Принцип работы портативного генератора основан на процессе электролиза, который предусматривает пропускание через воду электрического тока с последующим выделением газообразного водорода.

Фактически получение водорода заключается в том, что в емкости с водой находятся два электрода: катод и анод. Они подсоединяются к источнику питания (например, к батарейке) и через емкость с водой проходит электрический ток (то есть электроны начинают двигаться). Во время этого происходят электрохимические реакции. При правильном сочетании электродов будет происходить электролитическое разложение воды, результатом которого является выделение кислорода и водорода.

Катод является восстановителем: 2H₂O ➝ O₂ + 4H⁺ + 4e^—, а анод окислителем: 2H₂O + 2e ➝ H₂ + 2OH^—, соответственно, на катоде атомы кислорода из воды превращаются в газообразный кислород, а на аноде атомы гидрогена из воды окисляются до газообразного водорода. Как можете заметить, в процессе электролиза воды не только выделяются газы, а и высвобождаются щелочные ионы, которые помимо выделения газов способны повышать pH воды, то есть одновременно синтезировать не только водородную, но и щелочную воду.

Популярным устройством является портативный генератор водородной воды. Он представляет собой конструкцию, состоящую из стеклянной бутылки с крышкой и маленького электролизного аппарата, который состоит из катода и анода. Также, в зависимости от технологии, между ними может находиться специальная ионообменная мембрана, которая предупреждает увеличение уровня pH среды.

Министерство здравоохранения Японии разрешило использовать бытовые электролизёры для воды, также они активно обретают популярность в США.

Таблетки для получения водородной воды

Этот метод довольно прост, он предусматривает добавление в воду шипучей таблетки по аналогии с аспирином. Разница в том, что в данном случае в ходе реакции будет выделяться не углекислый газ, а водород, а емкость с водой во время реакции рекомендуется закрывать, так как растворимость водорода слишком низка.

В основе получения водородной воды в данном случае лежит реакция магния с водой.

Mg + 2H

Как видите в процессе реакции выделяется чистый водород и щелочь. Для того чтобы понизить pH растворов, в состав препарата добавляются фумаровая и яблочная кислоты, которые помимо понижения pH ускоряют растворение таблеток.

Полезна ли вода с водородом?

Все утверждения о пользе чего-либо должны быть подтверждены клиническими исследованиями. Обогащенная водородом вода начала активно изучаться в 2007 году. Первопроходцами были японские ученые, позднее присоединились исследователи из США. Что же мы имеем сегодня? Для вас мы немного рассмотрели, что говорят ученые о водородной воде. Сразу отметим, что большинство исследований производились на лабораторных животных. Изучение свойств водородной воды на людях предусматривают сравнение показателей у двух групп: принимающей плацебо и изучаемое вещество. В случае с водородной водой количество проведенных исследований пока не так уж велико, и группы участников испытаний довольно маленькие (18 — 50 человек), поэтому говорить о том, что и как лечить водородной водой, пока рано.

Исследователи объясняют принцип работы водородной воды тем, что водород способен восстанавливать свободные радикалы, которые образуются при потере электронов кислородом, участвующим в биохимических процессах.

Самое большое внимание ученых привлекли свойства водородной воды по отношению к заболеваниям, вызванным нарушением обмена веществ. Изучение изменения уровня липидов/липопротеинов, глюкозы, инсулина в восьми недельном исследовании японских ученых (2008) показало, что у людей, которые пили ежедневно по 900 мл водородной воды, некоторые параметры крови были изменены. Например, был несколько (не более 1,5%) снижен уровень липопротеидов и триглицеридов, глюкозы, жирных кислот, но ощутимо (6%) повышен уровень инсулина. Это исследование однозначно говорит о том, что водород в воде имеет влияние на человека.

Более новое исследование (2019) с группой в 50 человек дало более детальный результат: такая вода способна несколько изменять показатели только у людей с изначально худшими показателями.

Еще одним фактом является увеличение выносливости испытуемых спортсменов и снижение выделения молочной кислоты при физических нагрузках.

Также проводились эксперименты, которые касаются метаболического синдрома (гипертония, ожирение, повышенный уровень холестерина, повышение уровня сахара в крови). В данном случае также было подтверждено, что водородная вода способна несколько улучшать показатели крови.

Существуют небольшие исследования, которые рассматривают роль такой воды при лечении болезни Паркинсона, в гемодиализе, уменьшении симптомов волновой терапии при онкологических заболеваниях, разных видах гепатита и стоматологических заболеваниях.

Как видите, согласно приведенных исследований, польза водородной воды для человека действительно существует, чего не скажешь о множестве других типов воды.

В завершение можем сказать, что, пожалуй, это практически первый случай, когда модный водный тренд получил подтверждение в научной литературе. Обычно о загадочных методах оживления питьевой воды там либо не пишут, либо отрицают малейшую вероятность их эффективности.

обещает ли водородный поезд революцию в энергетике :: Мнение :: РБК

Неудивительно, что наука ищет источники энергии, совсем не завязанные на углеводородах — ни ископаемых, ни возобновляемых. Основные направления этих поисков хорошо известны: использование энергии атома, Солнца, ветра и разные типы гидроэнергии — реки, приливы и отливы. Однако все эти источники энергии сложно взять с собой на поезд или автомобиль. Энергию нужно или передавать по проводам, что влечет ее потери, или хранить — для этого нужны очень мощные аккумуляторы, возможности которых тоже ограничены. Поэтому для работы двигателей требуется что-то другое. Образно говоря, то, что можно залить в бак и сжечь.

Водородный запас

Читайте на РБК Pro

Собственно, так возникла идея сжигать водород. Молекула H₂ «запасает» энергию связи между двумя атомами водорода, она рвется при окислении, а в результате получается только вода — в жидком виде или в виде пара. Выглядит идеально, но нужно понять, откуда брать водород и как его хранить для использования в виде топлива.

Водорода в чистом виде на Земле очень мало — 0,00005% по объему в сухом воздухе. Значит, его нужно производить, а на это тоже потребуется энергия (впрочем, энергия расходуется и на крекинг нефти). Есть два основных варианта производства водорода: из воды под действием электрического тока в ходе процесса электролиза (так она разлагается на водород и кислород) и из все тех же углеводородов. Второе можно рассматривать, конечно, только как временное решение — оно воспроизводит, хотя и в меньшем масштабе, проблему зависимости от ископаемого топлива и угрозу для климата. Значит, вода?

Проводить электролиз можно там, где есть источник энергии — АЭС, например, если мы не берем станции, работающие на нефти и газе. Ну, а вода есть более или менее везде. Но зачем тратить энергию на электролиз, когда можно просто пустить ее в двигатель? Дело в том, что водород позволяет решать описанную выше проблему сложности хранения и транспортировки энергии. Возвращаясь к Нижней Саксонии — как раз проблему запасания энергии пытаются решить немецкие транспортники. Железнодорожная сеть Германии очень развита: по общей длине дорог она всего вдвое уступает России и занимает в мире шестое место по длине. Однако 40% линий не электрифицированы, там сейчас используются дизели. Аккумуляторы для таких расстояний пока слишком маломощны. Электрификация — дорогая инфраструктура. Поэтому ставка на водородное топливо выглядит вполне естественной.

Необходимые условия

Однако водород не так просто хранить. О рисках взрыва при скоплениях газообразного водорода известно со времен катастрофы «Гинденбурга», да и занимает он неадекватно большой объем. Поэтому об использовании его в такой форме речь, конечно, не идет. На помощь приходит химия — хранение водорода в виде таких соединений, как боргидрид натрия, компактно и безопасно, а вещества-носители — натрий с бором — могут быть использованы повторно. Плюс к этому сами водородные двигатели работают не в точности как двигатели внутреннего сгорания, а с помощью так называемых топливных элементов. Вместо обычного горения (взаимодействия с кислородом) реакция происходит электрохимически — это немного похоже на процесс зарядки-разрядки батареек. Это позволяет вести ее более эффективно и контролируемо.

Водородное топливо само по себе не является панацеей, решением всех проблем. Это не источник энергии, а один из способов ее более эффективного и безопасного для окружающей среды использования. Он может быть экономически обоснован, но для этого необходима продуманная система производства и распределения энергии из возобновляемых источников. Ее можно создать, если государственные и надгосударственные образования (такие как ЕС) возьмут на себя затраты на необходимую инфраструктуру, а также меры, стимулирующие частный сектор к ее эффективному использованию. Сейчас этой системы нет, но черты ее уже просматриваются на улицах — в тех же зарядках для электромобилей и первом поезде на водородном топливе. Ничего принципиально нового в этой задаче нет. Если задуматься, то массовое использование современных автомобилей стало экономически обоснованным только потому, что в свое время были построены сети заправок и автомобильных дорог.

Ученые ТПУ разрабатывают электролизер для водородной энергетики

ТОМСК, 10 дек – РИА Томск. Исследователи лаборатории импульсно-пучковых, электроразрядных и плазменных технологий Томского политехнического университета (ТПУ) разрабатывают промышленную установку (электролизер) для получения водорода на АЭС; запуск ее в серийное производство позволит вывести экологически чистую водородную энергетику на новый уровень. Подробности – в материале РИА Томск.

Ранее сообщалось, что водородная энергетика – одно из ведущих направлений по разработке экологически чистых способов получения энергии. Рамочная конвенция ООН, подписанная Россией в 2015 году, предполагает кратное сокращение выбросов углерода при производстве электроэнергии в ближайшее десятилетие. Основными «поставщиками» углекислоты в атмосферу являются объекты традиционной энергетики (ГРЭС и ТЭЦ).

По данным открытых источников, будучи самым распространенным элементом на Земле и в космосе, водород, тем не менее, остается почти невостребованным. Если в 2018 году в мире было добыто 4,4 миллиарда тонн нефти и 3,86 триллиона кубометров природного газа (метана), то объем производства водорода не превышает 70 миллионов тонн, то есть объем его выработки в 6285 раз меньше, чем нефти, и в 5514 раз меньше, чем газа.

Для масштабного перехода к получению энергии от сжигания водорода необходимо разработать технологии его производства, сопоставимые по объемам выпуска с традиционными источниками углеводородов. Однако самый дешевый способ его производства – паровой риформинг (каталитическая конверсия углеводородов – метана, пропан-бутана, бензина, керосина, дизтоплива, угля – в присутствии водяного пара) в ходе реакции создает огромные объемы СО2.

Альтернатива пиролизу

Альтернативным методом получения водорода в промышленных масштабах (а именно такие нужны для запуска водородных электростанций) является электролиз.

Электролиз – это процесс разложения воды под действием постоянного электрического тока на кислород и водород. Химическая реакция идет по схеме: 2Н2O + энергия —> 2h3+O2. Его преимущества: доступное сырье – деминерализованная вода и электроэнергия; отсутствие загрязняющих выбросов; процесс автоматизирован; на выходе получается достаточно чистый (99,99%) продукт. Главный недостаток – получение водорода дороже, чем при риформинге, в 1,5–3 раза.

В такой системе координат в выигрыше оказываются производители электроэнергии высокой мощности, которые могут «вложить» ее в производство высоколиквидного «зеленого» топлива. В России это главным образом атомщики, рассказал РИА Томск главный специалист лаборатории импульсно-пучковых, электроразрядных и плазменных технологий ТПУ Виктор Дмитриенко.

Промышленные установки для получения водорода методом электролиза известны более 60 лет, поясняет ученый. В основном это электролизеры фильтр-прессного типа, которые на выходе позволяют получать водород и кислород.

Широкое распространение они получили в традиционной углеводородной энергетике – их устанавливают на ГРЭС и ТЭЦ, где водород используют для охлаждения турбинных подшипников, неизбежно раскаляющихся от трения. Еще один способ их использования – электролиз цветных металлов из измельченной руды. К примеру, золота. Но для выработки водорода как товарного продукта они не подходят.

«Наша цель – разработать электролизер, который бы обладал улучшенными характеристиками по сравнению с существующими. Соответственно, электролизер фильтр-прессного типа нам не подходит. Мы взяли за основу конструкцию мембранного типа, в которой катодное и анодное пространство разделены ионообменной мембраной», – рассказывает Дмитриенко.

Мембрана особого назначения

Казалось бы, электролиз – доступный и давно известный способ получения водорода из воды. Однако, если применять «школьную» конструкцию электролизера, вместо СО2 неизбежно будет вырабатываться не менее опасный побочный продукт – хлор (CI2), который появляется на аноде.

Большинство имеющихся на рынке мембранных электролизеров разделяют катодную и анодную камеры, в которых происходит электролитическая диссоциация (химическая реакция, вызванная электрическим напряжением в жидком растворе), прокладкой из асбеста. Мембрана, которую используют томские политехники, сложнее.

«На нашей установке, в ходе электролиза, мы будем получать три продукта – водород, чистый медицинский кислород и 40%-ный раствор щелочи (КОН  или NaОH). Все три составляющих – это товарные продукты. Но главная наша задача – разработать экономически выгодный электролизер для производства водорода в промышленных масштабах», – подчеркивает Дмитриенко.

От бумаги до железа

В настоящий момент исследователи ведут переговоры с Росатомом для включения своих исследований в программу водородной энергетики, запущенную в госкорпорации.

«У нас есть опыт работы с мембранными электролизерами. Мы уже выполняли работы по заказу «Трансгаза», там наш мембранный электролизер работал над изменением рН-среды. Есть опыт разработки и изготовления различных электролизеров с катионо- и анионообменными мембранами для осаждения золота из продуктивных растворов», – рассказывает Дмитриенко.

Промышленный мембранный электролизер для осаждения золота. Разработка ТПУ

За свою историю сотрудники лаборатории импульсно-пучковых, электроразрядных и плазменных технологий ТПУ изготовили порядка 20 установок для электролиза. Для нужд «Алданзолото ГРК» политехники изготовили электролизер с анионообменными мембранами, для Дальневосточного федерального университета – опытно-промышленную установку осаждения металлов с катионо- и анионообменными мембранами, а для ООО «Гелиос» – pH-корректор с биполярными мембранами.

Опытной установки для производства водорода, «заточенной» под потребности Росатома, «в железе» пока нет, признает Дмитриенко.

Не в одиночку

Ранее также сообщалось, что в ноябре 2020 года ТПУ вошел в состав консорциума по развитию водородных технологий, который получил название «Технологическая водородная долина». Помимо ТПУ в консорциум вошли Институт катализа СО РАН, Институт проблем химической физики РАН, Институт нефтехимического синтеза РАН, Самарский государственный технический университет и Сахалинский государственный университет.

Участники консорциума будут вести совместные разработки технологий по всей «водородной цепочке»: от получения до использования водорода. Консорциум планирует тесное сотрудничество с крупнейшими компаниями РФ, заинтересованными в развитии водородной энергетики.

Эксперты рассказали о перспективах водородной энергетики в России

Россия может стать лидером по производству «зеленого» водорода, считает генеральный директор Международного солнечного альянса Аджай Матур. В южных регионах страны есть большой ресурсный потенциал для этого, считает эксперт. «Газета.Ru» разбиралась, сможет ли Россия занять место в новой энергетической нише.

Южная часть России имеет огромный потенциал для производства солнечной энергии и «зеленого» водорода, который образуется путем электролиза воды, заявил «РИА Новости» генеральный директор Международного солнечного альянса (ISA) Аджай Матур.

«Эта та сфера, где Россия может стать лидером. Ваши гидроэлектростанции играют центральную роль в мировых достижениях по электролизу воды. Мы хотели бы также перенять этот опыт»,

— сказал Матур.

В России осенью была принята «дорожная карта» по развитию водородной энергетики до 2024 года — первый серьезный документ, поставивший цели развития в этой нише. Сейчас готовится проект Концепции развития водородной энергетики, и согласно ему одно из основных направлений — создание научно-технологической инфраструктуры, на базе которой будет организована разработка отечественных технологий водородной энергетики, в том числе технологий производства, транспортировки и применения водорода, пояснили «Газете.Ru» в пресс-службе Минэнерго.

«В перспективе, ресурсной базой станет как производство водорода из ископаемых видов топлива как наиболее эффективный с экономической точки зрения вариант, так и производство электролизом на базе низкоуглеродной генерации (АЭС, ГЭС, ВИЭ) при подтверждении экономической эффективности. При реализации потенциала Россия имеет возможность занять до 20–25% мирового рынка водорода к 2035 году»,

— считают в ведомстве. Ранее в апреле на заседании итоговой комиссии в Минэнерго замминистра Павел Сорокин озвучивал менее амбициозные планы — занять в 20% от мирового рынка торговли водородом, в пессимистичном сценарии к 2030 году — от 1 до 2 млн тонн, и до 7 млн тонн — в оптимистичном.

Как рассказали в Greenpeace со ссылкой на оценку Международного агентства по возобновляемой энергетике, самый оптимистичный сценарий развития отрасли — рост мирового рынка водорода до 470 млн тонн в год (рынок нефтепродуктов сегодня составляет700 млн тонн в год, но водород при этом в 2-3 раза более энергоемкий). Сегодня Водородный совет (5 крупных автоконцернов) оценивает рынок водорода в 164 млн тонн в год.

Как считают эксперты, водород может стать одним из драйверов зеленой энергетики, хотя как такового мирового рынка пока нет: страны в основном производят его для нужд собственной промышленности и пока только начинают эксперименты по экспорту. Например, Япония начала ввоз «серого» водорода из Австралии и готова покупать этот энергоноситель и у России, считают они.

Также одним из крупных потенциальных импортеров водорода является Евросоюз, который поставил в планах по «Зеленой сделке» (The European Green Deal) достижение углеродной нейтральности к 2050 году, т.е. главным образом переход на возобновляемые источники энергии (ВИЭ). Для этого потребуется, в том числе, водород. Согласно целям программы, доля водородного топлива в энергобалансе ЕС вырастет с текущих менее 2 % до 13–14 % к 2050 году. Как пояснил «Газете.Ru» ведущий эксперт Фонда национальной энергетической безопасности Игорь Юшков, одна из сложностей перехода на ВИЭ — проблемы хранения энергии.

«Ночью ветряк крутится, а потребление низкое — и лишнюю энергию будут использовать для получения водорода методом электролиза, а когда нужно больше энергии (и текущей выработки не хватает), водород обратно переводят в энергию. Европейцы признают, что собственного водорода им не хватит и они будут его импортировать, но никаких параметров у этого будущего рынка пока нет», — говорит Игорь Юшков.

Пока нет каких-то ценовых параметров, «невозможно принять инвестрешение и построить завод на одних обещаниях», подчеркивает эксперт.

Тем не менее, сейчас самое время для поиска самых эффективных технологических решений по получению, транспортировке и применению водорода, считает директор по операционной работе кластера энергоэффективных технологий фонда «Сколково» Олег Перцовский. По его словам, водород может произвести революцию в зеленой энергетике.

«Эта отрасль затрагивает и транспорт, и энергетику, и металлургию, и химию, нефтехимию — не только в плане потребления водорода, но и заказа на материалы и оборудование, которые нужно будет производить. Поскольку все сейчас только присматриваются к ней, у России есть хороший шанс войти в эту новую нишу»,

— говорит Олег Перцовский.

Однако что касается экспорта, то многое будет зависеть от метода получения водорода, и для зарубежных потребителей бесцветный газ будет неизбежно окрашен в разные цвета, говорит эксперт «Сколково».

«Серый» — «ископаемый» водород, получают из метана или угля, это самый технологически «грязный» водород, при производстве которого происходят значительные выбросы парниковых газов. «Голубой» водород также получают из природного газа, но либо с технологией улавливания и последующего использования или захоронения углекислого газа, или с технологией, при которой углекислый газ не выделяется вовсе (пиролиз, пока реализовано только в лабораториях). Именно эти методы сейчас в фокусе внимания «Газпрома», который считает, что «особый интерес представляет возможность производства водорода на территории Дальнего Востока методом парового риформинга с обеспечением улавливания и захоронения диоксида углерода» с последующим экспортом Н2 в страны-­потребители (Япония, Южная Корея, Китай)».

«Если учесть, что водород будет заменять в том числе газовую индустрию, у России высвобождаются объемы газа, чтобы производить водород. Поэтому наиболее очевидный вариант для России — производить голубой и серый водород»,

— рассуждает Игорь Юшков.

Еще два цвета — желтый и оранжевый — это водород, добытый из воды при помощи электричества, взятого из общих сетей или выработанного на атомных электростанциях. Этот водород оставляет «низкий углеродный след».

«Атомная энергетика в связи с климатическими историями переживает третье-четвертое рождение, и в этой отрасли предполагается ренессанс, т.к. климатологи считают, что АЭС безуглеродные, не производят выбросов парниковых газов, а значит, их возьмут в светлое климатическое будущее. В России очень много АЭС, их тоже можно использовать, весь вопрос в параметрах рынка и расчетах, как более выгодно производить водород», — говорит Игорь Юшков.

Но в ЕС подчеркивают, что после переходного периода в 10 лет собираются покупать «зеленый» водород, добытый из воды электроэнергией, полученной от возобновляемых источников (энергия ветра, солнца, волн). На сегодня это самый дорогостоящий метод добычи водорода, говорят эксперты. Но все может измениться уже в течение ближайших 10 лет благодаря совершенствованию технологий.

«Сейчас уж очень большая разница между стоимостью получения водорода разными способами — «зеленый» дороже раза в три. Т.е. $1-3 за кг водорода — это «серый» водород, «голубой» стоит от $1,5 до $4, а «зеленый» — в 3 раза дороже, $5-9. Есть тенденция к удешевлению зеленого водорода. Потому что и ВИЭ дешевеет, за 10 лет стоимость кВт⋅ч упала в 10 раз, плюс совершенствуется оборудование для электролиза. Постепенно, к 2040-2050 гг. они станут одинаковыми по цене»,

— считает Олег Перцовский из «Сколково».

В Greenpeace заявляют, что неверно сосредотачиваться на самом выгодном на сегодня способе добычи водорода и имеет смысл развивать самые климатически нейтральные методы.

«Здесь нужно смотреть на то, что называется «кривая обучения» — learning curve — каков коэффициент снижения себестоимости при каждом удвоении производства какой-то технологией. Сегодня этот коэффициент такой, что он позволяет говорить о том, что зеленый водород выйдет в паритет с нефтепродуктами примерно через 5-10 лет», — прокомментировал «Газете.Ru» проектный директор Greenpeace в России Владимир Чупров.

Однако помимо технологических сложностей с получением водорода остро стоит вопрос его транспортировки. Это возможно в виде сжиженного газа, но сложно и дорого: водород меняет агрегатное состояние при -253° С (для сравнения СПГ: –161,5 °C). В сжатом виде возможна перевозка в баллонах, но и это невыгодно при крупных поставках. Остаются технологии обратимого связывания (водород транспортируют в различных жидких и твердых органических и неорганических соединениях) — или транспортировка метано-­водородной смеси по существующей системе газопроводов, что несет риски технического, юридического и регуляторного характера, отмечают в «Газпроме».

Как поясняет Олег Перцовский из «Сколково», водород очень летуч и есть риск утечек, кроме того, он может сильно повредить трубопровод изнутри (водородное охрупчивание стали), и если новые магистральные трубопроводы теоретически могут выдержать такое наполнение, то старые европейские подводящие пути — скорее нет. В Минэнерго отмечают, что вопрос такой транспортировки надо сначала детально изучить.

«Что касается транспортировки водорода по газопроводам, то данная возможность требует детального изучения как с технической стороны в силу ряда специфических свойств водорода, так и с учетом необходимости проработки экономической целесообразности такой транспортировки»,

— отметили в пресс-службе министерства.

Поэтому нашим поставщикам природного газа будет выгодно оказывать услуги «водородного сервиса»: транспортировать метан в Европу, на месте производить из него водород и отдавать его покупателю, поясняет Олег Перцовский. Но он же отмечает высокие стратегические риски в случае, если эта технология станет основной.

«Что касается паровой конверсии метана, то тут у меня очень серьезные сомнения, что на этой истории имеет смысл делать упор, потому что есть большая вероятность, что потребитель не захочет покупать такой водород. Например, если введут большой углеродный налог, то «грязный» водород вообще невыгодно будет производить независимо от себестоимости производства, и потому похоже, что акцент надо делать на чистый водород»,

— считает эксперт.

В Greenpeace придерживаются схожего мнения. У России есть все ресурсы для выработки «чистого» водорода с помощью ГЭС, АЭС и возобновляемой энергетики, и именно эти технологии ведут в климатически нейтральное будущее.

«Вот у нас есть газ и АЭС, вот пусть водород будет на них и будет только серый/голубой/желтый — это архи-неправильный подход, это нестратегический подход. Сегодня власти исторически не хотят реализовывать зеленый водород на электролизерах. Это стратегическая ошибка. Ружья кирпичами скоро чистить не будут», — заключает Владимир Чупров из Greenpeace.

Микропористые электроды позволят получать водород из морской воды в промышленных масштабах. Электроды новой конструкции позволят увеличить объемы производства экологичного топлива будущего — Наука

Многие ученые и инженеры считают водород перспективным топливом, поскольку в нем уникальным образом сочетаются два качества: он горит с образованием водяного пара, при этом не образуются ни угарный, ни углекислый газы, а кроме того, его теоретически можно получать из воды, отказавшись от добычи ископаемого сырья.

Выделить водород из подсоленной воды можно при помощи достаточно простых средств: батарейки, двух кусков провода и любых электродов, на роль которых сгодятся даже обрывки конфетного фантика. Электролиз демонстрируют на уроках химии в школе, так что идея «поставить на берегу тропических морей солнечные батареи и запустить от них электролизеры» кажется очевидной. Но в промышленных масштабах электролиз для выделения водорода, тем более из соленой воды, не используют.

Почти половину всего используемого на Земле водорода сейчас получают из метана. Еще примерно треть добывают из нефти, в одной шестой части случаев сырьем служит каменный уголь, и лишь считанные проценты остаются для электролитического разложения воды. Причем вода, как отмечают авторы нового исследования, должна быть пресной, пригодной для питья и бытовых нужд. Тратить такое ценное сырье на топливо в ряде регионов откровенно нерационально.

Соленая вода не годится для промышленного электролиза потому, что она быстро выводит из строя электроды. Авторы новой публикации в Proceedings of the National Academy of Sciences указывают, что при первых экспериментах их электроды рассыпались в труху через 12 часов работы. Но потом они смогли найти конструкцию, которая может продержаться уже более тысячи часов, то есть больше месяца непрерывной работы.

Кроме того, ученые существенно увеличили плотность тока, который может выдерживать установка. Чем больше ток на единицу площади (то есть чем больше плотность тока), тем больше выделяется водорода и тем эффективнее процесс с экономической точки зрения. Вместо громоздких установок можно использовать компактный и при том производительный аппарат.

Достигнутое значение в один ампер на квадратный сантиметр позволяет выйти на промышленный уровень в самом ближайшем будущем: послав свою статью в журнал, авторы уже приступили к созданию опытной установки с питанием от солнечных панелей на берегу залива Сан-Франциско.

Секрет электродов, которые устойчивы к коррозии в ходе электролитического разложения воды, кроется в их структуре. Используя вполне традиционный никель без каких-либо редких элементов, ученые сформировали на его поверхности губчатый слой, затем обработали его серой (никель при этом покрылся слоем сульфида никеля), а потом нанесли покрытие из сплава никеля с железом.

Процесс получения электродов и их микрофотографии. Yun Kuang et al. / PNAS

Испытания показали, что такая слоистая структура с микроскопическими порами внутри выдерживает воздействие агрессивных ионов хлора на протяжении тысячи часов и способна пропускать достаточно высокие токи.

Сформировавшие поры никелевые перемычки в толщину составляют десятки микрометров, а никель-железный слой уже упорядочен на масштабе в сотни нанометров и потому с полным правом может быть назван нанотехнологическим продуктом. На упорядоченные микро- и нанообъекты из российских лабораторий можно полюбоваться в нашей галерее.

Неприхотливые электролизеры, морская вода и солнечные батареи позволят земной энергетике гораздо быстрее перейти на водород. У него есть ряд недостатков (например, его нужно очень сильно сжать для того, чтобы приблизиться по объемной плотности энергии к классическому бензину), на его получение из воды требуется тратить больше энергии, чем получится при сжигании, но в свете глобального потепления и ограниченности глобальных запасов пригодной для извлечения нефти эти недостатки не так уж принципиальны. Солнечного света на Земле довольно много, а вода оказывается в данном случае возобновляемым ресурсом: сжигание водорода даст снова водяной пар.

 Алексей Тимошенко

Автозаправка сможет получать топливо из воздуха

Российские ученые сделали и уже подключили к автозаправке первый отечественный электролизный генератор газа, способный производить водород с чистотой 99,999%. Это делает заправку автономной – топливо она получит из воды.

Водородный электролизер – устройство, способное разделять компоненты жидкости при помощи электрического тока, – разработан компанией «Поликом» на базе Центра компетенций Национальной технологической инициативы (НТИ) «Новые и мобильные источники энергии». С его использованием заправка становится независима от внешних поставок газа. По сравнению с обычной бензиновой заправка, для которой водород поставляется в баллонах, в 5–6 раз дороже в эксплуатации. Электролизер эту диспропорцию выравнивает. Прибор использует электричество и воду – эти ресурсы, даже с учетом системы водоподготовки, есть на любой заправке, говорит генеральный директор «Поликома» Евгений Волков.

Внедрение водородного топлива в России делает самые первые шаги – в стране практически нет водородного транспорта, поэтому нет и инфраструктуры для его заправки. В регулярном режиме в России сейчас эксплуатируется только один-единственный автомобиль на водородных топливных элементах – Toyota Mirai. Но это только начало. Год назад правительство России приняло решение разработать программу развития национальной водородной энергетики. Это ключевой фактор глобальной энергетической трансформации, позволяющий снизить парниковые выбросы. Чтобы к 2050 г. понизить температуру окружающего воздуха на 2 градуса, нужно перевести на водородное топливо 400 млн частных автомобилей, 15–20 млн грузовиков и 5 млн единиц общественного транспорта, показал отчет аналитического центра Hydrogen Council. Данные легли в основу программы Центра компетенций НТИ «Водородная Россия – 2050». Один из этапов программы – создание водородной трассы Москва – Казань со всей необходимой инфраструктурой. А также постепенное внедрение в России водородных автомобилей.

В ноябре 2020 г. компания «Эвокарго» объявила о выпуске беспилотного грузовика EVO-1. Он полностью основан на российских разработках, оснащен гибридной системой питания от электрических батарей и водородных топливных элементов, говорилось в официальном сообщении компании. В перспективе грузовики «Эвокарго» смогут пользоваться водородными заправками «Поликома», отметили в офисе НТИ. Понятно, что водородные заправки будут востребованы, когда будут реализованы масштабные транспортные проекты на водороде – пассажирские перевозки, грузовой и коммунальный транспорт.

Человечество более 50 лет ищет альтернативу традиционным моторам, и одна из возможных замен – двигатели, работающие на водороде. При сгорании водорода не образуется токсичных выбросов, он совершенно экологически безопасен, рассказывает генеральный директор «Донэнерго», эксперт в области энергетики и электротранспорта Сергей Сизиков. Минусы водорода – его стоимость и взрывоопасность, а также то, что для его добычи нужен целый производственный комплекс и не в каждом регионе он есть. Водородный транспорт существует пока в виде проектов – в основном ими занимаются крупные автомобильные компании, которые вместе с учеными разрабатывают соответствующие концепты. Из-за взрывоопасности технология не получила распространения в повседневной жизни – мировые производители в качестве основного вектора выбрали электротранспорт, эта технология уже используется людьми и на данный момент электрические гибриды существенно перспективнее водородных, заключает Сизиков. Так что на данный момент водородная технология является скорее научной, чем практической.

Исследователи IIT разработали экономичный метод извлечения водорода из воды

Электрическое поле, приложенное через оксид кобальта к молекулам воды, привело к электролизу воды; магнитное поле, созданное с помощью магнитного фронта, ускорило процесс

Водородный газ является экологически чистым топливом: при сгорании в присутствии кислорода образуется вода. При том же весе водород может обеспечить почти в три раза больше энергии, чем бензин.

Однако количество водорода, доступного из атмосферы Земли, невелико. Более широко доступное соединение, вода, может быть источником производства водорода.

Но химическая реакция, требующая производства водорода из воды, требует внешнего источника энергии. Чтобы сделать водород альтернативным источником топлива, необходимо свести к минимуму затраты энергии на его производство при максимальном увеличении количества энергии, извлекаемой при сжигании водорода.

Исследователи из Индийского технологического института Бомбея (IIT Bombay) в недавнем исследовании использовали новый катализатор для извлечения водорода из воды.Исследователи продемонстрировали, как намагниченный катализатор может ускорить производство водорода, снизив при этом затраты на энергию.

Они показали, что выбранный ими катализатор увеличил скорость производства водорода и уменьшил энергию, необходимую для этого, по сравнению с предыдущими исследованиями.

Чтобы извлечь водород из воды, исследователи вставляют в воду два электрода и пропускают ток, который может отделить водород от воды. Процесс называется электролизом воды. Более ранние исследования показали, что такие металлы, как платина, родий и иридий, ускоряют электролиз.

«Хотя эти металлы работают хорошо, промышленные системы не предпочитают их из-за их дороговизны», — сказал Чандрамули Субраманиам, профессор ИИТ Бомбея и автор исследования.

В исследовании использовалось соединение, состоящее из кобальта и кислорода, для достижения той же цели при гораздо меньшей стоимости. В то время как ранее исследователи сосредоточились на разработке новых катализаторов электролиза воды, авторы настоящего исследования сосредоточились на альтернативном подходе.

Для повышения энергоэффективности исследователи обратились к менее дорогостоящему металлическому кобальту, уже известному своей способностью ускорять электролиз.Они украсили углеродные нанофлореты, наноуглеродные структуры, расположенные в виде цветка календулы, частицами оксида кобальта и поместили эти нанофлореты в воду.

Электрическое поле, приложенное через оксид кобальта к молекулам воды, привело к электролизу воды. Хотя оксид кобальта является хорошо известным электрохимическим катализатором, он требует большого количества энергии и производит водород с низкой скоростью.

Исследователи полагались не только на электрическое поле для увеличения скорости электролиза.Магнитные поля, связанные с электрическими полями, могут играть решающую роль в этих реакциях. Исследователи показали, что если они поднесут к своей установке небольшой магнит на холодильник, скорость реакции увеличится примерно в три раза.

Даже после удаления внешнего магнита реакция все еще происходила примерно в три раза быстрее, чем в отсутствие магнитного поля. «Это связано с тем, что катализатор, который мы разработали, может поддерживать намагничивание в течение длительных периодов времени, ключевым моментом является создание синергетической границы раздела углерод-оксид металла», — поясняет Джайета Саха, соавтор исследования.

«Однократного воздействия магнитного поля достаточно для достижения высокой скорости производства водорода более 45 минут», — добавила она.

Доступные магниты для дома легко интегрировать в существующие конструкции по невысокой цене. «Мы можем напрямую внедрить модифицированную установку в существующие электролизеры без каких-либо изменений в конструкции или режиме работы электролизеров», — сказал Ранадеб Болл, другой автор исследования.

«Периодическое использование внешнего магнитного поля открывает новое направление для достижения энергоэффективного производства водорода.Для этой цели также могут быть исследованы другие катализаторы », — сказал Субраманиам.

Если водород произведен в больших количествах, его можно упаковать в цилиндры и использовать в качестве топлива.

Исследование было поддержано Советом по научным и инженерным исследованиям (SERB), Департаментом науки и технологий (DST), Советом по научным и промышленным исследованиям (CSIR) и Центром промышленных исследований и консультирования, IIT Bombay. Он был опубликован в журнале ACS Sustainable Chemistry & Engineering . (India Science Wire)

Мы голос для вас; вы были для нас поддержкой. Вместе мы создаем независимую, надежную и бесстрашную журналистику. Вы также можете помочь нам, сделав пожертвование. Это будет иметь большое значение для нашей способности знакомить вас с новостями, перспективами и анализом с места, чтобы мы могли вместе внести изменения.

с солнечной энергии на водородный водоразделитель превосходит ближайшие лучшие технологии на 14x

Сегодня, все еще работая в Google, мы сохраняем надежду.И мы счастливы сказать, что мы сделали несколько ошибок. В частности, возобновляемые источники энергии падают в цене быстрее, чем мы ожидали, и их внедрение превысило прогнозы, которые мы приводили в 2014 году.

Инженеры могут расширить масштабы таких зрелых технологий, как энергия ветра [1] и солнечная энергия [2]. Другие зарождающиеся технологии требуют значительных инноваций, например, водородные самолеты [3] и электродуговые печи для производства стали [4]. Чтобы противодействовать наихудшим непосредственным последствиям изменения климата, мы Крис Филпот

В нашей предыдущей статье речь шла о «прорывных» целевых ценах ( разработан в сотрудничестве с консалтинговой фирмой McKinsey & Co.), что может привести к сокращению выбросов в США на 55% к 2050 году. С тех пор цены на ветровую и солнечную энергию достигли целевых показателей, установленных на 2020 год, а цены на батареи — даже лучше, упав до диапазона, прогнозируемого на 2050 год. — ожидаемые ценовые тенденции в сочетании с дешевым природным газом привели к сокращению потребления угля в США вдвое. Результат: к 2019 году выбросы в США упали до уровня, прогнозируемого сценарием McKinsey на 2030 год — на десять лет раньше, чем предсказывала наша модель.

И благодаря этому прогрессу в декарбонизации производства электроэнергии инженеры ищут и находят многочисленные возможности для переключения существующих систем, основанных на сжигании ископаемого топлива, на электроэнергию с низким содержанием углерода.Например, электрические тепловые насосы становятся рентабельной заменой топочного топлива, а электрические автомобили дешевеют и растут в цене.

Однако даже при всем этом прогрессе мы все еще находимся на траектории серьезного изменения климата: К 2100 году повысится на 3 ° C. Многие страны не соблюдают сокращения выбросов, которые они обещали в Парижском соглашении 2015 года. Даже если бы каждая страна выполнила свое обещание, этого было бы недостаточно, чтобы ограничить глобальное потепление до 1,5 ° C, что большинство экспертов считает необходимым, чтобы избежать экологической катастрофы.Выполнение сегодняшних обещаний потребует резкого сокращения выбросов. Если этого массового сокращения выбросов не произойдет, что, как мы думаем, вероятно, потребуются другие стратегии, чтобы удерживать температуру в определенных пределах.

Нормированная стоимость энергии описывает затраты на строительство и эксплуатацию электростанций в течение их срока службы, измеряемые в долларах США за мегаватт-час. С 2009 года стоимость солнечной фотоэлектрической (PV) и ветровой энергии быстро снизилась. Цены на емкость аккумуляторов упали еще быстрее. Источник: BloombergNEF

Вот некоторые ключевые цифры: чтобы обратить вспять изменение климата, хотя бы частично, нам нужно снизить уровень углекислого газа в атмосфере до более безопасного порогового значения. 350 частей на миллион; в День Земли 2021 эта цифра составила 417 промилле. По нашим оценкам, для достижения этой цели потребуется удалить порядка 2 000 гигатонн CO ₂ из атмосферы в течение следующего столетия. Такое полное удаление необходимо как для поглощения существующего атмосферного CO ₂ , так и для CO ₂ , который будет выделяться, когда мы переходим к углеродно-отрицательному обществу (которое удаляет из атмосферы больше углерода, чем выделяет).

Наши начальные битвы в войне с изменением климата требуют, чтобы инженеры работали над многими существующими технологиями, которые можно масштабно масштабировать. Как уже было показано на примере ветряных, солнечных батарей и батарей, такое расширение масштабов часто приводит к резкому снижению затрат. В других отраслях промышленности для сокращения выбросов требуются технологические революции. Если вы поэкспериментируете со своим собственным набором методов смягчения последствий изменения климата, используя Интерактивный климатический инструмент En-ROADS, вы увидите, сколько вариантов вам нужно максимально использовать, чтобы изменить нашу текущую траекторию и достичь уровня 350 ppm CO ₂ и глобального повышения температуры не более чем на 1.5 ° С.

Так что же делать инженеру, который хочет спасти планету? Даже когда мы работаем над переходом к обществу, основанному на безуглеродной энергии, мы должны серьезно относиться к секвестрации углерода, то есть к хранению CO. ₂ в лесах, почвах, геологических образованиях и других местах, где он будет оставаться. И в качестве временной меры в этот трудный переходный период нам также необходимо будет рассмотреть методы управления солнечным излучением — отклонение некоторого количества падающего солнечного света для уменьшения нагрева атмосферы.Эти стратегические направления потребуют реальных инноваций в ближайшие годы. Чтобы выиграть войну с изменением климата, нам также нужны новые технологии.

Мы надеемся, что необходимые технологии появятся в течение нескольких десятилетий. В конце концов, инженерам прошлого потребовались всего несколько десятилетий, чтобы спроектировать боевые машины, построить корабли, которые могли бы облететь земной шар, наладить повсеместную связь в реальном времени, ускорить вычисления более чем в триллион раз и запустить людей в космос и на Луну. 1990-е, 2000-е и 2010-е были десятилетиями, когда ветроэнергетика, солнечная энергия и сетевые батареи, соответственно, стали широко распространяться.Что касается технологий, которые определят грядущие десятилетия и позволят людям жить устойчиво и процветать на планете со стабильным климатом, то отчасти это зависит от вас. У инженеров есть над чем усердно работать. Вы готовы?

Прежде чем мы перейдем к технологическим проблемам , которые требуют вашего внимания, позвольте нам немного поговорить о политике. Климатическая политика имеет важное значение для инженерных работ по декарбонизации, поскольку она может привести к резкому падению затрат на новые энергетические технологии и переключению рынков на низкоуглеродные альтернативы.Например, к 2005 году Германия предлагала чрезвычайно щедрые долгосрочные контракты производителям солнечной энергии (примерно в пять раз дороже средней цены на электроэнергию в Соединенных Штатах). Этот гарантированный спрос дал толчок мировому рынку солнечных фотоэлектрических (PV) панелей, который с тех пор растет в геометрической прогрессии. Короче говоря, временные субсидии Германии помогли создать устойчивый глобальный рынок солнечных батарей. Люди часто недооценивают, насколько человеческая изобретательность может быть раскрыта, когда она продвигается рыночными силами.

Для достижения цели ограничения нагрева до 1,5 ° C, чистый CO 2 должны немедленно резко сократиться по сравнению с нашими текущими выбросами, как показано в строке A. Если выбросы уменьшатся еще через десять лет, как показано в строке B, тогда гораздо большее количество CO 2 нужно будет удалить. Источник: Отчет МГЭИК, «Глобальное потепление на 1,5 ° C»

Этот всплеск солнечной фотоэлектрической энергии мог произойти десятилетием раньше. К 1995 году все основные процессы были готовы: инженеры освоили технические этапы изготовления кремниевых пластин, диффузионных диодных переходов, нанесения металлических решеток на поверхности солнечных элементов, пассивирования поверхности полупроводника для добавления антиотражающего покрытия и ламинирования модулей.Единственным недостающим элементом была политика поддержки. Мы не можем позволить себе больше этих «потерянных десятилетий». Мы хотим, чтобы инженеры посмотрели на энергетические системы и спросили себя: какие технологии имеют все необходимое для масштабирования и снижения затрат, кроме политики и рынка?

Нобелевский лауреат по экономике Уильям Нордхаус в своей книге утверждает, что ценообразование на углерод играет важную роль в борьбе с изменением климата. Климат-казино (Издательство Йельского университета, 2015). Сегодня цены на углерод применяются к примерно 22 процентам глобальных выбросов углерода.Крупный углеродный рынок Европейского Союза, который в настоящее время оценивает углерод выше 50 евро за тонну (61 доллар США), является основной причиной, по которой его авиакомпании, производители стали и другие отрасли в настоящее время разрабатывают долгосрочные планы декарбонизации. Но экономист Марк Жаккар отметил, что, хотя налоги на выбросы углерода наиболее эффективны с экономической точки зрения, они часто сталкиваются с огромным политическим противодействием. Поэтому пионеры климатической политики в Канаде, Калифорнии и других странах прибегли к гибким (хотя и более сложным) нормам, которые предоставляют отраслям разнообразные возможности для достижения целей декарбонизации.

Инженеры могут оценить простоту и элегантность ценообразования на углерод, но самый простой подход не всегда обеспечивает прогресс. Хотя мы, инженеры, не занимаемся разработкой политики, нам следует оставаться в курсе и поддерживать политики, которые помогут процветать нашей отрасли.

Жесткие задачи обезуглероживания изобилие для амбициозных инженеров. Их слишком много, чтобы перечислить в этой статье, поэтому мы выберем несколько избранных и отсылаем читателя к Project Drawdown, организации, которая оценивает влияние усилий по борьбе с изменением климата, для получения более полного списка.

Рассмотрим авиаперелеты. Это составляет 2,5 процента мировых выбросов углерода, и декарбонизация — достойная цель. Но вы не можете просто уловить выхлопные газы самолетов и закачать их под землю, да и инженеры вряд ли в ближайшее время разработают батарею с плотностью энергии реактивного топлива. Итак, есть два варианта: либо вытащить CO ₂ непосредственно из воздуха в количествах, которые компенсируют выбросы самолетов, а затем спрятать его где-нибудь, либо переключиться на самолеты, которые работают на безуглеродном топливе, таком как биотопливо.

Инженеры упорно трудились, чтобы освоить шаги, необходимые для создания солнечных фотоэлектрических систем, но затем они потеряли десятилетие, ожидая поддержки политики, которая снизила цены, чтобы создать рынок. Мы не можем позволить себе больше потерянных десятилетий.

Одна интересная возможность — использовать водород в качестве авиационного топлива. Airbus в настоящее время работает над дизайном самолета с водородным двигателем, который, по ее словам, будет коммерчески использоваться в 2035 году. Большая часть сегодняшнего водорода явно вредна для климата, поскольку он производится из ископаемого метана в процессе, который выделяет CO ₂ .Но производство чистого водорода — горячая тема для исследований, и 200-летний метод электролиза воды, в котором H ₂ O расщепляется на кислород и водород, приобретает новый вид. Если низкоуглеродное электричество используется для электролиза, полученный чистый водород можно использовать для производства химикатов, материалов и синтетического топлива.

Политика, особенно в Европе, Япония и Австралия продвигают вперед исследования водорода. Например, Евросоюз опубликовал амбициозную стратегию в отношении 80 гигаватт мощностей в Европе и соседних странах к 2030 году.Инженеры могут помочь снизить цены; первая цель — достичь 2 долларов за килограмм (по сравнению с примерно 3 долларами до 6,50 долларов за килограмм сейчас), после чего чистый водород будет дешевле, чем сочетание природного газа с улавливанием и секвестрацией углерода.

Безопасный для климата водород также может привести к еще одному великому достижению: обезуглероживанию производства металлов. Каменный век уступил место железному веку только тогда, когда люди выяснили, как использовать энергию для удаления кислорода из металлических руд, встречающихся в природе.В Европе вырубили леса отчасти для того, чтобы предоставить древесный уголь для сжигания в тиглях, где мастера по металлу нагревали железную руду, поэтому это считалось экологической победой, когда они перешли с древесного угля на уголь в 18 веке. Сегодня, благодаря углеродному рынку Европейского Союза, инженеры пилотирование новых захватывающих методов удаления кислорода из металлической руды с использованием водородных и электродуговых печей.

Предстоит еще проделать большую работу по обезуглероживанию производства электроэнергии и производству чистого топлива.Во всем мире люди используют примерно один зеттаджоуль в год — это 10 ²¹ джоулей в год. Удовлетворение этого спроса без дальнейшего содействия изменению климата означает, что нам придется резко ускорить внедрение источников энергии с нулевым выбросом углерода. Для обеспечения 1 ZJ в год только солнечными батареями, например, потребуется покрыть панелями примерно 1,6% площади суши в мире. Выполнение этого с помощью одной только ядерной энергии потребовало бы строительства трех 1-гигаваттных станций каждый день в период с настоящего момента до 2050 года.Ясно, что нам нужен ряд экономичных и экологически безопасных вариантов, особенно в свете значительных региональных различий в ресурсах.

Пока мы рассматриваем эти варианты, нам также необходимо убедиться, что эти источники энергии стабильны и надежны. Критически важные инфраструктуры, такие как больницы, центры обработки данных, аэропорты, поезда и очистные сооружения, нуждаются в круглосуточном электроснабжении. (Google, например, настойчиво стремится к безуглеродной энергии в режиме 24/7 для своих дата-центры к 2030 году.) Большинство крупных промышленных процессов, таких как производство стекла, удобрений, водорода, синтезированного топлива и цемента, в настоящее время рентабельны только тогда, когда заводы работают почти непрерывно и часто требуют высокотемпературного технологического тепла.

Чтобы обеспечить стабильную безуглеродную электроэнергию и технологическое тепло, мы должны рассмотреть новые формы ядерной энергетики. в Новая политика Соединенных Штатов и Канады поддерживает передовые разработки и лицензирование ядерной энергетики. Десятки передовых компаний, занимающихся делением ядерных материалов, предлагают инженерам множество интересных задач, таких как создание отказоустойчивого топлива, которое становится менее реактивным при нагревании.Другие возможности можно найти в разработке реакторов, которые рециркулируют отработавшее топливо для уменьшения количества отходов и потребностей в горнодобывающей промышленности или разрушают долгоживущие компоненты отходов с помощью новых технологий трансмутации.

Инженерам, которых тянет к действительно сложным заданиям, стоит подумать о ядерный синтез, где проблемы включают контроль плазмы, в которой происходит термоядерный синтез, и достижение чистой выходной электрической мощности. Соревнование этого десятилетия в области передовых технологий ядерной энергетики может дать победителей, которые воодушевят инвесторов, а новый раунд политики может подтолкнуть эти технологии вниз по кривой затрат, избегая потерянного десятилетия для передовой ядерной энергетики.

Водород может сыграть решающую роль в безуглеродной энергетической системе, поскольку возобновляемые источники энергии и атомная энергия обеспечивают большую долю электроэнергии. Водород можно использовать в качестве сырья для производства синтетического топлива, которое может заменить ископаемое топливо. Водород также можно использовать непосредственно в качестве топлива или сырья для декарбонизации промышленных процессов, что требует некоторой новой распределительной и промышленной инфраструктуры. Источник: Управление энергоэффективности и возобновляемых источников энергии США

Глобальный климат сохранение — идея, которую инженеры должны полюбить, потому что она открывает новые области и возможности карьерного роста.Климат Земли имеет разомкнутый цикл более 4 миллиардов лет; нам повезло, что резко колеблющийся климат нашей планеты был необычайно стабильным на протяжении 10 000 лет, когда возникла и процветала современная цивилизация. Мы считаем, что человечество скоро начнет обматывать контур управления климатом Земли, проектируя и внедряя контролируемые изменения, которые сохранят климат.

Основная причина сохранения климата — избежать необратимых изменений климата. Таяние ледникового покрова Гренландии могло поднять уровень моря на 6 метров, иначе безудержное таяние вечной мерзлоты может привести к выбросу парниковых газов, достаточных для дополнительного глобального потепления.Ученые согласны с тем, что продолжение неконтролируемых выбросов вызовет такие переломные моменты, хотя есть неуверенность в том, когда это произойдет. Экономист Нордхаус, применяя консервативный принцип предосторожности к изменению климата, утверждает, что эта неопределенность оправдывает более ранние и более масштабные климатические меры, чем если бы были точно известны пороговые значения критической точки.

Мы верим в активное удаление углекислого газа, потому что альтернатива слишком мрачна и слишком дорога.Некоторые подходы к удалению и связыванию углекислого газа технически осуществимы и в настоящее время судят. Другие, такие как удобрение океана водорослями и планктоном, вызвали разногласия, когда их пытались предпринять в ранних экспериментах, но нам также нужно узнать больше об этом.

В Рекомендация Межправительственной группы экспертов по изменению климата об ограничении потепления на уровне 1,5 ° C требует сокращения чистых глобальных выбросов почти вдвое к 2030 году и до нуля к 2050 году, но страны не делают необходимых сокращений выбросов.(Под чистыми выбросами мы понимаем фактические выбросы CO ₂ за вычетом CO ₂ , которые мы извлекаем из воздуха и улавливаем.) По оценкам IPCC, достижение целевой пиковой температуры 1,5 ° C и, со временем, получение CO ₂ концентраций до 350 ppm на самом деле требует отрицательных выбросов более 10 Гт CO ₂ в год в течение нескольких десятилетий — и это может потребоваться до тех пор, пока в атмосфере останутся клопы, которые продолжают выделять CO ₂ .

С помощью инструмента моделирования климата En-ROADS любой может разработать сценарии решения проблемы изменения климата. В частично показанный здесь сценарий достигает целей ограничения выбросов и потепления. Это достигается за счет максимальных возможных изменений в энергоснабжении, достижений в области энергоэффективности и электрификации, а также повсеместного удаления и связывания углерода. Источник: En-ROADS

Инструмент En-ROADS, который можно использовать для моделирования воздействия стратегий смягчения последствий изменения климата, показывает, что ограничение потепления до 1.5 ° C требует максимального использования всех вариантов связывания углерода, включая биологические средства, такие как лесовосстановление, и новые технологические методы, которые еще не являются рентабельными.

Нам нужно изолировать CO ₂ , частично для компенсации деятельности, которая не может быть обезуглерожена. Цемент, например, имеет самый большой углеродный след из всех искусственных материалов, создавая около 8 процентов глобальных выбросов. Цемент производится путем нагревания известняка (в основном кальцита, или CaCO ₃ ) для получения извести (CaO).При производстве 1 тонны цементной извести выделяется около 1 тонны CO ₂ . Если бы все выбросы CO ₂ от производства цемента улавливались и закачивались под землей по цене 80 долларов за тонну, по нашим оценкам, 50-фунтовый мешок (около 23 кг) бетонной смеси, одним из компонентов которой является цемент, будет стоить примерно на 42 цента больше. Такое изменение цен не остановит людей от использования бетона и не приведет к значительному увеличению затрат на строительство. Более того, газ, выходящий из дымовых труб на цементных заводах, богат CO ₂ по сравнению с разбавленным количеством в атмосфере, что означает, что его легче улавливать и хранить.

Учет выбросов цемента будет хорошей практикой, поскольку мы готовимся к большему увеличению удаления 2000 Гт CO. ₂ прямо из атмосферы в течение следующих 100 лет. В этом заключается одна из самых больших проблем века для ученых и инженеров. В недавней статье Physics Today стоимость прямого улавливания атмосферного CO ₂ оценивалась в диапазоне от 100 до 600 долларов за тонну. Этот процесс является дорогостоящим, поскольку требует большого количества энергии: прямой захват воздуха включает нагнетание огромных объемов воздуха над сорбентами, которые затем нагреваются для выделения концентрированного CO ₂ для хранения или использования.

Нам нужен ценовой прорыв в области улавливания и связывания углерода, который будет конкурировать с тем, что мы видели в ветроэнергетике, солнечной энергии и батареях. Мы оцениваем это в 100 долларов за тонну, удалив эти 2000 Гт CO. ₂ будет составлять примерно 2,8 процента мирового ВВП за 80 лет. Сравните эту стоимость с потерями, связанными с переломным моментом в изменении климата, который никакие расходы не могут отменить.

В принципе, подземных скальных образований достаточно, чтобы хранить не только гигатонны, но и тератонны CO ₂ .Но масштаб необходимого секвестрации и безотлагательная необходимость в нем требуют нестандартного мышления. Например, массовое и дешевое удаление углерода может быть возможным при помощи природы. Во время каменноугольного периода нашей планеты, 350 миллионов лет назад, природа улавливала столько углерода, что уменьшила содержание CO ₂ в атмосфере с более чем 1000 частей на миллион до нашего доиндустриального уровня в 260 частей на миллион (и при этом образовала уголь). Механизм: растения развили волокнистый углеродсодержащий материал лигнин для своих стеблей и коры, за миллионы лет до того, как другие существа разработали способы его переваривания.

Теперь представьте, что океан поглощает и почти полностью перерабатывает около 200 Гт CO. ₂ в год. Если бы мы могли предотвратить 10 процентов этого повторного выброса в течение 100 лет, мы бы достигли цели по секвестированию 2 000 Гт CO ₂ . Возможно, какое-то существо в пищевой цепи океана может быть изменено, чтобы выделять органический биополимер, такой как лигнин, который трудно метаболизировать, который оседает на морском дне и связывает углерод. Фитопланктон быстро размножается, предлагая быстрый путь к огромным масштабам.Если наше наследие решения проблемы изменения климата — это несколько миллиметров неудобоваримых, богатых углеродом фекалий на дне океана, нас это устроит.

Наши первые битвы в войне с изменением климата требуют, чтобы инженеры работали над существующими технологиями, которые можно масштабировать. Но чтобы выиграть войну, нам потребуются и новые технологии.

Изменение радиационного воздействия — то есть отражение большего количества солнечного света в космос — можно использовать как временную и временную меру для ограничения потепления, пока мы не добьемся снижения уровня CO в атмосфере. ₂ .Такие усилия позволят избежать наихудших физических и экономических последствий повышения температуры и будут выведены из эксплуатации после того, как кризис пройдет. Например, мы могли бы уменьшить образование инверсионных следов от самолетов, которые задерживают тепло, и сделать крыши и другие поверхности белыми, чтобы отражать больше солнечного света. Эти две меры, которые могут снизить ожидаемое нами планетарное потепление примерно на 3 процента, помогут общественности лучше понять, что наши коллективные действия влияют на климат.

Есть более амбициозные предложения, которые отражали бы больше солнечного света, но есть много споров о положительных и отрицательных последствиях таких действий.Мы считаем, что наиболее ответственный путь вперед для инженеров, химиков, биологов и экологов — это проверить все варианты, особенно те, которые могут иметь значение в планетарном масштабе.

Мы не утверждаем, что знаем, какие технологии предотвратят мир-антиутопию, который теплее на 2 ° C. Но мы искренне верим, что мировые инженеры могут найти способы доставить десятки тераватт безуглеродной энергии, радикально обезуглерожить промышленные процессы, изолировать огромное количество CO. ₂ , и временно отклонить необходимое количество солнечного излучения.Эффективное использование политики, поддерживающей достойные инновации, может помочь внедрить эти технологии в ближайшие три или четыре десятилетия, что позволит нам уверенно продвигаться по пути к стабильной и пригодной для жизни планете. Итак, инженеры, приступим к работе. Создаете ли вы машины, разрабатываете алгоритмы или анализируете числа, занимаетесь ли вы биологией, химией, физикой, компьютерами или электротехникой, у вас есть своя роль.

Мнения, выраженные здесь, принадлежат исключительно авторам и не отражают позицию Google или IEEE.

Выходя за рамки ажиотажа водородной воды

Эта статья — часть нашего специального выпуска за май 2021 года. Загрузите полную версию выпуска здесь.

Номер ссылки

Сим М., Ким С.С., Шон В.Дж., Ли Ю.К., Чхве Е.Ю., Шин Д.М. Богатая водородом вода снижает воспалительные реакции и предотвращает апоптоз клеток периферической крови у здоровых взрослых: рандомизированное двойное слепое контролируемое исследование. Научная репутация . 2020; 10 (1): 12130.

Цель исследования

Чтобы определить, увеличивает ли водородная вода по сравнению с простой водой антиоксидантную способность, снижает окислительный стресс и улучшает иммунную функцию у здоровых взрослых

Участники

В общей сложности 38 здоровых взрослых людей в возрасте от 20 до 59 лет завершили испытание и были случайным образом распределены в группу, принимавшую обычную воду (n = 18) или группу водородной воды (n = 20).На исходном уровне, когда началось исследование, не было статистической разницы в возрасте, росте, весе, индексе массы тела (ИМТ) и суточном потреблении воды между двумя группами ( P > 0,05).

Дизайн

Рандомизированное двойное слепое контролируемое исследование

Операция

В течение 4 недель каждая группа ежедневно пила 1,5 литра (примерно 51 унцию) простой или водородной воды. Водородная вода представляла собой обычную воду с добавленным газообразным водородом (H ₂ ). Исследователи предоставили воду в 3 разных бутылках и попросили всех участников выпить бутылку с водой в течение 1 часа после ее открытия, чтобы минимизировать потерю растворенного водорода из бутылок, содержащих его.

Измеряемые результаты

Исследователи измерили следующие результаты:

• Антиоксидантная способность, определяемая биологическим антиоксидантным потенциалом сыворотки (BAP)
• Окислительный стресс через уровень производных реактивных метаболитов кислорода (d-ROM) в сыворотке крови
• Апоптоз по количеству апоптотических клеток в крови
• Профили мононуклеарных клеток периферической крови (PBMC) для маркеров клеточной поверхности, включая CD4, CD8, CD14, CD20 и CD11b
• Воспаление через толл-подобный рецептор (TLR) NF-кB (ядерный фактор каппа-легкая цепь-энхансер активированных В-клеток) передачи сигналов, а также экспрессия провоспалительных цитокинов

Основные выводы

Наблюдались следующие находки:

• Участники группы водородной воды в возрасте старше 30 лет показали значительное увеличение БАТ по сравнению с группой, получавшей обычную воду ( P = 0.028), но не было значительного влияния на БАТ у более молодых людей в группе водородной воды по сравнению с простой водой.
• Маркер повреждения ДНК из-за окислительного стресса (8-оксо-2′-дезоксигуанозин) значительно снизился в обеих группах (Δ = — 0,94 ± 1,44 нг / мл, P <0,05 в группе простой воды; Δ = - 1,32 ± 1,05 нг / мл, P <0,001 в водородной группе).
• Через 4 недели группа водородной воды показала значительно более низкий процент апоптоза PBMC по сравнению с группой простой воды ( P = 0.036).
• Частота клеток CD14 + увеличивалась в группе водородной воды и снижалась в группе простой воды, и это различие достигло статистической значимости ( P = 0,039).
• Группа водородной воды имела значительно более низкие уровни экспрессии нескольких цитокинов: интерлейкина 1 бета (IL1B), интерлейкина 8 (IL8), рецептора интерлейкина 6 (IL6R) и члена суперсемейства рецепторов фактора некроза опухоли 10B (TNFRSF10B) по сравнению с простой водой. группа.

Практическое применение

Активация иммунитета и воспаление идут рука об руку, поскольку активные формы кислорода стимулируют иммунные клетки, которые вызывают последующий воспалительный ответ.Снижение основного окислительного стресса является постоянной клинической целью многих пациентов, и поиск безопасных и эффективных вмешательств, которые могут сделать это на постоянной основе, является привлекательным. Одним из таких инструментов может быть использование терапевтического газообразного водорода.

В дополнение к воде, богатой водородом, водородная терапия включает инъекции водородного раствора, вдыхание газообразного водорода, использование водородных глазных капель и принятие водородных ванн. ¹ Научное сообщество только сейчас раскрывает разнообразные механизмы действия водородной терапии.В их число входят: ²

• Повышение антиоксидантной активности,
• Ингибирование апоптоза и воспаления,
• Модулирующая иммунная регуляция и
• Регулирует аутофагию, циркадный ритм и митохондрии.

Газообразный водород как терапевтический инструмент изучается в научной литературе для различных состояний из-за этих множественных механизмов действия. Но что исследование говорит нам конкретно о водородной воде?

Подобно терапевтическому газообразному водороду, водородная вода изучалась на различных группах пациентов и показала положительное влияние на антиоксидантный статус, иммунитет и воспаление.

Например, рандомизированное плацебо-контролируемое исследование 2017 года с участием пациентов с раком толстой кишки, проходящих курс химиотерапии, показало, что водородная вода помогает защитить печень от повреждения, вызванного химиотерапией, по сравнению с плацебо. ³ Это согласуется с рандомизированным плацебо-контролируемым исследованием 2011 года с участием пациентов с раком печени, которое показало, что водородная вода снижает радиационно-индуцированный окислительный стресс без ухудшения противоопухолевых эффектов по сравнению с плацебо. ⁴ В этом исследовании показатели качества жизни также были значительно лучше в группе водородной воды по сравнению с плацебо.

Что еще интересно в этом исследовании, так это то, что преимущества водородной воды были более значительными у людей старше 30 лет.

Метаболический синдром — еще одна область, в которой растет количество исследований о пользе водородной воды. В пилотном исследовании 2010 года с участием лиц с риском развития метаболического синдрома в группе, употреблявшей водородную воду, наблюдалось повышение антиоксидантного фермента супероксиддисмутазы (СОД) на 39%, холестерина липопротеинов высокой плотности на 8% и на 13%. снижение общего холестерина. ⁵ Аналогичным образом, рандомизированное двойное слепое плацебо-контролируемое исследование 2020 года показало, что группа, употребляющая водородную воду, значительно снизила уровень холестерина, глюкозы и гемоглобина в крови A _1c , а также улучшила маркеры воспаления и окислительно-восстановительный гомеостаз по сравнению с плацебо. . ⁶

В пилотном исследовании 2012 года с участием пациентов с ревматоидным артритом (РА) водородная вода не только уменьшала маркеры окислительного стресса, но также улучшала симптомы РА. ⁷

Рандомизированное контролируемое исследование, проведенное в 2013 году с участием пациентов с гепатитом B, показало, что водородная вода улучшает маркеры окислительного стресса и функции печени по сравнению с плацебо. ⁸

Двойное слепое плацебо-контролируемое исследование 2017 года показало, что противовоспалительная и антиоксидантная активность водородной воды также может влиять на центральную нервную систему. В этом исследовании у группы, употреблявшей водородную воду, было улучшение настроения, беспокойства и общего качества жизни по сравнению с плацебо. ⁹

Предварительные исследования также показывают, что водородная вода может положительно влиять на микробиом кишечника. В испытании с участием юных футболистов женского пола употребление водородной воды в течение 2 месяцев снизило уровень IL1, IL2 и фактор некроза опухоли; повышенная СОД, общая антиоксидантная способность и гемоглобин цельной крови; и улучшил разнообразие и изобилие кишечной флоры. ¹⁰

Как указывается в этом документе, Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США признало водород в качестве пищевой добавки с общепризнанным статусом безопасности (GRAS). Исследования подтверждают, что водородная вода безопасна при употреблении в рекомендуемых дозах.

Один из аргументов, часто приводимых в отношении исследований водородной воды, заключается в том, что простое увеличение потребления воды принесет значительную пользу для здоровья и что даже легкое обезвоживание может способствовать возникновению множества заболеваний. ¹¹ Однако этот аргумент неверен в исследованиях, сравнивающих водородную воду с таким же количеством потребляемой простой воды.

Это последнее клиническое испытание подтверждает терапевтическую эффективность водородной воды, которая подверглась критике как сплошная шумиха, а не как вещество. Что еще интереснее в этом исследовании, так это то, что преимущества водородной воды были более значительными у людей старше 30 лет. Поскольку старение часто сопровождается повышенным системным окислительным стрессом и повреждениями, имеет смысл, что с возрастом потребность в усилении антиоксидантной защиты также увеличится, и, следовательно, эти люди получат больше пользы от водородной воды.Это также верно для людей, имеющих дело с нарушением регуляции окислительно-восстановительного баланса и системным воспалением из-за болезни.

С клинической точки зрения исследование, похоже, поддерживает использование водородной воды при различных состояниях, требующих иммунной регуляции, повышенной антиоксидантной активности и уменьшения воспаления. Самая большая клиническая проблема водородной воды — это ее стоимость. Стоимость отдельных банок или бутылок варьируется от 2,50 до 3 долларов за штуку по сравнению с примерно 0,60 доллара за бутылку родниковой воды. В этом конкретном исследовании участники пили 51 унцию в день, что составляет более 6 бутылок по 8 унций, что в сумме составляет около 15 долларов в день.Также доступны таблетки и машины с водородной водой, которые могут несколько снизить стоимость.

Упаковка водородной воды также может быть проблемой. Авторы этого исследования не указали тип упаковки; однако они рекомендовали участникам выпить воду в течение часа, чтобы уменьшить потерю водорода. Водород быстро рассеивается, и если водородная вода упакована в пластик или стекло, вероятно, она не будет содержать много водорода. Для поддержания оптимального уровня водорода требуется специальная упаковка.

Как и у любого вмешательства, есть свои плюсы и минусы. Хотя стоимость может быть минусом, комплаентность пациента может быть плюсом. В конце концов, в клинической практике практикующие интеграторы постоянно просят пациентов пить больше воды. Попросить их выпить определенный тип воды может быть простым решением для некоторых пациентов, которые не соблюдают рекомендации по диетическим добавкам. Специалисты-интеграторы преуспевают в оценке индивидуального пациента для выбора правильного вмешательства.В некоторых случаях стоит подумать о водородной воде.

Водород из воды — 3 метода производства

Получение водорода из воды — одна из самых горячих и быстро развивающихся областей в мире возобновляемых источников энергии.

Тем не менее, основные методы производства водорода остались прежними по своей сути, и теперь все новшества основываются на тех же старых принципах.

1. Электролиз

Электролиз — это техническое название использования электричества для разделения воды на составляющие элементы, водород и кислород.Расщепление воды осуществляется путем пропускания электрического тока через воду. Электричество поступает в воду через катод, отрицательно заряженный вывод, проходит через воду и проходит через анод, положительно заряженный вывод. Водород собирается на катоде, а кислород собирается на аноде. Электролиз производит очень чистый водород из воды для использования в электронной, фармацевтической и пищевой промышленности.

По сравнению с паровым риформингом, электролиз очень дорог.Электрические затраты, необходимые для разделения воды на водород и кислород, составляют около 80% затрат на производство водорода. Потенциально электролиз в сочетании с возобновляемым источником энергии может обеспечить полностью чистый и возобновляемый источник энергии. В других случаях электролиз может сочетаться с гидроэлектростанцией или электричеством в непиковое время, чтобы снизить стоимость электролиза.

2. Фотоэлектролиз

Фотоэлектролиз, известный в некоторых кругах как святой Грааль водорода, представляет собой прямое преобразование солнечного света в электричество.Фотоэлектрические элементы, полупроводники и электролизер объединены, чтобы создать устройство, которое генерирует водород из воды . Фотоэлектролизер помещается в воду и при воздействии солнечного света начинает выделять водород. Фотоэлектрические элементы и полупроводники объединяются для выработки электричества из солнечного света, достаточного для питания электролизера. Затем водород собирается и хранится. Большая часть исследований в этой области проводится в Голдене, штат Колорадо, в Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии.

3. Фотобиологический

Фотобиологическое производство водорода включает использование солнечного света, биологического компонента, катализаторов и инженерной системы. Определенные организмы, водоросли и бактерии, производят водород как побочный продукт своих метаболических процессов. Эти организмы обычно живут в водной среде и поэтому извлекают водород из воды , используя свои биологические функции.

В настоящее время эта технология все еще находится на стадии исследований и разработок, и теоретическая эффективность преобразования солнечного света оценивается в 24%.Было идентифицировано более 400 штаммов примитивных растений, способных производить водород, из которых 25 впечатляюще достигли 100% эффективности преобразования монооксида углерода в водород.

В одном примере исследователи обнаружили, что водоросль Chlamydomonas reinhardtii обладает ферментом, называемым гидрогеназой, который способен расщеплять воду на составляющие ее части — водород и кислород. Исследователи определили механизм запуска и остановки этого процесса, который может привести к практически безграничному методу производства чистого возобновляемого водорода.

Водорослям нужна сера для роста и фотосинтеза. Ученые обнаружили, что когда водоросли лишились серы в бескислородной среде, водоросли вернулись в режим использования гидрогеназы. Этот механизм производства водорода из воды развился на протяжении миллионов лет эволюции для выживания в богатой кислородом и бескислородной среде. Оказавшись в этом цикле, водоросли выделяют водород, а не кислород. Дальнейшие исследования необходимы для повышения эффективности инженерных систем завода, методов сбора и затрат на производство водорода.

(Посещали 22611 раз, сегодня 5 посещений)

Discovery адаптирует природную мембрану для производства водородного топлива из воды

Путь химической реакции, имеющий центральное значение в биологии растений, был адаптирован для формирования основы нового процесса преобразования воды в водородное топливо с использованием энергии солнца.

В недавнем исследовании Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) ученые объединили два мембраносвязанных белковых комплекса, чтобы выполнить полное преобразование молекул воды в водород и кислород.

Работа основана на более раннем исследовании одного из этих белковых комплексов, называемого фотосистемой I, мембранного белка, который может использовать энергию света для передачи электронов неорганическому катализатору, производящему водород. Однако эта часть реакции составляет только половину всего процесса, необходимого для производства водорода.

Используя второй белковый комплекс, который использует энергию света для расщепления воды и забирает из нее электроны, названный Фотосистемой II, аргоннский химик Лиза Утчиг и ее коллеги смогли забрать электроны из воды и передать их Фотосистеме I.

«Прелесть этой конструкции в ее простоте — вы можете самостоятельно собрать катализатор с натуральной мембраной, чтобы добиться желаемой химии» — Лиза Утчиг, химик из Аргонны

В более раннем эксперименте исследователи снабдили Фотосистему I электронами жертвенного донора электронов. «Уловка заключалась в том, чтобы быстро последовательно доставить два электрона к катализатору», — сказал Утчиг.

Два белковых комплекса встроены в тилакоидные мембраны, подобные тем, которые находятся внутри продуцирующих кислород хлоропластов у высших растений.«Мембрана, которую мы взяли непосредственно у природы, необходима для соединения двух фотосистем», — сказал Утчиг. «Он структурно поддерживает их обоих одновременно и обеспечивает прямой путь для межбелкового переноса электронов, но не препятствует связыванию катализатора с Фотосистемой I.»

Согласно Утшигу, Z-схема — техническое название запускаемой светом цепи переноса электронов естественного фотосинтеза, происходящего в тилакоидной мембране, — и синтетический катализатор сочетаются довольно элегантно.«Прелесть этой конструкции заключается в ее простоте — вы можете самостоятельно собрать катализатор с натуральной мембраной, чтобы провести желаемый химический процесс», — сказала она.

Еще одно усовершенствование связано с заменой кобальт или никельсодержащих катализаторов на дорогой платиновый катализатор, который использовался в более раннем исследовании. Новые кобальтовые или никелевые катализаторы могут значительно снизить потенциальные затраты.

Следующим шагом исследования, по словам Утшига, является включение мембраносвязанной Z-схемы в живую систему.«Как только у нас будет система in vivo — та, в которой процесс происходит в живом организме, — мы действительно сможем увидеть, как резина отправляется в путь с точки зрения производства водорода», — сказала она.

Статья, основанная на исследовании «Z-схема солнечного расщепления воды посредством самосборки гибридов фотосистемы I-катализатор в тилакоидных мембранах », появилась в онлайн-выпуске журнала Chemical Science от 29 октября. Среди других аргоннских авторов статьи — Сара Солтау, Карен Малфорт, Йенс Никлас и Олег Полуэктов.

Исследование финансировалось Управлением науки Министерства энергетики США, Программа фундаментальных энергетических наук.

Ученые нашли более дешевый способ получить водородную энергию из воды

Автомобили с водородным двигателем вскоре могут стать больше, чем просто новинкой после того, как группа ученых под руководством UNSW продемонстрировала гораздо более дешевый и устойчивый способ создания водорода, необходимого для их работы.

В исследовании, опубликованном недавно в Nature Communications , ученые из Университета штата Южный Уэльс в Сиднее, Университета Гриффита и Технологического университета Суинберна показали, что улавливание водорода путем отделения его от кислорода в воде может быть достигнуто за счет использования в качестве катализаторов дешевых металлов, таких как железо и никель. , которые ускоряют эту химическую реакцию при меньшем потреблении энергии.

Железо и никель, которые в изобилии встречаются на Земле, заменят драгоценные металлы рутений, платину и иридий, которые до сих пор считаются эталонными катализаторами в процессе «расщепления воды».

Профессор школы химии UNSW Чуан Чжао говорит, что при расщеплении воды два электрода прикладывают к воде электрический заряд, который позволяет отделять водород от кислорода и использовать его в качестве энергии в топливном элементе.

«Мы покрываем электроды нашим катализатором, чтобы снизить потребление энергии», — говорит он.«На этом катализаторе есть крошечный наноразмерный интерфейс, где железо и никель встречаются на атомном уровне, который становится активным центром для расщепления воды. Здесь водород может быть отделен от кислорода и захвачен в качестве топлива, а кислород может выбрасываться как экологически безопасные отходы «.

В 2015 году команда профессора Чжао изобрела никель-железный электрод для выработки кислорода с рекордно высокой эффективностью. Однако профессор Чжао говорит, что железо и никель сами по себе не являются хорошими катализаторами для генерации водорода, но там, где они соединяются в наномасштабе, «происходит волшебство.«

«Наноразмерный интерфейс в корне меняет свойства этих материалов», — говорит он. «Наши результаты показывают, что никель-железный катализатор может быть таким же активным, как и платиновый, для производства водорода.

«Дополнительным преимуществом является то, что наш никель-железный электрод может катализировать образование как водорода, так и кислорода, поэтому мы можем не только сократить производственные затраты за счет использования элементов, богатых землей, но также и затраты на производство одного катализатора вместо двух».

Беглый взгляд на сегодняшние цены на металлы показывает, почему это могло бы изменить правила игры, необходимые для ускорения перехода к так называемой водородной экономике.Цена на железо и никель составляет 0,13 и 19,65 доллара за килограмм. Напротив, рутений, платина и иридий оцениваются в 11,77, 42,13 и 69,58 долларов за грамм — другими словами, в тысячи раз дороже.

«В настоящий момент, когда мы экономим на ископаемом топливе, у нас есть огромный стимул перейти к водородной экономике, чтобы мы могли использовать водород в качестве экологически чистого энергоносителя, которого много на Земле», — говорит профессор Чжао.

«Мы говорим о водородной экономике целую вечность, но на этот раз похоже, что она действительно приближается.«

Профессор Чжао говорит, что если технология разделения воды получит дальнейшее развитие, однажды могут появиться водородные заправочные станции, похожие на сегодняшние заправочные станции, куда вы могли бы пойти и заправить свой автомобиль на водородных топливных элементах водородным газом, полученным в результате этого водоразделения. реакция. Заправку можно было произвести за считанные минуты по сравнению с часами в случае электромобилей с питанием от литиевых батарей.

«Мы надеемся, что наши исследования могут быть использованы такими станциями для производства собственного водорода с использованием устойчивых источников, таких как вода, солнечная энергия и эти недорогие, но эффективные катализаторы.»

Цитата : Ученые нашли более дешевый способ получить водородную энергию из воды (2019, 12 декабря) получено 22 августа 2021 г. с https: // физ.org / news / 2019-12-science-cheap-водород-энергия.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

Новая технология разделения воды для получения чистого водорода

Производство электролитического водорода влечет за собой производство водорода из воды с использованием электроэнергии, которая в идеале должна поступать из возобновляемых источников энергии, таких как солнечный свет и ветер. Хотя этот метод производства водорода может быть очень многообещающим решением для повышения устойчивости, исследователям придется преодолеть несколько ключевых проблем, чтобы он получил широкое распространение.

В недавнем исследовании, опубликованном в Nature Energy , группа исследователей из Израильского технологического института Техниона рассмотрела некоторые из этих проблем, представив новую технику расщепления воды, которая может улучшить существующие методы электролитического производства водорода. Их исследования вдохновлены одним из их предыдущих исследований фотоэлектрохимического (PEC) расщепления воды, в котором они пытались объединить солнечную энергию и электролиз воды (фото) для получения водорода из солнечного света и воды.

Одной из самых серьезных проблем, описанных в этой предыдущей работе, был сбор газообразного водорода из миллионов ячеек PEC, распределенных в солнечной области. В своем исследовании исследователи из Техниона попытались разработать метод, который мог бы эффективно решить эту проблему.

«Взяв фотоэлектрические (PV) солнечные электростанции в качестве базового сценария, солнечная ферма состоит из миллионов отдельных фотоэлементов, где ток (и напряжение) собираются от каждого из них в металлическую сеть», — сказал Авнер Ротшильд. , один из исследователей, проводивших исследование, сообщил TechXplore.«Это легко с электричеством, но не с водородом».

В идеальной солнечной установке PEC будущего фотоэлементы будут заменены на элементы PEC, которые могут производить водород в компоненте, известном как катодный отсек, и кислород в отдельной камере, называемой анодным отсеком. Эти два отсека должны быть разделены, по крайней мере, мембраной, чтобы гарантировать, что водород и кислород не смешиваются, поскольку это может вызвать взрыв. Кроме того, газообразный водород необходимо собирать из каждой отдельной ячейки.

Создание такой установки до сих пор оказалось технически сложным и дорогостоящим, так как для этого требовался очень дорогостоящий трубопроводный коллектор. В конечном итоге это сделало нереальной реализацию решений для крупномасштабного производства водорода путем разделения воды PEC.

«Мы искали выход из этой проблемы и пришли к идее разделения кислородного и водородного отсеков в ячейке PEC на две отдельные ячейки, чтобы кислород генерировался в солнечном поле и выбрасывался в атмосферу. в то время как водород генерируется в центральном реакторе на углу поля », — сказал Ротшильд.«Разделение на две ячейки стало возможным благодаря установке еще одного набора из двух электродов, называемых вспомогательными электродами, которые заряжаются и разряжаются одновременно ионами OH ^— , участвующими в реакции расщепления воды, тем самым опосредуя ионный обмен между двумя ячеек (что необходимо для замыкания электрической цепи) ».

В своей предыдущей статье, опубликованной в Nature Materials , Ротшильд и его коллеги представили революционный новый подход к архитектуре электролиза воды (электролизеры) и фотоэлектролиза (PEC).Однако этот многообещающий подход поставил еще одну проблему — регенерацию вспомогательных электродов, когда они насыщаются в конце производственного цикла. Исследователи предположили, что электроды можно менять местами в конце каждого цикла, но это было бы довольно громоздко, поэтому они продолжили поиск альтернативных решений.

«Затем мы обнаружили, что при нагревании вспомогательного электрода в водородной ячейке после того, как он был заряжен (чтобы стать NiOOH), он самопроизвольно выделяет пузырьки газообразного кислорода и восстанавливается до своего исходного состояния (Ni (OH) ₂ )», — сказал Ротшильд.«Это открытие привело к развитию процесса расщепления воды E-TAC, который представлен в настоящей работе».

E-TAC, новый метод разделения воды, предложенный Ротшильдом и его коллегами, имеет высокую энергоэффективность 98,7 процента, следовательно, он значительно превосходит обычные электролизеры, которые обычно имеют энергоэффективность от ~ 70 до 80 процентов в рабочем состоянии. ультрасовременные устройства. Еще одним преимуществом E-TAC является то, что он производит водород и кислород последовательно, тогда как в большинстве других электролизеров они производятся одновременно.Это в конечном итоге устраняет необходимость в мембране, разделяющей газы водорода и кислорода, что значительно упрощает конструкцию и сборку ячеек, а также их эксплуатацию и техническое обслуживание.

«Потенциально это может привести к значительной экономии капитальных и эксплуатационных затрат, что приведет к разработке рентабельной технологии разделения воды, которая может конкурировать с SMR (паровой риформинг метана), предлагая дешевый водород без выбросов CO. ₂ , при условии, что электроэнергия поступает из возобновляемых источников, таких как гидроэнергия, солнечная или ветровая энергия », — сказал Ротшильд.

При обычном электролизе воды водород и кислород всегда производятся одновременно в катодном и анодном отсеках соответственно. Отделения расположены как можно ближе друг к другу, чтобы минимизировать электрические омические потери, и они разделены мембраной, чтобы избежать образования взрывоопасной смеси H ₂ / O ₂ .

«Катод восстанавливает воду, генерируя водород (H ₂ молекул) и гидроксид-ионы (OH ^— ) посредством реакции, известной как HER (реакция выделения водорода)», — сказал Ротшильд.«Ионы OH ^— мигрируют к аноду через электролит и через мембрану, где они окисляются посредством OER (реакция выделения кислорода). Вместе эти две реакции (HER и OER) завершают реакцию расщепления воды: 2H ₂ O 2H ₂ + O ₂ . »

В обычном электролизе воды две электрохимические реакции, описанные Ротшильдом, связаны как во времени, так и в пространстве, поскольку они происходят одновременно, в одной и той же ячейке и в непосредственной близости.Более того, эти характеристики одинаковы независимо от того, применяется ли процесс к щелочным электролизерам или электролизерам с ПЭМ.

В отличие от этого традиционного подхода к электролизу воды, процесс расщепления воды, разработанный исследователями, разделяет реакции HER и OER, которые вместо этого происходят в разное время и потенциально в разных частях устройства.Поэтому E-TAC может быть описан не как непрерывный процесс, а как «периодический процесс» с двумя циклами, первый из которых генерирует водород электрохимически, а второй кислород — посредством спонтанной химической реакции.

«Мы помещаем катод (тот же катод, который используется в щелочном электролизе) и анод (который отличается от анода при обычном электролизе) в электролитической ячейке и пропускаем ток между ними», — сказал Ротшильд. «Катод генерирует водород посредством реакции HER, как и в случае обычного электролиза воды, но анод делает совершенно другое.Анод по существу заряжается за счет поглощения ионов OH ^— , которые генерируются на катоде, и постепенно превращаются из Ni (OH) ₂ (гидроксид никеля) в NiOOH (оксигидроксид никеля) ».

Интересно, что реакция, производимая на аноде, аналогична реакции, которая происходит на катоде щелочных батарей (например, никель-металлгидридных батарей) во время их зарядки. Это говорит о том, что он может хорошо работать в течение многих циклов, как и в щелочных батареях.

Однако иногда заряд анода в процессе E-TAC необходимо прервать, потому что, если он перезарядится, он может начать генерировать кислород.Поэтому, когда заряд превышает определенный уровень, исследователям необходимо ограничить напряжение, прикладываемое к ячейкам, чтобы избежать возможных взрывов, возникающих в результате совместного производства кислорода и водорода.

«Чтобы продолжить процесс E-TAC, нам нужно регенерировать заряженный анод (NiOOH) обратно в его исходное состояние (Ni (OH) ₂ )», — пояснил Ротшильд. «Мы делаем это, повышая его температуру, тем самым ускоряя скорость спонтанной химической реакции между заряженным анодом и водой, которая высвобождает кислород и восстанавливает анод обратно в исходное состояние.«

Таким образом, метод, разработанный Ротшильдом и его коллегами, предполагает использование тепла для управления химической реакцией, в результате которой образуется кислород, поскольку скорость реакции замедляется при низких температурах и ускоряется при высоких температурах. Генерация водорода происходит при низкой температуре или температуре окружающей среды, а образование кислорода — при высоких температурах около 95 градусов Цельсия. Вот почему исследователи решили назвать это процессом E-TAC, что означает электрохимически-термически активированный химический процесс.

«В лабораторных испытаниях, представленных в нашей статье, мы вручную переместили анод из холодной ячейки (т. Е. Стеклянного стакана, наполненного щелочным водным раствором при температуре окружающей среды) в горячую камеру (т. Е. Стакан того же типа. , но нагретый до 95 градусов по Цельсию), поэтому разделение между производством водорода и кислорода было не только по времени, но и по месту », — пояснил Ротшильд. «Однако в реальной промышленной системе мы предвидим другой сценарий, в котором два электрода (анод и катод) и неподвижны (неподвижны), тогда как ячейка, в которой они находятся, последовательно заполняется холодными или горячими растворами электролита.«

Разделение производства водорода и кислорода, которое устраняет необходимость в мембране, разделяющей две разные камеры внутри электролитических ячеек, приводит к значительной экономии по сравнению с традиционными подходами к электролизу. Фактически, герметизация мембраны, как правило, является дорогостоящей, а также усложняет весь производственный процесс. Мембрана в обычных системах требует воды высокой чистоты и постоянного обслуживания, и все это не требуется в E-TAC.

Кроме того, методика, разработанная Ротшильдом и его коллегами, полностью исключает риск летучих столкновений кислорода и водорода, а также связанных с этим взрывов.С другой стороны, в традиционных системах этот риск все еще присутствует, поскольку мембрана может порваться или ее уплотнение может сломаться.

«В настоящее время использование мембран также ограничивает давление при производстве водорода», — сказал Ротшильд. «E-TAC делает мембрану ненужной, тем самым облегчая производство водорода при гораздо более высоком давлении и устраняя некоторые из высоких затрат на последующее сжатие водорода. Более того, в новом процессе, который мы предложили, кислород образуется посредством спонтанной химической реакции между заряженными анод и воду без использования электрического тока.Эта реакция устраняет необходимость в электричестве во время производства кислорода и увеличивает энергетический КПД с ~ 70 до 80 процентов при использовании обычных методов до беспрецедентных 98,7 процента ».

Метод, разработанный Ротшильдом и его коллегами, может снизить эксплуатационные расходы на устойчивое производство водорода и стоимость оборудования. Исследователи подсчитали, что производственные затраты на оборудование на основе E-TAC будут примерно вдвое меньше, чем на существующие технологии.

«Процесс, который мы изобрели, представляет собой концептуальный прорыв в разделении воды, и, учитывая преимущества, которые он предлагает, он может изменить правила игры и привести к новой технологии производства водорода из воды без выбросов CO. ₂ конкурировать с SMR за производство чистого водорода и обеспечить переход от ископаемого топлива к чистому водородному топливу », — сказал Ротшильд.

После того, как они закончили писать свою статью, исследователи из Техниона запатентовали свое изобретение и основали стартап под названием H ₂ Pro с миссией разработки и распространения новой технологии разделения воды на основе техники E-TAC. Они надеются вскоре коммерциализировать эту технологию путем увеличения размеров электродов и ячеек, используемых в их исследовании, создания и тестирования генераторов водорода на основе процесса разделения воды E-TAC, оптимизации своей схемы работы и изучения производства водорода под высоким давлением.

«Мы также планируем проводить дальнейшие академические исследования для изучения новых электродных материалов и применять передовые аналитические методы, чтобы понять корреляцию между электродным составом и микроструктурой и его функциональными свойствами, чтобы разработать следующее поколение Ni (OH). ₂ — электроды для нашего процесса водоразделения E-TAC », — сказал Ротшильд. «Наша цель — повысить их производительность (чтобы мы могли запускать более длительные процессы) за счет быстрой зарядки и регенерации, чтобы обеспечить высокую скорость производства водорода.»

Avigail Landman et al. Фотоэлектрохимическое расщепление воды в отдельных ячейках с кислородом и водородом, Nature Materials (2017). DOI: 10.1038 / nmat4876

© 2019 Сеть Science X

Цитата : Новая технология расщепления воды для получения чистого водорода (2 октября 2019 г.