В свежем обзоре Nature Reviews Clean Technology впервые описали, как можно масштабировать технологии разделенного электролиза воды (DWE) для промышленного производства зеленого водорода.

Сейчас водород, важный компонент для химической промышленности, получают в основном из ископаемого топлива, что приводит к огромным выбросам CO₂. Электролиз воды на возобновляемой энергии вместо этого выделяет кислород — и это чистая альтернатива. Промышленное производство зеленого водорода — одна из главных целей энергоперехода, потому что оно может снизить зависимость мира от нефти и газа.

Обычный электролиз использует два электрода, разделенные мембраной, чтобы расщеплять воду на водород и кислород. У этого метода есть недостатки: он дорогой, в системе возможны утечки водорода, и он плохо совместим с непостоянными источниками энергии, такими как солнце и ветер. DWE решает эти проблемы, разделяя процессы получения водорода и кислорода во времени или пространстве. Вместо мембраны здесь используются специальные материалы (редокс-материалы), которые могут поглощать и высвобождать ионы, из которых потом получают кислород или водород.

Редокс-материалы — вещества, которые могут обратимо окисляться и восстанавливаться, то есть отдавать и принимать электроны. В DWE они работают как «посредники»: сначала накапливают энергию, а потом расходуют ее на производство водорода или кислорода.

Авторы обзора — ведущие эксперты со всего мира: профессор Авнер Ротшильд из Техниона, профессор Марк Саймс из Университета Глазго, профессор Йенс Олуф Йенсен из Технического университета Дании, доктор Том Смолинка из Института солнечных энергетических систем Фраунгофера, Ротем Арад и Гилад Йогев из компании H2Pro, а также другие ученые.

Марк Саймс и его коллеги из Глазго еще в 2013 году предложили первую версию разделенного электролиза, используя жидкие редокс-медиаторы. Сейчас он работает над коммерциализацией этой технологии через компанию Clyde Hydrogen Systems.

В 2015 году Авнер Ротшильд вместе с коллегами из Техниона разработал новую технологию на основе никелевых редокс-электродов. Это открытие привело к созданию компании H2Pro в 2019 году. Их система не требует мембран, использует недорогие материалы и дешевле в производстве. Сейчас H2Pro готовится к запуску первой в мире промышленной установки DWE, которая идеально подходит для работы с солнечной и ветровой энергией.

Йенс Олуф Йенсен и Том Смолинка — эксперты в области современных электролизеров. Их исследования мембранных технологий (PEM и AEM) помогли понять, как масштабировать промышленные системы. Ротем Арад и Гилад Йогев делятся опытом внедрения этих решений в массовое производство.

Главное преимущество DWE — встроенное накопление энергии через редокс-материалы. Это как электролизер с батареей внутри. Он может сглаживать перепады мощности от солнца и ветра, что делает его идеальным для зеленого водорода.

Сейчас рынок водорода оценивается в $250 млрд в год. Когда зеленый водород станет доступен в промышленных масштабах, его рынок может вырасти до $550 млрд за десять лет.

Зеленый водород займет 10% мирового энергорынка, — говорит Авнер Ротшильд. — Как только его начнут производить в больших объемах по доступной цене, он заменит значительную часть энергии в промышленности и транспорте. DWE — это эволюция электролизеров, и, как говорил Дарвин, выживает не самый сильный, а тот, кто лучше приспосабливается.

DWE — молодая технология, ей всего 12 лет, — добавляет Марк Саймс. — У традиционных методов были десятилетия на развитие. Но уже в следующем десятилетии разделенный электролиз станет серьезным конкурентом, особенно для работы с возобновляемой энергией.

Этот обзор впервые систематизирует данные о DWE и предлагает конкретные пути масштабирования. Если технологию удастся внедрить, это резко удешевит зеленый водород и ускорит отказ от ископаемого топлива в промышленности, металлургии и тяжелом транспорте.

Хотя DWE выглядит перспективно, пока все разработки остаются на стадии лабораторий и пилотных проектов. Нет гарантий, что редокс-материалы выдержат тысячи циклов зарядки-разрядки без деградации, а стоимость в реальных условиях окажется конкурентной.

Ранее ученые нашли способ удешевить зеленый водород без потери эффективности.