Разработанное командой гибридное устройство для солнечной дистилляции и электролиза воды (HSD-WE), о котором сообщалось 9 апреля в журнале Energy and Environmental Science, в настоящее время производит 200 миллилитров водорода в час с энергоэффективностью 12,6% непосредственно из морской воды при естественном солнечном свете.

Исследователи подсчитали, что в течение 15 лет технология может снизить стоимость производства экологически чистого водорода до 1 доллара за килограмм - ключевой шаг к достижению нулевого уровня выбросов к 2050 году.

"Вода и энергия критически необходимы для нашей повседневной жизни, но, как правило, если вы хотите производить больше энергии, вам приходится потреблять больше воды", - сказал Ленан Чжан, доцент и руководитель проекта. "С другой стороны, нам нужна питьевая вода, потому что две трети населения земного шара сталкиваются с нехваткой воды. Таким образом, в производстве экологически чистого водорода существует узкое место, и это отражается на стоимости".

Зеленый водород получают путем расщепления молекул "высокочистой", то есть деионизированной, воды на водород и кислород путем электролиза. Высокая стоимость обусловлена огромным количеством чистой воды, требуемой для этого процесса; стоимость производства экологически чистого водорода может быть примерно в 10 раз выше, чем стоимость обычного водорода.

"Вот почему мы придумали эту технологию", - сказал Чжан. "Мы подумали: "Хорошо, какой ресурс является самым распространенным на Земле?" Солнечная энергия и морская вода - это, по сути, бесконечные ресурсы, а также бесплатные ресурсы".

Работая с исследователями из Массачусетского технологического института, Университета Джона Хопкинса и Мичиганского государственного университета, команда Чжана разработала прототип устройства размером 10 на 10 сантиметров, который использует один из недостатков фотоэлектрических систем: их относительно низкую эффективность. Большинство фотоэлектрических элементов могут преобразовывать в электричество только примерно до 30% солнечной энергии, а остальное рассеивается в виде отработанного тепла. Но устройство команды способно использовать большую часть этого отходящего тепла и использует его для подогрева морской воды до тех пор, пока она не испарится.

"По сути, коротковолновый солнечный свет взаимодействует с солнечным элементом для выработки электроэнергии, а длинноволновый свет генерирует избыточное тепло для питания процесса дистилляции морской воды", - сказал Чжан. "Таким образом, вся солнечная энергия может быть полностью использована. Ничто не пропадает даром."

Как только морская вода испаряется, соль остается, а опресненный пар конденсируется в чистую воду, которая проходит через электролизер, расщепляющий молекулы воды на водород и кислород.

Чжан видит потенциал внедрения этой технологии в солнечные фермы для охлаждения фотоэлектрических панелей, что повысило бы их эффективность и продлило срок службы.

"Мы хотим избежать выбросов углекислого газа, избежать загрязнения окружающей среды. Но в то же время мы также заботимся о стоимости, потому что чем ниже у нас стоимость, тем выше рыночный потенциал для широкомасштабного внедрения", - сказал он. "Мы считаем, что существует огромный потенциал для будущей установки".

Исследование было проведено при поддержке Национального научного фонда.