Получение водорода из воды: создана новая технология получения водорода из воды

Содержание

создана новая технология получения водорода из воды

Инженеры из Техасского университета в Остине предложили доступный способ отделения молекулы кислорода от молекулы воды с помощью солнечного света.

Эта технология приближает наступление эры водородного топлива, которая в перспективе приведёт к полному отказу от углеводородов (нефти и газа) в качестве основных источников энергии.

Начнём с того, что водород (H) – самый распространённый химический элемент во Вселенной.

При обычных температуре и давлении воздуха на Земле водород можно встретить в виде бесцветного двухатомного газа (H2). Однако большая часть водорода на Земле содержится в органических соединениях (в связке с углеродом) и воде (H2O).

В присутствии воздуха H2 становится в высшей степени взрывоопасен — при реакции водорода с кислородом высвобождается большое количество энергии.

Поэтому исследователи уже давно рассматривают водород как один из перспективных источников энергии, а создание и использование водородного топлива считается будущим энергетической промышленности.

У водородного топлива есть множество плюсов — оно позволит сократить выбросы углекислого газа в атмосферу, к тому же КПД водородного двигателя заметно выше, чем у двигателя внутреннего сгорания.

При этом минусов у водородного транспорта на сегодняшний день насчитывается тоже немало. Очевидно, что горючесть водорода представляет высокую опасность: как самовоспламенения сжатого газа внутри двигателя, так и возможной утечки газа в салон автомобиля, где малейшая искра может вызвать взрыв.

Кроме этого, сегодня производство водородного топлива зависит от ископаемых углеводородов, и к тому же стоит непомерно дорого.

Поэтому инженеры всего мира стремятся разработать новые экологические чистые методы производства водородного топлива, самым популярным из которых является выделение водорода из воды с помощью солнечного света.

Эта задача сопряжена с несколькими техническими трудностями.

«Вам потребуются материалы, которые хорошо поглощают солнечный свет, но при этом не разлагаются, когда происходит реакция расщепления воды. Оказывается, материалы, которые хорошо поглощают солнечный свет, обычно нестабильны в условиях, которые требуются для реакции расщепления воды, в то время как стабильные материалы плохо поглощают свет», – объясняет соавтор работы профессор Эдвард Юй (Edward Yu) из Техасского университета в Остине.

Всё выглядит так, будто эти противоречивые требования заставляют учёных искать некий компромисс, однако разрешить этот «конфликт» можно и другим способом. Использование комбинации разных материалов – одного, который хорошо поглощает солнечный свет (к примеру, кремния), и другого, который обеспечивает стабильность разработки (такого как диоксид кремния) – поможет в создании эффективной технологии расщепления воды.

Именно этим способом и воспользовались авторы новой разработки.

Главный прорыв, который удалось совершить исследователям, заключается в создании электропроводящих путей сквозь толстый слой диоксида кремния. Для этого инженеры покрывают диоксид кремния тонким слоем алюминия и нагревают получившуюся структуру. Так получаются наноразмерные «шипы» алюминия по всей поверхности диоксида кремния. После этой процедуры их легко можно заменить никелем или другими материалами, ускоряющими расщепление воды.

Этот метод не требует больших финансовых вложений, более того, его легко можно масштабировать для больших объёмов производства. Это ли не мечта любого сторонника водородной энергетики?

Освещённое солнечным светом устройство эффективно окисляет воду, образуя, с одной стороны, молекулы кислорода, а на отдельном электроде — молекулы водорода. Оно также доказало свою стабильность при длительной эксплуатации.

Внешний вид устройства.

Методы, которые использовались для создания этого устройства, уже широко применяются в производстве полупроводниковой электроники. Опять же, это значит, что их легко будет внедрить в массовое производство устройств, генерирующих водород.

Команда инженеров, создавших этот прибор, уже подала заявку на патент нового устройства.

Далее исследователи планируют работать над увеличением скорости реакции расщепления воды. В то же время перед ними продолжает стоять основная задача — эффективное получение водорода с помощью этого устройства.

«Сначала мы смогли обратиться к кислородной стороне этой реакции, это было самой сложной задачей. Но чтобы полностью расщепить молекулу воды, необходимо выполнить реакции выделения как кислорода, так и водорода. Поэтому нашим очередным шагом станет применение существующих идей для создания устройств, обеспечивающих водородную часть реакции», – добавил профессор Юй.

Работа американских учёных была опубликована в июне 2021 года в издании Nature Communications.

Напомним, ранее мы писали о техническом прорыве, который поможет в создании полностью прозрачных солнечных элементов. Сообщали мы и о новом катализаторе, который сделает производство водородного топлива более доступным.

Больше новостей из мира науки вы найдёте в разделе «Наука» на медиаплатформе «Смотрим».

Тестовое оборудование для установок по производству водорода электролизом воды

Водород является уникальным энергоносителем, обладающим высокими эксплуатационными и технологическими показателями. Он имеет очень высокой теплоту сгорания, а продуктом горения в кислороде является вода, которая может вновь использоваться для получения водорода. Низкая вязкость и плотность газа позволяют практически без потерь давления транспортировать его по трубопроводам. Водород может транспортироваться и храниться как в газообразном, так и сжиженном состоянии. А кроме того он безопасен для окружающей среды и не токсичен.

Однако в чистом виде водород в природе не встречается. Существует целый ряд методов его получения. Разнообразие этих методов — одно из преимуществ водородной энергетики.

Нет сильной зависимости от какого-либо отдельного вида сырья.

Наиболее распространенным способом получения водорода является паровая конверсия посредством реакции углеводородов (природный газ) с паром при высоких температурах. При этом в качестве побочного продукта выделяются парниковые газы, выброс которых в настоящее время стараются минимизировать. Другой способ производства водорода – электролиз воды. Здесь отсутствуют вредные выбросы. А цена и эффективность процесса электролиза сопоставима с технологией паровой конверсии.

В электролизере под воздействием подаваемого напряжения вода разделяется на водород и кислород. Для получения более чистого водорода оба газа должны быть отделены друг от друга разделительной мембраной. При создании электролизеров стоит задача определения характеристик пропускания таких мембран. Испытательное оборудование должно обеспечивать точную подачу чистых водорода и кислорода, а измерять расход и состав прошедшего через мембрану газа.

Специалистами Bronkhorst было предложено следующее решение. Подача кислорода к испытуемой мембране осуществлялась кориолисовым регулятором массового расхода серии miniCORI-FLOW, а водорода – тепловым регулятором расхода серии EL-FLOW Prestige. Часть подаваемого газа, которая проходит через мембрану, поступает в трехходовой кран. В одном положении крана можно измерять расход прошедшего газа с помощью теплового расходомера EL-FLOW Prestige. В другом – состав газа с помощью двойного датчика водород/кислород. Особенность использованного датчика состояла в том, что для его работы требовался определенный расход газа.

Высокая точность и стабильность поддержания расхода использованными расходомерами позволила с успехом решить поставленную задачу. Позже было принято решение об установке четвертого расходомера для измерения части подаваемого газа, не прошедшего через мембрану и имеющего высокую концентрацию кислорода. Выбор был сделан в пользу кориолисового расходомера серии miniCORI-FLOW.

Вода для производства водорода | Экодар

Водород — газ, который используется в различных сферах промышленности. Одним из способов его получения является электролиз. Этот процесс подразумевает пропускание через воду электрического тока, в результате чего молекулы воды разлагаются на водород и кислород.

Для электролиза важна чистота и химический состав воды. Поэтому предприятия химической промышленности должны предварительно фильтровать воду для производства водорода и нормализовать ее химический состав в соответствии с установленными требованиями.

Особенности технологии электролиза

Получение водорода методом электролиза — наиболее экономичная и простая технология. Она требует небольших энергозатрат и позволяет получать большие объемы альтернативного газа. Водород можно добывать из любой воды, но перед этим она должна проходить очистку от посторонних примесей. Электролиз проводится в деминерализованной воде, чтобы исключить влияние растворенных и нерастворенных веществ на процесс.

При пропускании через воду электрического тока молекула воды распадается на два атома — водорода и кислорода. Причем первого получается в 2 раза больше, чем второго (из-за количества атомов). Таким образом, при обработке 0,5 литра воды можно получить около кубометра обоеих газов. Затраты электричества на разложение молекул составят 4 квт/ч.

Электролиз воды для получения водорода имеет такие преимущества:

  • Сырье для производства газа всегда доступно. Воду можно получать из скважин, естественных водоемов или водопровода. Но перед этим она должна пройти фильтрацию на установках обратного осмоса или другом подобном оборудовании.
  • При производстве водорода не образуется загрязняющих веществ. Под действием электрического тока вода разлагается на водород и кислород. Дополнительных компонентов в жидкости нет, так как перед этим она пропускается через молекулярную мембрану.
  • Процесс электролиза полностью автоматизирован. Не нужно привлекать большое количество персонала для поддержания работы электрических установок.

Полученный методом электролиза воды водород можно использовать в таких сферах:

  • Предприятия химической промышленности для получения других соединений органического происхождения;
  • На фабриках по производству продуктов питания для гидрогенизации жиров;
  • На производстве электронных компонентов для получения кремния в восстановительных химических реакциях;
  • На нефтехимическом производстве для улучшения качества топлива и нефтепродуктов;
  • На металлургических заводах для восстановления цветных металлов и получения тугоплавких сплавов;
  • В качестве хладагента в охладительных установках электрогенераторов;
  • Для получения горючего газа при сваривании металлов;
  • Для изготовления ракетного топлива.

Преимущества использования обратного осмоса

Для комплексной очистки воды от различных примесей и дальнейшего ее применения можно использовать установки обратного осмоса. Эти фильтры отличаются тем, что позволяют удалить из жидкости до 99,9% загрязнений. Таким образом можно упростить, ускорить и удешевить процесс водоподготовки на производстве.

Технически установка обратного осмоса представляет собой мембрану, через которую под определенным давлением просачивается вода. Мембрана имеет сетчатую структуру. Но размер ячеек настолько мал, что через них могут просочиться только молекулы воды. Остальные компоненты остаются и сбрасываются в канализацию.

Для создания обратноосмотического давления используются специальные насосы, которые являются частью промышленной установки водоочистки.

Обратный осмос может удалить из воды такие загрязнения:

  • Любые микроскопические вещества, которые находятся в воде в коллоидном состоянии. Более крупные частицы обычно очищаются до подачи в обратный осмос с помощью седиментных фильтров. В противном случае ресурс мембраны быстро исчерпается.
  • Любые растворенные вещества. Обратный осмос может умягчить воду и удалить из нее двухвалентное железо, марганец. Таким образом никакие вещества не будут мешать протеканию электролиза и выделению водорода с кислородом из воды.

Обратный осмос может иметь высокую производительность. Специалисты компании Экодар выполняют необходимые расчеты и собирают установки водоочистки, которые позволяют получать большие объемы воды для крупных предприятий.

Установки для очистки воды от компании Экодар

Производственное предприятие Экодар предлагает установки для очистки воды различного назначения и производительности. В каталоге на сайте можно найти устройства для индивидуального применения, для использования на общественных и производственных объектах.

Компания предлагает различные виды установок обратного осмоса. Они отличаются друг от друга производительностью, наличием дополнительных аксессуаров для комфортного использования, сферой применения.

Примеры доступных для заказа устройств:

  • Осмос 400 – готовое к использованию решение для водоподготовки. Состоит из фильтра обратного осмоса и дополнительных модулей, обеспечивающих его работу. Оборудование имеет компактные размеры и легко интегрируются в систему водопровода. Производительность составляет до 1500 литров в сутки (400 галлонов). Подходит для производства водорода в небольших количествах.
  • Осмос 800S — это фильтр обратного осмоса, собранный на компактной раме. Для подключения достаточно врезать систему в водопровод. Картридж предварительной фильтрации и угольный уже входят в комплект. Эту установку можно использовать для очистки воды с целью получения водорода. Одна из особенностей модели с индексом S — наличие накопительного бака, в котором хранится запас очищенной воды. Производительность модели — 3000 литров или 800 галлонов в сутки.
  • Промышленная установка обратного осмоса — оборудование с высокой производительностью, длительным сроком службы и надежностью. С помощью промышленной системы можно максимально очистить воду от примесей в непрерывном режиме.

Для получения консультаций и оформления заказа обратитесь к менеджерам отдела по работе с клиентами.

Больше чем просто источник энергии

Водород используется в различных промышленных процессах, начиная от производства синтетического топлива и нефтехимии до изготовления полупроводников и электромобилей на водородных топливных элементах. Чтобы уменьшить вредное воздействие на окружающую среду в связи с производством 70 млн тонн водорода в год, некоторые страны обращаются к ядерной энергетике.

«Например, перевод всего лишь 4% текущего производства водорода на электроэнергию, вырабатываемую АЭС, позволил бы уменьшить выбросы углекислого газа на 60 млн тонн в год, — объясняет Хамис. — А если бы весь водород производился с использованием ядерной энергии, то можно было бы говорить о сокращении выбросов углекислого газа на более чем 500 млн тонн в год».

Ядерные энергетические реакторы могут быть соединены с установкой по производству водорода в единую систему когенерации для экономически эффективного производства одновременно электроэнергии и водорода. При производстве водорода когенерационная система оснащается компонентами либо для электролиза, либо для термохимических процессов. Электролиз — это процесс выделения водорода и кислорода из молекул воды с помощью постоянного электрического тока. Электролиз воды проходит при относительно низких температурах от 80°C до 120°C, в то время как электролиз водяного пара проводится при гораздо более высоких температурах и поэтому является более эффективным. Электролиз пара может идеально подходить для интеграции с усовершенствованными высокотемпературными АЭС, поскольку для этого процесса требуется подвод теплоносителя с температурой от 700°C до 950°C.

Термохимические процессы позволяют производить водород с помощью химических реакций с определенными соединениями при высоких температурах для расщепления молекул воды. Усовершенствованные ядерные реакторы, способные работать при очень высоких температурах, также могут использоваться в целях производства тепла для этих процессов.

«Производство водорода с использованием серно-йодного цикла, в частности, имеет большой потенциал в плане расширения масштабов применения для обеспечения устойчивой и долгосрочной эксплуатации, — рассказывает Хамис. — Разработка этого метода с использованием конструкций японского реактора HTTR и китайских конструкций HTR‑PM 600 и HTR‑10 является весьма многообещающей, в рамках других исследовательских инициатив также продолжает наблюдаться отличный прогресс».

В настоящее время несколько стран внедряют производство водорода с использованием АЭС или изучают такую возможность в целях содействия декарбонизации своего энергетического, промышленного и транспортного секторов. Это позволяет также увеличить отдачу от АЭС, что может способствовать повышению ее рентабельности.

МАГАТЭ оказывает поддержку странам, заинтересованным в производстве водорода, посредством различных инициатив, в том числе проектов координированных исследований и технических совещаний. Оно разработало также Программу экономической оценки водорода (HEEP) — инструмент для проведения экономической оценки крупномасштабного производства водорода с помощью ядерной энергии. В начале 2020 года МАГАТЭ запустило также электронный учебный курс, посвященный производству водорода с помощью ядерной когенерации.

«Производство водорода с использованием АЭС имеет большой потенциал в плане содействия усилиям по декарбонизации, но сначала необходимо решить ряд вопросов, таких как определение экономической целесообразности включения производства водорода в более широкую энергетическую стратегию, — говорит Хамис. — Для производства водорода с помощью термохимических процессов расщепления воды требуются инновационные реакторы, работающие при очень высоких температурах, однако в ближайшие годы ввод таких реакторов в эксплуатацию не ожидается. Аналогичным образом, чтобы серно-йодный процесс окончательно оформился и мог использоваться в коммерческих масштабах, нужно еще несколько лет НИОКР». Он добавляет, что с лицензированием ядерно-энергетических систем, включающих не связанные с производством электроэнергии применения, также могут возникать сложности.

Российские разработки сделают водородную энергетику дешевле и безопаснее

https://ria.ru/20220113/mifi-1767535459.html

Российские разработки сделают водородную энергетику дешевле и безопаснее

Российские разработки сделают водородную энергетику дешевле и безопаснее — РИА Новости, 20.01.2022

Российские разработки сделают водородную энергетику дешевле и безопаснее

Сегодня ученые всего мира ведут исследования в области развития водородной энергетики. В Институте лазерных и плазменных технологий Национального… РИА Новости, 20.01.2022

2022-01-13T09:00

2022-01-13T09:00

2022-01-20T15:33

наука

технологии

москва

национальный исследовательский ядерный университет «мифи»

навигатор абитуриента

университетская наука

россия

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdnn21. img.ria.ru/images/07e5/06/11/1737393141_0:252:2985:1931_1920x0_80_0_0_401db75ef6325ca5137c2e83dd9338be.jpg

МОСКВА, 13 янв — РИА Новости. Сегодня ученые всего мира ведут исследования в области развития водородной энергетики. В Институте лазерных и плазменных технологий Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» (Институт ЛаПлаз НИЯУ МИФИ) ведутся разработки новых экологически чистых катализаторов для получения водорода из воды, а также материалов для хранения и транспортировки полученного топлива. Полученные результаты помогут сделать водородную энергетику дешевле, экологичнее и безопаснее, считают исследователи вуза.Получение водородаСуществуют несколько методов получения водорода, один из наиболее простых — электролиз — заключается в расщеплении воды под действием электрического тока. Источником тока могут быть как экологически чистые солнечные батареи, так и атомные электростанции, также не использующие углеродного топлива.Ученые НИЯУ МИФИ активно участвуют в разработке новых электродов, необходимых для эффективного электролиза. Для этого требуются достаточно дешевые материалы, а их компоненты должны быть распространены в природе, поэтому исследователи создают новые наноструктурированные материалы.К примеру, сульфид молибдена можно получить из концентрата природного минерала молибденита, тонна которого стоит в 10 миллиардов раз дешевле, чем тонна платины — самого эффективного катализатора расщепления воды, сообщил заведующий лабораторией лазерного синтеза многофункциональных наноматериалов Института ЛаПлаз НИЯУ МИФИ, профессор Вячеслав Фоминский.По его словам, для придания сульфиду молибдена таких же уникальных каталитических свойств, как у платины, необходимо получить его нано-размерные аморфные кластеры или ультратонкие и даже монослойные кристаллы. Для создания высокоэффективных электродов требуется нанести тонкие, толщиной в доли микрометров пленки новых наноматериалов на достаточно дешевые углеродные пластинки.Сотрудники лаборатории разработали комплекс лазерных методов, позволяющих гибко регулировать условия осаждения тонких пленок на электроды и получать пленки с требуемым химическим составом и оптимальной упаковкой атомов. Другая важная задача, которую решают ученые НИЯУ МИФИ, связана с минимизацией применения традиционных источников электрической энергии и активным использованием энергии солнца. Полупроводниковые свойства новых каталитических наноматериалов позволяют делать и это.»Разрабатываемые нами лазерные технологии позволяют не только создавать перспективные новые пленки-катализаторы, но и повышать эффективность преобразования солнечной энергии в самих полупроводниковых электродах. Образующиеся под действием света электроны проникают в пленку-катализатор и достигают ее поверхности, где и образуется молекула водорода за счет нейтрализации ионизованных атомов водорода. Мы достигли эффективности получения водорода почти в 10 процентов. Эта величина не уступает результатам зарубежных исследований на аналогичных материалах с применением экологически вредных методов химического синтеза», — отметил Фоминский.Российский научный фонд активно поддерживает подобные исследования, в том числе по проекту №19-19-00081. Накопление и хранение водородаКак и любое другое топливо, водород необходимо в чем-то накапливать и хранить. Существуют три основных конкурирующих способа накопления и хранения водорода, которые соответствуют трем основным состояниям вещества (газ, жидкость и твердое тело).В газообразном состоянии водород сжимается до больших давлений и хранится в толстостенных баллонах, как обычный природный газ. Для перевода водорода в жидкое состояние его надо охладить до очень низкой температуры (примерно -250˚С). При этом его плотность возрастает, и в том же объеме можно запасать существенно большее количество водорода.Третий способ хранения заключается в насыщении водородом (гидрировании) некоторых металлов с образованием новых твердотельных структур. В полученных гидридах плотность водорода огромна, на один атом металла может приходиться до 4 атомов водорода.Каждый из способов имеет свои достоинства и недостатки, но во многих случаях наиболее предпочтительны твердотельные накопители. Сотрудники лаборатории взаимодействия плазмы с поверхностью и плазменных технологий Института ЛаПлаз НИЯУ МИФИ исследуют поведение водорода в металлах, в том числе в твердотельных накопителях, сообщил заведующий лабораторией, профессор Александр Писарев. По словам эксперта, существенный плюс пленочных накопителей — быстрота срабатывания, которая принципиально важна для ряда приложений. Они мгновенно нагреваются током, пропускаемым через тонкий слой металла, а порошковые накопители более инертны и требуют время для прогрева порошка.Для создания пленочных накопителей принципиально важно правильно выбрать водород-активный материал и разработать технологии его нанесения. Этими вопросами занимаются сотрудники НИЯУ МИФИ.»На первый взгляд все очень просто: насытили водородом, нагрели, и все. Однако, факторов, которые влияют на этот процесс, чрезвычайно много. Для изучения поведения водорода в тонких пленках в нашей лаборатории создана уникальная экспериментальная установка, которая позволяет наносить пленки в строго контролируемых условиях, насыщать их водородом как при нанесении, так и после, и исследовать выделение водорода из пленок методом программируемой термодесорбции. Каждая из операций проводится в своей вакуумной камере с переносом образца между камерами без контакта с атмосферой», — отметил Писарев. С помощью этой установки сотрудники лаборатории рассчитывают получать интересные научные и прикладные результаты. Исследования проводятся в рамках программы «Приоритет—2030».

https://na.ria.ru/20211021/mifi-1755364507.html

https://ria.ru/20210929/mifi-1752172905.html

https://ria.ru/20210915/mifi-1750020050.html

москва

россия

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

2022

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

https://cdnn21. img.ria.ru/images/07e5/06/11/1737393141_0:0:2732:2048_1920x0_80_0_0_d793d81e0021f25db723e71bbab7ffd2.jpg

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

технологии, москва, национальный исследовательский ядерный университет «мифи», навигатор абитуриента, университетская наука, россия

МОСКВА, 13 янв — РИА Новости. Сегодня ученые всего мира ведут исследования в области развития водородной энергетики. В Институте лазерных и плазменных технологий Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» (Институт ЛаПлаз НИЯУ МИФИ) ведутся разработки новых экологически чистых катализаторов для получения водорода из воды, а также материалов для хранения и транспортировки полученного топлива. Полученные результаты помогут сделать водородную энергетику дешевле, экологичнее и безопаснее, считают исследователи вуза.

Получение водорода

Существуют несколько методов получения водорода, один из наиболее простых — электролиз — заключается в расщеплении воды под действием электрического тока. Источником тока могут быть как экологически чистые солнечные батареи, так и атомные электростанции, также не использующие углеродного топлива.

Ученые НИЯУ МИФИ активно участвуют в разработке новых электродов, необходимых для эффективного электролиза. Для этого требуются достаточно дешевые материалы, а их компоненты должны быть распространены в природе, поэтому исследователи создают новые наноструктурированные материалы.

21 октября 2021, 09:00

Новый «космос»: кто изучает водородную энергетику в России

К примеру, сульфид молибдена можно получить из концентрата природного минерала молибденита, тонна которого стоит в 10 миллиардов раз дешевле, чем тонна платины — самого эффективного катализатора расщепления воды, сообщил заведующий лабораторией лазерного синтеза многофункциональных наноматериалов Института ЛаПлаз НИЯУ МИФИ, профессор Вячеслав Фоминский.

По его словам, для придания сульфиду молибдена таких же уникальных каталитических свойств, как у платины, необходимо получить его нано-размерные аморфные кластеры или ультратонкие и даже монослойные кристаллы. Для создания высокоэффективных электродов требуется нанести тонкие, толщиной в доли микрометров пленки новых наноматериалов на достаточно дешевые углеродные пластинки.

Сотрудники лаборатории разработали комплекс лазерных методов, позволяющих гибко регулировать условия осаждения тонких пленок на электроды и получать пленки с требуемым химическим составом и оптимальной упаковкой атомов.

«Мы используем лазерное излучение для испарения и ионизации мишеней, изготовленных из дисульфида молибдена. Подбирая интенсивность лазерного облучения мишени и условия разлета лазерной плазмы до электрода, мы выращиваем пленки с требуемыми характеристиками. Наши экологически чистые методы позволяют получить катализаторы, которые не уступают лучшим мировым образцам, полученным с применением опасных реагентов», — рассказал он.

Другая важная задача, которую решают ученые НИЯУ МИФИ, связана с минимизацией применения традиционных источников электрической энергии и активным использованием энергии солнца. Полупроводниковые свойства новых каталитических наноматериалов позволяют делать и это.

«Разрабатываемые нами лазерные технологии позволяют не только создавать перспективные новые пленки-катализаторы, но и повышать эффективность преобразования солнечной энергии в самих полупроводниковых электродах. Образующиеся под действием света электроны проникают в пленку-катализатор и достигают ее поверхности, где и образуется молекула водорода за счет нейтрализации ионизованных атомов водорода. Мы достигли эффективности получения водорода почти в 10 процентов. Эта величина не уступает результатам зарубежных исследований на аналогичных материалах с применением экологически вредных методов химического синтеза», — отметил Фоминский.

Российский научный фонд активно поддерживает подобные исследования, в том числе по проекту №19-19-00081.

Накопление и хранение водорода

Как и любое другое топливо, водород необходимо в чем-то накапливать и хранить. Существуют три основных конкурирующих способа накопления и хранения водорода, которые соответствуют трем основным состояниям вещества (газ, жидкость и твердое тело).

В газообразном состоянии водород сжимается до больших давлений и хранится в толстостенных баллонах, как обычный природный газ. Для перевода водорода в жидкое состояние его надо охладить до очень низкой температуры (примерно -250˚С). При этом его плотность возрастает, и в том же объеме можно запасать существенно большее количество водорода.

29 сентября 2021, 09:00НаукаРоссийские ученые создают виртуальный ядерный реактор

Третий способ хранения заключается в насыщении водородом (гидрировании) некоторых металлов с образованием новых твердотельных структур. В полученных гидридах плотность водорода огромна, на один атом металла может приходиться до 4 атомов водорода.

Каждый из способов имеет свои достоинства и недостатки, но во многих случаях наиболее предпочтительны твердотельные накопители. Сотрудники лаборатории взаимодействия плазмы с поверхностью и плазменных технологий Института ЛаПлаз НИЯУ МИФИ исследуют поведение водорода в металлах, в том числе в твердотельных накопителях, сообщил заведующий лабораторией, профессор Александр Писарев.

«Накопитель представляет собой емкость, наполненную мелким (порядка микрона) металлическим порошком. Она «заряжается» водородом путем нагрева порошка в атмосфере водорода и затем «разряжается» путем нагрева, освобождая водород для его использования в топливном цикле. Другой тип твердотельных накопителей – пленочные накопители, в которых в атмосфере водорода на тонкую ленту наносится тонкий слой водород-активного металла. Такие накопители разрабатываются в НИИЭФА им. Д.В.Ефремова по программе Росатома. В одном цикле происходит и нанесение металла, и его насыщение водородом», — рассказал он.

По словам эксперта, существенный плюс пленочных накопителей — быстрота срабатывания, которая принципиально важна для ряда приложений. Они мгновенно нагреваются током, пропускаемым через тонкий слой металла, а порошковые накопители более инертны и требуют время для прогрева порошка.

Для создания пленочных накопителей принципиально важно правильно выбрать водород-активный материал и разработать технологии его нанесения. Этими вопросами занимаются сотрудники НИЯУ МИФИ.

«На первый взгляд все очень просто: насытили водородом, нагрели, и все. Однако, факторов, которые влияют на этот процесс, чрезвычайно много. Для изучения поведения водорода в тонких пленках в нашей лаборатории создана уникальная экспериментальная установка, которая позволяет наносить пленки в строго контролируемых условиях, насыщать их водородом как при нанесении, так и после, и исследовать выделение водорода из пленок методом программируемой термодесорбции. Каждая из операций проводится в своей вакуумной камере с переносом образца между камерами без контакта с атмосферой», — отметил Писарев.

С помощью этой установки сотрудники лаборатории рассчитывают получать интересные научные и прикладные результаты. Исследования проводятся в рамках программы «Приоритет—2030».

15 сентября 2021, 03:00НаукаУникальный физический эффект показали в российской лаборатории

ВОДОРОД ВМЕСТО УГЛЕВОДОРОДОВ | Наука и жизнь

Водород — самое экологически чистое топливо на Земле: при его сгорании образуется только вода. В качестве энергоносителя водород можно использовать для получения электричества и тепла в промышленности, в быту, на транспорте. В частности, с помощью водородных топливных элементов, в которых происходит прямое преобразование химической энергии в электричество, уже созданы опытные образцы электромобилей (см. «Наука и жизнь № 8, 2003 г.). Существует также много способов безопасного хранения и транспортировки водорода. А не нанесут ли вреда природе технологические процессы получения водорода?

В настоящее время водород в промышленных масштабах получают паровой конверсией метана (природного газа). При температуре 750-850оС в присутствии водяного пара метан и вода расщепляются на водород и монооксид углерода, затем при 200-250°С происходит превращение монооксида углерода и воды в водород и диоксид углерода. Оба процесса эндотермические, и для их поддержания приходится сжигать около половины объема исходного газа, из-за чего экологический эффект оказывается очень низким.

Предлагается использовать для нагрева и подвода тепла высокотемпературные ядерные реакторы с гелиевым теплоносителем. Таким образом можно экономить углеводородное сырье и поставлять на рынки развивающихся стран водородное топливо вместо ядерных реакторов.

Дальнейшее развитие атомно-водородной энергетики пойдет по пути использования в качестве сырья не метана, а воды. Здесь могут быть использованы электролиз, а также термохимические и комбинированные методы получения водорода.

Известный способ термического разложения воды, которое происходит при температуре 2500°С, вряд ли применим, поскольку сложно предотвратить последующую рекомбинацию молекул воды. Однако возможен термохимический процесс разложения воды при температурах порядка 1000°С в присутствии соединений брома и йода. Правда, здесь требуется подведение тепла, и кпд составляет около 50%. На отдельных стадиях процесса наряду с термическим воздействием используется электролиз.

Электролитический водород получить проще всего, но экономически это невыгодно: на получение одного кубометра водорода требуется 4,8 киловатт-часа энергии. Если проводить электролиз перегретого пара, то эффективность процесса повышается, и на получение кубометра водорода уходит около 2,5 киловатт-часа.

В настоящее время «Курчатовский институт» и американская компания «GA» совместно разрабатывают очень перспективный проект газовой турбины-модульного гелиевого реактора. При генерации электричества с использованием прямого газотурбинного цикла можно достичь кпд, равного 50%.

Водородные станции

Применение водорода в промышленности является одним из актуальных вопросов развития энергетической отрасли, так как водород считается универсальным и экологически чистым энергоносителем.

Развитие и модернизация производственных мощностей позволили ТЕГАС разработать и внедрить новый вид продукции — водородные станции. Промышленные установки водорода на  базе генераторов раздельного получения водорода и  кислорода (электролизёров) позволяют обеспечить любые отрасли промышленности водородом и  кислородом. Наши установки позволяют получать водород и кислород с выдающимися показателями чистоты —  99,9998% и 99,9993% соответственно, с  точкой росы до минус 70 градусов.

Водородные установки – генераторы водорода на объектах энергетической, металлургической и химической промышленностей, а также в производстве стекла, в пищевой промышленности и др.

Генераторы ТИТАН производят водород и кислород посредством электролиза воды. Системы генераторов ТИТАН строятся на основе пакета электрохимических элементов (называемых модулем), в которых происходят механические, термические, электрические и химические процессы. Платформа генератора содержит один модуль. Для очищения производимого водорода используются вспомогательные компоненты, объединяющие различные технологии в интегрированную автоматически контролируемую систему. Для работы генераторов водорода требуются только деминерализованная вода и  электроэнергия. Основной процесс генератора – электрохимическое разложение воды на ее основные элементы. Процесс имеет место внутри гальванического элемента или камеры, разделенной на положительную и отрицательную стороны, где электрический ток протекает между металлическими электродами через проводящий жидкий электролит. При электролизе щелочной воды 30% веса электролита составляет гидроксид калия (KOH). Положительный электрод называется анодом, а отрицательный – катодом. 

Половины элемента разделены смоченной мембраной, которая позволяет электрическому току течь (посредством электролита), но предотвращает перенос выделяющихся газов из одной стороны в другую. Когда подается напряжение постоянного тока, ток протекает через жидкость, контактирующую с электродами, и выделяются газы. 

Чистая вода расходуется внутри элемента. Электролит добавляется для минимизации электрического сопротивления и для содействия реакции посредством обеспечения избытка гидроксильных ионов (см. анодную реакцию выше), но не расходуется в процессе. Количества газа, выделяемого на каждом электроде, находится в прямой зависимости от количества постоянного тока, протекающего через элемент.

Водородные установки поставляются в двух модификациях:

  1. В контейнерном исполнении;
  2. Для размещения в помещении заказчика.

Технические характеристики:

ПараметрЗначение

Давление водорода, bar

10,34

Давление кислорода, bar

9,65

Охлаждающая вода:

макс. температура на входе, оС

максимальный расход, л/мин

40

40 

Охл. вода конденсора:

макс. температура, оС

макс. давление, bar

необходимый расход, л/мин

до 10

6,86


Прочищающий газ (азот или иной другой инертный газ):

давление

от 5 до 24

*Эксплуатация установки внутри и снаружи помещения при температуре 5-40 оС.

Компания ТЕГАС предлагает как стационарные водородные установки, так и в блочно-модульном исполнении. Возможно изготовление оборудования по индивидуальным производственным задачам заказчика.

Расчетный срок службы водородных генераторов при строгом и безукоризненном соблюдении правил эксплуатации и регулярного технического обслуживания — двадцать лет. Оборудование прошло испытание в России, имеются Разрешение Ростехнадзора и сертификат соответствия ГОСТ-Р.

Ключевые преимущества

  • Производство водорода высокой чистоты (от 99,9998%).
  • Удобство транспортировки и эксплуатации.
  • Длительный срок эксплуатации – от 25 лет.
  • Надёжность и качество.

Солнечная панель расщепляет воду для производства водорода

Подобные несоответствия в спросе и предложении способствовали массовым каскадным отключениям электроэнергии в В августе 2003 г. на северо-востоке США и в Канаде, в июле 2012 г. в Индии и в марте 2019 г. в Венесуэле.

Ситуация вряд ли улучшится в ближайшее время по трем причинам. Во-первых, по мере того как страны повсеместно переходят к обезуглероживанию, электрификация транспорта, отопления и других секторов вызовет резкий рост спроса на электроэнергию.Во-вторых, традиционные угольные и атомные электростанции выводятся из эксплуатации по экономическим и политическим причинам, удаляя стабильные источники из энергосистемы. И в-третьих, в то время как ветряные и солнечные фотоэлектрические системы полезны для климата и являются самыми быстрорастущими источниками выработки электроэнергии, изменчивость их мощности порождает новые проблемы для балансировки сети.

Так как же сетевые операторы могут поддерживать баланс спроса и предложения, даже если они закрывают старые, грязные электростанции, наращивают переменную генерацию и добавляют новые электрические нагрузки? Есть несколько возможностей.Один из них — сделать модернизированную версию того, что мы делали в прошлом: построить гигантскую централизованную инфраструктуру. Это означало бы установку огромного количества накопителей энергии, таких как батареи масштаба сети и гидронасосные установки для хранения избыточной вырабатываемой возобновляемой энергии и соединения этого хранилища с высоковольтными линиями электропередачи, чтобы предложение могло удовлетворить спрос в сети. Китай является лидером в этом подходе, но это невероятно дорого и требует огромной политической воли.

Мы думаем, что есть лучший способ. Вместо радикального расширения инфраструктуры электросетей наша работа в Университете Вермонта была сосредоточена на том, как координировать спрос в режиме реального времени, чтобы соответствовать все более изменчивому предложению. Наша технология берет две идеи, которые делают Интернет фундаментально масштабируемым — пакетирование и рандомизацию — и использует их для создания системы, которая может координировать распределенную энергию. Эти две концепции передачи данных позволяют миллионам пользователей и миллиардам устройств подключаться к Интернету без какого-либо централизованного планирования или контроля.Те же основные идеи могут работать и в электрической сети. Используя связь с низкой пропускной способностью и небольшие контроллеры, работающие с простыми алгоритмами, можно использовать миллионы электрических устройств для балансировки потока электроэнергии в локальной сети. Вот как.

Спрос на электроэнергию в сети возникает из-за миллиардов электрических нагрузок. Их можно разделить на две большие категории: коммерческие и промышленные нагрузки и бытовые нагрузки. Из этих двух, жилые нагрузки гораздо более рассредоточены.Только в Соединенных Штатах насчитывается более 120 миллионов домохозяйств, на долю которых в совокупности приходится около 40 процентов годового потребления электроэнергии. Но бытовые потребители, как правило, не думают об оптимизации своих собственных электрических нагрузок в течение дня. Для простоты назовем эти бытовые нагрузки «устройствами», которые могут варьироваться от ламп и телевизоров до водонагревателей и кондиционеров.

Последние устройства, наряду с зарядными устройствами для электромобилей и насосами для бассейнов, являются не только большими электрическими нагрузками (то есть мощностью более 1 киловатта), но и гибкими.В отличие от освещения или телевизора, которые вы хотите включить, как только щелкнете выключателем, гибкое устройство может отсрочить потребление и включиться в любое время — пока есть горячая вода для вашего душа, ваш бассейн чист, ваш электромобиль достаточно заряжен, и температура в помещении комфортная.

В совокупности существует большая гибкость в бытовых электрических нагрузках, которые можно использовать для балансировки переменных поставок. Например, если бы в каждом домашнем хозяйстве в Калифорнии и Нью-Йорке было только одно устройство, которое могло бы гибко потреблять энергию в любое время, энергосистема имела бы эквивалент около 15 гигаватт дополнительной мощности, что более чем в 10 раз превышает объем, доступный в настоящее время. от аккумуляторной батареи общего назначения в этих состояниях.

Вот что означает гибкость, когда речь идет об эксплуатации, скажем, бытового электрического водонагревателя. При нагреве воды типичный агрегат потребляет около 4,5 кВт. В течение обычного дня прибор работает примерно в десятую часть времени, потребляя около 10,8 киловатт-часов. Для домовладельца ежедневные затраты на эксплуатацию водонагревателя составляют менее 2 долларов США (при ставке около 15 центов за кВтч). Но для коммунальных предприятий стоимость электроэнергии сильно варьируется: от номинальных 4 центов за кВтч до более 100 долларов за кВтч в пиковые годовые периоды.Иногда стоимость даже отрицательная: когда от ветряных или солнечных электростанций вырабатывается слишком много энергии, сетевые операторы фактически платят коммунальным службам за потребление излишков.

Спрос и предложение электроэнергии иногда могут сильно расходиться. Пакетизация и рандомизация гибких электрических нагрузок позволяют спросу соответствовать доступному предложению.

Вермонтский университет

Чтобы снизить спрос в периоды пиковой нагрузки, коммунальные службы уже давно предлагают программы реагирования на спрос, которые позволяют им отключать водонагреватели, кондиционеры и другие нагрузки клиентов по фиксированному графику — скажем, в 4 часа дня.м. до 9 вечера летом, когда использование исторически высоко. Если все, что мы хотим сделать, это уменьшить нагрузку в такие моменты, этот подход работает достаточно хорошо.

Однако, если наша цель состоит в том, чтобы сбалансировать энергосистему в режиме реального времени, поскольку возобновляемая генерация непредсказуемо меняется с ветром и солнцем, то работы устройств в соответствии с фиксированным графиком, основанным на прошлом поведении, будет недостаточно. Нам нужен более гибкий подход, который выходит за рамки простого снижения пикового спроса и обеспечивает дополнительные преимущества, повышающие надежность энергосистемы, такие как чувствительность к ценам, сглаживание возобновляемых источников энергии и регулирование частоты.

Как операторы сети могут координировать множество распределенных, гибких устройств мощностью в киловатт, каждое со своими специфическими потребностями и требованиями, для предоставления совокупного ресурса сети в масштабе гигаватт, реагирующего на сильно изменчивое предложение? Размышляя над этим вопросом, мы нашли вдохновение в другой области: цифровых системах связи.

Цифровые системы представляют ваш голос, электронное письмо или видеоклип в виде последовательности битов. Когда эти данные передаются по каналу, они разбиваются на пакеты.Затем каждый пакет независимо маршрутизируется по сети к назначенному месту назначения. Как только все пакеты получены, данные восстанавливаются в исходную форму.

Чем это похоже на нашу проблему? Интернетом ежедневно пользуются миллионы людей и миллиарды устройств. У пользователей есть свои индивидуальные устройства, потребности и модели использования, которые мы можем рассматривать как спрос, в то время как сама сеть имеет динамику, связанную с ее пропускной способностью, другими словами, с ее предложением. Тем не менее, спрос и предложение в Интернете сопоставляются в режиме реального времени без какого-либо централизованного планировщика.Точно так же миллиарды электрических устройств, каждое со своей собственной динамикой, подключаются к энергосистеме, чье питание, как мы уже отмечали, становится все более изменчивым.

Признавая это сходство, мы разработали технологию пакетного управления энергопотреблением (PEM) для координации энергопотребления гибких устройств. Соавтор Хайнс давно интересовался надежностью энергосистемы и изучал, как сбои в линиях электропередачи могут привести к каскадным отключениям и системным отключениям электроэнергии.Тем временем Фролик, имеющий опыт работы в системах связи, работал над алгоритмами для динамической координации передачи данных от беспроводных датчиков таким образом, чтобы потреблять очень мало энергии. Благодаря случайному обсуждению мы поняли, что наши интересы пересекаются, и начали работать над тем, чтобы увидеть, как эти алгоритмы могут быть применены к проблеме зарядки электромобилей.

Вскоре после этого Алмассалхи присоединился к нашему отделу и понял, что то, над чем мы работаем, имеет больший потенциал.В 2015 году он написал выигрышное предложение для программы ARPA-E NODES — это программа Агентства перспективных исследовательских проектов Министерства энергетики США — Energy’s Network Optimized Distributed Energy Systems. Финансирование позволило нам продолжить разработку подхода PEM.

Вернемся к электрическому водонагревателю. При обычной работе водонагреватель управляется своим термостатом. Устройство включается, когда температура воды достигает нижнего предела, и работает непрерывно (при 4,5 кВт) в течение 20–30 минут, пока температура воды не достигнет верхнего предела.Пара черно-белых графиков в нижней части «Соответствие спроса на электроэнергию поставке» показывает режимы включения и выключения 10 обогревателей: черный — выключен, белый — включен.

В PEM каждая нагрузка работает независимо и в соответствии с простыми правилами. Вместо нагрева только тогда, когда температура воды достигает нижнего предела, водонагреватель будет периодически запрашивать потребление «пакета» энергии, где пакет определяется как потребление энергии в течение короткого периода времени, скажем, 5 минут. Координатор (в нашем случае — облачная платформа) одобряет или отклоняет такие пакетные запросы на основе целевого сигнала, отражающего условия сети, такие как доступность возобновляемой энергии, цена на электроэнергию и так далее.Верхний график в разделе «Соотношение спроса на электроэнергию с предложением» показывает, насколько близко потребление PEM соответствует целевому сигналу, основанному на поставках возобновляемой энергии.

Чтобы гарантировать, что устройства с большей потребностью в энергии с большей вероятностью одобрят свои запросы, каждое устройство регулирует скорость своих запросов в зависимости от своих потребностей. Когда вода менее горячая, водонагреватель просится чаще. Когда вода горячее, он просит реже. Таким образом, система динамически приоритизирует устройства полностью децентрализованным образом, поскольку вероятность выполнения пакетных запросов пропорциональна потребности устройств в энергии.Затем координатор PEM может сосредоточиться на управлении входящими пакетными запросами, чтобы активно формировать общую нагрузку от множества пакетных устройств без необходимости централизованно оптимизировать поведение каждого устройства. С точки зрения заказчика в водонагревателе ничего не изменилось, так как эти запросы происходят полностью в фоновом режиме.

Эти же концепции могут быть применены к широкому спектру энергоемких устройств. Например, зарядное устройство электромобиля или бытовая аккумуляторная система могут сравнить текущее состояние заряда батареи с ее желаемым значением, эквивалентным ее потребности в энергии, преобразовать это в вероятность запроса, а затем отправить запрос координатору PEM, который либо принимает или отклоняет запрос на основе сетки в реальном времени или рыночных условий.В зависимости от этих условий для полной зарядки аккумулятора может потребоваться несколько больше времени, но пользователь не должен испытывать неудобств.

Таким образом, гибкие энергетические устройства обмениваются данными, используя общий простой язык запросов энергетических пакетов. В результате координатор не зависит от типа устройства, отправляющего запрос. Эта аппаратно-независимая координация аналогична сетевому нейтралитету в передаче данных. В общем, Интернету все равно, несет ли ваш пакет голосовые, видео или текстовые данные.Точно так же PEM не волнует, является ли устройство, запрашивающее пакет, водонагревателем, насосом для бассейна или зарядным устройством для электромобиля, поэтому он может легко координировать разнородное сочетание устройств мощностью в киловатт.

Этот контроллер подключается к бытовому электрическому водонагревателю и использует простые алгоритмы для запроса «пакетов» энергии от облачного координатора для поддержания подходящей температуры.

Пакетные энергетические технологии

В настоящее время восходящие технологии , управляемые устройствами, такие как PEM, не получили широкого распространения.Вместо этого в большинстве современных технологий реагирования на спрос используется нисходящий подход, при котором координатор передает управляющий сигнал всем устройствам, сообщая им, что делать. Но если каждому устройству приказано делать одно и то же в одно и то же время, все может очень быстро пойти не так, поскольку энергопотребление устройств синхронизируется. Представьте себе эффект от одновременного включения (или выключения) миллионов кондиционеров, водонагревателей и зарядных устройств для электромобилей. Это будет означать гигаваттные всплески — как если бы большая атомная электростанция включалась или выключалась щелчком выключателя.Всплеск такого большого размера может привести к нестабильности сети, что может вызвать каскадное отключение электроэнергии. Вот почему большинство коммунальных предприятий сегодня разбивают устройства на группы, чтобы ограничить всплески порядка десятков мегаватт. Тем не менее, активное управление этими различными группами, помимо нескольких ежегодных пиковых событий, является проблемой для нисходящих подходов.

Но если каждое устройство работает для удовлетворения своей уникальной потребности в энергии, то запросы пакетов (и результирующее энергопотребление) по своей сути рандомизируются, и в результате синхронизация становится гораздо менее важной.

Нисходящий подход также затрудняет учет предпочтений клиентов в отношении горячей воды, заряженных автомобилей и прохладных домов в жаркие дни. Если мы собираемся координировать энергетические устройства, чтобы улучшить работу сети, нам нужно убедиться, что мы делаем это таким образом, чтобы потребитель практически не заметил и автоматически.

Теперь рассмотрим, как PEM учитывает предпочтения отдельного клиента в случае с водонагревателем. Если температура воды падает ниже нижнего предела, а нагреватель еще не потребляет пачку энергии, он может временно «выйти» из схемы PEM и включиться до восстановления температуры.Водонагреватель сообщит координатору PEM об этом изменении своего режима работы, и координатор просто обновит свой учет совокупного потребления. Влияние этой отдельной загрузки на общую сумму невелико, но для клиента наличие гарантии горячей воды, когда это необходимо, укрепляет доверие и обеспечивает постоянное участие.

Подход PEM, ориентированный на устройства, также упрощает работу координатора, поскольку ему не нужно централизованно отслеживать или моделировать каждое устройство для разработки оптимизированного расписания.Координатору нужно только отслеживать сетку и рыночные условия, отвечать на поток входящих запросов пакетов и вести учет «отключенных» устройств — другими словами, координатор управляет всего тремя наборами номеров.

Чтобы повысить эффективность нашей работы, мы решили коммерциализировать PEM параллельно с нашими исследованиями и в 2016 году основали компанию Packetized Energy. Штаты и Канада.Каждый из этих проектов начался с модернизации существующих электрических водонагревателей интеллектуальным термостатом, который мы спроектировали, разработали и который прошел сертификацию UL. Мы также продемонстрировали PEM с зарядными устройствами для электромобилей, бытовыми аккумуляторами и термостатами. Нашим первым клиентом была коммунальная служба нашего родного города Вермонт, Burlington Electric Department. В 2018 году BED запустила первую в стране программу водонагревателей, полностью работающих на возобновляемых источниках энергии, которая теперь расширилась и теперь включает зарядные устройства для электромобилей.

Наши проекты дали многообещающие результаты.«Демонстрация координации нагрузки в реальном времени» показывает, как PEM координировал нагрузку от 208 бытовых водонагревателей в Вермонте и Южной Каролине в течение типичного 2-часового периода. Нагреватели [оранжевая линия] следовали за быстро меняющимся целевым значением [черная линия], которое колебалось от примерно половины номинальной нагрузки до примерно вдвое большей нагрузки [красная линия].

По мере масштабирования системы до тысяч устройств с пакетной обработкой асинхронные запросы пакетов будут отображаться как непрерывный сигнал. Наше моделирование показывает, что в этом масштабе любые разрывы между целевым и фактическим исчезают.Совокупная нагрузка по крайней мере так же быстро реагирует, как время реакции современной электростанции, работающей на природном газе, и вам не нужно нести расходы на строительство, эксплуатацию и техническое обслуживание физической установки.

Падение цен на датчики и микроконтроллеры приводит к быстрому росту Интернета вещей. В сочетании с технологией «умный дом» Интернет вещей позволяет представить мир, в котором все энергетические устройства — нагрузки, накопители энергии и генераторы — активно координируются, чтобы поддерживать стабильность сети и в полной мере использовать преимущества возобновляемых источников энергии.Но проблемы действительно ждут впереди.

Во-первых, сегодня существует мало стандартов, которыми могли бы руководствоваться производители, заинтересованные в координации на уровне устройств, и нет реальных стимулов для принятия ими какого-либо конкретного подхода. Это привело к распространению проприетарных технологий, решающих одну и ту же фундаментальную проблему. И здесь мы снова можем черпать вдохновение из Интернета: маловероятно, что собственные решения масштабируются до такой степени, чтобы решать имеющиеся энергетические проблемы. Новые инициативы, продвигаемые промышленностью, такие как EcoPort (ранее CTA 2045) и Matter (ранее Connected Home over IP) обещают безопасную связь с малой задержкой с устройствами разных производителей.Технические комитеты, рабочие группы и целевые группы IEEE также играют вспомогательную роль, например, технический комитет IEEE Power and Energy Society по умным зданиям, нагрузкам и потребительским системам. Мы надеемся, что в будущем эти усилия будут беспрепятственно поддерживать описанные здесь концепции «пакетизации» на основе устройств, а не просто служить традиционным нисходящим архитектурам связи и управления.

Также необходимы стимулы для потребителей электроэнергии, чтобы изменить потребление энергии.Сейчас ежедневная стоимость электроэнергии для бытового водонагревателя примерно одинакова, независимо от того, когда водонагреватель включается. У домовладельца нет финансовой выгоды от запуска водонагревателя, когда возобновляемая энергия высока или оптовая цена на электроэнергию низка. Регуляторным органам, коммунальным предприятиям и другим сторонам необходимо будет переосмыслить и переработать программы стимулирования и гибкого спроса, чтобы гарантировать, что взносы и вознаграждения будут справедливыми и равными для всех клиентов. Им также необходимо информировать потребителей о том, как работает программа.

Существует множество прецедентов для решения таких технических и политических задач. Общедоступная система, которая является справедливой, гибкой, доступной, надежной, отказоустойчивой и масштабируемой, очень похожа на Интернет. Пакетное управление энергопотреблением, основная конструкция которого основана на передаче данных в Интернете, принесет те же важные преимущества. По мере того, как мы переходим к новому типу сети, основанной на распределенной и возобновляемой генерации, нам потребуются новые технологии и новые парадигмы. К счастью, у нас есть проверенная временем модель, которая указывает нам путь.

Эта статья появилась в печатном выпуске за февраль 2022 г. под названием «Пакетизация энергосистемы».

Производство и доставка водорода | Водород и топливные элементы | Водород и топливные элементы

Исследователи из NREL разрабатывают передовые процессы для экономичного производства водорода из устойчивых ресурсов.

Узнайте, как NREL разрабатывает и продвигает ряд путей к возобновляемому водороду. производство.Текстовая версия

Биологическое разделение воды

Некоторые фотосинтезирующие микробы используют световую энергию для получения водорода из воды в виде частью их метаболических процессов. Поскольку кислород образуется вместе с водородом, фотобиологическая технология производства водорода должна преодолеть присущую ей чувствительность к кислороду. ферментативных систем, выделяющих водород. Исследователи NREL решают эту проблему путем скрининг встречающихся в природе организмов, которые более устойчивы к кислороду и путем создание новых генетических форм организмов, способных поддерживать производство водорода в наличие кислорода.Исследователи также разрабатывают новую систему, которая использует метаболический переключение (депривация серы) на цикличность клеток водорослей между фотосинтетическим ростом этап и этап производства водорода.

Контактное лицо: Мария Гирарди

Ферментация

Ученые NREL разрабатывают технологии предварительной обработки для преобразования лигноцеллюлозных биомассы в богатое сахаром сырье, которое можно напрямую ферментировать для получения водорода, этанол и дорогостоящие химикаты.Исследователи также работают над выявлением консорциума Clostridium, которые могут непосредственно ферментировать гемицеллюлозу до водорода. Другое исследование области включают биоразведку эффективных целлюлозолитических микробов, таких как Clostridium thermocellum, который может сбраживать кристаллическую целлюлозу непосредственно в водород для снижения затраты на сырье. Как только модельная целлюлозолитическая бактерия идентифицирована, ее потенциал для генетических манипуляций, включая чувствительность к антибиотикам и легкость генетического преобразования, будет определено.Будущие проекты ферментации NREL будут сосредоточены по разработке стратегий создания мутантов, которые избирательно блокируются от производства отработанные кислоты и растворители для максимального выхода водорода.

Контактное лицо: Пин-Чинг Манесс

Конверсия биомассы и отходов

Водород может быть получен путем пиролиза или газификации ресурсов биомассы, таких как сельскохозяйственные отходы, такие как скорлупа арахиса; потребительские отходы, включая пластик и отходы жир; или биомасса, специально выращенная для использования в качестве энергии.Пиролиз биомассы производит жидкий продукт (био-масло), содержащий широкий спектр компонентов, которые можно разделены на ценные химические вещества и топливо, включая водород. исследователи NREL в настоящее время сосредоточены на производстве водорода путем каталитического риформинга пиролиза биомассы. продукты. Конкретные области исследований включают преобразование потоков пиролиза и разработку и испытания псевдоожижаемых катализаторов.

Контактное лицо: Ричард Френч

Фотоэлектрохимическое расщепление воды

Самый чистый способ производства водорода — это использование солнечного света для прямого расщепления воды. на водород и кислород.Технология многопереходных элементов, разработанная фотогальваническими промышленность используется для фотоэлектрохимических (PEC) светособирающих систем, которые генерируют достаточное напряжение для разделения воды и стабильны в среде вода/электролит. Система PEC, разработанная NREL, производит водород из солнечного света без затрат. и усложнение электролизеров, при эффективности преобразования солнечной энергии в водород На 12,4% ниже теплотворная способность при использовании захваченного света.Ведутся исследования, чтобы выявить больше эффективные, недорогие материалы и системы, долговечные и устойчивые к коррозии в водной среде.

Контактное лицо: Джон Тернер или Тодд Дойч

Расщепление солнечной термальной воды

Исследователи NREL используют реактор High-Flux Solar Furnace, чтобы концентрировать солнечную энергию и генерировать температуры от 1000 до 2000 градусов Цельсия.Для термохимической реакции необходимы сверхвысокие температуры. циклов для получения водорода. Такой высокотемпературный, сильнодействующий, работающий от солнечной энергии термохимический процессы предлагают новый подход к экологически безопасному производству водорода. Очень высокие скорости реакции при этих повышенных температурах приводят к очень быстрой реакции. ставки, которые значительно повышают производительность и более чем компенсируют прерывистый характер солнечного ресурса.

Контактное лицо: Джуди Неттер

Возобновляемый электролиз

Возобновляемые источники энергии, такие как фотоэлектрические, ветровые, биомассовые, гидро- и геотермальные. может обеспечить чистую и устойчивую электроэнергию для нашей нации. Однако возобновляемая энергия источники естественно изменчивы, требуя накопления энергии или гибридной системы для размещения суточные и сезонные изменения.Одно из решений состоит в том, чтобы производить водород путем электролиза — расщепления. электрическим током — воды и использовать этот водород в топливном элементе для производства электроэнергии в периоды низкой выработки электроэнергии или пикового спроса, или использовать водород в автомобилях на топливных элементах.

Исследователи Центра интеграции энергетических систем NREL и Центра испытаний и исследований водородной инфраструктуры изучают вопросы, связанные с использованием возобновляемых источников энергии для производства водорода путем электролиза воды.NREL тестирует интегрированные системы электролиза и исследует варианты конструкции для снижения капитальных затрат и повышения производительности.

Узнайте больше об исследованиях NREL в области возобновляемого электролиза.

Контактное лицо: Кевин Харрисон

Шланг дозатора водорода Надежность

Сосредоточившись на снижении затрат и повышении надежности и безопасности, NREL выполняет ускоренное тестирование и циклирование шлангов для подачи водорода на 700 бар в Центре интеграции энергетических систем с использованием автоматизированной робототехники для имитации полевых условий.Посмотрите видео робота, который имитирует повторяющееся напряжение человека, сгибающегося и скручивающегося шланг для подачи водорода в бортовой накопительный бак автомобиля на топливных элементах. Исследователи проводить механические, термические испытания и испытания под давлением на новых и бывших в употреблении дозаторах водорода шланги. Материал шланга анализируется для выявления инфильтрации водорода, охрупчивания, и возникновение/распространение трещин.

Контактное лицо: Кевин Харрисон

Анализ путей производства и доставки водорода

NREL проводит системный анализ различных видов устойчивого производства водорода. и пути доставки.Эти усилия сосредоточены на определении улучшений статуса, от технологических достижений, затрат как функции объема производства и потенциального для снижения затрат. Результаты помогают выявить препятствия на пути к успеху этих путей, драйверы основных затрат и остающиеся проблемы НИОКР. Разработанные NREL тематические исследования анализа водорода обеспечивают прозрачные прогнозы текущих и будущих затрат на производство водорода. Узнайте больше о работе системного анализа NREL.

Контактное лицо: Женевьева Саур

Сеть энергетических материалов HydroGEN

NREL служит ведущей лабораторией консорциума HydroGEN Energy Materials Network (EMN).

Последние публикации

Прямое преобразование солнечной энергии в водород с помощью инвертированного метаморфического многопереходного полупроводника Архитектура, Энергия природы (2017)

Замечательная стабильность немодифицированных фотокатодов GaAs во время выделения водорода в Кислотный электролит, Journal of Materials Chemistry A (2016)

Эффективность преобразования солнечной энергии в водород: яркий свет на производительность фотоэлектрохимических устройств, Энергетика и наука об окружающей среде (2016)

Обратимая пассивация поверхности GaInP2 за счет адсорбции воды: модельная система для Фотолюминесценция, Journal of Physical Chemistry C (2016)

Одноуглеродный метаболизм, фиксирующий CO2, в бактерии, разлагающей целлюлозу Clostridium thermocellum, Proceedings of the National Academy of Sciences (2016)

Путь фосфокетолазы способствует метаболизму углерода у цианобактерий, Nature Plants (2016)

Контакт

Хуен Динь

Электронная почта
303-275-3605

Норвежская команда открыла более дешевый способ производства водородного топлива

Опубликовано 23 августа 2019 г., 13:58, автор: Новости Близнецов

[Георг Матисен]

Норвежские ученые разработали материал, который может производить водород из водяного пара вместо жидкой воды.Это окупается, ведь тепло дешевле электричества.

Результаты исследования были недавно опубликованы в Nature Materials в статье под названием «Двойные перовскитовые аноды со смешанной протонной и электронной проводимостью для стабильных и эффективных трубчатых протонных керамических электролизеров».

Водород может вступить во владение, когда батареи больше не могут выполнять свою работу. Когда важно хранить большое количество энергии, например, больше, чем нужно для вождения автомобиля в течение нескольких часов, становится дешевле и эффективнее хранить ее в виде водорода.

Проще говоря, вы используете энергию для расщепления воды на водород и кислород. Когда вам нужно производить энергию, вы обращаете весь процесс вспять, повторно вводя водород и производя энергию и воду.

«Наиболее часто применяемый метод для этого остается тем же, что применялся на водородном заводе «Ваннштоффен» на электростанции Веморк в Телемарке столетие назад», — объясняют Эйнар Фёллестад и Рагнар Страндбакке. Фёллестад — научный сотрудник SINTEF. Промышленность и Страндбакке — докторант Центра материаловедения и нанотехнологий Университета Осло.

Низкотемпературный электролиз

Речь идет о низкотемпературном электролизе. Метод стал лучше, дешевле и эффективнее, но по-прежнему требует много энергии.

«В течение многих лет практически ничего не происходило, потому что производство водорода из природного газа было настолько дешевым, а также потому, что изменение климата не было проблемой, которую нужно было принимать во внимание», — говорит Фёллестад. «Теперь, когда мы уделяем больше внимания возобновляемым источникам энергии , внимание усилилось.»

Возобновляемая энергия означает большее колебание цен. Объемы доступной солнечной, ветровой и волновой энергии меняются в течение года. По этой причине более важно хранить энергию, вырабатываемую в дни пиковой выработки, и использовать ее, когда потребность превышает выработку.

Воллестад и Страндбакке в настоящее время работают над проектом ЕС, включающим исследовательские эксперименты при совершенно разных температурах. Они используют пар вместо жидкой воды для производства водорода.

«Тепло способствует реакции, и при более высоких температурах каталитическая активность намного выше», — говорят исследователи. Это означает, что для запуска реакции требуется меньше электроэнергии, что делает генерируемый водород более конкурентоспособным на рынке». Тепло намного дешевле, чем электричество», – говорит Воллестад.

Избегайте благородных металлов

«Работа при более высоких температурах дает дополнительные преимущества, — говорит Фёллестад.«Не обязательно использовать благородные металлы».

Дело в том, что следующее поколение низкотемпературных электролизеров (аппаратов, в которых происходит электролиз) требует платины и других дорогих благородных металлов, чтобы сделать деление воды эффективным. «При более высоких температурах и большей каталитической активности нам больше не нужны эти дорогие материалы для завершения реакции», — говорит он.

«Изготовить такую ​​трубу, наверное, не дешевле, чем аккумулятор.Но вам нужна только одна труба, чтобы генерировать такое же количество энергии, которое потребовало бы несколько батарей. По сравнению с батареями наш процесс потребляет гораздо меньшие объемы сырья по отношению к количеству хранимой энергии», — говорит исследователь SINTEF Эйнар Фёллестад.

Проблема заключалась в том, чтобы найти материалы, способные удовлетворить строгие требования, возникающие при температуре пара, достигающей 600 градусов. Здесь на сцену выходят материаловеды Фёллестад и Страндбакке.Они начали со списка из 120 материалов, которые, по их мнению, могли бы подойти для различных аспектов процесса.

«Лучшие материалы для этой реакции, т. е. те, которые мы считали лучшими, не выдерживают воздействия пара при таких температурах», — говорит Фёллестад. «Мы использовали материал, эффективность которого мы знали, но заметили, что он не выдерживает давления пара. Поэтому мы, наконец, решили выбрать этот материал и немного изменить химию», — говорит он.

Увеличенная шкала

Теперь у них есть первый электролизер, который эффективно работает с использованием пара под давлением и который можно масштабировать для использования в промышленных процессах. Однако недостаточно просто продемонстрировать это в небольшой лаборатории. Если исследования должны применяться на практике, должна быть возможность запустить процесс в более крупных масштабах.

«Мы изготовили трубы, которые будут использоваться, что сделало систему полностью масштабируемой», — говорит Воллестад.

Конечным преимуществом является то, что использование такого типа технологии и конструкции означает, что образующийся водород абсолютно сухой. Все другие электролитические процессы производят водород, загрязненный водой или другими молекулами. Их необходимо отделить, прежде чем водород можно будет хранить под давлением. Это не очень сложный процесс, но дополнительная работа означает, что установки должны быть больше.

Материал, который они используют, состоит из бария, лантана, гадолиния, кобальта и кислорода, и исследователи назвали его BGLC.

«Что мы сделали, так это заменили часть бария в исходном материале большим количеством лантана с простой целью сделать его более основным», — говорит Фёллестад.

Дешевле, чем батарейки…

Все это звучит дорого, но на самом деле с экономической точки зрения все в порядке.

«Изготовить такую ​​трубу, наверное, не дешевле, чем аккумулятор. Но вам нужна только одна труба, чтобы генерировать такое же количество энергии, которое потребовало бы несколько батарей», — объясняет Воллестад.

Если мы рассмотрим трубу и батарею, хранящую одинаковое количество электроэнергии в течение одного часа, батарея будет дешевле. Но если вы хотите хранить такое же количество электроэнергии в течение 24 часов, вам понадобится 24 батареи. Выбирая водород, вам по-прежнему требуется только одна труба. Вы просто продолжаете заполнять свой накопительный бак или, при необходимости, получаете бак большего размера.

«По сравнению с батареями наш процесс потребляет гораздо меньшие объемы сырья по отношению к количеству хранимой энергии», — говорит Воллестад.

Он считает водород хорошим вариантом, особенно в транспортном и промышленном секторах. В транспортном секторе водород подходит для перевозки на большие расстояния тяжелыми транспортными средствами, такими как поезда, корабли и грузовики. В промышленном секторе Vøllestad уделяет особое внимание производству стали, где в производственном процессе требуется большое количество тепла. Это тепло, которое можно использовать для нагрева воды для электролиза.

… в долгосрочной перспективе

Следующим шагом является перевод производственного процесса на коммерческую основу.Компания CoorsTek Membrane Sciences, которая участвует в проекте в качестве отраслевого партнера, прекрасно понимает, что это не произойдет в одночасье.

«Сроки разработки почти всех технологий, связанных с энергетикой, велики, — говорит Пер Вестре, управляющий директор CoorsTek в Норвегии. — Между изобретением литий-ионного аккумулятора и его нынешним применением в миллионах автомобилей прошло много лет. .»

«Наша разработка керамических мембран для электрохимических процессов является долгосрочным проектом.Нет сомнений в том, что рынок существует и что паровой электролиз будет интересен, если нам удастся усовершенствовать технологию по правильной цене», — говорит Вестре.

Исследование следующего вызова

«Есть еще много этапов, которые необходимо оптимизировать и развивать дальше, — вмешивается Воллестад. — Метод производства должен быть модернизирован, и мы должны продемонстрировать стабильность с течением времени. часов, но в промышленных масштабах вам придется построить систему, состоящую из ста, тысячи или, может быть, десяти тысяч труб.»

Работа идет полным ходом. Исследование, результатом которого стал материал BGLC, теперь опубликовано в июньском выпуске журнала Nature Materials. Публикация в таком престижном журнале требует времени, и работа значительно продвинулась с момента подачи статьи.

«Сейчас восемнадцать месяцев мы работаем над новым проектом ЕС, в рамках которого мы работаем над решением множества новых задач», — говорят Фёллестад и Страндбакке.

Эта статья любезно предоставлена ​​Gemini Research News, а в оригинальном виде ее можно найти здесь.

Мнения, выраженные здесь, принадлежат автору и не обязательно принадлежат The Maritime Executive.

Система разделения морской воды может увеличить производство возобновляемого водорода | Исследования

Соленую воду можно использовать для производства зеленого водорода с помощью системы, сочетающей электрохимическое расщепление воды с прямым осмосом.Этот подход может позволить увеличить производство водородного топлива с использованием преимущественно соленых природных источников воды на планете без предварительной обработки или очистки.

Это определенно одна из тех статей, которые заставляют задуматься: «Почему никто не додумался до этого раньше?»

Марк Саймс, Университет Глазго

Использование солнечной энергии для электрохимического расщепления воды на кислород и водород, подобно фотосинтезу растений, открывает большие перспективы для возобновляемых источников энергии.Затем высвобожденный водород можно смешать с углекислым газом, чтобы получить водородное топливо.

Однако эффективное разделение воды зависит от каталитических электродов, которым обычно требуется чистая вода при основных условиях, чтобы избежать повреждений. Таким образом, расширение масштабов разделения воды для производства водородного топлива было ограничено необходимостью дорогостоящих процессов опреснения и очистки для получения достаточного количества чистой деионизированной воды. Между тем, большинство природных источников воды нечисты. Около 96,5% воды на планете — это солоноватая или морская вода, содержащая растворенные соли и органические вещества, вызывающие коррозию стандартных катализаторов.

Сэмюэл Вероно и Даниэль Носера из Гарвардского университета, США, показали, как пассивный прямой осмос в сочетании с расщеплением воды означает, что катализаторы могут использоваться с нечистыми источниками воды с минимальными потерями эффективности. «Единственная удивительная проблема для нас заключается в том, что это ранее не рассматривалось подробно, учитывая всю работу, проводимую в области разделения воды», — говорит Носера. «Большая часть работы сосредоточена на источниках чистой воды, а не источниках нечистой воды».

Носера говорит, что он и его аспирант Вероно изначально хотели разработать новый способ получения кислорода из морской воды.В процессе они заметили, что прямой осмос может быть эффективным при расщеплении воды для использования энергии, что привело их к разработке ячейки прямого осмоса-расщепления воды (Fows).

Чтобы сделать экспериментальную ячейку, исследователи отрезали дно пластиковой центрифужной пробирки и перевернули ее вверх дном. Затем они просверлили отверстие в завинчивающейся крышке пробирки, теперь на дне, прежде чем поместить полупроницаемую мембрану из ацетата целлюлозы прямого осмоса внутрь завинчивающейся крышки и завинтить ее. Затем они наполнили перевернутую трубку раствором электролита фосфата натрия, а затем вставили платиновые электроды, катализирующие расщепление воды.

Затем команда подготовила раствор хлорида натрия, имитирующий морскую воду. Когда ячейку Фоуза поместили в раствор соленой воды и подали ток, образовались водород и кислород. По мере того, как вода в ячейке истощалась, формировался градиент концентрации, позволяющий прямому осмосу направлять соленую воду вверх через предварительно просверленное отверстие в крышке трубки на дне и через полупроницаемую мембрану для доставки чистой воды в ячейку. Уравновешивая скорости притока и оттока, можно было бы постоянно извлекать чистую воду из соленой воды, чтобы питать водоразделительную ячейку.

«Прелесть работы в том, что здесь не требуется никаких движущихся частей или дополнительных затрат энергии, только недорогая полупроницаемая мембрана», — комментирует Марк Саймс, исследующий электрокатализ в Университете Глазго. «Это определенно одна из тех статей, которые заставляют задуматься: «Почему никто не подумал об этом раньше?» Я не удивлюсь, увидев быстрое развитие этой идеи в крупномасштабную систему электролиза в неочищенной воде.»

Зеленый водород набирает обороты, но он должен преодолеть большие препятствия

Человечеству предстоит тяжелая битва, когда это произойдет на сохранение нашей планеты.По данным Межправительственной группы экспертов по изменению климата, чтобы предотвратить наихудшие последствия изменения климата, нам необходимо не допустить повышения глобальной температуры на 1,5 градуса по Цельсию по сравнению с доиндустриальным уровнем.

Одним из инструментов, который может помочь, является зеленый водород.

Зеленый водород производится с помощью процесса, известного как электролиз. Здесь устройство, известное как электролизер, расщепляет соединение на составные элементы с помощью электрического тока. Чаще всего этим соединением является вода, которая делится на водород и кислород.Если используемое электричество поступает из возобновляемых источников, таких как ветер и солнце, последующий водород известен как «зеленый».

По данным Международного энергетического агентства, сегодня менее 0,1% водорода производится электролизом воды, но скоро это может измениться.

«На самом деле мы наблюдаем полное снижение себестоимости производства водорода», — говорит Хаим Исраэль, глобальный стратег и глава тематического инвестирования в BofA Securities. Он сказал, что цены на электролизеры снизились на 50% по сравнению с тем, что было пять лет назад, а стоимость возобновляемых источников энергии снизилась на 50-60%.«Мы считаем, что оба они упадут еще на 60–70% до конца десятилетия», — сказал он.

Большая часть водорода сегодня используется в промышленности, включая нефтепереработку и производство аммиака, метанола и стали. Но недавние достижения в области технологий зеленого водорода делают его гораздо более привлекательным для ряда различных отраслей.

На транспорте водородное топливо может служить прямой заменой газа и дизельного топлива. В отличие от электромобилей, зарядка которых на самых быстрых зарядных станциях может занять около 30 минут, автомобили на водородных топливных элементах могут быть готовы к работе за считанные минуты.Но топливные элементы, которые преобразуют водородное топливо в полезную энергию для автомобилей, по-прежнему дороги. Инфраструктура водородных станций, необходимая для заправки автомобилей на водородных топливных элементах, все еще недостаточно развита. Тем не менее, эксперты считают, что водород может быть особенно эффективен, когда речь идет о дальнемагистральных грузоперевозках и других секторах, таких как грузовые перевозки и дальние авиаперевозки, где использование тяжелых аккумуляторов было бы неэффективным.

Другим потенциальным применением водорода является хранение возобновляемой энергии, которая в противном случае была бы потрачена впустую.Mitsubishi Power и компания по хранению топлива Magnum Development работают над проектом в Юте по строительству хранилища на 1000 мегаватт чистой энергии, частично за счет хранения водорода в соляных пещерах. Проект Advanced Clean Energy Storage, который планируется ввести в эксплуатацию к 2025 году, станет крупнейшей системой хранения экологически чистой энергии в мире.

«Мы собираемся построить очень большую систему электролиза, которая сможет преобразовывать возобновляемую энергию в водород», — сказал Пол Браунинг, президент и главный исполнительный директор Mitsubishi Power Americas.«Мы собираемся хранить этот водород в этом соляном куполе в течение длительного периода времени, чтобы его можно было использовать, когда сети нужно электричество, а не когда оно производится».

Водород также можно использовать для обогрева наших домов и для обезуглероживания целого ряда секторов, которые в прошлом было трудно очистить. Это включает в себя химическую, металлургическую и сталелитейную промышленность.

На самом деле, аналитики BofA Securities считают, что к 2050 году чистый водород сможет обеспечить примерно 22% наших потребностей в энергии, по сравнению с 4% энергии, которую водород поставляет сегодня.Но для этого потребуется огромное количество дополнительной выработки электроэнергии из возобновляемых источников.

По оценкам BloombergNEF, для производства достаточного количества зеленого водорода для удовлетворения четверти наших потребностей в энергии потребуется больше электроэнергии, чем сегодня мир производит из всех источников вместе взятых, а также инвестиции в размере 11 триллионов долларов в инфраструктуру производства, хранения и транспортировки.

«Я верю, что через 50 лет водород станет неотъемлемой частью нашей жизни», — сказал Исраэль. «Если мы серьезно относимся к декарбонизации, у нас просто нет другого выбора, кроме как иметь водород в масштабе.» 

Водород — один из ответов на изменение климата. Получить его — сложная часть.

ШЕФФИЛД, Англия — Рэйчел Смит пережила ухабистый путь зеленого водорода от мечты ученых до отрасли, которая, возможно, находится на пороге коммерческого прорыва. Инженер, она начала два десятилетия назад, работая в переоборудованном сарае над первыми устройствами для производства экологически чистого газа. крупные компании, такие как Royal Dutch Shell и Orsted, датский разработчик оффшорной ветроэнергетики.

«Мы пережили эти детские годы», — сказала г-жа Смит, исполнительный директор ITM Power, которая управляется новым обширным заводом в Шеффилде, увядшем центре сталелитейных заводов и добычи угля. «Мы играем во взрослом мире, а не в исследовательских лабораториях».

Среди правительств, защитников окружающей среды и энергетических компаний формируется консенсус в отношении того, что для значительного сокращения выбросов углерода потребуются большие объемы чистого топлива, такого как водород.

Сторонники водорода определили более десятка потенциальных применений этого элемента для сокращения выбросов углерода.Его можно было бы использовать для питания дальнемагистральных грузовиков, поездов и самолетов. Энергетические компании экспериментируют со смешиванием водорода с природным газом для обогрева дома и приготовления пищи.

Всего в настоящее время реализуется более 200 крупномасштабных проектов по производству или транспортировке водорода с инвестициями более 80 миллиардов долларов. Daimler и Volvo, крупнейшие мировые производители грузовых автомобилей, планируют через несколько лет начать массовое производство дальнемагистральных электрических грузовиков, работающих на устройствах, называемых топливными элементами, которые преобразуют водород в электричество.Вода будет единственным выбросом грузовиков.

«Можно представить себе экономику, почти полностью поддерживаемую очень чистым электричеством и очень чистым водородом», — сказал Эрнест Мониз, министр энергетики в администрации Обамы, а ныне исполнительный директор исследовательской организации Energy Futures Initiative.

Но он предупредил, что «должно произойти многое», чтобы газ, который в настоящее время в основном используется в специальных областях, стал «частью основы энергетической системы».

Среди препятствий, которые необходимо преодолеть: производство достаточного количества водорода правильного сорта по цене, приемлемой для промышленности и потребителей.

Водород — самый распространенный элемент во Вселенной, но его необходимо отделить от какого-либо другого вещества, такого как вода или ископаемое топливо. Например, в таких отраслях, как нефтепереработка, используется большое количество так называемого серого водорода, который в основном производится путем выделения водорода из природного газа. И этот процесс производит больше выбросов парниковых газов, чем сжигание дизельного топлива.

На самом деле, менее 5 процентов водорода, производимого сегодня, не содержит вредных выбросов, и его производство стоит более чем в два раза дороже, чем серая версия — 5 долларов за килограмм против 1-2 долларов за килограмм, по словам Бернстайна, исследовательская фирма.Это также дороже, чем обычные виды топлива, такие как дизельное топливо.

Компания г-жи Смит в Шеффилде является одним из наиболее перспективных источников водорода, производимого без выбросов. Компания производит устройства, известные как электролизеры, которые используют электричество для расщепления воды на водород и кислород. Этот водород не имеет выбросов при условии, что электричество поступает из таких источников, как ветер и солнце.

Электролизеры существуют уже столетие, но аналитики говорят, что технология ITM, известная как мембрана из полимерного электролита, имеет то преимущество, что может быстро включаться и выключаться — большое преимущество для машин, предназначенных для работы с ветряными и солнечными электростанциями. чья производительность колеблется в зависимости от солнца и ветра.

ITM сообщает, что стоимость ее контрактов утроилась за последний год до 154 миллионов фунтов, или около 213 миллионов долларов. По оценкам аналитиков британского банка Barclays, рынок такого оборудования стоимостью 65 миллиардов долларов может появиться в течение следующего десятилетия.

Перспектива покупки оружия против изменения климата заставляет инвесторов вкладываться в ITM, а также в аналогичные компании, такие как NEL в Норвегии и McPhy Energy во Франции.Несмотря на то, что ITM теряет деньги, ее рыночная стоимость составляет около 2,3 миллиарда фунтов стерлингов. Цена акций увеличилась в четыре раза с начала 2020 года.

Сегодня в ITM работает 310 сотрудников. По его словам, когда это был еще только стартап, Питеру Харгривзу, одному из его первоначальных инвесторов, пришлось четыре раза спасать компанию, используя собственные деньги.

«Не было никаких гарантий, что компания добьется успеха, что люди примут водородную экономику», — сказал г-н Харгривз, основатель брокерской фирмы Hargreaves Lansdown.Он добавил, что к настоящему времени он был «хорошо вознагражден».

До недавнего времени ITM занималась созданием небольших устройств для таких объектов, как заправочные станции, некоторые из которых принадлежали Shell и обслуживали небольшое количество транспортных средств, работающих на водороде. Теперь он занимается гораздо более крупными проектами, способными производить достаточно водорода для топливного парка грузовиков или автобусов. Он объединился с Linde, немецким поставщиком промышленных газов, которому принадлежит 17% акций ITM. В этом году он переехал на завод в Шеффилде — размером с два футбольных поля, он считается крупнейшим в мире заводом по производству электролизеров — с целью производства оборудования промышленного масштаба.

Недра этих газовых заводов представляют собой блоки с плотно уложенными друг на друга ячейками, наподобие лотков столовой, где происходит отделение водорода от воды. Многие модули могут быть соединены вместе, чтобы создать очень большие установки, которые, в свою очередь, смогут производить большое количество чистого водорода.

Недавно Shell начала эксплуатировать один из крупных электролизеров ITM на нефтеперерабатывающем заводе в Германии. Электричество будет поступать от ветряных электростанций, а водород будет использоваться для удаления серы из топлива. Позже расширенный объект может производить водород для авиационного топлива, которое сгорает с меньшими выбросами.

ITM также работает над заводом, который будет поставлять до 45 тонн водорода в день в промышленную зону в районе Хамбер на северо-востоке Англии. Энергия будет поступать от оффшорной ветряной электростанции.

Более крупные машины в сочетании с более дешевой возобновляемой энергией должны улучшить экономику водорода. Исследователи из консалтинговой фирмы McKinsey ожидают, что к 2030 году зеленый водород станет достаточно дешевым, чтобы конкурировать с другими источниками энергии.

На данный момент, однако, проекты чистого водорода требуют государственных субсидий, и потребители должны быть готовы платить больше за производимую ими энергию.

Чтобы водород стал основным источником энергии, потребуются другие серьезные изменения, такие как правила, поощряющие использование зеленого водорода в промышленности и отоплении. Ему также потребуется лучшая инфраструктура и потребители, готовые перенять новые привычки.

Например, водород медленно завоевывает популярность в качестве топлива для автомобилей, несмотря на его преимущества, включающие большую дальность действия по сравнению с современными электрическими батареями и возможность дозаправки за несколько минут.

Shell уже построила сеть водородных заправочных станций в Европе, но немецкие автомобильные компании решили сосредоточиться на автомобилях с батарейным питанием.В Германии всего 1200 автомобилей на водородных топливных элементах, и Shell признает, что водород привлекает мало клиентов. На одной заправочной станции Shell во Франкфурте водородный насос находился сзади, где клиенты чистили салоны автомобилей. Цифровой знак, предназначенный для отображения цены на водород, был размещен возле входа на станцию, но было темно.

Отраслевые прогнозы «чрезмерно оптимистичны в отношении того, насколько легко это будет», — сказала Стефани Сирл, директор программы по топливу в Международном совете по чистому транспорту в Вашингтоне.«Потребуется много усилий, чтобы добраться туда».

Производство водорода без CO2 ускоряется благодаря новой технологии Verdagy – TechCrunch

Пионер в области водорода Verdagy — от «verde» для «зеленого» до «agy» для энергии — привлекла 25 миллионов долларов от горстки стратегических инвесторов в энергетическом секторе, чтобы начать грязный, не очень экологически чистый процесс производства. водород и заменив его промышленно масштабируемым решением, при котором в воздух не попадут вредные вещества.

Получается, что наиболее распространенным способом (более 90% водорода производится в США) получения промышленного количества водорода является парометановая конверсия (ПМР). Другими словами: вы берете газ метан (CH 4 ) и выбрасываете в него пар (H 2 O) под высоким давлением. Боги химии делают свое дело, и вы получаете кучу водорода (ура!) и заряд CO 2 . Если вы читали об изменении климата, возможно, вы помните, что CO 2 — это то, чего мы пытаемся избежать.Когда вы едете на своей дерзкой Toyota Mirai, Honda Clarity или Hyundai Nexo навстречу закату с каплей воды, льющейся из выхлопной трубы, без следов CO 2 в поле зрения, легко чувствовать себя самодовольным. Есть загвоздка: если вы не знаете, откуда взялся водород, вполне возможно, что вместо того, чтобы выбрасываться из выхлопной трубы вашего автомобиля, он был произведен где-то на большом заводе. Упс. Конечно, есть шанс, что они захватят и перепрофилируют CO 2 в источнике, но разве не было бы восхитительно, если бы мы вообще не производили его? Забавно, что ты упомянул об этом.

Другой важный способ получения водорода — расщепление атома воды. H 2 0 имеет два атома водорода и один атом кислорода. Разве не было бы здорово, если бы вы могли просто убедить их мирно разойтись, создав кислород (на случай, если ваша школьная биохимия немного устарела: кислород хорош) и водород? Короче говоря, это то, чем занимается Verdagy. Используя большой электролизер (в идеале), подключенный к возобновляемым источникам энергии, таким как солнечная или ветровая энергия, компания может производить большое количество водорода.Они делают это без побочных продуктов, кроме вышеупомянутой биологической опасности «самодовольной ухмылки» на лицах водителей транспортных средств на водородных топливных элементах. Опасность, которую я почти готов терпеть во имя более чистого климата.

Основная инновация компании заключается в объединении преимуществ процессов щелочного электролиза (AWE) и электролиза с протонообменной мембраной (PEM) при разработке присущих им недостатков. Компания Verdagy разработала новый подход на основе мембран, используя ячейки с очень большой активной площадью, способные работать при высокой плотности тока и широком динамическом рабочем диапазоне.Другими словами: ячейки имеют рабочий диапазон с максимальной эффективностью, но если вы обнаружите, что у вас много электричества (например, потому что ваша солнечная батарея производит больше энергии, чем ваши промышленные приложения и / или электросеть могут поглотить ), вы можете сбросить его в электролизеры и получить большое количество водорода, который затем можно использовать или хранить.

«Если вы посмотрите на что-то вроде щелочного электролиза воды (AWE), они используют диафрагму, которая имеет физический предел плотности тока, которую она может использовать.Там могут быть материалы и конструкции, похожие на то, что мы делаем с ячейками, эта диафрагма ограничивает их способность работать при более высоких плотностях тока. [Протонообменная мембрана] PEM имеет ограниченную активную площадь, которую может использовать клетка», — объясняет Марти Низ, генеральный директор Verdagy, демистифицируя и описывая запатентованную технологию компании. «Наши клетки очень, очень большие, и было бы очень сложно воспроизвести то, что мы делаем. У нас есть ячейка с одноэлементной архитектурой, что означает, что вы берете анод, катод и мембрану посередине.Внутренняя архитектура ячейки — это то, что является собственностью, на которую подана заявка на патент. То, как клетка на самом деле рассеивает тепло, циркулирует газ и жидкость, и как вы можете управлять циркуляционным потоком внутри клетки — вот разница в том, что мы делаем по сравнению со всеми остальными».

Раунд с превышением лимита подписки на сумму 25 миллионов долларов возглавил TDK Ventures с дополнительными инвестициями со стороны впечатляющего круга инвесторов. К ним относится Khosla Ventures, который также был инвестором компании Verdagy, созданной в прошлом году, — Chemetry.Другие инвесторы включают нефтегазового гиганта Shell Ventures, инвесторов в области энергетики и климатических технологий Doral Energy-Tech Ventures, сингапурскую государственную инвестиционную компанию Temasek, гиганта сырьевых товаров BHP Ventures, Orbia Ventures (инвестиционное подразделение сельского хозяйства, химической промышленности, водной инфраструктуры, и компания по передаче данных, официально известная как Mexichem), а также ряд дополнительных инвесторов, некоторых из которых компания отказалась назвать TechCrunch.

Тот факт, что Verdagy смогла привлечь такую ​​невероятную группу стратегических инвесторов на сумму 25 миллионов долларов всего через несколько коротких месяцев после того, как она объявила о своем выделении, является свидетельством грандиозности того, что делает компания, и качества. команды.Новый генеральный директор компании Марти Низ имеет адский опыт, в том числе место в совете директоров Ballard Power Systems (которая, кстати, производит топливные элементы PEM), главный операционный директор компании SunPower, специализирующейся на солнечной энергии, в течение девяти лет и основатель переработки алюминия и кремния. компания Нувосил.

«TDK» — это инициализация оригинального японского названия компании: Tokyo Denki Kagaku Kōgyō K.K . (Tokyo Electric Chemical Industry Co., Ltd.). «Если мы не будем инвестировать в электрохимические компании, такие как [Verdagy], во что мы будем вкладывать », — шутит Анил Ачута, инвестиционный директор TDK Ventures.«Наше видение состоит в том, чтобы инвестировать в компании, которые будут определять будущий путь корпорации TDK. И электролиз — особенно для зеленого водорода — является одной из ключевых областей для стратегического продвижения внутри компании. У TDK более 110 заводов по всему миру, и просто обезуглероживание каждого из них может быть весьма интересным, так как это сократит наше присутствие. Для нас инвестировать в будущее мира означает, что мы думаем об обезуглероживании этих крупных нефтехимических или промышленных химических предприятий».

Компания указывает, что — если оставить в стороне мои глупые шутки о транспортных средствах на топливных элементах — ее основное внимание уделяется промышленному использованию водорода, как правило, в рамках крупных промышленных парков, для крупномасштабных применений водорода, включая нефтепереработку, производство удобрений, пищевую промышленность.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.