Команда под руководством Университета штата Пенсильвания добилась увеличения размеров реактора, производящего метан, без потери эффективности.
Исследователи из Университета штата Пенсильвания разработали более крупный и эффективный реактор, который преобразует углекислый газ и возобновляемую электроэнергию в метан, что открывает возможности для длительного хранения возобновляемой энергии.
Международная команда под руководством Брюса Логана масштабировала систему микробного электросинтеза без потери производительности, решив одну из самых больших проблем, стоящих перед этой технологией.
Реактор использует электроэнергию из возобновляемых источников, таких как солнечная и ветровая энергия, для расщепления воды и получения водорода. Затем микроорганизмы, называемые метаногенами, потребляют водород и превращают углекислый газ в метан, основной компонент природного газа.
Исследователи заявили, что метан можно хранить и транспортировать, используя существующую газовую инфраструктуру, что потенциально может открыть новый путь для долговременного хранения возобновляемой энергии.
«Традиционно крупномасштабное долгосрочное хранение воды предполагает перекачку воды вверх по склону и последующее её обратно вниз через турбины», — сказал Логан. «Если же речь идёт о сезонном хранении, то эту энергию действительно необходимо преобразовать в химическую форму».
Более мощный реактор, та же эффективность.
Системы микробного электросинтеза обычно с трудом выходят за рамки лабораторных устройств, поскольку их эффективность снижается по мере увеличения размеров системы.
Для решения этой проблемы команда разработала увеличенную конструкцию реактора с «нулевым зазором», в котором электроды разделены только мембраной. Такая конфигурация снижает внутреннее сопротивление и улучшает передачу энергии внутри системы.
Исследователи увеличили площадь электрода примерно в десять раз и расширили внутренний канал для потока до почти 12 дюймов. Несмотря на увеличенные размеры, реактор сохранил высокую производительность метана и высокую энергоэффективность.
«Несмотря на то, что мы значительно увеличили размеры системы, внутреннее сопротивление не ухудшилось, — сказал Логан. — Это потому, что мы смогли гораздо эффективнее использовать водород, выделяющийся из электродов».
В реакторе также используются многочисленные проточные патрубки для более равномерного распределения жидкостей и газов по всей системе, что способствует поддержанию стабильных условий эксплуатации.
В ходе испытаний, проведенных при температуре 30 градусов Цельсия, реактор производил до 6,9 литров метана на литр объема реактора в сутки. Система также достигла кулоновской эффективности выше 95 процентов, что означает, что большая часть электрической энергии преобразовывалась непосредственно в метан, а не тратилась в побочные реакции.
Исследователи сообщили об уровне энергоэффективности в диапазоне от 45 до 47 процентов, что, по их словам, является одним из самых высоких показателей, достигнутых для систем микробного электросинтеза, работающих в стандартных условиях.
Водород ускоряет выделение метана.
Исследование также прояснило, как происходит производство метана внутри реактора.
Вместо того чтобы микроорганизмы напрямую собирали электроны с электродов, система сначала генерирует водород путем расщепления воды. Затем метаногены быстро потребляют водород, производя метан с большей скоростью.
«Мы расщепляем воду, чтобы получить водород, и метаногены тут же готовы его использовать», — сказал Логан. «Можно представить это как электролизер воды, который использует электричество для расщепления воды на водород и кислород в сочетании с биологической системой».
Исследователи полагают, что в будущем установки по производству метана могут быть построены рядом с электростанциями, работающими на возобновляемых источниках энергии, и напрямую подключены к газопроводным сетям.
«Я вижу, как рядом с солнечными или ветровыми электростанциями строят установки по производству метана, — сказал Логан. — Вместо того чтобы подавать электроэнергию в сеть, их используют на месте для производства метана и закачивают его в газопроводы».
Результаты исследования были опубликованы в журнале Water Research.
Sourse: interestingengineering.com
