Grøn brint:Forskning for at øge effektiviteten

Laboratorieeksperimenter og en parabolflyvningskampagne har gjort det muligt for et internationalt hold af forskere fra Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) at få ny indsigt i vandelektrolyse, hvor brint opnås fra vand ved at anvende elektrisk energi. Vandelektrolyse kan spille en nøglerolle i energiomstillingen, hvis der kan opnås effektivitetsforbedringer. Resultaterne offentliggjort for nylig i tidsskriftet Fysiske anmeldelsesbreve tilbyde et muligt udgangspunkt for at øge miljøpåvirkningen af ​​brintbaserede teknologier.

Der er brug for brugbare løsninger til mellemlagring af energi for at sikre, at overskydende elektricitet genereret af sol- og vindenergisystemer under spidsproduktion ikke går til spilde. Produktionen af ​​brint - som derefter kan omdannes til andre kemiske energibærere - er en attraktiv mulighed. Det er vigtigt, at denne proces foregår på den mest effektive – og derfor omkostningseffektive – måde.

Holdet af HZDR-forskere, ledet af prof. Kerstin Eckert, specielt fokuseret på vandelektrolyse. Denne metode bruger elektrisk energi til at opdele vandmolekyler i deres komponentdele - brint og oxygen. At gøre dette, en elektrisk strøm påføres to elektroder nedsænket i en sur eller alkalisk vandig opløsning. Gasformigt brint dannes ved en elektrode, og ilt på den anden. Imidlertid, energiomsætning medfører tab. I praksis, metoden leverer i øjeblikket en energieffektivitet på omkring 65 til 85 procent, afhængig af den anvendte elektrolytiske proces. Målet med elektrolyseforskningen er at øge effektiviteten til omkring 90 procent ved at udvikle bedre teknikker.

Oscillerende brintbobler giver ny forståelse

En bedre forståelse af de underliggende kemiske og fysiske processer er afgørende for at optimere elektrolyseprocessen. Gasbobler, der vokser på elektroden, oplever opdrift, får boblerne til at stige. Problemet med præcist at forudsige løsrivelsestiden for gasbobler fra elektroder har forbløffet forskere i årevis. Det er også kendt, at varmetab opstår, når der forbliver bobler på elektroden. I en kombination af laboratorieforsøg og teoretiske beregninger, forskerne har nu skabt en bedre forståelse af de kræfter, der virker på boblen. "Vores resultater løser et gammelt paradoks af forskning i brintbobler, " tænkte Eckert.

I tidligere forsøg, forskerne bemærkede allerede, at brintbobler begynder at svinge hurtigt. De undersøgte dette fænomen mere detaljeret:ved hjælp af et højhastighedskamera, de fangede skyggen af ​​bobler, og analyseret, hvordan individuelle bobler kan løsne sig fra en elektrode hundrede gange i sekundet, kun for at fastgøre den igen umiddelbart bagefter. De indså, at en hidtil forsømt elektrisk kraft konkurrerede med opdrift, lette oscillation.

Forsøget viste også, at der permanent dannes en slags mikrobobletæppe mellem gasboblen og elektroden. Over en vis tæppetykkelse, den elektriske kraft er ikke længere i stand til at trække boblen tilbage, gør det muligt at stige. Denne viden kan nu bruges til at forbedre effektiviteten af ​​hele processen.

Parabolflyvninger bekræfter resultaterne

For at underbygge deres resultater, forskerne gentog eksperimentet under en parabolflyvning sponsoreret af German Aerospace Center (DLR). Dette gjorde det muligt for dem at undersøge, hvordan ændringer i opdrift påvirker dynamikken i gasbobler. "Den ændrede tyngdekraft under en parabel gjorde os i stand til at variere vigtige fysiske parametre, som vi ikke var i stand til at påvirke i laboratoriet, " forklarede Aleksandr Bashkatov, hovedforfatter af den nyligt offentliggjorte undersøgelse. Ph.D. studerende ved HZDR udførte eksperimenterne ombord på parabolflyvningen sammen med andre kolleger. I perioder med omtrentlig nul tyngdekraft, når frit fald opleves under en parabolflyvning, opdriften er praktisk talt nul - men er meget forbedret i slutningen af ​​parablen. Resultaterne af flyvningerne viste også, at det ville være vanskeligt at overføre brintteknologier til potentiel brug i rummet - uden opdrift, at fjerne gasboblerne fra elektroden ville være en endnu større udfordring end på Jorden.

Anvendelse af vandelektrolysatorer:Regenerative energier for regionen

På trods af at forskerholdets forsøg skulle foregå under forenklede laboratorieforhold, de nye resultater vil bidrage til at øge effektiviteten af ​​elektrolysatorer i fremtiden. Forskerne, ledet af Kerstin Eckert, planlægger i øjeblikket at slå sig sammen med partnere fra Fraunhofer IFAM Dresden, TU Dresden, Zittau-Görlitz University of Applied Sciences og lokale industrielle partnere til et projekt, der udforsker grøn brintproduktion i den tyske region Lusatia. Formålet med projektet er at forbedre alkalisk vandelektrolyse i en sådan grad, at den kan erstatte fossile brændstoffer. "Alkaliske elektrolysatorer er meget billigere og økologisk sunde, og brug ikke knappe ressourcer, fordi de ikke har behov for ædelmetalbelagte elektroder. Det langsigtede mål for konsortiet er at udvikle en ny generation af kraftfulde alkaliske enheder, " opsummerede Eckert.