Получение водорода на основе электрофизической ионизации воды: сравнительный анализ

Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice

УДК 544.654.2: 621.3.035.2                       

Глобальный переход к зеленой энергетике ставит перед научным сообществом задачу разработки эффективных и экономичных способов получения водорода (H₂), который рассматривается как одно из ключевых топлив будущего. В настоящее время основным промышленным методом получения «зеленого» водорода является электролиз воды (2H₂O → 2H₂ + O₂). Однако, как отмечено авторами, современные промышленные электролизеры потребляют значительное количество энергии (≈3,9–4,1 кВт•ч на 1 м³ H₂), что при низшей теплотворной способности водорода ≈3,0 кВт•ч/м³ делает процесс экономически невыгодным без субсидий или в условиях высоких цен на электроэнергию [1]. При этом капитальные затраты на электролизеры часто окупаются только при условии низких эксплуатационных расходов, в первую очередь, за счет снижения потребления электричества [2].

Анализ публикаций за последние пять лет демонстрирует устойчивый прогресс в разработке энергоэффективных методов получения водорода. Начиная с 2019 года, когда промышленные электролизеры демонстрировали КПД 50–70% при щелочном электролизе [3], исследования постепенно сместились в сторону инновационных подходов. В 2021 году прорывом стало создание низковольтного электролиза с одновременным выделением водорода на обоих электродах [4]. Этот метод, основанный на окислении природных альдегидов, позволил снизить энергозатраты без потери производительности. К 2023 году акустоплазменный разряд в жидкофазных средах достиг рекордного КПД 60–70%, превзойдя традиционные электролизные системы по энергоэффективности [5]. Параллельно в 2024 году начались эксперименты с фотоиндуцированным расщеплением воды на катализаторах из оксида титана, что открыло перспективу прямого использования солнечной энергии [6].

Современные разработки 2025 года сосредоточены на экономической составляющей: гибридные катализаторы на основе фталоцианина кобальта снижают стоимость электролизеров, а протонообменные мембраны для сточных вод решают проблему дефицита пресной воды [7]. При этом сохраняется интерес к химическим методам, таким как реакция магния с водой, где безопасность процесса компенсирует зависимость от реакционной способности металла [8].

Общая тенденция отражает переход от простого повышения КПД к комплексной оптимизации — сочетанию энергоэффективности, снижения капитальных затрат и экологической устойчивости [2, 9].

В связи с этим актуальным становится поиск альтернативных или модифицированных методов ионизации и активации воды, которые позволили бы снизить удельные энергозатраты. В данной работе исследуются два подхода: электрофизическая ионизация (ЭФИ) при низких напряжениях; электрохимический метод, основанный на химической реакции активного металла (алюминия) с водой в щелочной среде (каустическая сода).

Целью исследования является сравнительный анализ этих методов с акцентом на их энергетическую эффективность и потенциал для масштабирования, а также анализ последних литературных данных в области энергоэффективного получения водорода.

Методика исследования

Электрофизическая ионизация (ЭФИ). Исследование проводилось с использованием установки, позволяющей подавать низкое напряжение (до 29 В) на электроды, погруженные в воду. Основные варьируемые параметры: напряжение (U) – 10 В. Площадь одного электрода (A) – 17,55 см². Расстояние между электродами (d) – 1 мм. Объем воды (VH2O) – 500 мл. Плотность тока (j) – 3,4 мА/см². Время процесса (t) – 30 мин. Измеряемый параметр: объем полученного водорода (VH2).

Расчет глубины ионизации: глубина ионизации (L) рассчитывалась как отношение объема разложенной воды к площади поверхности электрода. Объем разложенной воды определялся через объем полученного водорода по закону Фарадея и стехиометрии реакции электролиза. Упрощенная формула имеет вид: L = (VH2*M10-³)/(ρAk), где M – молярная масса воды (18 г/моль), ρ – плотность воды (1 г/см³), k – стехиометрический коэффициент (для полного разложения 2 моль H2O на 2 моль H2, k=1). В работе приведен результат: L = 3,11·10-8 см.

Электрохимический способ (реакция алюминия с щелочью). Исследование проводилось на основе химической реакции алюминия (Al) с водой в присутствии каустической соды (NaOH) по уравнению: Al + 2NaOH + 6H₂O → 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂↑. Варьируемые параметры (Таблица 1): Объем воды (VH2O): 300 мл (постоянно). Масса NaOH: 30 г (постоянно). Масса Al: от 13 г до 18 г (варьируется). Измеряемый параметр: объем полученного водорода (VH2).

Результаты научных экспериментов

Электрофизическая ионизация. При заданных параметрах (U=10 В, A=17,55 см², d=1 мм) и использовании 500 мл воды за 30 минут объем полученного водорода составил 250 мл. Результаты показывают, что при низком напряжении можно получить значительный объем водорода. Однако расчетная глубина ионизации (L) составила лишь 3,11·10⁻⁸ см, что указывает на то, что активным воздействию подвергается крайне тонкий приэлектродный слой воды.

Электрохимический способ. Результаты экспериментов представлены в Таблице.

Таблица

ОБЪЕМ ПОЛУЧЕННОГО ВОДОРОДА ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИМ СПОСОБОМ

Вода, мл	Каустическая сода, г	Алюминий, г	Водород, мл
300	30	13	140
300	30	14	160
300	30	15	180
300	30	16	180
300	30	17	180
300	30	18	180

Максимальный объем водорода (180 мл) был получен при использовании 15 г алюминия, дальнейшее увеличение массы Al не приводило к росту выхода H2, что, вероятно, указывает на ограничение реакции либо по концентрации NaOH, либо по времени проведения эксперимента. Сравнение ЭФИ и электрохимического способа. Прямое сравнение методов в контексте энергоэффективности является ключевым. Электрохимический способ (Al+NaOH) не требует внешнего источника электроэнергии в момент проведения реакции, однако его полную эффективность следует оценивать с учетом энергозатрат на производство исходных реагентов (Al и NaOH). Производство 1 кг первичного алюминия требует около 15 кВт·ч электроэнергии [10], а производство NaOH также является энергоемким (электролиз рассола). ЭФИ при 10 В демонстрирует потенциал для существенного снижения эксплуатационных расходов за счет работы при низком напряжении, что напрямую коррелирует с выводом из обзора литературы о перспективности низковольтных систем [4].

За 30 минут из 500 мл воды получен 250 мл H2. Потребленная энергия составила W = UIt = U (j A)t = 10 В (0,0034 А/см² 17,55 см²)1800 с ≈ 1075 Дж ≈ 0,0003 кВт·ч. Удельные энергозатраты в данном эксперименте составили (0,0003 кВт·ч / 0,00025 м³) = 1,2 кВт·ч/м³, что уже ниже порогового значения в 3 кВт·ч/м³ и значительно ниже показателей промышленного электролиза (4 кВт·ч/м³). Факт работы при U=10 В против 1,7-2.0 В в промышленных электролизерах в сочетании с крайне малой плотностью тока (j=3,4 мА/см² против 200-1000 мА/см²) и получение столь низких удельных затрат указывает на высокий потенциал метода. Критическим параметром ЭФИ является глубина ионизации (3,11·10⁻⁸ см). Этот результат говорит о том, что механизм ионизации крайне локализован и, вероятно, связан с образованием микроплазмы или локальных электрических пробоев в приэлектродном слое [5, 11].

Если удастся увеличить глубину ионизации, или, что более реалистично, оптимизировать геометрию электродов и частоту импульсов для более эффективного воздействия на весь объем воды, выход водорода может быть значительно увеличен. В сравнении с неклассическими методами получения водорода, такими как акустоплазменный разряд [5], ЭФИ имеет схожую концепцию воздействия на воду неклассическим электрическим разрядом, который может иметь высокий КПД (60–70%).

Выводы

• 1.    Электрофизический метод получения водорода, реализованный при низком напряжении (10В), продемонстрировал потенциально высокую энергоэкономичность. Рассчитанные удельные энергозатраты (~1,2 кВт•ч/м³) оказались ниже показателей традиционного электролиза и порогового значения, определяемого низшей теплотой сгорания водорода, что соответствует главной цели исследования.

• 2.    Крайне малая расчетная глубина ионизации (3,11•10⁻⁸ см), наблюдаемая в эксперименте по ЭФИ, с одной стороны, указывает на высокую локальную эффективность процесса, а с другой — подчеркивает значительный потенциал для его оптимизации. Увеличение выхода водорода представляется достижимым за счет целенаправленного подбора рабочих параметров, таких как геометрия и материал электродов, межэлектродное расстояние, частота и форма подаваемого сигнала, а также введение в воду добавок-активаторов.

• 3.    Электрохимический метод на основе реакции алюминия с щелочью (Al + NaOH) продемонстрировал ограниченный и не scaling выход водорода (максимум 180 мл в условиях эксперимента). Его общая экономическая и энергетическая эффективность является низкой вследствие высокой стоимости и значительных косвенных энергозатрат на производство реагентов [10]. Это делает данный метод менее привлекательным для крупномасштабного производства «зеленого» водорода по сравнению с перспективными методами электролиза, такими как оптимизированная ЭФИ.

План дальнейших исследований

На основании проведенного анализа сформированы следующие перспективные направления для дальнейшей работы:

• 1.    Оптимизация электрофизической ионизации. Ключевой задачей является увеличение глубины ионизации и, как следствие, объема разлагаемой воды. Для этого планируется: разработка реакторов с новой архитектурой электродов, например, с использованием пористых, сетчатых структур или систем с импульсной подачей напряжения; исследование влияния частотно-импульсных режимов подачи напряжения на энергоэффективность, скорость процесса и выход водорода и апробация методов физико-химической активации процесса, включая использование ультразвуковой кавитации для дегазации и перемешивания приэлектродного слоя, а также добавление минимальных количеств инертных электролитов для повышения проводимости среды.

• 2.    Гибридизация метода ЭФИ. Для преодоления фундаментальных энергетических барьеров процесса планируется исследование синергетических эффектов при комбинации ЭФИ с гетерогенным катализом. Будут изучены: электроды с нанесенными каталитическими покрытиями на основе доступных и стабильных материалов (например, оксиды или соли переходных металлов: Ni, Co, Mn); влияние катализаторов на снижение потенциала инициирования ионизации, стабильность процесса и общий энергетический КПД системы.

• 3.    Масштабирование и технологический аудит. Для оценки практической применимости и конкурентоспособности метода запланированы: проектирование и создание опытнолабораторной установки с увеличенной производительностью и непрерывным режимом работы; проведение всестороннего технико-экономического анализа (ТЭА) на основе данных с пилотной установки, включая точное определение удельных энергозатрат (кВт•ч/м³) и предварительную оценку капитальных затрат и сравнительный анализ экономических и эксплуатационных показателей с существующими промышленными технологиями получения водорода.