического сплава из шести элементов, обращающего в водород 76% принятого электричества (предыдущий показатель был равен 70%), а на этой неделе ученые из Горнорудного института в штате Колорадо усовершенствовали и этот электрод, использовав в сплаве пять элементов и доведя показатель разделения электричества на водород и кислород до 98%.

Преобразование топлива в электричество в PCFC происходит за счет разделения молекул Н2 на протоны и электроны на топливном электроде. Электроны проходят по проводу на воздушный электрод, передавая электрический заряд в сеть; на электроде они соединяются с молекулами кислорода из воздуха и протонами, прошедшими через мембрану, и превращаются в воду.

Тем не менее, пока оба новых устройства – это небольшие лабораторные образцы. Чтобы технология получила массовое распространение, исследователям необходимо увеличить масштаб девайсов без снижения их производительности. Если инженеры смогут добиться этого, стоимость хранения возобновляемой энергии может резко упасть, что поможет сетям и потребителям покончить с зависимостью от ископаемого топлива.

Источник: sciencemag.org