Переход на водород
Водород и сегодня используют для производства удобрений, повышения качества бензина, улучшения свойств стали, а также в пищевой промышленности для производства маргарина и твердых кондитерских жиров методом гидрогенизации растительных масел. Без него не обходятся все процессы гидроочистки, гидрообессеривания, гидрокрекинга, регенерации катализаторов. Его также широко применяют для охлаждения генераторов на электростанциях.
С тех пор как появилась перспектива перехода на водородную энергетику с углеводородной, потребность в водороде увеличилась на порядки. Сегодня эта перспектива стала реальностью, поскольку примерно десять лет назад была решена одна из основных проблем с его хранением для дальнейшего использования в качестве автомобильного топлива. Вместо тяжелых, дорогих и небезопасных стальных баллонов для сжатого под высоким давлением водорода стали применять легкие композитные емкости из углепластика, которые прекрасно помещаются в легковых автомобилях. Кроме того, стало возможным получать водород прямо по месту употребления. Появление таких технологий зажгло для водородной энергетики зеленый свет.
Около 20 лет назад во всем мире начали появляться автомобили на водороде, и бывшие выставочные центры пилотных моделей превратились в салоны-магазины серийных образцов. Количество автомобилей на водородном топливе сегодня исчисляется тысячами. Их стоимость составляет около $50–60 тыс. Серийные автомобили на водороде есть у Toyota, Hyundai, Honda. Предсерийные образцы тестируют Audi, Mercedes, BMW, Mazda, Ford и ряд других производителей. Все технические препятствия, столько десятилетий казавшиеся непреодолимыми, пройдены за считаные годы, и теперь вопрос только в экономической целесообразности для массового потребителя. В России такой автомобиль приобрел себе житель Красноярска, но в связи с отсутствием заправок в своем городе перевез машину в Москву и получает топливо в одном из научных институтов.
Как получить водород?
Для развития водородной энергетики нужно будет на государственном уровне решить вопрос, в каком виде доставлять водород к месту его получения. Дело в том, что водород содержится в очень многих видах ископаемых топлив.
«Наиболее дешевый водород получается методом паровой конверсии метана,— рассказывает заведующий отделом гетерогенного катализа Института катализа СО РАН Павел Снытников.— Другой способ — из аммиака. Для его транспортировки, как и для природного газа, в нашей стране даже существует трубопровод, так как аммиак сжижается всего при давлении 8,5 атмосферы. Третье решение — перевозка будущего водорода в виде метанола. В Китае метанол используют как автомобильное топливо. Но в России против метанола почему-то предубеждение, по-видимому, в связи с тем, что с давних пор у нас простой народ пил все, что горело, в том числе и метанол, и люди лишались зрения».
А вот получать его лучше всего там же, где будут потреблять, чтобы уйти от проблем транспортировки чистого водорода. Чтобы использовать водород, например, как автомобильное топливо, нужно закачать его в баллоны под давлением 700 атмосфер. Правда, на сжатие нужна дополнительная энергия. Не меньше энергии требуется на сжижение водорода, так что один из подходящих способов его транспортировки — это перевозка в химически связанном состоянии, например в виде метана, из которого водород должен производиться там же, где будет использоваться. То есть до заправки везут метан, а уже на самой заправке устанавливается небольшое производство, например, конвертер метана в водород. Но этот способ не очень хорош для экологии, поскольку на небольших производствах сложно обеспечить качественную очистку выбросов. Зато экономически он себя вполне оправдывает. Опыт Японии, Кореи и ряда других стран показал, что километр пробега на водороде выходит не дороже бензина. 4 кг водорода, закачанного в баллон, хватает примерно на 800 км пути обычного седана.
Получать водород можно практически из любого углеводородного топлива: из бензина, дизельного топлива или пропан-бутановых смесей. В Институте катализа им. Г. К. Борескова СО РАН ведется работа по гранту РНФ по тематике получения водорода из дизельного топлива. Также разрабатываются методы получения водорода даже из органических носителей, например из бор-гидридов. Главные задачи на будущее развитие водородной энергетики — это не только получение водорода, но и его хранение. Жидкий водород можно хранить только при низких температурах, поэтому его использовали только в критически важных областях, например, как ракетное топливо.
Если отвлечься от автомобилей и обратить внимание на энергообеспечение более крупных стационарных объектов, например жилых или промышленных комплексов, то вся идеология водородной энергетики строится на ее связке с другими источниками энергии. Например, с возобновляемыми — гидро-, ветряными, солнечными электростанциями или с крупными атомными электростанциями. Производство такой энергии идет в одном режиме, а тратится потребителями она в другом, поэтому, когда есть излишки энергии, ее можно тратить на получение водорода даже из обычной воды методом электролиза.
Голубая мечта о зеленом водороде
Основные организации в России, заинтересованные в получении водорода — это компании «Росатом» и «Газпром». Атомные электростанции нуждаются в сохранении избытка энергии в виде водорода и дальнейшего его использования. А добывающая компания хочет перерабатывать природный газ в водород, имея соответствующие установки непосредственно в местах использования, например на автомобильных заправках. Для решения проблемы транспортировки водорода можно переводить его в спирты — метанол, диметиловый эфир, чтобы получать из них водород, что называется, «по требованию» для дальнейшего использования на энергоустановках. Это химия получения водородсодержащих компонентов, и она достаточно хорошо освоена.
Как перестать сжигать топливо
Вообще, заявления о том, что водород — это экологически чистое топливо, не совсем справедливы. Из школьного курса химии мы помним, что после сжигания водорода получается вода. Но горит-то он в воздухе, где высокое содержание азота, и в результате реакции кислорода и азота при высоких температурах мы получаем те же токсичные оксиды азота, что и при сжигании бензина, только в меньшем объеме. Собственно, водород здесь ни при чем: любое высокотемпературное горение вызывает в воздухе реакцию взаимодействия кислорода и азота с образованием оксидов. По этой причине получать электричество с помощью сжигания любого топлива — это не самый экологичный способ. А тем более углеводородного, которое сгорает с выделением выбросов углекислого газа в атмосферу. Чтобы решить проблемы с выбросами в атмосферу, нужно прекратить сжигать топливо и снизить градус его потребления до комнатной температуры. В этом могут помочь топливные элементы.
Применение водорода в топливных элементах является самым экологичным. Разные топливные элементы используют водород при разных температурах и могут быть более или менее привередливы к его чистоте. Низкотемпературные топливные элементы работают на чистом водороде, а высокотемпературные вполне удовлетворяются синтез-газом. Топливный элемент — это электрохимическое устройство, которое преобразует химическую энергию водорода в электрическую (процесс, обратный электролизу) с достаточно высоким КПД. Институт катализа СО РАН сотрудничает с российскими производителями топливных элементов — ГК «ИнЭнерджи» и Институтом проблем химической физики РАН, где были разработаны и созданы сверхлегкие топливные элементы для беспилотных летательных аппаратов. В настоящее время там ведутся разработки более крупных топливных элементов для автомобильных передвижных платформ. Рынок топливных элементов еще только формируется, поскольку область их применения постоянно растет. Появляются новые возможности в разработке — осваивается новый экономический сектор. Вопросы могут быть самые разные — например, обеспечение дальних трасс или камер видеонаблюдения источниками связи или возможность установки автономных вышек сотовой связи. Источники водородной энергии всегда работают как тандем «топливный элемент на водороде плюс аккумулятор». Аккумулятор способен сглаживать пиковые нагрузки, а топливный элемент обеспечивает длительную выработку электроэнергии.
Сегодня в мире на топливных элементах работают тысячи небольших энергоустановок. В США, Японии и некоторых странах Европы они уже около 30 лет снабжают водородной энергией небольшие частные поселки, большие и удаленные от города супермаркеты или промышленные объекты. В отличие от дизель-генераторов это намного более бесшумные системы, так что их широко используют как запасные источники энергии в случае сбоев в работе основного источника энергообеспечения.
Сколько стоит чистый воздух
В качестве грантового финансирования на развитие индустрии водородной энергетики некоторые страны ЕС ежегодно выделяют сотни миллионов евро, США — сотни миллионов долларов. Совокупные вложения Европы и США в эту отрасль исчисляются миллиардами. Сейчас многие компании во всем мире делают попытки использовать источники энергии на топливных элементах в самых разных областях. В ближайшие десятилетия может измениться сама концепция человеческого энергопотребления.
В России развитие топливных элементов исторически связано с космическими программами в середине ХХ века. Щелочные топливные элементы использовались во многих космических проектах, где требовались автономные энергоустановки.
В 2020 году правительство России утвердило энергетическую стратегию Российской Федерации на период до 2035 года и ключевые меры развития водородной энергетики. В этом же году был создан консорциум по водородной энергетике, куда вошли ведущие научные институты: Томский политехнический университет, Институт катализа СО РАН, Институт проблем химической физики РАН, Институт нефтехимического синтеза РАН, Самарский государственный политехнический университет и Сахалинский государственный университет. В программе развития водородной энергетики РФ намечено создание водородных кластеров и пилотных проектов по производству и экспорту водорода. Планируется развитие первых коммерческих проектов производства водорода. Сегодня в РФ появляются отдельные пилотные проекты с использованием водородной энергетики, но до массового внедрения пока не дошло: скорее производители демонстрируют свою готовность к реализации подобных проектов в случае выделения финансирования со стороны, например, госкорпораций. Так, в конце 2019 года в Санкт-Петербурге был запущен трамвай на водородном топливе, а ОАО «Газпром» и ОАО «РЖД» в качестве пилотного проекта обсуждают возможность запуска поезда на Сахалине на топливных водородных элементах.
Водород вместо нефти, газа и угля — новый тренд в Европе | Экономика в Германии и мире: новости и аналитика | DW
В Европе явно назревает водородный бум. Во всяком случае, в разных странах к нему начинают активно готовиться. В последнее время в СМИ появляется все больше сообщений о пилотных проектах с водородом — и все чаще мелькает химическое обозначение этого газа: h3.
Кто претендует на титул «водородная держава №1»
Так, в Германии сооружается крупнейшая в мире установка по его производству методом электролиза и стартует эксперимент по частичному замещению водородом природного газа в отоплении жилья. Над этим же, над заменой метана на h3 в газопроводной сети, работают и в Великобритании. В Нидерландах и Бельгии собираются протестировать речное судно на водородном топливе и создать для него систему заправки.
Себастьян Курц обещает превратить Австрию в мирового лидера в области водородных технологий
В Австрии три ведущих концерна готовят сразу несколько совместных пилотных проектов, в том числе по использованию водорода вместо угля при производстве стали, а бывший и, вероятно, будущий канцлер, консерватор Себастьян Курц в ходе избирательной кампании выдвигает лозунг превращения своей страны в «водородную державу №1». На эту же роль претендует и Франция. Да и Германия вполне сможет побороться за такой титул.
Пригородные электрички на водороде: лидирует ФРГ
Ведь два пока единственных в мире водородных поезда Coradia iLint эксплуатируются именно в Германии. Более того, они уже успешно отработали свои первые 100 тысяч километров. Это произошло в июле, спустя десять месяцев после начала регулярной перевозки пассажиров по стокилометровому маршруту между городами Бремерхафен, Куксхафен, Букстехуде и Бремерфёрде.
До конца 2021 года на этой не электрифицированной железнодорожной линии на северо-западе страны в федеральной земле Нижняя Саксония собираются полностью отказаться от дизельных локомотивов, заменив их на 14 поездов, вырабатывающих электроэнергию в топливных элементах в ходе химической реакции между водородом и кислородом. Вместо выхлопов получается вода.
Пригородная водородная электричка Coradia iLint эксплуатируется в Германии с сентября 2018 года
Такие же водородные электрички решили использовать и в федеральной земле Гессен. В мае выпускающий их французский концерн Alstom получил заказ объемом в 500 млн евро на 27 поездов, которые с 2022 года планируется использовать для пригородного сообщения с горным массивом Таунус к северо-западу от Франкфурта-на-Майне.
В результате ФРГ станет бесспорным мировым лидером в области водородного железнодорожного транспорта. Тем более, что интерес к инновационным поездам Alstom проявляют и другие федеральные земли. С некоторыми из них, сообщил глава германского филиала концерна Йорг Никутта (Jörg Nikutta) агентству dpa, он ведет сейчас «активные переговоры».
Эксперименты с водородом в газовой сети
Немцев и в целом европейцев водород привлекает, прежде всего, из экологических соображений. При использовании h3 в атмосферу не выделяется углекислый газ CO2, самый большой виновник в парниковом эффекте и глобальном потеплении, так что более широкое внедрение водородных технологий поможет странам ЕС выполнить обязательства, взятые на себя в рамках Парижского соглашения по климату (Германия, к примеру, их пока не выполняет).
Но есть и экономический интерес. Он связан с тем, что использование такого возобновляемого источника энергии, как водород, снижает потребность в ископаемых энергоносителях, чаще всего импортируемых (в том числе из России). Например, в нефти и нефтепродуктах, на которых работают, скажем, дизельные локомотивы в том же Таунусе на не электрифицированных маршрутах.
Впрочем, немецкая компания Avacon, начинающая пилотный проект по примешиванию к природному газу до 20 процентов водорода, в своих заявлениях говорит исключительно о защите климата. Эксперимент призван доказать, что к используемому для отопления газу можно добавлять не до 10 процентов h3, как предписывают действующие нормы, а в два раза больше. В результате сократится выброс CO2, поскольку будет сжигаться меньше углеводородного топлива.
Масштабы эксперимента скромные: он проводится в одном из районов городка Гентхин в восточногерманской земле Саксония-Анхальт. Выбрали это место потому, что имеющаяся здесь газовая инфраструктура по своим техническим характеристикам наиболее типична для всей сети компании Avacon. «Поскольку зеленый газ будет играть все более важную роль, мы хотим переоснастить свою газораспределительную сеть так, чтобы она была приспособлена к приему как можно более высокой доли водорода», — поясняет стратегическую цель эксперимента член правления Avacon Штефан Тенге (Stephan Tenge).
Power to Gas: возобновляемая энергия, электролиз, «зеленый водород«
Под «зеленым газом» он подразумевает «зеленый водород»: так принято называть тот h3, который образуется наряду с кислородом O2 при электролизе обычной воды. Процесс этот технически весьма простой, но очень энергоемкий. Однако если использовать для него излишки электроэнергии, вырабатываемой из возобновляемых источников — ветер и солнце, то получается безвредное для климата топливо, произведенное без выбросов в атмосферу CO2.
НПЗ Shell в Весселинге: здесь будет крупнейшая в мире установка P2G по производству водорода
Собственно, начавшееся уже несколько лет назад распространение в Европе этой технологии, получившей название Power to Gas (P2G), и лежит в основе растущего европейского интереса к водороду. Так, в конце июня британо-нидерландский концерн Shell при финансовой поддержке Евросоюза (ЕС предоставил 10 из 16 млн евро) начал в Германии на территории своего нефтеперерабатывающего завода в Весселинге под Кёльном строительство крупнейшей в мире установки по производству водорода методом электролиза. До сих пор его получают здесь из природного газа.
После ввода в эксплуатацию во второй половине 2020 года мощность установки, сообщает Shell, составит ежегодно 1300 тонн водорода, который будет использоваться главным образом в производственных процессах на самом НПЗ. Но часть пойдет на то, чтобы превратить территорию между Кёльном и Бонном в модельный регион по внедрению h3, в том числе как топлива для автобусов, грузовых и легковых автомобилей, возможно — для судов, ведь Рейн в непосредственной близости.
Будет ли Великобритания отапливаться водородом?
Тем временем в третьем по размерам британском городе Лидсе энергетическая компания Northern Gas Networks готовит пилотный проект под многозначительным названием h31, который схож с тем, что проводится в немецком Гентхине, но значительно превосходит его по масштабам. Конечная цель: во всем городе полностью перевести отопление с природного газа, метана, на водород. Морские ветропарки для его производства методом электролиза имеются.
А соответствующие нагревающие воду бойлеры вот уже три года разрабатывает в английском городе Вустере филиал немецкой фирмы Bosch Termotechnik. Его глава Карл Арнцен (Carl Arntzen) рассказал газете Die Welt, что правительство Великобритании до самого последнего времени собиралось снижать значительные выбросы CO2 путем перевода отопительных систем по всей стране с газа на электричество, однако в этом году министерство экономики очень заинтересовалось водородной идеей.
Перед Northern Gas Networks и другими британскими газовыми компаниями это открывает перспективу перепрофилировать и тем самым сохранить имеющуюся газораспределительную систему, которая в случае электрификации отопления оказалась бы ненужной.
Водородные автомобили: высоки ли их шансы?
Пока британское правительство только присматривается к водороду, лидер австрийских консерваторов Себастьян Курц идеей его широкого внедрения уже настолько увлекся, что сделал ее одним из своих предвыборных лозунгов. Его шансы выиграть в сентябре парламентские выборы и вновь возглавить правительство весьма высоки. И тогда, надо полагать, различные водородные проекты могут рассчитывать на активную поддержку Вены.
А конкретные проекты уже есть, поскольку три ведущие промышленные компании страны — энергетическая Verbund AG, нефтегазовая OMV и металлургическая Voestalpine — решили совместно форсировать внедрение в Австрии водородных технологий. Первый совместный проект стоимостью 18 млн евро (12 млн из них предоставил ЕС) будет реализован в Линце уже к концу 2019 года: там речь идет о замене угля на водород при производстве стали. А НПЗ Schwechat близ Вены планирует для собственных нужд наладить производство h3 методом электролиза — как Shell близ Кёльна.
Увлечение водородом обрело в Европе уже такие масштабы, что консалтинговая компания Boston Consulting Group (BCG) сочла нужным предупредить об опасности завышенных ожиданий и ошибочных инвестиций. Наилучшие перспективы «зеленый водород» имеет в промышленности, а также на грузовом, воздушном и водном транспорте, рассказал газете Handelsblatt Франк Клозе (Frank Klose), соавтор только что опубликованного исследования BCG.
А вот у легковых машин на водороде шансы на успех (пока, во всяком случае) представляются минимальными, хотя японская компания Toyota и собирается расширять их выпуск. На 1 января 2019 года в Германии, к примеру, было зарегистрировано всего-то 392 автомобиля, работающего на h3. У электромобилей, не говоря уже о гибридах, перспективы явно лучше.
______________
Подписывайтесь на наши каналы о России, Германии и Европе в | Twitter | Facebook | YouTube | Telegram
Смотрите также:
Технологии хранения энергии из возобновляемых источников
Электростанция из аккумуляторов
Как хранить в промышленных масштабах излишки электроэнергии, выработанной ветрогенераторами и солнечными панелями? Соединить как можно больше аккумуляторов! В Германии эту технологию с 2014 года отрабатывают в институте общества Фраунгофера в Магдебурге (фото). По соседству, в Шверине, тогда же заработала крупнейшая в Европе коммерческая аккумуляторная электростанция фирмы WEMAG мощностью 10 МВт.
Технологии хранения энергии из возобновляемых источников
Большие батареи на маленьком острове
Крупнейшие аккумуляторные электростанции действуют в США и странах Азии. А на карибском острове Синт-Эстатиус (Нидерландские Антилы) с помощью этой технологии резко снизили завоз топлива для дизельных электрогенераторов. Днем местных жителей, их около 4 тысяч, электричеством с 2016 года снабжает солнечная электростанция, а вечером и ночью — ее аккумуляторы, установленные фирмой из ФРГ.
Технологии хранения энергии из возобновляемых источников
Главное — хорошие насосы
Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) — старейшая и хорошо отработанная технология хранения электроэнергии. Когда она в избытке, электронасосы перекачивают воду из нижнего водоема в верхний. Когда она нужна, вода сбрасывается вниз и приводит в действие гидрогенератор. Однако далеко не везде можно найти подходящий водоем и нужный перепад высот. В Хердеке в Рурской области условия подходящие.
Технологии хранения энергии из возобновляемых источников
Место хранения — норвежские фьорды
Оптимальные природные условия для ГАЭС — в норвежских фьордах. Поэтому по такому кабелю с 2020 года подводная высоковольтная линия электропередачи NordLink длиной в 623 километра и мощностью в 1400 МВт будет перебрасывать излишки электроэнергии из ветропарков Северной Германии, где совершенно плоский рельеф, на скалистое побережье Норвегии. И там они будут храниться до востребования.
Технологии хранения энергии из возобновляемых источников
Электроэнергия превращается в газ
Избытки электроэнергии можно хранить в виде газа. Методом электролиза из обычной воды выделяется водород, который с помощью СО2 превращается в метан. Его закачивают в газохранилища или на месте используют для заправки автомобилей. Идея технологии Power-to-Gas родилась в 2008 году в ФРГ, сейчас здесь около 30 опытно-промышленных установок. На снимке — пилотный проект в Рапперсвиле (Швейцария).
Технологии хранения энергии из возобновляемых источников
Водород в сжиженном виде
Идея Power-to-Gas дала толчок разработкам в разных направлениях. Зачем, к примеру, превращать в метан полученный благодаря электролизу водород? Он и сам по себе отличное топливо! Но как транспортировать этот быстро воспламеняющийся газ? Ученые университета Эрлангена-Нюрнберга и фирма Hydrogenious Technologies разработали технологию его безопасной перевозки в цистернах с органической жидкостью.
Технологии хранения энергии из возобновляемых источников
В чем тут соль?
Соль тут в тех круглых резервуарах, которые установлены посреди солнечной электростанции на краю Сахары близ города Уарзазат в Марокко. Хранящаяся в них расплавленная соль выступает в роли аккумуляторной системы. Днем ее нагревают, а ночью используют накопленное тепло для производства водяного пара, подаваемого в турбину для производства электричества.
Технологии хранения энергии из возобновляемых источников
Каверна в роли подземной батарейки
На северо-западе Германии много каверн — пещер в соляных пластах. Одну из них энергетическая компания EWE и ученые университета Йены превратили в полигон для испытания технологии хранения электроэнергии в соляном растворе, обогащенном особыми полимерами, которые значительно повышают эффективность химических процессов. По сути дела, речь идет о попытке создать гигантскую подземную батарейку.
Технологии хранения энергии из возобновляемых источников
Крупнейший «кипятильник» Европы
Человечество давно уже использует тепло для производства электроэнергии. Возобновляемая энергетика поставила задачу, наоборот, превращать электричество, в том числе и избыточное, в тепло (Power-to-Heat). Строительство в Берлине крупнейшего «кипятильника» Европы мощностью 120 МВт для отопления 30 тысяч домашних хозяйств компания Vattenfall намерена завершить к концу 2019 года.
Технологии хранения энергии из возобновляемых источников
Накопители энергии на четырех колесах
Когда по дорогам мира будут бегать миллионы электромобилей с мощными аккумуляторными батареями, они превратятся в еще один крупный накопитель энергии из возобновляемых источников. Этому поспособствуют умные сети энергоснабжения (Smart grid): они будут стимулировать подзарядку по низким ценам в моменты избытка электричества. (На фото — заправка для электромобилей в Китае).
Автор: Андрей Гурков
Компания Toyota научилась добывать водород из воздуха — ДРАЙВ
Исследователи, работавшие над устройством год, называют его искусственным листом, намекая на аналогии с фотосинтезом, хотя химия тут несколько иная.
В теме внедрения водородного топлива у Тойоты — одна из самых активных позиций. Она не только выпускает легковушки и автобусы на топливных элементах (Mirai, Sora), но и занимается расширением водородной заправочной инфраструктуры, продвигает применение топливных элементов за пределами автотранспорта, участвует в международном «Водородном совете». Наверное, неудивительно, что известие об экспериментах по выработке водорода из воздуха поступило от Тойоты.
Твердотельный фотоэлектрохимический элемент сначала захватывает воду из окружающего воздуха, а затем генерирует водород при освещении солнечным светом. Устройство состоит из полимерных электролитных мембран, пористых фотоэлектродов и водопоглощающих материалов.
В новом проекте отделение Toyota Motor Europe объединило усилия с Голландским институтом фундаментальных энергетических исследований (DIFFER). Партнёры создали опытное устройство, которое вырабатывает водород из паров воды, содержащихся в обычном воздухе, используя для этого солнечный свет. Причём тут идёт прямой процесс, в отличие от знакомого всем электролиза, для которого сначала берут из какого-либо источника электроэнергию (хотя бы и от солнечных батарей), а потом задействуют её в электролитическом аппарате.
Данный подход к альтернативному топливу напоминает опытное производство Audi по выработке синтетического метана, говоря упрощённо, из воды, ветра и органических отходов, а также получение других видов автомобильного горючего, аналогично без применения ископаемого сырья.Поскольку аппарат разлагает воду в газообразном состоянии, а не в жидком, устранена необходимость в её предварительной очистке, и вообще новая система может работать там, где ощущается нехватка питьевой воды. Дальнейшие исследования должны расширить диапазон света, используемого ячейкой (пока это ультрафиолетовая часть спектра) и размеры аппарата, как и его производительность. В перспективе эти опыты могут привести к системам, которые смогут генерировать даровой водород для заправки легковушки «на дому». Подобно тому, как сейчас некоторые владельцы электромобилей заряжают электрокары от солнечных батарей на крыше коттеджей. На развитие проекта на днях выделил средства фонд ENW PPS голландской организации научных исследований NWO.
Получение водорода и кислорода — урок. Химия, 8–9 класс.
Получение кислорода
В лаборатории кислород получают разложением перманганата калия при нагревании или разложением пероксида водорода в присутствии катализатора:
2KMnO4=tK2MnO4+MnO2+O2↑.
2h3O2=MnO22h3O+O2↑.
Собирают кислород вытеснением воды или вытеснением воздуха.
Рис. \(1\). Прибор для получения кислорода из перманганата калия
и собирания вытеснением воды
Рис. \(2\). Прибор для получения кислорода
из пероксида водорода и собирания
вытеснением воздуха
Обнаружить выделившийся кислород можно с помощью тлеющей лучинки. В сосуде с кислородом лучинка разгорается ярким пламенем.
Получение водорода
В лаборатории водород получают действием соляной или разбавленной серной кислоты на металлы (цинк, железо, алюминий).
Zn+2HCl=ZnCl2+h3↑,
Zn+h3SO4=ZnSO4+h3↑.
Собирают водород вытеснением воды или воздуха. Сосуд для водорода при вытеснении воздуха располагают дном вверх.
Рис. \(3\). Прибор для получения водорода
и собирания вытеснением воздуха
Рис. \(4\). Прибор для получения водорода
и собирания вытеснением воды
Доказать наличие водорода в пробирке можно, если поднести её к пламени спиртовки. Водород взрывается, и раздаётся характерный хлопок.
Рис. \(5\). Доказательство наличия водорода
Источники:
Рис. 1. Прибор для получения кислорода из перманганата калия и собирания вытеснением воды © ЯКласс
Рис. 2. Прибор для получения кислорода из пероксида водорода и собирания вытеснением воздуха © ЯКласс
Рис. 3. Прибор для получения водорода и собирания вытеснением воздуха © ЯКласс
Рис. 4. Прибор для получения водорода и собирания вытеснением воды © ЯКласс
Рис. 5. Доказательство наличия водорода © ЯКласс
Ученые научились легко добывать водород из морской воды
Исследователи научились добывать водород из морской воды без необходимости ее опреснять.
Иллюстрация REUTERS
Считая это «Священным Граалем» энергетики, экономическое и эффективное преобразование воды в водород и кислород через электролиз было целью для ученых на протяжении десятилетий. В одном килограмме водорода примерно в два с половиной раза больше энергии, чем в природном газе. А самое важное то, что продукт его горения – это вода.
В будущем водород может питать все: от автомобилей до жилых комплексов. Но его добыча из воды в глобальных масштабах может резко сократить запасы питьевой воды, пишет Newsweek.
Читайте такжеКитайцы представили водородомобиль с запасом хода 1000 километров (фото)
Помня о всех этих реалиях, команда химиков Стэндфордского университета разработала способ конвертации морской воды, на которую приходится 97% запасов жидкости на Земле, в водород. Традиционное устройство для электролиза состоит из двух металлических электродов: анода и катода, — помещенных в электролитный раствор и разделенных мембраной. Когда ток проходит через раствор, пузырьки кислорода поднимаются над анодом, а водород – над катодом. Чтобы минимизировать количество энергии, необходимой для высвобождения водорода из воды, оба электрода обычно покрывают катализатором.
Устройство, разработанное командой из Стэндфордского университета, во многом похожа на коммерческое устройство электролиза. Но он все же содержит два критически важных отличия, которые позволяют ему работать с соленой морской водой вместо чистой. Соль, как известно, состоит из атомов хлора с отрицательным зарядом и атомов натрия с положительным зарядом. Собственно, именно хлор в соленой морской воде создавал серьезный вызов для ученых, которые надеялись добывать из нее водород. Поскольку, он быстро вызывает коррозию металлического анода.
Соль, конечно, можно убрать из состава морской воды. Но для этого нужно потратить дополнительную энергию для интенсивного процесса дистилляции. Чтобы избежать этого, команда из Стэндфордского университета разработала электроды, способные выдержать жесткие условия.
Читайте такжеОбжитый Марс и колонизация других миров: известный физик дал прогноз для технологий человечества
Они предложили, чтобы анод состоял из токоприемника из пористого никельного пенопласта, покрытого активным и дешевым катализатором из никеля и железа. Катализатор сам подвергается коррозии. Но металлический проводник под ним более активен и легче изнашивается под действием хлора.
Чтобы решить эту проблему, ученые нашли способ подавить миграцию ионов хлора по слою катализатора и не позволить им достичь металлического проводника. Хитрость была в том, чтобы добавить отрицательно заряженные сульфатные и карбонатные молекулы в слой катализатора, а также в месте соединения катализатора с металлом. Поскольку молекулы с одинаковым зарядом отталкивают друг друга, ионы сульфата и карбона блокировали вредный хлор и позволяли электроду работать без коррозии.
Читайте такжеУченые нашли дешевый способ делать топливо для автомобилей на водороде
Стабилизированный анод оказался способным проводить электролиз соленой морской воды на протяжении тысячи часов и с такой же эффективностью, как и промышленные устройства для таких процессов. Исследователи тогда искусственно увеличили соленость воды в три раза в сравнении с морской. Но измененное устройство электролиза все равно было стабильным на протяжении еще тысячи часов. Чтобы добыча водорода из морской воды была экологически чистой, ученые предложили использовать в процессе электролиза электроэнергию из возобновляемых источников, таких как солнечные электростанции.
Если вы заметили ошибку, выделите ее мышкой и нажмите Ctrl+Enter
«Зеленый» аммиак — отличная возможность | Блог Argus
Автор Natalie Kakish, Subject Matter Expert, Ammonia
Многие компании видят реальную возможность использования аммиака в качестве топлива в будущем. Как источник энергии аммиак в девять раз мощнее литиево-ионных батарей и почти в два раза энергетически плотнее жидкого водорода, при этом аммиак проще перевозить, чем водород.
Перевод Татьяна Давыдова
Почему об этом говорят?
В наше время «зеленый» аммиак все чаще обсуждают участники рынка аммиака и судоходные компании. Интерес к этому продукту объясняется в том числе предпринимаемыми во всем мире усилиями по снижению выбросов углерода в ближайшие десятилетия. Если при производстве одной тонны обычного аммиака выброс CO2 доходит до двух тонн, то при выпуске «зеленого» аммиака с использованием возобновляемых источников энергии выбросов углерода не будет вовсе.
Мировое производство аммиака сейчас составляет 180 млн т/год. Однако его возможное использование в качестве энергоносителя может привести к увеличению спроса до миллиардов тонн. В настоящее время аммиак считается одним из основных видов топлива в судовых перевозках, использование которого может помочь достижению целевых уровней по выбросам CO2 для судоходства на 2030 г. и 2050 г. Кроме того, аммиак рассматривается как способ хранения возобновляемой энергии для использования позднее, а также как способ транспортировки водорода.
Широкое использование аммиака в этих целях возможно лишь при условии значительного сокращения выбросов CO2 при его производстве. Для этого потребуются огромные инвестиции в развитие новых технологий и увеличение эксплуатационных расходов, если учесть текущую стоимость возобновляемых энергоносителей.
«Зеленый» аммиак как судовое топливо
С начала текущего года введены новые требования IMO 2020, ограничивающие содержание серы в бункерном топливе. Следующий шаг в судоходной отрасли — резкое сокращение выбросов CO2. Пока планируется добиться снижения этих выбросов на 40% к 2030 г. и на 70% — к 2050 г. по сравнению с уровнями 2008 г.
Увеличение эффективности и замена углеводородного топлива действительно могут способствовать достижению целевых уровней, намеченных на 2030 г. Однако если брать 2050 г. и позже, участники судоходной отрасли все чаще сходятся во мнении, что использовать полезные ископаемые в качестве бункерного топлива и при этом соблюдать нормы выбросов углерода будет невозможно. В качестве замены рассматриваются несколько вариантов, включая водород и аммиак. Последний приобретает особое значение, поскольку его можно сжигать как судовое топливо и использовать в топливных батареях на судах. У аммиака есть большое преимущество по сравнению с водородом, так как его намного легче хранить и перевозить, также можно транспортировать водород в виде аммиака. Кроме того, аммиак почти на 80% энергетически плотнее жидкого водорода.
Несколько компаний уже изучают возможность использования аммиака в судоходстве, хотя до новых требований IMO по выбросам углеводорода еще достаточно времени. В начале текущего года малайзийская судоходная компания MISC, Samsung Heavy Industries (SHI), Lloyd’s Register и MAN Energy Solutions объявили, что начали совместную работу над созданием танкера, использующего в качестве топлива аммиак. Норвежская нефтяная компания Equinor в партнерстве с морской технологической компанией Eidesvik намерены переоборудовать судно Viking Energy, чтобы к 2024 г. оно работало на аммиаке.
Компания Nordic Innovation объявила, что финансирует ряд проектов для создания экологически чистого судового топлива, включая Nordic Green Ammonia Powered Ships (NoGaps). Партнерами Nordic Innovation в этих проектах являются в том числе судоходная компания Lauritzen Kosan, а также Yara International. Целью данных исследований является создание работающего на аммиаке судового двигателя к 2025 г.
Судовладельцев интересует использование аммиака в качестве топлива не только на грузовых судах. Круизная компания Color Fantasy, чьи лайнеры курсируют между норвежским Осло и германским Килем, также собирается работать в этом направлении.
Датская каталитическая компания Haldor Topsoe готовит отчет для судостроительной и судоходной отраслей, где будет содержаться пошаговая инструкция, объясняющая, что потребуется для перехода на аммиак в качестве судового топлива. Кроме того, в данном отчете, как ожидается, будет уделено внимание имеющимся мощностям по хранению аммиака, например аммиачным резервуарам, которые можно использовать как бункеровочные хабы. Этот отчет, предположительно, выйдет позднее в 2020 г.
«Зеленый» аммиак — трудности производства
В отличие от обычного аммиака, который чаще всего производится из природного газа, «зеленый» аммиак выпускается следующим образом: сначала требуется энергия солнца, ветра или воды для производства электроэнергии, на которой работает электролизер для извлечения водорода из воды. При этом азот получают отдельно из воздуха, используя установку для разделения воздуха.
В качестве источника энергии аммиак в девять раз мощнее литиево-ионных батарей и почти в два раза энергетически плотнее жидкого водорода. При этом аммиак легче транспортировать, чем жидкий водород, используя имеющиеся технологии и инфраструктуру. Именно поэтому многие компании считают, что в будущем можно использовать аммиак как топливо, причем не только для получения энергии, но и для получения водорода, когда требуется именно водород.
Получение аммиака при помощи электролизера, работающего на возобновляемой энергии, — это не совсем новая концепция. Однако сейчас разрабатываются технологии для значительного увеличения ее энергоэффективности. Еще в начале 1900-х гг. норвежская компания Norsk Hydro вырабатывала аммиак, используя водную энергию. Компании в Северо-Западной Европе, а также в Японии, сейчас активно разрабатывают технологии для получения «зеленого» аммиака.
Крупных заводов, где производился бы «зеленый» аммиак, нет. В то же время и производители, и технологические компании начинают искать возможности для получения этого продукта более экологичным способом. Скорее всего, подобные предприятия придется строить в странах с избытком солнечной, ветряной или водной энергии, а идеально — с комбинацией как минимум двух этих источников энергии, чтобы уменьшить перебои в производстве и сократить издержки. Вдобавок этим предприятиям лучше находиться ближе к рынкам сбыта. Таким образом, среди возможных мест сразу выделяется Австралия с учетом ее возобновляемой энергии и географической близости к конечным потребителям в Восточной Азии.
Развитие технологий для получения «зеленого» аммиака
Ведущие компании в области технологий выработки аммиака стремятся найти способы использования возобновляемой энергии для получения аммиака и в то же время максимально увеличить энергоэффективность и сократить капитальные и операционные расходы.
Одна из таких компаний, Haldor Topsoe, разработала систему электролиза на твердооксидном топливе. Эта система использует возобновляемую энергию и производит исходный газ для выработки аммиака без разделения воздуха, что позволяет существенно уменьшить капитальные затраты. Пока это пилотный проект. Тем не менее уже ясно, что для работы данной системы потребуется на 10% меньше энергии, чем для работы обычной установки для выпуска аммиака из природного газа. Это поможет решить проблему слишком высоких эксплуатационных расходов при работе аммиачных агрегатов с использованием возобновляемой энергии. Строительство подобных установок потребует колоссальных первоначальных вложений. Следующая проблема — затратность и ограниченность источников возобновляемой энергии по сравнению с природным газом, которого много и который дешев. При текущих ценах на газ в Европе получение тонны «зеленого» аммиака обойдется примерно на 200—300% дороже, чем обычного. В более долгосрочной перспективе удешевление возобновляемой энергии, предположительно, позволит уменьшить эту разницу до 50—150%. Рост расходов на углеродные выбросы в Европе также может этому способствовать. Таким образом, ключевыми факторами для разработки технологий «зеленого» аммиака станут максимизация энергоэффективности и снижение цен на возобновляемую энергию.
Переход на «зеленый» аммиак потребует немало времени. Однако, признавая это, Пэт Хэн, руководитель научно-исследовательского подразделения в Haldor Topsoe, говорит, что очень важно предпринять первые шаги. С этой целью компания переходит от исследовательской фазы к этапу разработки: пилотная установка, работающая по технологии электролиза с использованием твердооксидного топлива, уже собрана. Финансировал создание этой установки консорциум датских компаний. Пилотный агрегат может вырабатывать 180 т/год «зеленого» аммиака. Следующий шаг — разработка технологии для коммерческого использования. В будущем Haldor Topsoe рассчитывает оснащать обычные аммиачные агрегаты, где используется природный газ, дополнительным оборудованием, которое позволит частично получать «зеленый» аммиак (сначала, к примеру, 10%, а потом увеличить эту долю). В этом случае нет необходимости строить новый завод, поскольку производители могут использовать имеющиеся мощности, нужно будет лишь добавить новый электролизер.
Данный подход может вызвать особый интерес у производителей в Западной Европе, которые могут использовать доступные им источники возобновляемой энергии и получать «зеленый» аммиак при минимальной себестоимости. Хотя за последние 30 лет в Западной Европе было построено мало новых агрегатов по выпуску аммиака, скорее всего, Европа станет одним из драйверов развития производства «зеленого» аммиака, если учесть, что, согласно плану Евросоюза на 2030 г. по климату и энергии, страны — члены Евросоюза должны сократить выбросы парниковых газов как минимум на 40% по сравнению с 1990 г.
Yara International пообещала уменьшить выбросы CO2 на 10% к 2025 г., а к 2050 г. намерена выйти на экологически чистое производство. К 2022 г. компания планирует заменить 10% своих мощностей по выпуску аммиака на юге Норвегии оборудованием для производства «зеленого» аммиака. К 2050 г. Yara собирается полностью выпускать аммиак на своем заводе в Порсгрунне по «зеленой» технологии. Над сокращением выбросов углерода Yara работает вместе с норвежской компанией Nel Hydrogen.
Даже компании, которые больше заняты в нефтегазовом секторе, начинают интересоваться «зеленым» аммиаком. Так, американская инженерно-строительная и сервисная компания KBR разрабатывает технологию K-GreeN solution для получения «зеленого» аммиака либо в отдельном электролизере, либо при помощи дополнительно устанавливаемого электролизера, в котором нет воздухоразделительной установки или контура синтеза.
Несколько более мелких компаний в Западной Европе и США разрабатывают инновационные способы, которые помогут буквально заново изобрести весь процесс производства аммиака. Некоторые из этих новых технологий обходятся без традиционного процесса Габера-Боша. Исландская компания Atmonia разрабатывает катализатор, который действует при атмосферном давлении и не нуждается в выделении водорода, поскольку задействует воду напрямую. При таком процессе выбросов CO2 не происходит. Кроме того, технология Atmonia позволяет без проблем останавливать производство и возобновлять его без особых затрат, а это, по словам Гудбьорг Рист, руководителя Atmonia, одно из главных преимуществ, когда речь идет о возобновляемой энергии, получаемой при помощи солнца и ветра. В настоящее время компания строит прототип катализатора, который позволит производить жидкий аммиак для использования в качестве удобрения. Однако конечной целью компании является производство безводного аммиака, сказала Гудбьорг Рист.
Компания Starfire Energy в штате Колорадо (США) разрабатывает модульные системы для выпуска аммиака без углеродных выбросов. Учитывая растущую потребность в возобновляемой энергии, которую можно хранить и использовать в качестве транспортного топлива и для отопления, компания считает аммиак идеальным выбором.
Starfire Energy отказалась от процесса Габера-Боша и создала систему, для работы которой не требуется столь высокого давления. Этот реактор подстраивается под уровень ветряной и солнечной энергии, обходясь без ископаемого топлива для получения аммиака. Компания начала с прототипа Rapid Ramp Nh4 мощностью 3 кг/сут. и теперь строит реактор мощностью 10 кг/сут. После этого Starfire Energy сможет перейти к созданию пилотной модульной системы мощностью 100 кг/сут. Мощность второго пилотного реактора заложена на уровне 1 т/сут. Затем мощность одной установки будет увеличена до 50 т/сут. На одной площадке можно будет устанавливать 10 реакторов, совокупная мощность которых будет достигать 500 т/сут. Дженнифер Бич, сооснователь и исполнительный директор Starfire Energy, сообщила, что 80% оборудования будет изготавливаться фабричным способом, а 20% — будет построено на площадке.
Цель Starfire Energy состоит не только в том, чтобы производить аммиак без углеродных выбросов, но и подстроиться под его конечное использование. Компания работает над более низкотемпературным катализатором крекинга аммиака, который позволяет превращать аммиак в азот и газообразный водород. Затем этот азот и водород можно использовать одновременно либо задействовать один только водород как источник энергии для автомобилей и предприятий, где требуется хранящийся под высоким давлением водород для топливных элементов.
Найдена новая технология получения водорода из воды при помощи алюминия
Водород уже достаточно давно рассматривается и кое-где используется в качестве экологически чистого вида топлива. Но более широкому использованию водородного топлива мешает целый ряд неразрешенных на сегодняшний день проблем, главными из которых являются хранение и транспортировка. Однако, группа исследователей из американской Армейской научно-исследовательской лаборатории, проводя эксперименты на Абердинском испытательном полигоне близ Мериленда, сделала случайное открытие. Пролив воду на брусок особого алюминиевого сплава, состав которого держится пока в секрете, исследователи заметили мгновенно начавшийся процесс бурного выделения водорода.
Из школьного курса химии, если кто его еще помнит, водород является побочным продуктом реакции между водой и алюминием. Однако, данная реакция обычно протекает лишь при достаточно высокой температуре или в присутствии специальных катализаторов. Да и тогда она идет достаточно «неторопливо», на заполнение бака водородного автомобиля потребуется около 50 часов, а энергетическая эффективность такого метода получения водорода не превышает 50 процентов.
Все вышесказанное не имеет отношения к реакции, в которой принимает участие новый сплав алюминия. «Эффективность этой реакции вплотную приближается к 100 процентам, а сама реакция «разгоняется» до максимальной производительности менее, чем за три минуты» — рассказывает Скотт Грендаль (Scott Grendahl), руководитель научной группы.
Использование системы, вырабатывающей водород по мере необходимости, решает массу имеющихся проблем. Воду и алюминиевый сплав легко транспортировать из одного места в другое, оба этих вещества сами по себе инертны и стабильны. Во-вторых, для начала реакции не требуется никакого катализатора, ни первоначального толчка, реакция начинает идти сразу же, как вода входит в контакт со сплавом.
Все вышесказанное еще не означает, что исследователи обнаружили панацею в области водородного топлива. В этом деле существует еще целый ряд вопросов, подлежащих выяснению или уточнению. Первым вопросом является то, будет ли работать такая схема получения водорода вне лаборатории, ведь существует множество примеров, когда экспериментальные технологии отлично работают в лабораторных условиях, но терпят полную неудачу при полевых испытаниях. Вторым вопросом является вопрос сложности и стоимости производства алюминиевого сплава, стоимость утилизации продуктов реакции, которые станут факторами, определяющим экономическую целесообразность нового способа получения водорода.
И в заключение следует отметить, что на выяснение упомянутых выше вопросов, скорее всего, уйдет не так уж и много времени. И только после этого можно будет сделать выводы о дальнейшей жизнеспособности нового метода получения водородного топлива.
Сделать чистый водород сложно, но исследователи только что решили серьезное препятствие — ScienceDaily
На протяжении десятилетий исследователи всего мира искали способы использования солнечной энергии для генерации ключевой реакции производства водорода в качестве источника чистой энергии — расщепления. молекулы воды с образованием водорода и кислорода. Однако в большинстве случаев такие усилия терпели неудачу, потому что делать это было слишком дорого, а попытки сделать это с низкими затратами приводили к низкой производительности.
Теперь исследователи из Техасского университета в Остине нашли недорогой способ решить половину уравнения, используя солнечный свет для эффективного отделения молекул кислорода от воды.Открытие, опубликованное недавно в Nature Communications , представляет собой шаг вперед к более широкому внедрению водорода в качестве ключевой части нашей энергетической инфраструктуры.
Еще в 1970-х годах исследователи изучали возможность использования солнечной энергии для производства водорода. Но невозможность найти материалы с комбинацией свойств, необходимых для устройства, которое может эффективно выполнять ключевые химические реакции, не позволила ему стать основным методом.
«Вам нужны материалы, которые хорошо поглощают солнечный свет и в то же время не разлагаются, пока происходят реакции расщепления воды», — сказал Эдвард Ю, профессор кафедры электротехники и вычислительной техники школы Кокрелла.«Оказывается, материалы, которые хорошо поглощают солнечный свет, имеют тенденцию быть нестабильными в условиях, необходимых для реакции расщепления воды, в то время как стабильные материалы, как правило, плохо поглощают солнечный свет. Эти противоречивые требования подталкивают вас к, казалось бы, неизбежному компромиссу , но объединив несколько материалов — один, который эффективно поглощает солнечный свет, например кремний, и другой, обеспечивающий хорошую стабильность, например диоксид кремния, — в одном устройстве, этот конфликт может быть разрешен.«
Однако это создает другую проблему — электроны и дырки, созданные поглощением солнечного света в кремнии, должны иметь возможность легко перемещаться через слой диоксида кремния. Обычно для этого требуется, чтобы слой диоксида кремния был не более нескольких нанометров, что снижает его эффективность в защите кремниевого поглотителя от разрушения.
Ключом к этому прорыву стал метод создания электропроводящих путей через толстый слой диоксида кремния, который можно выполнять с низкими затратами и масштабировать для больших объемов производства.Чтобы достичь этого, Ю и его команда использовали технологию, впервые примененную при производстве полупроводниковых электронных чипов. Покрывая слой диоксида кремния тонкой пленкой алюминия и затем нагревая всю структуру, образуются массивы наноразмерных «шипов» алюминия, которые полностью перекрывают слой диоксида кремния. Затем их можно легко заменить никелем или другими материалами, которые помогают катализировать реакции расщепления воды.
При освещении солнечным светом устройства могут эффективно окислять воду с образованием молекул кислорода, а также генерировать водород на отдельном электроде и проявлять выдающуюся стабильность при длительной эксплуатации.Поскольку методы, используемые для создания этих устройств, обычно используются в производстве полупроводниковой электроники, их должно быть легко масштабировать для массового производства.
Команда подала предварительную заявку на патент на коммерциализацию технологии.
Улучшение способа производства водорода является ключом к его превращению в жизнеспособный источник топлива. Большая часть производства водорода сегодня происходит за счет нагревающего пара и метана, но это в значительной степени зависит от ископаемого топлива и приводит к выбросам углерода.
Существует тенденция к «зеленому водороду», при котором используются более экологически безопасные методы производства водорода. И упрощение реакции расщепления воды — ключевая часть этих усилий.
Водород может стать важным возобновляемым ресурсом с некоторыми уникальными качествами. Он уже играет важную роль в важных производственных процессах и начинает проявляться в автомобильной промышленности. Батареи на топливных элементах выглядят многообещающе для грузовых перевозок на дальние расстояния, а водородные технологии могут стать благом для хранения энергии, поскольку они могут накапливать излишки энергии ветра и солнца, производимые, когда для них созревают условия.
В дальнейшем команда будет работать над повышением эффективности кислородной части расщепления воды за счет увеличения скорости реакции. Следующая серьезная задача исследователей — перейти к другой половине уравнения.
«Сначала мы смогли обратиться к кислородной стороне реакции, которая является более сложной частью, — сказал Ю, — но вам нужно выполнить реакции выделения водорода и кислорода, чтобы полностью расщепить молекулы воды, поэтому наши Следующим шагом будет рассмотрение применения этих идей для создания устройств для водородной части реакции.«
Это исследование финансировалось Национальным научным фондом США через Директорат инженерии и программу центров материаловедения и инженерии (MRSEC). Ю работал над проектом со студентами UT Austin Сунил Ли и Алекс Де Пальма, а также Ли Джи, профессором Университета Фудань в Китае.
Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie
Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.
Настройка вашего браузера для приема файлов cookie
Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:
- В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки вашего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
- Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, используйте кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
- Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
- Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
- Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.
Почему этому сайту требуются файлы cookie?
Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.
Что сохраняется в файле cookie?
Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.
Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.
Основы водорода — Производство солнечной энергии
| Эксперимент по фотохимическому выделению газообразного водорода, FSEC h3 Lab (Фото.Спенсер) |
|---|
Использование солнечной энергии для производства водорода может осуществляться двумя способами: электролиз воды с использованием электричества, генерируемого солнечными батареями, и прямое разделение воды солнечными батареями. Говоря о солнечной энергии, почти все говорят о фотоэлектрическом электролизе. Процесс работает. Фактически, это было впервые продемонстрировано в Центре солнечной энергии Флориды в 1983 году при финансовой поддержке Космического центра Кеннеди НАСА. Хотя это технологически выполнимо, это пока не экономически жизнеспособно.Помимо затрат, возникает вопрос, зачем использовать электричество, очень эффективный носитель энергии, для производства водорода, другого энергоносителя, а затем снова преобразовывать его обратно в электричество для использования? Другими словами, электричество настолько ценно, как электричество, наш самый желанный носитель энергии, что мы, возможно, не захотим использовать его ни для чего другого. Это особенно верно, если электричество производится из фотоэлектрических элементов. Фотоэлектрические панели как источник энергии соответствуют пиковой нагрузке на кондиционирование воздуха в коммунальных предприятиях страны.Гораздо лучше использовать фотоэлектрическую энергию в качестве электричества, поскольку иначе ее использовать слишком расточительно.
Когда будет смысл получать водород из электричества, вырабатываемого солнечными батареями? Ответ заключается в том, что мы захотим производить водород в любое время, когда электричество нельзя будет использовать — в периоды пиковой нагрузки в отдаленных районах и во время сезонных колебаний. Водород, полученный из ветра, гидро-, геотермальной энергии или любой другой формы солнечной энергии, является ценным, когда ресурс не соответствует профилю нагрузки электрической сети.
Если солнечное электричество через фотоэлектрический электролиз-топливный элемент не имеет смысла, как насчет фотоэлектрического водорода? Фактически, большая часть обсуждения PV-электролиза касается производства водорода для использования в качестве автомобильного топлива. Опять же, этот сценарий не представляется жизнеспособным. Рассмотрим случай водородной заправочной станции, выдающей 1000 галлонов бензина в день, что составляет примерно половину среднего показателя по стране. Обратите внимание, что один галлон бензина содержит примерно то же количество энергии, что и один килограмм (кг) водорода.Таким образом, для заправочной станции потребуется около 1000 кг водорода в сутки. Используя более низкую теплотворную способность водорода, электрическая энергия, необходимая для производства одного кг водорода, составляет 51 кВтч (при КПД электролизера 65%). Это означает, что на 1000 кг водорода в день потребуется 51 000 кВтч электроэнергии в день. Количество фотоэлектрических модулей, необходимых для поставки 51 000 кВтч, можно оценить, разделив кВтч на 5 часов в день. Таким образом, для работы водородной заправочной станции мощностью 1000 кг / сутки потребуется 10 200 кВт или 10,2 мегаватт фотоэлектрической энергии.Обратите внимание, что для 1 кВтп требуется около 10 квадратных метров площади для фотоэлектрических систем с эффективностью 10%.
Вторая категория, прямое разделение солнечной воды на воду, относится к любому процессу, в котором солнечная энергия напрямую используется для производства водорода из воды без прохождения промежуточной стадии электролиза. Примеры включают:
- Фотоэлектрохимическое расщепление воды — этот метод использует полупроводниковые электроды в фотоэлектрохимической ячейке для преобразования световой энергии в химическую энергию водорода.По сути, существует два типа фотоэлектрохимических систем: в одном используются полупроводники или красители, а в другом — растворенные комплексы металлов.
- фотобиологические — это производство водорода из биологических систем с использованием солнечного света. Некоторые водоросли и бактерии могут производить водород при подходящих условиях. Пигменты водорослей поглощают солнечную энергию, а ферменты клетки действуют как катализаторы, расщепляя воду на водородные и кислородные составляющие.
- высокотемпературных термохимических цикла — в этих циклах используется солнечное тепло для производства водорода путем расщепления воды с использованием термохимических стадий.
- газификация биомассы — при этом используется тепло для преобразования биомассы в синтетический газ, богатый водородом.
| Экспериментальный фотореактор для высокотемпературного производства водорода на солнечной энергии (Фото: Н.Вод) |
|---|
Высокотемпературные термохимические циклы могут обеспечить отличный КПД (более 40 процентов), но они должны использовать концентрированные солнечные приемники / реакторы, способные достигать температуры выше 800 ° C.Изучено большое количество разнообразных термохимических циклов. (См. Производство водорода с помощью солнечных термохимических циклов расщепления воды).
При газификации биомассы используется тепло для превращения биомассы (древесины, травы или сельскохозяйственных отходов) в синтетический газ. Состав газов зависит от типа сырья, присутствия кислорода, температуры реакции и других параметров. Газификаторы биомассы были разработаны как реакторы с неподвижным слоем, псевдоожиженным слоем и с захваченным слоем.
Все эти прямые солнечные процессы находятся в стадии исследования и разработки, и все еще предстоит преодолеть препятствия.
Новое умное устройство может производить водородное топливо с использованием воды и солнечного света
Ученые очень стремятся найти эффективные способы получения водорода из воды, тем самым раскрывая потенциал водорода как чистого топлива. Недавно разработанное устройство справляется с этой задачей, используя только солнечный свет в качестве источника энергии.
Используя каталитические электроды и перовскитные солнечные элементы, объединенные в единый блок, эта хитроумная штуковина может достичь эффективности преобразования солнечного света в водород до 6.7 процентов. Он просто падает в воду и уходит (когда нет Солнца).
Возможно, еще слишком рано начинать переоборудование всех наших автомобилей на водородные топливные элементы с нулевым уровнем выбросов, но исследователи, стоящие за новым изобретением, говорят, что масштабирование технологии для более широкого использования должно быть относительно простым.
Поперечное сечение катализатора. (Цзя Лян)
«Концепция в целом похожа на искусственный лист», — говорит материаловед Джун Лу из Университета Райса в Техасе.«У нас есть интегрированный модуль, который превращает солнечный свет в электричество, которое запускает электрохимическую реакцию. Он использует воду и солнечный свет для получения химического топлива».
Перовскит — одна из восходящих звезд солнечной энергетики, обещающая даже лучшие результаты, чем кремниевые солнечные панели, при правильном использовании, и здесь он используется для питания катализатора, расщепляющего воду на кислород и водород. Более того, сборка устройства не требует больших затрат.
Ключом к тому, как работает устройство, является метод инкапсуляции, который он использует: способ, которым ученые решили нанести полимерную пленку вокруг перовскита, защищающую его от повреждений при погружении в воду.
Защищая солнечный элемент, полимер также пропускает солнечный свет и служит изолятором между элементами и электродами. Улучшения в этой инкапсуляции и эффективности солнечных элементов станут возможными после дополнительных исследований, а в дальнейшем устройство может даже предложить самоподдерживающийся источник энергии.
«Благодаря продуманной конструкции системы вы потенциально можете создать самоподдерживающуюся петлю», — говорит Лу. «Даже когда нет солнечного света, вы можете использовать накопленную энергию в виде химического топлива.Вы можете поместить продукты водорода и кислорода в отдельные резервуары и включить другой модуль, например топливный элемент, чтобы снова превратить это топливо в электричество ».
Еще много работы, но новое устройство решает ряд проблем, с которыми сталкивались предыдущие конструкции — гидроизоляция перовскита в некоторой степени означает, что его можно помещать непосредственно в воду, например, для ускорения процесса.Команда также рассматривала экстракцию как кислорода, так и водорода, а не того или другого.
Ученые заняты экспериментами с использованием перовскита и других материалов в тандеме, чтобы попытаться увеличить количество электричества, которое мы можем генерировать от Солнца.
Одним из недостатков использования солнечных элементов на основе кристаллов перовскита является то, что они могут быть дорогими в производстве, но в этом исследовании были заменены более дешевые альтернативы — например, углерод вместо платины.
«Это снижает входной барьер для коммерческого внедрения», — говорит Лу. «Такие интегрированные устройства многообещающи, потому что они создают устойчивую систему.»
Исследование было опубликовано в ACS Nano .
Водородное топливо набирает обороты, но вот почему оно не стало массовым • Журнал Trojan Family
Водородное топливо, которое запускает ракеты НАСА в космос и обеспечивает электроэнергией через топливные элементы, производит только один продукт отходов: воду, настолько чистую, что экипаж астронавтов может ее пить.
Здесь, на Земле, первые автомобили, работающие на водородных топливных элементах, появятся на рынке в 2015 году, обещая более чистый воздух и более здоровую планету.Но если вы еще не видели его на дороге, вы не одиноки. В США их менее 7000. Так почему же водород не стал популярным в качестве альтернативы бензиновым двигателям?
Пол Ронни, профессор аэрокосмической и механической инженерии Университета Калифорнии в Витерби, изучающий процессы горения и движения, говорит, что водород имеет некоторые препятствия, в том числе эффективность и стоимость. Он изучает, что нужно, чтобы преодолеть некоторые из них. Здесь он рассказывает о роли водорода в области альтернативных видов топлива.
Какие преимущества предлагают автомобили на водородных топливных элементах?
Они не выделяют парниковые газы из выхлопной трубы, поэтому могут уменьшить загрязнение в городских районах с плохой циркуляцией воздуха, таких как Южная Калифорния в США и многие крупные города в Индии и Китае.
Автомобили, работающие на водороде, безупречно чисты. Почему мы все не ведем их?
Чистого водорода на Земле практически нет, потому что он очень реактивный. Большая часть водорода производится из метана [природного газа] в процессе производства двуокиси углерода и других парниковых газов.Водород также можно получить из воды с помощью электролиза, но для этого требуется электроэнергия. Чтобы добиться этого, мы вернемся к сжиганию ископаемого топлива.
Можно ли производить водород, не создавая парниковых газов?
Солнечное электричество можно использовать для разделения воды на водород и кислород с помощью электролиза. Поскольку солнечная энергия обеспечивает лишь часть всей электроэнергии, вырабатываемой в США, использование солнечной электроэнергии для производства водорода не снижает выбросов парниковых газов. Ситуация может измениться, если в будущем будет увеличиваться производство электроэнергии на основе солнечной энергии.
Чистота водорода зависит от энергии, используемой для его производства. Есть ли другие ограничения?
Водород в транспортных средствах должен сжиматься в дорогих резервуарах высокого давления, для чего, как вы уже догадались, требуется энергия. Современные водородные автомобили используют топливные элементы для преобразования химической энергии в энергию. Топливные элементы очень дороги, потому что они сложны и требуют дорогих материалов, таких как платина.
Мы можем это обойти?
Топливные элементы привлекательны, потому что теоретически они преодолевают ограничения эффективности, связанные с традиционными двигателями внутреннего сгорания.Думайте о потраченной впустую энергии как о тепле и шуме в традиционном автомобиле. В то время как многие ученые изучают способы сделать более дешевые топливные элементы, в моих исследованиях используется другой подход: повышение эффективности двигателей внутреннего сгорания, использующих водород.
Каковы преимущества сжигания водорода?
Прежде всего, двигатели внутреннего сгорания дешевы в изготовлении и могут быть легко модифицированы для работы на водороде. Как и в случае с топливными элементами, основными отходами являются вода, а не углекислый газ.Кроме того, в отличие от бензина, водород хорошо горит в «условиях обеднения топлива», когда кислорода намного больше, чем топлива. Это хорошо для топливной экономичности, а также значительно снижает выбросы оксидов азота.
Как насчет использования водорода в стационарных установках?
Транспортный сектор должен нести основную ответственность за сокращение выбросов парниковых газов, даже если он вносит только одну треть. Если мы серьезно настроены противодействовать изменению климата, нам необходимо также отказаться от ископаемого топлива в неавтомобильных приложениях.Идея прокачки водорода в дома или на предприятия кажется надуманной, но это возможно. Существующая инфраструктура сжиженного природного газа может быть модифицирована для использования водорода. Воспламеняемость водорода представляет собой проблему с точки зрения безопасности, но при правильных мерах предосторожности эти опасения можно уменьшить — электричество опасно, но мы все его используем.
Наука и технологииСоциальное воздействиеАэрокосмическая промышленность и машиностроениеЭнергетикаОкружающая средаУстойчивое развитие Транспорт
Из сточных вод в водород: топливо будущего?
Водород широко рекламируется как один из основных видов экологически чистого топлива, в котором мы нуждаемся.Новые технологии очистки сточных вод представляют собой потенциальный источник этого топлива будущего.
Чистая вода для чистого водорода
При сжигании водорода образуется только вода, поэтому он рассматривается как потенциальное прорывное топливо для перехода к чистой энергии. В сочетании с новыми технологиями, такими как топливные элементы, водород является экологически чистым, эффективным и чрезвычайно энергоемким, чтобы заменить традиционные жидкие топлива, такие как бензин и дизельное топливо.
Однако более 95 процентов всего водорода, производимого сегодня в мире, получают путем паровой конверсии природного газа.Этот так называемый серый водород не только намного дороже существующих альтернатив ископаемому топливу, но и не является решением проблемы изменения климата.
Следовательно, ведется поиск более дешевых и чистых способов производства водорода, а очистка воды является потенциальным источником зеленого водорода, который вызывает растущий интерес.
Хорошо известно, что анаэробное сбраживание, которое обычно встречается на водоочистных сооружениях, дает метан или природный газ. Подобно природному газу, полученному из ископаемого топлива, его затем можно преобразовать для удаления водорода.
Решение задачи сделать такой процесс более чистым, гораздо более эффективным и рентабельным в настоящее время предполагает значительный скачок вперед в Австралии с новым проектом, который, как ожидается, начнется в следующем году.
Использование сточных вод в качестве источника водорода
Hazer Group недавно объявила, что коммерческий демонстрационный проект должен начаться после окончательного инвестиционного решения и назначения Primero Group в качестве EPC-подрядчика.
Проект рассчитан на срок до трех лет или до конца 2023 года, водородный проект планируется завершить к середине 2021 года.
После ввода в эксплуатацию установка будет производить около 100 тонн водорода в год с использованием нового каталитического процесса Хейзера. При термокаталитическом разложении метана происходит расщепление природного газа при высоком давлении и температуре с использованием железорудного катализатора.
Расположенный на заводе по очистке сточных вод Woodman Point Water Corporation в Мюнстере в Западной Австралии, проект стоимостью 16,7-17 млн австралийских долларов (11,7-11,9 млн долларов США) будет использовать биогаз, полученный во время очистки воды, в качестве сырья для производства водорода и графита — фиксированный форма углерода, которая используется в нескольких производственных процессах.
Это отличает данную технологию от большинства процессов, которые удаляют водород из метана, так как они обычно производят углекислый газ. После подписания обязывающего соглашения о поставке газа с Water Corp компания перешла к стадии реализации проекта.
Круговая экономика в действии
Д-р Микаэла Кендалл, генеральный директор компании по производству топливных элементов. Аделан — ветеран водородных технологий и чемпион Великобритании по водородным вызовам в BEIS.
Обращаясь к Aquatech Online, она сказала: «Сектор технологий водородных и топливных элементов должен находить все больше и больше способов создания чистого водорода.
«Это отличный пример циркулярной экономики в действии, и мы работаем с рядом предприятий, которые могут как производить, так и использовать водород для улучшения чистой прибыли».
«Идут поиски более дешевых и чистых способов производства водорода, и очистка воды является потенциальным источником зеленого водорода, который вызывает растущий интерес».
По словам Хейзера, производимый водород будет соответствовать классу топливных элементов и может использоваться в качестве транспортного топлива с низким уровнем выбросов, для выработки электроэнергии или в экологически чистых промышленных целях.
Действительно, Hazer теперь расширил объем проекта, включив в него стационарный элемент топливного элемента, который будет способствовать развитию процесса. Значительная часть финансирования проекта поступила из гранта Австралийского агентства по возобновляемым источникам энергии (ARENA).
Комментируя разработку, Джефф Уорд, управляющий директор Hazer Group, сказал: «Это важная веха, и… ключевой шаг в демонстрации коммерческой готовности нашей технологии к растущему национальному и международному рынку водорода с низким уровнем выбросов.”
Очистка транспорта грязной водой
Компании по очистке воды также изучают другие подходы к производству водорода. Британская компания Scottish Water, например, ранее в этом году объявила, что изучает возможность использования электролиза для производства водорода и кислорода из своих сточных вод.
«Предварительные результаты показали, что производство водорода из сточных вод теперь возможно и может помочь сократить выбросы углерода».
Программа компании Scottish Water Horizons и группы исследований и инноваций работали со студентом магистратуры Strathclyde University, чтобы определить потенциал использования электролиза сточных вод.Предварительные результаты показали, что производство водорода из сточных вод теперь возможно и может помочь сократить выбросы углерода.
«Водород чище и безопаснее для окружающей среды, чем природный газ, и его можно использовать для питания наших объектов. Также продолжаются испытания, чтобы использовать его в качестве топлива для наших водородных автомобилей. Мы используем кислород в некоторых процессах очистки сточных вод, для создания которых требуется много энергии. Произведенный кислород можно было бы использовать для снижения нашего энергопотребления и выбросов углерода », — объясняет Зои Фрогбук, руководитель стратегической программы исследований и инноваций в компании Scottish Water.
Великобритания сейчас разрабатывает свою водородную стратегию, и ожидается, что она будет опубликована в начале следующего года.
Scottish Water в настоящее время заказывает более подробное технико-экономическое обоснование, которое позволит установить экономические и углеродные преимущества установки оборудования и решить, является ли оно технически и коммерчески целесообразным.
Если исследование докажет, что технология жизнеспособна, в ближайшем будущем можно будет увидеть пилотный проект с использованием новой технологии на одной из площадок компании, говорится в сообщении компании.
Переход на темную (ферментационную) сторону
Еще одно многообещающее направление исследований, которое может оказаться привлекательным для компаний по очистке сточных вод, — это производство водорода непосредственно микроорганизмами.
В так называемых методах темной ферментации бактерии, такие как Clostridium thermocellum, расщепляют органические материалы с образованием водорода.
В настоящее время ведутся серьезные исследования, чтобы установить, какие штаммы бактерий являются лучшими и каковы оптимальные условия для стимулирования производства водорода.Это включает в себя отстой сточных вод, подавляя при этом более часто встречающиеся виды, выделяющие метан.
Доктор Кендалл заключает: «На пути к чистому нулю мир все больше обращается к водороду. Поскольку Германия и Франция недавно выделили более 7 миллиардов евро на развитие водородной экономики, а Китай намерен потратить 20 миллиардов долларов до 2023 года, международное технологическое сотрудничество, такое как Mission Innovation, станет более важным в распространении хороших идей и передового опыта.
«Обязательства в отношении глобального изменения климата будут означать, что правительствам необходимо будет использовать все имеющиеся инструменты для сокращения выбросов углерода».
Потенциально сточные воды представляют собой легкодоступный, привлекательный и недорогой поток материала, из которого можно производить водород.
Действительно, исследуются и разрабатываются многочисленные различные подходы, которые могут снизить воздействие очистки воды на окружающую среду при одновременном увеличении производства водорода. Что еще более важно, сточные воды в конечном итоге могут оказаться чистым топливом будущего.
соображений о водных ресурсах для водородной экономики | K&L Gates LLP
Ранее в 2020 году K&L Gates выпустила «Справочник H 2 : правовые, нормативные, политические и коммерческие вопросы, влияющие на будущее водорода». 1 Там фирма подробно описала правительственные и коммерческие вопросы, связанные с критически важной ролью молекулярного водорода в декарбонизированной энергетике будущего для мира. 2 Одна из таких проблем связана с использованием воды в качестве сырья для получения молекулярного водорода в качестве топлива и среды для хранения энергии.
Чистая вода является ценным ресурсом во всем мире, и к ней предъявляется множество конкурирующих требований. Организация Объединенных Наций отметила, что «более 2 миллиардов человек живут в странах, испытывающих сильную нехватку воды. Ситуация, вероятно, будет ухудшаться по мере роста населения и спроса на воду, а также по мере усиления последствий изменения климата ». 3 Тем не менее, поскольку для производства водорода требуется вода, он также может усугубить водный стресс, устраняя неблагоприятные последствия изменения климата.Действительно, для производства серого и синего водорода требуется большое количество воды для пара в процессе реформирования, а для получения зеленого водорода электролизом может потребоваться до девяти килограммов воды высокой чистоты на килограмм водорода. 4 С другой стороны, при наличии достаточной вспомогательной инфраструктуры — например, опреснительных установок и установок обратного осмоса для очистки моря и сточных вод в качестве водородного сырья — а также юридических механизмов, облегчающих изменение места и цели водопользования, наличие воды может в конечном итоге оказаться меньше заботиться о производстве водорода. 5
Тем не менее, противоречие между многими потенциальными потребностями и видами использования чистой воды является одним из нескольких, о которых следует помнить, поскольку водородная экономика продолжает развиваться. Ниже мы обращаемся к нескольким связанным с водой проблемам со всего мира, которые следует учитывать при рассмотрении проектов по производству водорода: (1) В Соединенных Штатах использование воды в качестве источника водорода будет соответствовать режимам водопользования, которые различаются в зависимости от вовлеченная юрисдикция, определяющая, где расположены предприятия по производству водорода; (2) в Австралии использование воды, направленное на производство водорода, повлияет как на сельское хозяйство, так и на некоторые прибрежные общины, которые могут быть домом для инфраструктуры экспорта водорода; и (3) в Соединенном Королевстве затраты на использование воды для производства водорода в домашних условиях будут сопоставлены с затратами на импорт водорода.
США
В Соединенных Штатах использование воды в качестве сырья для производства водорода поднимает уникальные проблемы в зависимости от юрисдикции, в которой производится водород. Использование воды в восточной части Соединенных Штатов в основном управляется как прибрежный ресурс, а это означает, что если вода протекает через землю, на которой происходит производство, или примыкает к ней, ее можно «разумно использовать» при условии, что она не причиняет вреда другим пользователям. 6 По сравнению со смешанными прибрежными или чисто присвоенными режимами Среднего Запада, Горных штатов и Западного побережья прибрежные режимы обычно предлагали больше воды и более гибкие механизмы водопользования.Хотя это может говорить в пользу размещения большего количества предприятий по производству водорода в восточной части Соединенных Штатов, рост спроса и ужесточение ограничений потребуют от производителей водорода тщательно установить ограничения на водные ресурсы для размещения потенциальных производственных мощностей.
В большинстве штатов к западу от реки Миссисипи использование прибрежных территорий либо более регламентировано, либо смешано с принципами предварительного присвоения, либо полностью исключается. Предварительное присвоение — это более ограничительный режим прав на воду, требующий прав или разрешений на воду почти для каждого типа использования подземных или поверхностных вод. 7 Эти «бумажные» права имеют определенные точки изъятия, места и цели использования и подлежат отказу в периоды неиспользования. Они также строго регулируются в периоды дефицита — те, у кого более «старшие» права, имеют приоритет над теми, кто получил свои права позже. Во время засухи «младшие» правообладатели в юрисдикции предварительного присвоения могут видеть, что их вода значительно сокращается, а иногда и вовсе отсутствует. Таким образом, получение «бумажных» прав на воду для производства водорода может быть дорогостоящим и привлекать политическое внимание тех, кто выступает против использования водорода в качестве топлива или носителя для хранения энергии.Производители водорода должны учитывать ресурсы и транзакционные издержки при приобретении прав на воду в этих юрисдикциях; хотя на начальном этапе они могут быть более дорогостоящими и трудоемкими, достаточно хорошо отлаженные режимы присвоения прав, возникшие в результате нехватки воды, могут обеспечить большую регулятивную определенность. Кроме того, такие инновации, как водные банки, хорошо подходят для перехода на водород, потому что они предлагают правовые механизмы, необходимые для облегчения изменения мест и целей использования, поскольку потребности в воде смещаются с сельскохозяйственных на городские потребности или потребности в традиционно водоемких ископаемых видах топлива сокращаются. базовые нагрузки возобновляемых источников энергии.
Наконец, стоит отметить, что водопользование между штатами регулируется межгосударственными соглашениями, некоторые из которых уже много лет оспариваются законом. 8 Эти дела создадут прецедент в отношении управления большими водосборными ресурсами, взвешивания интересов и постоянно меняющихся экономических потребностей. Эти решения, как развивающаяся крупномасштабная отрасль, скорее всего, повлияют на производство водорода, учитывая количество рек и водоносных горизонтов по всей стране, которые имеют межгосударственный характер.
Австралия
В Австралии доступность воды будет ключевым фактором при производстве водорода с помощью электролиза, то есть зеленого водорода. Австралия — самый засушливый континент на Земле (за исключением Антарктиды), и права на воду — спорный и часто политизированный вопрос.
Относительно интенсивное использование воды высокой чистоты может вызвать обеспокоенность общества по поводу водопользования. Действительно, фокус-группы обычно указывают, что проблемы с водой особенно важны для австралийских фермерских сообществ, а также для более широкого сообщества, учитывая частые засухи и связанные с ними ограничения на воду во многих частях Австралии.Соответственно, водная безопасность является ключевой проблемой, которую необходимо решить, чтобы получить общественное признание и поддержку сообщества для австралийских водородных проектов, которые отвлекут использование воды от сельскохозяйственных предприятий и других видов использования на производство водорода для топлива и хранения энергии. 9
Однако общее количество воды, которое необходимо отвести для производства водорода в Австралии, невелико. По оценкам, к 2040 году водород, экспортируемый из Австралии, может потребоваться примерно 5 единиц.От 6 до 28,6 миллиардов литров воды в год. 10 Сравните это с общим потреблением воды в Австралии в 2015–2016 годах, т. Е. 16,1 триллионов литров, с отраслями, использующими около 2 триллионов литров из этого количества, 11 , и можно сделать вывод, что водород Производство для австралийского экспорта 12 требует гораздо меньше воды, чем другие отрасли.
Несмотря на это, использование воды в качестве сырья для производства водорода в Австралии останется ключевым направлением оценки заявок на одобрение новых водородных проектов, особенно для проектов, расположенных в районах, испытывающих нехватку воды.Учитывая цели Австралии по производству водорода для экспорта в такие страны, как Япония и другие, социальное признание и поддержка местного населения, где предлагается разместить электролизеры и другую соответствующую инфраструктуру (обычно вдоль береговой линии), будут иметь решающее значение для создания и роста устойчивого производства водорода. промышленность в Австралии и может создать коммерческие и репутационные риски для производителей водорода.
С юридической точки зрения, промышленные права на воду могут быть получены (за плату) во всех австралийских штатах и территориях, и лицензии на доступ к воде вряд ли наложат ограничения на операции в результате относительно либеральной политики.Однако покупка водораспределения увеличит базовые затраты на производство водорода, которые могут резко колебаться в зависимости от количества осадков в данном году.
Кроме того, для сохранения социальной лицензии и поддержки проектов со стороны сообщества производителям водорода может потребоваться полагаться на непитьевые источники воды, чтобы гарантировать, что они сохранят признание и поддержку сообщества. Это может привести к дополнительным производственным затратам на очистку воды до приемлемого стандарта для производства водорода, например, с помощью обратного осмоса или опреснения.
В результате для любого производителя водорода, открывающего свою деятельность в Австралии, будет очень важно тщательно рассмотреть доступность воды и подготовить подробные планы действий в чрезвычайных ситуациях, чтобы учесть потенциальные ограничения на воду и колебания оптовых цен на воду во время периодических засух, которые иногда могут длиться несколько раз. годы.
Соединенное Королевство
В Великобритании водород можно получить путем электролиза воды с использованием любого источника энергии, включая ядерную, ветровую и солнечную энергию.Производство водорода может быть ограничено доступными внутренними и прибрежными водными ресурсами. Большое количество воды, необходимое для производства водорода, может ограничить процесс в Соединенном Королевстве, в зависимости от того, где расположены производственные мощности. На практике для внутренних водородных предприятий потребуется подключение к местному водопроводу. 13
С юридической точки зрения, Департамент окружающей среды, продовольствия и сельских районов несет общую ответственность за разработку политики и нормативной базы для водных ресурсов в Соединенном Королевстве.Его политика предполагает, что компании водоснабжения будут обеспечивать устойчивое водоснабжение, поддерживаемое надежными планами управления водными ресурсами. Чтобы обеспечить это, департамент наблюдает за сложным ландшафтом предоставления услуг многочисленными региональными регулирующими органами и частными компаниями водоснабжения. По характеру этого регионализированного подхода региональные компании водоснабжения могут расходиться во мнениях относительно того, как вода направляется для производства водорода, если регулирующий орган не наложит на них централизованную основу. Неясно, появится ли такой централизованный подход одновременно с появлением производства водорода в Соединенном Королевстве.
Кроме того, Управление по регулированию водоснабжения регулирует услуги водоснабжения, предоставляемые компаниями водоснабжения, а Агентство по окружающей среде регулирует лицензии на водозабор, относящиеся к источникам поверхностных и подземных вод, чтобы гарантировать, что водозаборы не нарушают права других водозаборов и оставляют достаточно воды для окружающей среды. потребности. 14 Этим участникам почти наверняка потребуется рассмотреть вопрос о производстве водорода, поскольку он приобретает опору в Соединенном Королевстве, и отреагировать соответствующим образом.В противном случае эти агентства рискуют оставить без ответа многие нормативные вопросы, касающиеся использования воды для новой цели производства водорода.
Если такой проект расположен недалеко от берега, можно было бы установить опреснительную установку и забирать морскую воду для потребления. 15 Хотя оба решения возможны для производства водорода в Соединенном Королевстве, еще предстоит выяснить, будет ли импорт водорода, произведенного в другом месте, более жизнеспособным, учитывая размер страны и доступные водные ресурсы.В Соединенном Королевстве низкоуглеродный водород можно производить по цене около 15–25 фунтов стерлингов за МВтч в странах с дешевым газом и возобновляемыми ресурсами. Однако транспортировка этого водорода в Соединенное Королевство, вероятно, увеличит стоимость водорода примерно на 20 фунтов стерлингов за МВтч. Это такой же диапазон затрат, что и затраты на производство водорода в Соединенном Королевстве, подразумевая, что импортный водород может играть дополнительную роль в производстве водорода внутри страны, но не обязательно дешевле. 16
Заключение
Поскольку мир стремится к декарбонизации производства энергии и экономического развития, водород, вероятно, будет играть центральную роль в этом процессе.Однако, поскольку для производства водорода в качестве топлива требуется большое количество воды, экономия водорода и рост энергетической базы увеличат нагрузку на водные ресурсы. Эта реальность будет определять рынки водорода в разных странах из-за их различной правовой, политической и экономической среды. Описанные выше проблемы водопользования — это лишь некоторые из немногих, которые наверняка возникнут по мере развития самой водородной экономики.
1 K&L Gates LLP, Справочник H 2 , https: // www.klgates.com/epubs/h3-handbook/index.html (последнее посещение — 19 ноября 2020 г.) («Справочник H 2 »).
2 Справочник H 2 подразделяется на глобальные регионы: США, Европейский Союз (включая более подробное обсуждение, касающееся Германии), Соединенное Королевство, Япония и Австралия.
3 Организация Объединенных Наций, Цель 6 в области устойчивого развития: Сводный отчет 2018 по воде и санитарии, https://www.unwater.org/app/uploads/2018/12/SDG6_SynthesisReport2018_WaterandSanitation_04122018.pdf (последнее посещение: 19 ноября 2020 г.).
4 Сэм Брюс и др., Национальная дорожная карта по водороду: пути к экономически устойчивой водородной промышленности в Австралии, CSIRO xix (Austl.) (2018), https://www.csiro.au/en/Do-business / Futures / Reports / Energy-and-Resources / Hydrogen-Roadmap (перейдите по гиперссылке «Основной отчет [pdf • 5mb]»).
5 Hydrogen Europe, Производство водорода и потребление воды, https://hydrogeneurope.eu/sites/default/files/Hydrogen%20production%20%26%20water%20consuming_fin.pdf (декабрь 2020 г.) («развенчание» мифов о потреблении воды и производстве водорода).
6 См., Например, Jowers v. S.C. Dep’t of Health & Envtl. Control, 423 S.C. 343, 355 (2018) (с описанием прибрежных прав и их разумного использования).
7 Ср. Baker v. Ore-Ida Foods, Inc., 95 Айдахо 575, 579 (1973) (описание доктрины предварительного присвоения).
8 См., Например, Молли К. Баркер, Натали Дж. Рид, Алисса А. Мойр, Превью Верховного суда в 2020–2021 годах: межгосударственные права на воду, K&L Gates (август.4, 2020), https://www.klgates.com/supreme-courts-20202021-preview-interstate-water-rights-8-4-2020 (обсуждение четырех дел о правах на воду в Верховном суде США на период с 2020 по 2020 год). Срок 2021 г.).
9 Энергетический совет COAG, Национальная водородная стратегия Австралии 60 (ноябрь 2019 г.), https://www.industry.gov.au/sites/default/files/2019-11/australias-national-hydrogen-strategy.pdf .
10 Acil Allen Consulting для Австралийского агентства по возобновляемой энергии, возможности для Австралии в результате экспорта водорода 37 (август.2018), https://arena.gov.au/assets/2018/08/opportunities-for-australia-from-hydrogen-exports.pdf.
11 См. Ид. № 6.
12 Прогнозы использования воды для удовлетворения внутреннего спроса на водород в Австралии менее надежны.
13 H 2 Справочник на [PDF стр.] 17.
14 Dep’t for Env’t, Food & Rural Affs., Управление спросом и предложением воды (11 июня 2020 г.), https://www.nao.org.uk/wp-content/uploads/2020/ 03 / Управление спросом и предложением воды — Резюме.pdf.
15 См. Ид.
16 Комм. об изменении климата, водород в низкоуглеродной экономике (ноябрь 2018 г.), https://www.theccc.org.uk/wp-content/uploads/2018/11/Hydrogen-in-a-low-carbon-economy .pdf.
.