Laboratorieexperiment och en parabolisk flygkampanj har gjort det möjligt för ett internationellt team av forskare från Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) att få nya insikter om vattenelektrolys, där väte erhålls från vatten genom att applicera elektrisk energi. Vattenelektrolys skulle kunna spela en nyckelroll i energiomställningen om effektivitetsförbättringar kan uppnås. Resultaten publicerade nyligen i tidskriften Fysiska granskningsbrev erbjuda en möjlig utgångspunkt för att öka miljöpåverkan från vätebaserad teknik.

Det behövs fungerande lösningar för mellanlagring av energi för att säkerställa att överskottsel som genereras av sol- och vindenergisystem under toppproduktion inte går till spillo. Produktionen av väte - som sedan kan omvandlas till andra kemiska energibärare - är ett attraktivt alternativ. Det är viktigt att denna process sker på det mest effektiva och därmed kostnadseffektiva sättet.

Teamet av HZDR-forskare, ledd av prof. Kerstin Eckert, speciellt inriktad på vattenelektrolys. Denna metod använder elektrisk energi för att dela upp vattenmolekyler i sina beståndsdelar - väte och syre. Att göra detta, en elektrisk ström appliceras på två elektroder nedsänkta i en sur eller alkalisk vattenlösning. Gasformigt väte bildas vid en elektrod, och syre vid den andra. Dock, energiomvandling innebär förluster. I praktiken, Metoden ger för närvarande en energieffektivitet på cirka 65 till 85 procent, beroende på vilken elektrolytisk process som används. Syftet med elektrolysforskningen är att öka effektiviteten till cirka 90 procent genom att utveckla bättre tekniker.

Oscillerande vätebubblor ger ny förståelse

En bättre förståelse för de underliggande kemiska och fysikaliska processerna är avgörande för att optimera elektrolysprocessen. Gasbubblor som växer på elektroden upplever flytkraft, får bubblorna att stiga. Problemet med att exakt förutsäga lossningstiden för gasbubblor från elektroder har förbryllat forskare i flera år. Det är också känt att värmeförlust uppstår när bubblor kvarstår på elektroden. I en kombination av laboratorieexperiment och teoretiska beräkningar, forskarna har nu skapat en bättre förståelse för de krafter som verkar på bubblan. "Våra resultat löser en gammal paradox av forskning om vätebubblor, " tänkte Eckert.

I tidigare experiment, forskarna märkte redan att vätebubblor börjar svänga snabbt. De undersökte detta fenomen mer detaljerat:med hjälp av en höghastighetskamera, de fångade skuggan av bubblor, och analyserade hur enskilda bubblor kan lossna från en elektrod hundra gånger i sekunden, bara för att återfästa den omedelbart efteråt. De insåg att en hittills försummad elektrisk kraft konkurrerade med flytkraft, underlättar svängning.

Experimentet visade också att ett slags mikrobubbelmatta permanent bildas mellan gasbubblan och elektroden. Över en viss matttjocklek, den elektriska kraften kan inte längre dra tillbaka bubblan, gör det möjligt för den att stiga. Denna kunskap kan nu användas för att effektivisera hela processen.

Parabolflyg bekräftar fynden

För att underbygga sina resultat, forskarna upprepade experimentet under en parabolflygning sponsrad av German Aerospace Center (DLR). Detta gjorde det möjligt för dem att undersöka hur förändringar i flytkraft påverkar dynamiken hos gasbubblor. "Den förändrade gravitationen under en parabel gjorde det möjligt för oss att variera viktiga fysiska parametrar, som vi inte kunde påverka i labbet, " förklarade Aleksandr Bashkatov, huvudförfattare till den nyligen publicerade studien. Ph.D. student vid HZDR genomförde experimenten ombord på parabolflyget tillsammans med andra kollegor. Under perioder med ungefärlig gravitation, när fritt fall upplevs under en parabolflygning, Flytförmågan är praktiskt taget noll – men förbättras avsevärt i slutet av parabeln. Resultaten av flygningarna visade också att det skulle vara svårt att överföra väteteknik till potentiell användning i rymden – utan flytkraft, att ta bort gasbubblorna från elektroden skulle vara en ännu större utmaning än på jorden.

Användning av vattenelektrolysörer:regenerativa energier för regionen

Trots att forskargruppens experiment fick ske under förenklade laboratorieförhållanden, de nya rönen kommer att bidra till att öka effektiviteten hos elektrolysörer i framtiden. Forskarna, leds av Kerstin Eckert, planerar för närvarande att samarbeta med partners från Fraunhofer IFAM Dresden, TU Dresden, Zittau-Görlitz University of Applied Sciences och lokala industripartners för ett projekt som utforskar grönt väteproduktion i den tyska regionen Lusatia. Syftet med projektet är att förbättra alkalisk vattenelektrolys till en sådan grad att den kan ersätta fossila bränslen. "Alkaliska elektrolysatorer är mycket billigare och ekologiskt sunda, och använder inte knappa resurser eftersom de inte har något behov av ädelmetallbelagda elektroder. Det långsiktiga målet för konsortiet är att utveckla en ny generation kraftfulla alkaliska enheter, " sammanfattade Eckert.