В последнее время водород считается одним из наиболее перспективных источников энергии, так как способен питать не только автомобили, но и целые промышленные отрасли. В то же время при его использовании в окружающую среду не выделяется углекислый газ, который стал причиной глобального потепления климата. Но если водород имеет столько преимуществ, почему бы не перейти на его использование прямо сейчас? На это есть несколько причин. Одна из них заключается в том, что массовое производство этого газа может усугубить проблему нехватки пресной воды, количество которой во многих странах ежегодно сокращается с катастрофической скоростью. Однако ученые предложили другое решение — использовать для производства морскую воду, и даже объяснили как преодолеть имеющиеся технические сложности.

Ученые предлагают производить водород из морской воды

Недостатки водорода в качестве источника энергии

Водород нельзя назвать идеальным источником энергии, так как он имеет ряд своих недостатков. К примеру, один килограмм водорода содержит столько же энергии, сколько примерно в 4 литрах бензина. Но при нормальном атмосферном давлении килограмм водорода занимает в сотни раз больше пространства. Для сжижения водорода его необходимо охладить до -253 градусов по Цельсию, либо обеспечивать высокое давление.

Кроме того, следует учитывать, что в настоящее время отсутствуют трубопроводы и распределительные системы, что делает невозможным быстрый переход на водород, как основной источник энергии. Тем не менее водород в настоящее время считается одним из самых перспективных источников энергии для большегрузных транспортных средств, которые невозможно обеспечить электрическими батареями.

К таким транспортным средствам относятся грузовики, корабли и даже самолеты. Более того, транспорт, работающий на водороде, набирает популярность уже сейчас. К примеру, в Китае начали производство водородных пассажирских поездов. А в Великобритании построили водородный самолет еще три года назад.

Другим вероятным рынком сбыта водорода являются такие отрасли, как сталелитейная промышленность, где требуется высокотемпературное сгорание.
Кроме того, со временем будут расти и нынешние рынки водорода, к примеру, он необходим для производства аммиачных удобрений. В настоящее время мировое потребление водорода в год составляет 90 миллионов тонн в год.

В чем сложность производства водорода

Постепенный переход на водород позволит уменьшить количество выбросов углекислого газа, что необходимо для борьбы с глобальным потеплением климата. Однако для этого водород должен производиться экологически чистым способом. В настоящее время существует три основных способа производства водорода: зеленый, синий и серый.

В настоящее время только один из трех способов производства водорода является экологичным, но он очень дорогой

Зеленый способ подразумевает электролиз воды — источник питания постоянного тока подключается к двум электродам, которые находятся в воде. В результате на катоде образуется водород, а на аноде — кислород. Синий водород получают путем паровой конверсии метана из природного газа. При таком производстве в атмосферу выбрасывается столько же углекислого газа, сколько и при сжигании природного газа. Серый же водород считается самым грязным источником водородного топлива, так как для его производства используются все остальные ископаемые виды топлива.

Отсюда следует, что единственным оптимальным решением для борьбы с глобальным потеплением климата является производство зеленого водорода. Однако он стоит 5 долларов США за 1 кг, что в два раза дороже, чем серый водород. Поэтому в настоящее время ученые работают над способами удешевления зеленого водорода хотя бы до 1 доллара за 1 кг. Но высокая стоимость является не единственной проблемой.

Электролизеры предназначены для работы только с чистой водой. Увеличение объемов производства зеленого водорода может усугубить глобальную нехватку пресной воды. Для получения 1 кг водорода с помощью электролиза требуется около 10 кг воды. По данным Международного агентства по возобновляемым источникам энергии, для работы грузовиков и ключевых отраслей промышленности на зеленом водороде может потребоваться примерно 25 миллиардов кубометров пресной воды в год, что эквивалентно потреблению воды в стране с населением 62 миллиона человек.

Использование водорода может решить многие проблемы производства водорода

Ученые предлагают использовать соленую воду для производства водорода

Для электролиза водорода применяют электроды из драгоценных металлов. При использовании морской воды, электрический разряд, который генерирует кислород на аноде, превращает ионы хлорида в соленой воде в высококоррозионный газообразный хлор. Этот хлор разъедает электроды и катализаторы в течение нескольких часов.

Ученые из Университета RMIT в Мельбурне, чтобы решить эту проблему, предлагают покрывать электроды отрицательно заряженными соединениями, такими как сульфаты и фосфаты. Они способны отталкивать отрицательно заряженные ионы хлора, и тем самым предотвращать образование газообразного хлора. Как сообщают исследователи в журнале Small, их электроды проработали в течение двух месяцев, генерируя водород из морской воды, при этом не имеют никаких видимых следов повреждения.

Другая команда ученых из Университета Аделаиды внесла изменения в конструкцию электролизера. Их установка расщепляет воду на аноде, а не на катоде. При этом ученые покрыли свои электроды оксидом хрома, который притягивал пузырьки ионов ОН-, которые отталкивали ионы хлора. Как сообщается в исследовании, аппарат проработал с морской водой в течение 100 часов. Об этом команда сообщает в журнале Nature Energy.

Ученые предлагают внести изменения в существующие электролизные установки, что позволит им добывать водород из соленой воды

Инженеры-химики из Нанкинского технологического университета предлагают вообще не “изобретать велосипед”, а использовать третий способ решения проблемы, который лежит на поверхности — устанавливать перед электролизерами мембраны тонкой очистки, и таким образом отфильтровывать воду, прежде чем подавать ее на электроды.

В своем эксперименте ученые окружили электроды мембранами, которые пропускают только пары пресной воды из окружающей ванны с морской водой. По мере того, как электролизер преобразует пресную воду в водород и кислород, он создает давление, которое проталкивает больше молекул воды через мембрану, пополняя запас пресной воды. То есть образуется замкнутый круг, что позволяет не тратить дополнительную энергию на создание высокого давления. Об этом исследователи сообщают в журнале Nature. Установка с мембранным опреснителем, по словам ученых, проработала 3200 часов без признаков повреждений.

Все предложенные способы нуждаются в дополнительных исследованиях, так как они должны быть экономически оправданными и пригодными к масштабированию. Однако уже сейчас понятно, что она из главных проблем производства водорода в большом количестве может быть решена.

Напоследок напомним, что, вполне возможно, в скором будущем вообще не придется производить этот газ. По мнению некоторых ученых, большие запасы водорода имеются в недрах Земли. Более того, уже даже существуют скважины, из которых его добывают. Это дешевый и экологичный способ получения топлива.