Вафина Э.А.
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ЭЛЕКТРОЛИЗ: ЭНЕРГИЯ БУДУЩЕГО *
Аннотация:
в условиях глобального энергоперехода и стремления к снижению углеродного следа особую актуальность приобретают технологии экологически чистого производства водорода. Одной из наиболее перспективных является высокотемпературный электролиз воды (ВТЭ), осуществляемый с применением твердооксидных электролизёров (SOEC) при температурах 700–1000 °C. В статье рассмотрены физико-химические принципы работы ВТЭ, конструктивные особенности электролизёров, сравнительные преимущества по отношению к традиционным методам водоэлектролиза, а также возможности интеграции технологии с различными источниками тепловой и электрической энергии. Особое внимание уделено текущему состоянию разработок, международным инициативам и ключевым вызовам, ограничивающим промышленное внедрение ВТЭ. Отмечена высокая энергетическая эффективность процесса и его потенциал в рамках водородной экономики будущего.
Ключевые слова:
высокотемпературный электролиз, водород, твердооксидный электролизёр, водородная энергетика, энергия будущего
Современная энергетическая система находится в стадии глубокой трансформации, обусловленной необходимостью снижения выбросов парниковых газов, повышения энергоэффективности и перехода к устойчивым источникам энергии. Одним из наиболее перспективных путей декарбонизации энергетики и промышленности является широкое внедрение водородной экономики. Однако центральным вопросом остаётся способ получения водорода: экологически чистое производство возможно лишь при использовании технологий, не сопровождающихся выбросами CO₂. В этом контексте особое внимание уделяется высокотемпературному электролизу воды (ВТЭ), представляющему собой один из наиболее эффективных и перспективных методов получения водорода [1].Высокотемпературный электролиз относится к классу термоэлектрохимических процессов и осуществляется при температурах порядка 700–1000 °C с использованием твердооксидных электролитов. За счёт частичного замещения электрической энергии тепловой энергией, общая энергетическая эффективность ВТЭ существенно превышает эффективность традиционного (низкотемпературного) водоэлектролиза. Кроме того, ВТЭ потенциально совместим с высокотемпературными источниками тепла, такими как атомные энергетические установки, солнечные тепловые электростанции и промышленные отходящие потоки.Принцип работы ВТЭ основан на электрохимическом разложении водяного пара на водород и кислород в твёрдооксидной электрохимической ячейке. В качестве электролита используется, как правило, диоксид циркония (ZrO₂), стабилизированный итрием (YSZ). Такая структура позволяет эффективно проводить ионы кислорода при высоких температурах.На катоде происходит восстановление воды по уравнению:H₂O + 2e- → H2 + O2-Образующиеся ионы кислорода проходят через твёрдооксидный электролит к аноду, где происходит их окисление:O²⁻ → ½O₂ + 2e-Итоговая суммарная реакция электролиза:H₂O (г) → H₂ (г) + ½O₂ (г)Температурный режим способствует снижению термодинамического потенциала реакции. При температуре ~800 °C электроэнергетические затраты снижаются на ~25–30% по сравнению с низкотемпературным электролизом.Твердооксидный электролизёр (SOEC) состоит из трёх функциональных слоёв:Катод — сторона подачи пара и генерации водорода.Электролит — непроводящий для электронов, но проводящий для ионов кислорода.Анод — сторона выхода кислорода.Таблица 1. Основные материалы компонентов SOEC.Различают две основные архитектуры ячеек:Планарная — ячейки укладываются в виде многослойных пакетов с параллельной подачей газа.Трубчатая — ячейки выполнены в форме трубок, обеспечивающих механическую прочность и термостойкость [3].Сборка SOEC осуществляется в модульные стековые конструкции (stacks), которые могут масштабироваться в зависимости от потребностей — от лабораторных установок до промышленных систем.Высокотемпературный электролиз демонстрирует КПД (низшего теплотворного значения) на уровне 80–90%, что значительно выше, чем у щелочного (55–65%) или PEM-электролизёров (65–75%). Причиной такого роста эффективности является возможность использования тепловой энергии, которая частично компенсирует энтальпийные затраты на разложение воды [5].Таблица 2. Сравнительная эффективность технологий электролиза воды.Интеграция ВТЭ возможна:С АЭС: высокотемпературные ядерные реакторы (например, газоохлаждаемые) обеспечивают стабильное тепловыделение на уровне 700–950 °C.С солнечными концентратами: тепловая энергия от зеркал или линз направляется в теплообменники, нагревающие пар до необходимой температуры.С промышленными источниками отходящего тепла: металлургия, цементное производство и нефтехимия создают потоки нагретых газов, которые могут быть рекуперированы [6].Мировое сообщество активно инвестирует в разработку технологий высокотемпературного электролиза. Ведущие исследовательские и промышленно-инжиниринговые центры работают над масштабируемыми решениями:INL (США) — реализует проект INTEGRATE по тестированию SOEC в энергетических цепочках,CEA (Франция) — проводит экспериментальные исследования по интеграции ВТЭ с ядерными источниками,FZJ (Германия) — разрабатывает многоячеечные стековые модули для промышленных нужд,Bloom Energy (США) — представила коммерчески доступную платформу SOEC с заявленным КПД ~88% [7].Несмотря на значительные достижения, технология всё ещё находится на стадии масштабируемых испытаний. Ключевыми направлениями развития остаются:Увеличение долговечности ячеек (до 40 000–60 000 часов),Повышение устойчивости к термоциклам и деформационным нагрузкам,Снижение стоимости керамических и катодных материалов,Унификация и стандартизация компонентов.Технология ВТЭ сталкивается с рядом технологических и экономических ограничений:материальная деградация — высокие температуры и паровая среда вызывают коррозию, растрескивание и фазовые переходы в материалах,необходимость пара — требуется инфраструктура для генерации и подачи водяного пара высокой чистоты и температуры,высокая стоимость — в текущей конфигурации ВТЭ требует значительных капитальных затрат, особенно в части материалов и контроля температуры,масштабируемость — внедрение на промышленных мощностях требует детальной проработки термодинамических и логистических сценариев.По прогнозам международных организаций (IEA, Hydrogen Council), к 2040–2050 годам водород может составлять до 15–20% от общего мирового энергопотребления. В этом контексте высокотемпературный электролиз рассматривается как ключевая технология для производства так называемого зелёного и розового водорода — получаемого с использованием возобновляемых и ядерных источников соответственно [2].Высокотемпературный электролиз представляет собой один из наиболее перспективных подходов к экологически чистому и энергоэффективному производству водорода. Технология уже показала высокую энергетическую эффективность, гибкость в интеграции с различными источниками энергии и потенциал масштабирования. Однако для её широкого внедрения необходимы дальнейшие усилия в области материаловедения, повышения долговечности компонентов, создания стандартизированной инфраструктуры и снижения себестоимости [4].В условиях глобального энергоперехода и поиска устойчивых технологических решений высокотемпературный электролиз, безусловно, занимает важное место как потенциальный «энергетический мост» между современными индустриальными реалиями и углеродно-нейтральным будущим.
Номер журнала Вестник науки №5 (86) том 4
Ссылка для цитирования:
Вафина Э.А. ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ЭЛЕКТРОЛИЗ: ЭНЕРГИЯ БУДУЩЕГО // Вестник науки №5 (86) том 4. С. 2092 - 2098. 2025 г. ISSN 2712-8849 // Электронный ресурс: https://www.вестник-науки.рф/article/23533 (дата обращения: 12.07.2025 г.)
Вестник науки © 2025. 16+