Наноструктура в рази підвищує ефективність перетворення сонячної енергії у водень…

Наноструктура збільшує ефективність перетворення сонячної енергії в водень в одинадцять разів

Полімерні нітриди вуглецю проявляють каталітичну дію на сонячному світлі, що може бути використано для виробництва водню з сонячної енергії. Однак ефективність цих безметалевих каталізаторів надзвичайно низька. Команда з Університету Тяньцзіня в Китаї у співпраці з групою з Центру Гельмгольца в Берліні збільшила каталітичну ефективність цих полімерних нітридів вуглецю в одинадцять разів за допомогою простого процесу, що призвів до збільшення площі поверхні. Стаття опублікована в журналі Energy Environmental Science.

Одне з головних завдань енергетичного переходу. постачати енергію навіть тоді, коли сонце не світить. Виробництво водню шляхом розщеплення води за допомогою сонячного світла може запропонувати рішення. Водень є хорошим носієм енергії і може бути використаний багатьма способами. Однак вода не просто розщеплюється сама по собі. Потрібні каталізатори, наприклад, платина, яка є рідкісною і дорогою. Дослідницькі групи по всьому світу шукають більш економічні альтернативи. Зараз команда на чолі з доктором. Трістан Петі з HZB разом з колегами під керівництвом проф. Бін Чжан з Університету Тяньцзіня, Тяньцзінь, Китай, домігся значного прогресу, використовуючи відомий клас безметалевих фотокаталізаторів.

Наношари з великими порами

Бін Чжан та його команда спеціалізуються на синтезі полімерних нітридів вуглецю (PCN), які вважаються хорошим кандидатом в якості каталізатора для виробництва водню. Молекули PCN утворюють структуру, яку можна порівняти з тонкими шарами тіста для філо: листи цього матеріалу лежать один на одному, щільно упаковані разом. Китайським хімікам вдалося за допомогою відносно простої двоступеневої термічної обробки відокремити окремі листи один від одного. так само, як листкове тісто розділяється на окремі хрусткі шари в духовці. В результаті термічної обробки були отримані зразки, що складаються з окремих наношарів з великими порами, що містять різні аміногрупи зі специфічними функціональними властивостями.

Термічна обробка дозволила отримати зразки, що складаються з окремих наношарів з великими порами, які містять різні аміногрупи зі специфічними функціональними властивостями. Зображення: Nannan Meng /Tianjin University

Аміно- та оксигеновані групи, проаналізовані на BESSY II

Петі та його команда дослідили серію таких зразків PCN на BESSY II. “Ми змогли визначити, які аміногрупи та групи, насичені киснем, були відкладені в порах”. пояснює аспірант Цзянь Рен (Jian Ren), один з перших авторів публікації. Вони могли аналізувати, як певні аміногрупи притягують до себе електрони, що є особливо сприятливою властивістю для розщеплення води, і як утворюються нові дефекти на основі кисню.

Ефективність збільшено в одинадцять разів

У поєднанні з нікелем як кокаталізатором ці зразки наноструктурованого PCN продемонстрували рекордну ефективність, в одинадцять разів більшу, ніж у звичайного PCN при опроміненні видимим світлом.

Фотокаталітичні процеси на BESSY II розгадані

“Це демонструє, що PCN є цікавим потенційним каталізатором для виробництва водню з сонячної енергії, наближаючись до ефективності неорганічних каталізаторів”. пояснює Петі, який є стипендіатом Фонду Фольксваген Фрайгейст. “Крім того, ця робота також показує, що спектроскопія м’якого рентгенівського випромінювання є важливим інструментом для розгадки можливих каталітично активних ділянок на фотокаталізаторах”.”

Довідка: “Інжиніринг кисневмісних та аміногруп у двовимірний атомно-тонкий пористий полімерний вуглецевий азот для покращеного фотокаталітичного виробництва водню”, Наннан Мен, Цзянь Рен, Ян Лю, І Хуан, Трістан Петі та Бін Чжан, 22 січня 2018 р., Energy Environmental Science.DOI: 10.1039/C7EE03592F

Нові дослідження ведуть до великого прориву у виробництві водню на сонячній енергії

наноструктура, ефективність, перетворення, сонячної

Новий каталізатор майже в десять разів ефективніший за попередні експерименти зі штучного фотосинтезу.

Дослідники Мічиганського університету досягли прориву у виробництві водню за допомогою сонячної енергії за допомогою нового типу сонячних панелей, які досягли 9% ефективності в перетворенні води на водень і кисень.

Новий пристрій може знизити вартість виробництва сталого H2.

Хоча цей новий каталізатор є високоефективним, однією з його основних переваг є зниження вартості сталого виробництва водню. Це стало можливим завдяки зменшенню розміру напівпровідника, який зазвичай є найдорожчою частиною пристрою.

наноструктура, ефективність, перетворення, сонячної

Напівпровідник команди. це самовідновлюваний пристрій, який здатний витримувати високі температури і концентроване світло, еквівалентне 160 сонцям.

“Ми зменшили розмір напівпровідника більш ніж у 100 разів порівняно з деякими напівпровідниками, що працюють лише при низькій інтенсивності світла. Водень, вироблений за нашою технологією, може бути дуже дешевим”. сказав Пенг Чжоу (Peng Zhou), перший автор дослідження і науковий співробітник U-M в галузі електротехніки та комп’ютерної інженерії, в недавньому прес-релізі Мічиганського університету.

Результати розробленого дослідниками методу виробництва сонячного водню стали можливими завдяки двом досягненням.

Першим досягненням є можливість концентрувати сонячне світло, не знищуючи напівпровідник, який утримує світло. Другим досягненням є використання більш високоенергетичної частини сонячного спектру для проведення розщеплення води, а нижньої частини сонячного спектру. для передачі тепла, що сприяє реакції.

На відміну від інших каталізаторів, які деградують щоразу, коли їх використовують для використання сонячного світла для здійснення хімічних реакцій для виробництва водню, цей напівпровідниковий каталізатор фактично самовдосконалюється під час використання.

Окрім здатності витримувати високу концентрацію світла, каталізатор може процвітати при високих температурах, які зазвичай є руйнівними для комп’ютерних напівпровідників. Перевага полягає в тому, що чим вища температура, тим швидше відбувається процес розщеплення води. Крім того, додаткове тепло також сприяє тому, що водень і кисень залишаються розділеними. В результаті дослідницька група змогла зібрати більше водню.

Каталізатор, що використовується для виробництва водню, складається з наноструктур нітриду індію-галію, який вирощується на поверхні з кремнію. Світло вловлюється напівпровідниковою пластиною і перетворюється на вільні електрони та дірки, які є позитивно зарядженими проміжками, що виникають, коли електрони звільняються під дією світла. Нанорозмірні металеві кульки (1/2000 мм в поперечнику) пересипають наноструктури і використовують ці електрони і дірки, щоб допомогти в керуванні реакцією.

Основний ізоляційний шар над панеллю утримує температуру на рівні 75C (167F). Вони досить теплі, щоб сприяти реакції, але водночас достатньо холодні, щоб напівпровідниковий каталізатор міг добре працювати.

“Зрештою, ми вважаємо, що пристрої штучного фотосинтезу будуть набагато ефективнішими, ніж природний фотосинтез, що забезпечить шлях до вуглецевої нейтральності”. сказав Зетіан Мі, який очолює дослідження і є професором електротехніки та комп’ютерної інженерії U-M.

Далі дослідницька група працюватиме над подальшим підвищенням ефективності і досягненням виробництва водню надвисокої чистоти, який можна буде подавати безпосередньо в паливні елементи.

Дослідження опубліковане в журналі Nature.

Сонячна та вітрова енергія можуть спровокувати повернення водневої енергетики

Пітер Фейрлі. науковий та екологічний журналіст, який ділить свій час між Вікторією, Британська Колумбія, та Сан-Франциско, Каліфорнія. Кредит: Нік Хіггінс

Якщо коротко

  • Плани повністю забезпечити країни електроенергією з відновлюваних джерел не будуть успішними, якщо країни не змінять конфігурацію всіх своїх енергетичних систем, включаючи паливо.
  • Надлишок сонячної та вітрової енергії може працювати на електролізерах, які перетворюють воду на водень, який розподіляється по трубопроводах і перетворюється назад в електроенергію, коли це необхідно.
  • Водень можна зберігати в резервуарах і підземних печерах, утворюючи мережу, яка може забезпечити енергією промисловість і резервне живлення електромереж.

Водень тече по трубах під вулицями в Каппель-ла-Гранд, допомагаючи забезпечувати енергією 100 будинків у цьому селі на півночі Франції. На короткій бічній дорозі, що прилягає до центру міста, нова машина-електролізер у невеликому металевому навісі обробляє воду електроенергією з вітрових та сонячних електростанцій, створюючи “відновлюваний” водень, який подається в потік природного газу, що вже тече по трубах. Витісняючи частину викопного палива, водень скорочує викиди вуглецю з печей, водонагрівачів і кухонних плит на 7 відсотків.

Система Cappelle-la-Grande. це жива лабораторія, створена паризькою енергетичною компанією Engie. Компанія передбачає значне розширення водневої енергетики, оскільки вартість електролізерів, а також відновлюваної електроенергії продовжує падати. Якщо Engie має рацію, змішування водню в місцевих газових мережах може прискорити перехід від викопної до чистої енергії.

Компанія не самотня. Відновлюваний водень займає центральне місце в баченні Європейської комісії щодо досягнення нульового рівня викидів вуглецю до 2050 року. Це також зростаючий ФОКУС для промислових гігантів континенту. З наступного року всі нові турбіни для електростанцій, вироблені в Європейському Союзі, повинні поставлятися готовими до спалювання суміші водню з природним газом, а президент США Барак.U.Виробники стверджують, що турбіни будуть сертифіковані на 100-відсоткове використання водню до 2030 року. Європейські виробники сталі, тим часом, експериментують з відновлюваним воднем як замінником вугілля в своїх печах.

Якщо ідея живлення економіки за допомогою відновлюваного водню звучить знайомо, то так воно і є. Майже століття тому знаменитий британський генетик і математик Дж.B.S. Холдейн передбачив еру після викопного палива, коли “великі електростанції” викачуватимуть водень. На світанку цього століття ця ідея стала захопленням. У 2002 році футуролог Джеремі Ріфкін у своїй книзі “Воднева економіка” пророкував, що газ стане каталізатором нової промислової революції. Сонячна та вітрова енергія розщеплюють безмежний ресурс. воду. для створення водню для виробництва електроенергії, опалення та промислової енергії, а побічним продуктом є нешкідливий кисень.

Президент Джордж Буш-молодший. Буш у своєму посланні про стан справ у 2003 році запустив програму 1.2-мільярдний дослідницький гігант, який зробить транспортні засоби на водневих паливних елементах звичним явищем протягом життя одного покоління. Паливні елементи в гаражах можна було б використовувати як резервні джерела для енергопостачання будинків. Через кілька місяців журнал Wired опублікував статтю “Як водень може врятувати Америку”, покінчивши із залежністю від брудної імпортованої нафти.

Негайний прогрес не виправдав сподівань. Менш дорогі та швидко вдосконалювані транспортні засоби на акумуляторах перехопили увагу “зелених автомобілів”. У 2009 році адміністрація Обами відклала роботу над воднем у довгий ящик. Перший міністр енергетики Обами, фізик і нобелівський лауреат Стівен Чу пояснив, що водневі технології просто не готові, а паливні елементи та електролізери, можливо, ніколи не стануть економічно ефективними.

Однак дослідження не припинилися, і навіть Чу зараз визнає, що деякі перешкоди поступово усуваються. Демонстрація Cappelle-la-Grande. це один невеликий проект, але по всьому світу, особливо в Європі, починають будуватися десятки все більш масштабних і амбітних установок. Як відзначило Міжнародне енергетичне агентство в недавньому звіті, “водень в даний час користується безпрецедентним політичним і діловим імпульсом, при цьому кількість політик і проектів по всьому світу швидко розширюється.”

Цього разу інтерес до водню викликаний прагненням декарбонізувати електромережу і важку промисловість, а не транспорт. “Усі, хто займається енергетичним моделюванням, дуже серйозно думають про глибоку декарбонізацію”. каже Том Браун, який очолює групу з моделювання енергетичних систем у німецькому Технологічному інституті Карлсруе. Міста, штати і країни планують шляхи досягнення майже нульових викидів вуглецю до 2050 року або раніше, значною мірою за рахунок впровадження низьковуглецевої вітрової та сонячної електроенергії.

Але у цієї стратегії є дві, часто невисловлені проблеми. По-перше, існуючі електромережі не мають достатньої пропускної здатності, щоб впоратися з великими обсягами відновлюваної енергії, необхідними для виведення з ладу електростанцій на викопному паливі. По-друге, резервні електростанції все одно знадобляться для тривалих періодів темної або безвітряної погоди. Сьогодні ця підтримка забезпечується природним газом, вугіллям та атомними електростанціями, які оператори електромереж можуть легко вмикати та вимикати, щоб збалансувати просідання та зростання поставок відновлюваної енергії.

Водень може відігравати таку ж роль, кажуть його промоутери. Коли вітру і сонця багато, електролізери можуть використовувати частину цієї енергії для виробництва водню, який зберігається на “чорний день” в буквальному сенсі цього слова. Паливні елементи або турбіни перетворять накопичений водень назад в електроенергію, щоб підтримати мережу.

Глибоке скорочення викидів вуглецю також означає пошук замінників палива для сегментів економіки, які не можуть просто підключитися до великої електричної розетки, таких як важкий транспорт, а також заміну сировини для хімікатів і матеріалів, які зараз базуються на нафті, вугіллі та природному газі. “Занадто багато людей були введені в оману, вважаючи, що електрифікація. це все [вуглецеве] рішення”. говорить Джек Браувер, експерт з енергетики з Каліфорнійського університету в Ірвіні, який вже більше двох десятиліть займається розробкою рішень для боротьби з забрудненим повітрям у своєму регіоні. “І багато наших державних установ і законодавців купилися на це”, не розглядаючи, як вирішити проблему зберігання енергії або забезпечити паливом промисловість, каже він.

Чи може відновлюваний водень зробити мережу чистої енергії працездатною? І чи може це бути життєздатним варіантом для промисловості? Деякі цікаві ставки робляться, навіть не знаючи, чи зможе водень швидко і доступно масштабуватися.

наноструктура, ефективність, перетворення, сонячної

Темні часи затишшя

Нечисленні країни, які зробили велику ставку на заміну вугілля і природного газу сонячною та вітровою енергією, вже демонструють ознаки напруження. У 2018 році відновлювані джерела енергії забезпечили близько 40 відсотків електроенергії в Німеччині, хоча і з величезними коливаннями. У певні дні вітрові та сонячні електростанції виробляли понад 75% електроенергії в країні; в інші дні їхня частка падала до 15%. Оператори електромереж керують такими піками і спадами, регулюючи потужність електростанцій, що працюють на викопному паливі, атомних електростанцій, водосховищ і великих акумуляторних батарей. Вітрова та сонячна енергія також все частіше виходять за межі того, що можуть витримати перевантажені лінії електропередач Німеччини, змушуючи операторів мереж відключати деякі відновлювані генератори, втрачаючи при цьому 1.4 мільярди євро (1.5 мільярдів) енергії лише у 2017 році.

Більш важливим питанням на майбутнє є те, як країни будуть справлятися після запланованої поступової відмови від електростанцій, що працюють на викопному паливі (а в Німеччині. і від атомних станцій). Як оператори електромереж підтримуватимуть світло в темні та безвітряні періоди? Енергетичні модельєри в Німеччині винайшли термін для таких посух у відновлюваній енергетиці: dunkelflauten, або “темний період затишшя”.” Дослідження погоди показують, що електромережі в США.S. і Німеччині доведеться компенсувати dunkelflauten тривалістю до двох тижнів.

Більш швидкісні передавальні мережі можуть допомогти боротися з dunkelflauten, переміщуючи електроенергію через великі регіони або навіть континенти, надсилаючи великі обсяги енергії з районів з сильним вітром або яскравим сонцем у певний день у віддалені місця зі спокійною або похмурою погодою. Але розширення електромережі. це тягар. По всій Німеччині будівництво нових ліній електропередач відстає від графіка на роки, що супроводжується протестами громадськості. В У.S., подібна опозиція заважає новим напрямкам отримати схвалення.

Тому для деяких експертів dunkelflauten робить вітрову та сонячну енергетику ризикованою. Наприклад, моделювання енергосистеми, виконане у 2018 році енергетичними моделювальниками з Массачусетського технологічного інституту, прогнозує експоненціальне зростання витрат у міру того, як енергосистеми переходять на 100-відсоткову відновлювану енергію. Це пов’язано з тим, що вони припускають, що великі, дорогі батареї повинні бути встановлені і постійно заряджені, навіть якщо вони можуть використовуватися лише кілька дефіцитних днів або навіть годин на рік.

Група вчених з Каліфорнії дійшла подібного висновку у 2018 році, виявивши, що навіть за наявності великих ліній електропередач та акумуляторів сонячна та вітрова енергія може реально забезпечити лише близько 80 відсотків викидів вуглекислого газу в атмосферу.S. потреби в електроенергії. Інші джерела енергії, безумовно, будуть потрібні, сказав член команди Кен Калдейра, кліматолог з Наукового інституту Карнегі, коли дослідження було оприлюднене.

Деякі європейські експерти кажуть, що в майбутньому M.I.T. а каліфорнійські дослідження занадто короткозорі. Протягом кількох десятиліть європейські дослідники відволікалися від електромережі до більш широкого погляду, розглядаючи весь спектр енергії, що використовується в сучасному суспільстві. Такі дослідження “інтегрованих енергетичних систем”, започатковані фізиком Університету Бентом Сьоренсеном та кількома данськими протеже, поєднують моделювання електромереж, розподільчих мереж природного газу та водню, транспортних систем, важкої промисловості та центрального теплопостачання.

Моделі показують, що поєднання цих секторів забезпечує операційну гнучкість, і водень є потужним засобом для цього. З цієї точки зору, 100-відсоткова відновлювана електромережа може бути успішною, якщо водень використовуватиметься для зберігання енергії для покриття dunkelflauten і без стрибка цін, який спостерігається на M.I.T.у сучасному суспільстві.

Деякі U.S. Дослідження електромереж виключили зберігання водневої енергії, оскільки сьогодні це дорого коштує. Але інші модельєри кажуть, що мислення є недосконалим. Наприклад, у багатьох дослідженнях енергосистем, опублікованих близько десяти років тому, сонячна енергія недооцінювалася, оскільки на той час вона була дорогою. це було помилковим припущенням, оскільки з тих пір вартість сонячної енергії різко знизилася. Європейські симуляції, такі як Brown’s, враховують очікуване зниження витрат, коли вони обчислюють найдешевші способи усунення викидів вуглецю. Виникає нарощування електролізерів, які знижують вартість відновлюваного водню.

У моделях електролізери спочатку масштабуються, щоб замінити водень, який виробляється з природного газу, що використовується хімічними заводами та нафтопереробними заводами на різних етапах переробки. Виробництво “сірого” водню (як його називають експерти в галузі енергетики) викидає понад 800 мільйонів метричних тонн вуглекислого газу на рік у всьому світі. стільки ж, скільки викидається в атмосферу в результаті роботи атомних електростанцій в Україні.K. і загальних викидів Індонезії разом узятих, за даними Міжнародного енергетичного агентства. Заміна сірого водню відновлюваним воднем зменшує вуглецевий слід водню, що використовується в промисловості. Частина водню може також замінити природний газ і дизельне паливо, які споживають важкі вантажівки, автобуси і поїзди. Хоча паливні елементи намагаються конкурувати з акумуляторами для автомобілів, вони можуть бути більш практичними для більш важких транспортних засобів; розробник вантажівок Nikola Motor Company заявляє, що тягачі з причепами, які вона комерціалізує, проїжджатимуть від 800 до 1200 кілометрів (від 500 до 750 миль) на повному заряді паливного елемента, в залежності від різного обладнання і факторів транспортування.

наноструктура, ефективність, перетворення, сонячної

Якщо промисловість і важкий транспорт перейдуть на відновлюваний водень, можуть з’явитися регіональні водневі мережі для його розподілу, які також можуть постачати безвуглецевий газ на електростанції, що забезпечують резервне живлення електромереж. Ось що відбувається в інтегрованих енергетичних симуляціях: у міру того, як створюється і споживається все більше відновлюваного водню, розвиваються мережі масового розподілу, які зберігають місячні запаси газу у великих резервуарах або підземних печерах, так само, як сьогодні зберігається природний газ, за вартістю, яка є дешевшою, ніж зберігання електроенергії в акумуляторах. “Як тільки ви визнаєте, що водень важливий для інших секторів, ви отримуєте довгострокове зберігання для енергетичного сектору як свого роду побічний продукт”. каже Браун.

Ця перспектива оживає в моделюванні Крістіана Брейєра з фінського університету LUT. В останніх сценаріях 100-відсоткової відновлюваної енергетики його команди, опублікованих у 2019 році спільно з Energy Watch Group, міжнародною групою вчених і парламентарів, електростанції, що спалюють накопичений водень, заповнюють порожнечу в мережі під час найглибшого dunkelflauten. “Вони є крайнім засобом”. каже Брейер. “Без цих великих турбін ми б не мали стабільної енергетичної системи в певні години року.”

У моделі Брейєра менше половини вітрової та сонячної енергії, необхідної для виробництва та зберігання водню, перетворюється назад в електрику, що є великою втратою, а генератори водневих турбін простоюють протягом усього року, за винятком кількох тижнів. Але низька ефективність перетворення водню в електрику не розбиває банк, тому що цей шлях використовується нечасто. Брейєр каже, що ця схема є найбільш економічним рішенням для енергетичної системи в цілому, і вона не надто відрізняється від того, як багато мереж сьогодні використовують електростанції, що працюють на природному газі. “Десятиліттями існували електростанції, які вмикалися лише раз на кілька років. каже він.

наноструктура, ефективність, перетворення, сонячної

Перепрофільовані трубопроводи

Незважаючи на те, що сьогоднішнє виробництво відновлюваного водню є мізерним, Європа розраховує на водень для декарбонізації своїх енергетичних систем. Європейська комісія прогнозує, що у 2050 році частка відновлюваної енергії в енергопостачанні Європи зросте до понад 80 відсотків, що забезпечуватиметься більш ніж 50 гігаватними електролізерами. потужністю приблизно 50 атомних електростанцій. Країни-члени ЄС також ставлять свої цілі. Франція закликає свої галузі, що споживають водень, перейти на 10 відсотків відновлюваного водню до 2022 року і від 20 до 40 відсотків до 2027 року.

Цих цілей буде важко досягти без політики, яка заохочує підприємницькі фірми до швидкого запуску масового виробництва електролізерів. Змішування водню з природним газом у газопроводах. це місце для початку, оскільки воно використовує існуючу інфраструктуру. Інженери давно припускали, що молекулярний водень. найменша молекула і високоактивна речовина. розкладається або витікає з існуючих газових труб. Але нещодавні дослідження показують, що змішування до 20-25 відсотків водню можна здійснювати без просочування або пошкодження таких труб. Європейські країни дозволяють змішування, а фірми в Італії, Німеччині, США та інших країнах.K., та інші компанії впорскують водень на десятках об’єктів, щоб допомогти клієнтам заправляти обігрівачі, плити та інші прилади, які не потребують змін, доки вміст водню залишається нижче приблизно 25 відсотків.

За словами керівника проекту Елен П’єр, Engie вже більше року проводить змішування в Каппель-ла-Гранд без жодних інцидентів чи протидії. Вона каже, що суспільному визнанню сприяє широкий моніторинг, який показує, що в будинках, де використовується суміш, повітря чистіше; додавання водню покращує згоряння газу в приладах, зазначає вона, знижуючи рівень забруднюючих речовин, таких як чадний газ, які утворюються, коли природний газ згоряє неповністю.

Наступна хвиля європейських проєктів з виробництва відновлюваного водню може підштовхнути виробництво до більших масштабів. Промислові консорціуми у Франції та Німеччині шукають фінансування та дозвіл на 100-мегаватний електролізер, в 10 разів більший за найбільший з тих, що працюють. Два величезні проекти електролізерів змагаються за державну підтримку для розвитку регіональної водневої економіки навколо Лінгена, міста на північному заході Німеччини, в якому знаходиться пара нафтопереробних заводів. Один проект, в якому беруть участь велике комунальне підприємство Enertrag і кілька найбільших німецьких енергетичних та інжинірингових фірм, міг би стати зразком для загальнонаціональної водневої мережі. Проект використовує переваги існуючої газової інфраструктури, але не шляхом змішування. Натомість ідея полягає в тому, щоб перепрофілювати запасні газопроводи для постачання відновлюваного водню на місцеві нафтопереробні заводи, а також електростанцію і навіть заплановану заправну станцію для транспортних засобів на паливних елементах. “Наша ідея полягає в тому, щоб створити 100-відсоткову водневу газову мережу”. каже Франк Хойнеманн, керуючий директор компанії Nowega, одного з партнерів проекту та оператора газових мереж регіону.

Новега може повторно використовувати деякі порожні труби, оскільки в регіоні є дві газові мережі. Одна з них транспортує стандартний природний газ, який майже повністю складається з метану. Інший був спочатку побудований для постачання місцевого природного газу з високим вмістом сірководню, а водень може зробити деякі сталеві труби крихкими. Nowega поступово відмовляється від місцевого газу, залишаючи порожні сталеві труби, які, за словами Хойнеманна, повинні витримати будь-яку реакцію з чистим воднем. Європейський постачальник енергії RWE побудує головний електролізер консорціуму і планує спалювати частину виробленого водню на своїй електростанції в Лінгені. Інженерний гігант Siemens має намір оптимізувати одну з чотирьох газових турбін станції для роботи з чистим воднем.

Консорціум також думає про розширення. Лінген знаходиться приблизно в 48 кілометрах від підземних соляних печер, створених для зберігання природного газу. Логічним наступним кроком може стати зберігання частини водню Лінгена на глибині понад 1000 метрів в одній з печер, каже Хойнеманн. (Водень вже масово зберігається в печерах у Техасі та США).K.)

Nowega також передбачає 3200-кілометрову мережу трубопроводів, яка може охопити більшість німецьких сталеливарних заводів, нафтопереробних заводів і виробників хімічної продукції. План передбачає перепрофілювання газопроводів, які спочатку були побудовані для транспортування багатого на водень “міського газу”, виробленого з вугілля, що було поширеним в Європі до 1960-х років. Трубопроводи, які історично справлялися з 50-відсотковим воднем, також повинні бути в порядку “для використання для 100-відсоткового водню”. каже Хойнеманн.

Майбутнє непевне

Зростаючий інтерес Європи до відновлюваного водню не є унікальним. Японія планує багаторічний перехід до “водневого суспільства”, що є частиною офіційної енергетичної політики з 2014 року. Досягнення однієї з перших цілей Японії. демонстрація технології ефективного імпорту водню. має розпочатися у 2020 році з танкерних поставок сірого водню з Брунею, крихітної багатої на газ країни, розташованої на Борнео. Конкуруючі політичні партії Австралії розробляють конкуруючі плани експорту водню до Японії. У грудні 2019 року міністри енергетики австралійських штатів і територій прийняли національну водневу стратегію, а уряд країни оголосив про виділення 370 мільйонів доларів (австралійських; 252 мільйони доларів США) на розвиток водневої енергетики.S.) пакет водневих стимулів.

Навіть у США.S., є ознаки відновлення інтересу. Федеральний уряд знову ставить цілі для водневих технологій, деякі енергетичні компанії інвестують, а кілька штатів пропонують підтримку. Лос-Анджелес може стати лідером. “L.A.”Зелений новий курс”, представлений мером Еріком Гарсетті у квітні 2019 року, зобов’язує місто досягти 80 відсотків відновлюваної електроенергії до 2030 року і 100 відсотків до 2050 року. Мер просуває плани будівництва сонячних електростанцій, а також будує нову електростанцію на природному газі, щоб забезпечити місто резервним джерелом електроенергії. Цей завод можна переобладнати для спалювання відновлюваного водню; близько 125 кілометрів трубопроводів вже постачають сірий водень на нафтопереробні заводи регіону. А паливні елементи конкурують з акумуляторами в планах переобладнання приблизно 16 000 вантажівок, які перевозять вантажі в портах регіону. Заправка цих вантажівок воднем замість дизельного палива може значно покращити L.A.”хмарне небо” в Україні.

Браувер каже, що всій державі потрібно глибше думати про енергетику, оскільки вона прагне усунути викиди вуглецю. За прогнозами Національної лабораторії Лоуренса Берклі, до 2025 року штат може втрачати понад вісім терават-годин потенціалу відновлюваної енергії щороку, згідно з прогнозами Національної лабораторії Лоуренса Берклі. енергії, яку, за словами Браувера, Каліфорнія повинна використовувати у вигляді водню для очищення своїх нафтопереробних заводів і задоволення зростаючого попиту на електроенергію під час літніх спекотних хвиль.

Інші експерти погоджуються, що водень може з’єднати ці точки. Нещодавнє дослідження Energy Futures Initiative, аналітичного центру, очолюваного колишнім міністром енергетики та вугільної промисловості США, показало, що металочерепичні покрівлі можуть.I.T. ядерний фізик Ернест Моніс, який був другим міністром енергетики Обами, закликає Каліфорнію скористатися “величезною цінністю”, яку пропонують відновлюваний водень та інші низьковуглецеві види палива. У дослідженні робиться висновок, що без них цілі Каліфорнії щодо скорочення викидів вуглецю можуть виявитися недосяжними.

Безліч потенційних проблем все ще можуть зупинити або запобігти розширенню водневої інфраструктури в Каліфорнії, Європі та інших країнах. Постійною проблемою є занепокоєння громадськості. Водень надзвичайно легкозаймистий, і нещасні випадки трапляються. Минулого літа несправний клапан спричинив вибух водню на норвезькій заправці для автомобілів на паливних елементах. Бетонні вибухові стіни мінімізували травми, але повідомлення в ЗМІ відразу ж поставили під сумнів, чи переживе воднева енергетика цей інцидент. У листопаді 2019 року губернатор Каліфорнії Гевін Ньюсом попросив державну комісію з комунальних послуг прискорити закриття підземного газосховища, де чотиримісячний витік природного газу чотирма роками раніше призвів до евакуації тисяч сімей.

Усі варіанти енергії мають свої ризики, а громадський спротив ускладнює багато шляхів до безвуглецевої енергії. У багатьох місцях громадськість не в захваті від атомної енергетики, ліній електропередач або вітрових турбін. Однак вартість електролізерів може бути найбільшою проблемою, що стоїть перед майбутнім відновлюваного водню. Щоб почати заміщення сірого водню в промисловості, вартість виробництва відновлюваного водню повинна знизитися з приблизно 4 або більше доларів за кілограм сьогодні до 2 або менше. Кілька досліджень показують, що це може статися до 2030 року, якщо вартість електролізерів продовжить падати, як це було в останні кілька років.

Дослідження також припускають, що без державних стимулів модель може не з’явитися. У нещодавньому звіті Міжнародне енергетичне агентство зазначає, що водень потребує такої ж державної підтримки, яка сприяла ранньому розгортанню сонячної та вітрової енергетики. галузей, які зараз залучають понад 100 мільярдів щорічних інвестицій у всьому світі. Ці приклади, пише агентство, показують, що “політичні та технологічні інновації здатні створити глобальну індустрію чистої енергії”.”

Вдосконалена технологія може з’явитися. На ринок виходить новий клас електролізерів. твердооксидні електролізери, які виробляють майже на 30 відсотків більше водню, ніж провідні в галузі протонообмінні мембранні електролізери, які використовує Engie. Колишній міністр енергетики і скептик Чу, а нині професор Стенфордського університету, працює над новим електролізером, який спирається на меншу відстань між компонентами та інші хитрощі, щоб виробляти водень швидше і з меншими витратами енергії. За словами Чу, зміни можуть мати “величезну різницю в операційних витратах”.” За словами Чу, це лише ще одна причина, чому він “потеплішав” до водню.

Ця стаття була спочатку опублікована під назвою The H2 Solution в журналі Scientific American 322, 2, 36-43 (лютий 2020)

Науковий комплект з сонячного водню

Науковий комплект “Сонячний водень” дозволяє учням винаходити власні застосування чистої енергії з використанням паливних елементів і відновлюваного водню, створеного за допомогою сонячної енергії та води.

наноструктура, ефективність, перетворення, сонячної

Науковий набір з сонячного водню. огляд продукту

Науковий набір “Сонячний водень” дозволяє учням винаходити власні застосування чистої енергії з використанням паливних елементів та відновлюваного водню, створеного за допомогою сонячної енергії та води. Набір також постачається з невеликим електродвигуном і лопаттю пропелера як відправною точкою для моторизованих застосувань, які ви можете створити за допомогою футуристичного пристрою зберігання сонячної енергії. Набір містить повну навчальну програму з відновлюваної енергетики з простим у виконанні посібником з експериментів, інструкцією зі збирання, флеш-анімацією та довідковою інформацією про технологію.

  • Дослідіть послідовні та паралельні ланцюги та інші фізичні концепції з відновлюваною енергією від паливного елемента та сонячної панелі.
  • Використовуйте енергію Сонця, щоб розщеплювати воду та генерувати водень, вивчаючи хімічні поняття.

Чому паливні елементи та водень?

Паливні елементи можна розглядати як пристрої альтернативної енергетики, які розкривають енергію водню. Вони перетворюють хімічну енергію на електричну. Водневі паливні елементи роблять це дуже чисто, без токсичних викидів і з високою ефективністю. Технології водню та паливних елементів мають багато потенційних застосувань в екологічно чистій енергетиці. від запуску наших транспортних засобів до живлення наших мобільних телефонів і ноутбуків, опалення наших лікарень і будинків.

Паливні елементи не генерують енергію з повітря. Вони використовують водень. Водень є видатним носієм енергії. Водень нетоксичний, відновлюваний, легкодоступний і містить багато енергії. При згорянні з киснем він перетворюється на воду. Ця вода знову може бути розділена на водень і кисень за допомогою електролізу. Утворений водень можна спалювати ще раз, таким чином проходячи безмежний цикл без токсичних викидів. За допомогою паливного елемента ви можете перетворювати водень в електричний струм без його згоряння. Викопне паливо перетворюється на корисну енергію шляхом спалювання. Енергію, що виділяється під час горіння, важко вловити і вона неефективна. Вона також виробляє вуглекислий газ, який не може бути легко перетворений назад у придатне для використання паливо. Ефективність двигуна внутрішнього згоряння викопного палива на електростанції становить лише від 30 до 40%. Це означає, що він перетворює лише від 30 до 40% енергії викопного палива на корисну енергію (електрику). Двигуни в автомобілях ще менш ефективні, і досягають рівня 15-20% ККД. Куди йде решта енергії? Водень виділяється у вигляді тепла, вібрації та шуму.

З іншого боку, паливні елементи можуть працювати з ефективністю від 40 до 65%. Це означає, що вони можуть перетворити від 40 до 65% енергії, що міститься у водні, в електрику. Розвиток водневих технологій і продуктів на основі паливних елементів у всьому світі покращить якість повітря, яким ми дихаємо, забезпечить безпечну і надійну енергію, зменшить викиди, що спричиняють зміну клімату, і створить висококваліфіковані робочі місця.

Залишити відповідь