Новая модель для эффективного производства водорода из аммиака

Ученые представили инновационную вычислительную модель, призванную оптимизировать работу электрохимических реакторов на основе протонной керамики для производства "зеленого" водорода.

Исследовательская группа из Политехнического университета Каталонии (UPC) и Института химических технологий (ITQ, UPV-CSIC) разработала новую модель управления. Она направлена на повышение безопасности, эффективности и масштабируемости технологий производства водорода нового поколения. Работа, опубликованная в International Journal of Hydrogen Energy, описывает моделирование и наблюдение за работой одноячеечного протонного керамического электрохимического реактора (PCER) для получения сжатого водорода методом одностадийного крекинга аммиака.

В контексте глобального энергетического перехода водород приобретает ключевое значение, и поиск эффективных и экономичных методов его производства становится первоочередной задачей. Аммиак, благодаря высокой плотности водорода и развитой инфраструктуре, рассматривается как один из наиболее перспективных носителей водорода. Однако традиционные методы извлечения водорода из аммиака обычно требуют многостадийных процессов, включающих каталитический крекинг, разделение и сжатие, что приводит к значительным потерям энергии.

Новая концепция PCER, разработанная в рамках проекта SINGLE, революционизирует этот подход, объединяя дегидрирование аммиака, разделение водорода и электрохимическое сжатие в единый, оптимизированный этап. Это позволяет отказаться от внешних источников тепла и механических компрессоров, существенно повышая общую энергоэффективность.

Несмотря на значительный потенциал, работа PCER включает сложные взаимодействия между электрическими, химическими и тепловыми процессами, что затрудняет управление и мониторинг. Чтобы решить эту проблему, команда ученых создала вычислительно эффективную модель управления, способную описывать динамическое поведение одной реакторной ячейки. Эта упрощенная модель позволяет в реальном времени реализовывать передовые алгоритмы управления, обеспечивая стабильную работу и предотвращая снижение производительности. Разработка таких контроллеров в настоящее время находится на стадии активного внедрения с целью дальнейшего повышения эффективности системы.

В исследовании также представлен алгоритм "мягкого сенсора" на основе теории наблюдателей. Он предназначен для оценки в реальном времени ключевых внутренних переменных, таких как парциальное давление водорода и сопротивление мембраны, которые критически важны для оптимизации производительности и предотвращения деградации катализатора.

«Благодаря объединению моделей и данных, "мягкие сенсоры" и наблюдатели преобразуют неопределенные, зашумленные электрохимические сигналы в надежную информацию о состоянии, обеспечивая более глубокое понимание и эффективное управление», — поясняет доктор Андреу Сесилия, один из ведущих авторов исследования.

Предложенная модель была проверена с помощью высокоточной многофизической симуляции. Результаты продемонстрировали высокую степень соответствия по ключевым показателям производительности, включая эффективность извлечения водорода, конверсию аммиака и температурную динамику. Важно отметить, что упрощенная модель способна моделировать поведение реактора в реальном времени, что является критически важным фактором для будущей промышленной реализации.

Данная работа является частью проекта SINGLE, цель которого — разработка технологий нового поколения для производства, очистки и сжатия водорода непосредственно из аммиака в едином интегрированном процессе. Ключевым технологическим компонентом PCER является электрохимическая ячейка, спроектированная для одновременного выполнения функций прочного катализатора дегидрирования аммиака (ADH) и мембраны, управляемой напряжением, для разделения и сжатия водорода. Интегрируя все четыре этапа процесса — каталитический крекинг, разделение, очистку и сжатие — в одном реакторе, технология достигает беспрецедентной энергоэффективности, напрямую производя водород высокой чистоты под давлением. Проект SINGLE продемонстрирует этот прорывной подход в масштабе 10 кг H₂/день, предлагая четкий путь для будущего масштабирования.