Удар для любителей нефти: два шага к новой энергетике
- Технологии
- Алексей Алексенко Автор
Недавние технологические разработки приблизили использование искусственного фотосинтеза для получения чистой энергии
Сразу две исследовательские группы объявили о серьезных успехах на пути к искусственному фотосинтезу — процессу, при котором вода расщепляется солнечным светом с образованием водорода и кислорода. Водород и кислород при этом образуют эффективное и экологически чистое топливо: при их реакции образуется опять же вода.
Почти вся энергия, используемая человечеством, поступает к нам от Солнца (исключение — энергия распада урана, которая идет от другого источника — давно потухших звезд). Именно энергия Солнца заключена во всех видах ископаемого топлива: ее запасли для нас живые организмы прежних эпох.
Живая природа выработала исключительно эффективный способ использовать энергию Солнца — фотосинтез. Прилетевший от Солнца фотон растения и цианобактерии используют, чтобы разбить молекулу воды на кислород и водород. Кислород они тут же выбрасывают, а водород в конечном счете используют для того, чтобы обвешать им молекулу углекислого газа, превратив ее в органику. Эту самую органику, то есть энергию химических связей между углеродом и водородом, человечество и использует, сжигая ископаемое топливо или непосредственно части растений (например, древесину).
Синтез органики из углекислого газа, воды и солнечного света — процесс, который удается растениям так хорошо, что людям нет никакого смысла его копировать: достаточно просто посадить побольше лесов. Однако инженеров очень привлекает другая возможность: если не доводить природный процесс до конца, а остановить его на стадии расщепления воды, можно запасать солнечную энергию в виде водорода и кислорода. Водород и кислород по отдельности выделяют многие микроорганизмы, но вот объединить эти процессы для обеспечения собственной энергетики живая природа не додумалась (она нашла для этого более изысканные и безопасные химические реакции). Между тем такой технологический процесс мог бы многократно покрыть все сегодняшние энергетические потребности человечества.
Йохен Фельдман и Яцек Столарчик из Мюнхена, а также Франк Вюртнер из Вюрцбурга решили важнейшую проблему: как эффективно разделить воду на водород и кислород и не дать им соединиться обратно.
Их подход основан на довольно традиционной технологии использования полупроводников. После поглощения фотона в полупроводнике создается пара из электрона и положительно заряженной «дырки». Электрон используется для того, чтобы «восстановить» из воды водород. В прежних инженерных решениях «дырки» старались как можно быстрее удалить из полупроводника с помощью химических реагентов, и таким образом вторая, более медленная часть реакции — «окисление» кислорода «дыркой» — оставалась неосуществленной.
Зачем нам использовать наработки древних растений, если мы сами научимся делать то же, что и они, — только лучше?
Эту проблему и решили исследователи. В их системе две половинки реакции протекают на одной наночастице, хоть и разнесены в пространстве. Наночастицы представляют собой стержни из полупроводника, сульфата кадмия. На концы стержней нанесены частицы платины, которая служит акцептором для возбужденных электронов.
Там и происходит реакция восстановления водорода. Тем временем на боковые поверхности стержней нанесен разработанный исследователями катализатор на основе рутения: он обеспечивает исключительно быструю доставку «дырок» к ионам кислорода. Скорость особенно важна, поскольку «дырки» химически активны и быстро разрушают катализатор. В итоге две части реакции катализируются одним типом наночастиц, и происходит полное расщепление воды на кислород и водород в одну стадию.
Ученые из Кембриджа придерживались другого подхода: они объединили в одном дизайне инженерные технологии человека и компоненты природных живых систем. Получившийся в результате процесс преподнес исследователям сюрприз: он позволил использовать энергию солнечного света даже более эффективно, чем это делает природный фотосинтез в растениях.
Преимущества полуискусственного фотосинтеза в том, что для него не нужны дорогие и токсичные катализаторы, ограничивающие возможности полностью искусственных систем, вроде описанной выше.
С другой стороны, полуискусственные процессы, возможно, вскоре удастся масштабировать до промышленного уровня.
Авторы использовали молекулярное оборудование природной фотосистемы II, добавив к нему фермент гидрогеназу из водорослей, восстанавливающий протоны до водорода. В природном фотосинтезе ничего подобного не происходит, так как выделяющиеся при расщеплении воды протоны сразу же вовлекаются в другие биохимические процессы. Однако исследователям удалось совместить две биологические реакции, в обычных условиях разобщенные: работу фермента гидрогеназы и расщепление воды фотосистемой II. Оба «живых» компонента фиксировали на фотоаноде, покрытом особым красителем. В результате природный процесс был оптимизирован: вместо кислорода и восстановленной из СО 2 органики модифицированный фотосинтез стал давать просто кислород и водород — два вещества, на которых, возможно, будет базироваться «зеленая» энергетика будущего.
Появление на протяжении одной недели сразу двух научных работ, с разных сторон атакующих проблему искусственного фотосинтеза, свидетельствует, что этой технологии, возможно, нам не так уж долго ждать.
Алексей Алексенко
Автор
#альтернативная энергетика
Рассылка Forbes
Самое важное о финансах, инвестициях, бизнесе и технологиях
Как отделить кислород от водорода
Для этого нужен более сложный прибор — электролизер, который состоит из широкой загнутой трубки, наполненной раствором щелочи, в которую погружены два электрода из никеля.
Монополярная ванна
Кислород будет выделяться в правом колене электролизера, куда подключен положительный полюс источника тока, а водород — в левом.
Это обычный тип электролизера, которым пользуются в лабораториях для получения небольших количеств чистого кислорода.
В больших количествах кислород получают в электролитических ваннах разнообразных типов.
Войдем в один из электрохимических заводов по производству кислорода и водорода. В огромных светлых залах-цехах строгими рядами стоят аппараты, к которым по медным шинам подводится постоянный ток. Это электролитические ванны. В них из воды можно получить кислород и водород.
Электролитическая ванна — сосуд, в котором параллельно друг другу расположены электроды. Сосуд наполняют раствором — электролитом. Число электродов в каждой ванне зависит от размера сосуда и от расстояния между электродами. По схеме включения электродов в электрическую цепь ванны делятся на однополярные (монополярные) и двухполярные (биполярные).
В монополярной ванне половина всех электродов подключается к положительному полюсу источника тока, а вторая половина — к отрицательному полюсу.
В такой ванне каждый электрод служит или анодом, или катодом, и на обеих сторонах его идет один и тот же процесс.
Биполярная ванна: 1 — катод; 2 — анод; 3 — биполярные электроды.
В биполярной ванне источник тока подключается только к крайним электродам, один из которых служит анодом, а другой — катодом. С анода ток поступает в электролит, через который он переносится ионами к близлежащему электроду и заряжает его отрицательно.
Проходя через электрод, ток снова входит в электролит, заряжая обратную сторону этого электрода положительно. Таким образом, проходя от одного электрода к другому, ток доходит до катода.
В биполярной ванне только анод и катод работают как монополярные электроды. Все же остальные электроды, расположенные между ними, являются с одной стороны катодами (—), а с другой стороны — анодами (+).
При прохождении электрического тока через ванну между электродами выделяются кислород и водород. Эти газы нужно отделить друг от друга и направить каждый по своему трубопроводу.
Существуют два способа отделения кислорода от водорода в электролитической ванне.
Отделение кислорода от водорода в электролитической ванне металлическими колоколами
Первый из них заключается в том, что электроды отгораживаются друг от друга металлическими колоколами. Образующиеся на электродах газы поднимаются в виде пузырьков кверху и попадают каждый в свой колокол, откуда через верхний отвод направляются в трубопроводы.
Этим способом кислород легко отделить от водорода. Однако такое разделение приводит к излишним, непроизводительным затратам электроэнергии, так как электроды приходится ставить на большом расстоянии друг от друга.
Другой способ разделения кислорода и водорода при электролизе заключается в том, что между электродами ставится перегородка — диафрагма, которая является непроницаемой для пузырьков газа, но хорошо пропускает электрический ток. Диафрагма может быть сделана из плотно сотканной асбестовой ткани толщиной 1,5—2 миллиметра. Эту ткань натягивают между двумя стенками сосуда, создавая тем самым изолированные друг от друга катодные и анодные пространства.
Водород из всех катодных и кислород из всех анодных пространств поступают в сборные трубы. Оттуда по трубопроводам каждый газ направляется в отдельное помещение. В этих помещениях под давлением 150 атмосфер полученными газами наполняют стальные баллоны. Баллоны направляют во все уголки нашей страны. Кислород и водород находят широкое применение в различных областях народного хозяйства.
Источник: В. Медведовский. Кислород. Государственное Издательство Детской литературы Министерства Просвещения РСФСР. Ленинград. Москва. 1953
Лучший способ получить водород из воды
Перейти к содержимому
Изменение климата
Исследователи Калифорнийского технологического института демонстрируют чистую технику использования тепла и катализаторов для расщепления воды на водород и кислород.
Автор:
- Kevin Bullisarchive page
19 июня 2012 г.
Экспериментальный подход к расщеплению воды может привести к относительно дешевому и чистому методу крупномасштабного производства водорода, не требующего ископаемого топлива. В процессе вода расщепляется на водород и кислород с использованием тепла и катализаторов, изготовленных из недорогих материалов.
Mark E. DavisРасщепление воды с помощью тепла является альтернативой электролизу, который является дорогостоящим и требует большого количества электроэнергии. Новый подход, разработанный профессором химического машиностроения Калифорнийского технологического института Марком Дэвисом, позволяет избежать ключевых проблем с предыдущими методами расщепления воды, основанными на тепле. Он работает при относительно низких температурах и не производит никаких токсичных или коррозионных промежуточных продуктов.
Почти весь водород, используемый в настоящее время в промышленных процессах, таких как производство бензина, получается в результате риформинга природного газа.
Если автопроизводители начнут продавать большое количество автомобилей на водородных топливных элементах, как они заявили, что в конечном итоге планируют это сделать, водород для них также, вероятно, будет поступать из природного газа, если только процессы, подобные тому, что в Калифорнийском технологическом институте, не будут коммерциализированы.
Основной подход к высокотемпературному расщеплению воды заключается в нагревании окисленного металла для удаления кислорода с последующим добавлением воды. В случае Дэвиса исходным материалом является оксид марганца, и реакциям способствует перемещение ионов натрия внутрь и наружу. «Без натрия температура превышала бы 1000 °C, — говорит Дэвис. С ним реакции идут при температурах 850 °С и ниже.
Технология, вероятно, далека от коммерческого использования. Для него по-прежнему требуются довольно высокие температуры — например, на пару сотен градусов выше, чем те, которые используются для привода паровых турбин на угольных и атомных электростанциях.
Для получения таких температур без ископаемого топлива, вероятно, потребуется одна из двух технологий, ни одна из которых в настоящее время не используется в коммерческих целях: высокотемпературные ядерные реакторы или солнечные тепловые установки с высокой концентрацией, которые используют кольца зеркал для более интенсивной концентрации солнечного света, чем это происходит сегодня в солнечные тепловые электростанции.
Подход Калифорнийского технологического института также необходимо протестировать, чтобы убедиться, что цикл разделения воды может выполняться многократно. На данный момент исследователи показали, что одни и те же материалы можно использовать повторно пять раз, но «если вы хотите, чтобы одна из этих вещей работала по-настоящему, вам пришлось бы запускать ее в течение тысяч циклов», — говорит Дэвис. Он говорит, что такое тестирование выходит за рамки его лаборатории. «Мы довольны потенциалом для многих циклов на этом, но пока вы не сделаете это, вы не узнаете», — говорит он.
«Все, что мы здесь сделали, это доказали, что химия может работать».
Также необходимо увеличить скорость производства водорода, например, за счет перехода на материалы с большей площадью поверхности. И Дэвис надеется еще больше снизить необходимые температуры. Цель состоит в том, чтобы использовать этот процесс или аналогичный для использования отработанного тепла на сталелитейных заводах и электростанциях. «Это хорошее начало, но чем ниже мы опускаемся, тем лучше», — говорит он.
Кевин Буллис
Глубокое погружение
Изменение климата
Энергетическое излучение достигает возраста
Как передача мощности может изменить то, как мы питаем все, от спутников до мобильных телефонов, и сократить выбросы углекислого газа.
Оставайтесь на связи
Иллюстрация Роуз Вонг
Узнайте о специальных предложениях, главных новостях, предстоящие события и многое другое.
Введите адрес электронной почты
Политика конфиденциальностиСпасибо за отправку вашего электронного письма!
Ознакомьтесь с другими информационными бюллетенями
Похоже, что-то пошло не так.
У нас возникли проблемы с сохранением ваших настроек. Попробуйте обновить эту страницу и обновить их один раз больше времени. Если вы продолжаете получать это сообщение, свяжитесь с нами по адресу [email protected] со списком информационных бюллетеней, которые вы хотели бы получать.
Технологии расщепления воды, которые могут подпитывать промышленность и города
Исследователи проекта SafeFlame используют стандартное сетевое электричество для расщепления воды на кислород и газообразный водород, а затем воссоединяют их на кончике паяльной лампы, чтобы получить пламя. Поскольку их горелка генерирует собственное топливо по требованию, она устраняет необходимость в легковоспламеняющихся газах, таких как ацетилен, которые необходимо хранить в топливных баллонах и которые опасны при транспортировке из-за их взрывоопасной природы.
Есть много сообщений о человеческих травмах и смертях из-за небезопасной транспортировки или хранения ацетиленовых топливных баллонов, особенно при перевозке в кузове инженерного фургона.
««Это новое более безопасное пламя из воды, которое полностью отличается от любого из существующих методов создания пламени для коммерческого использования».
Дерек Дэвис, технический консультант, SafeFlame
Устройство SafeFlame примерно в 20 раз дешевле, чем использование комбинации газов кислорода и ацетилена, и имеет меньшие затраты на страхование, поскольку исключен риск взрыва. Это означает, что технология может применяться в ряде приложений, использующих пламя, в таких различных отраслях, как кондиционирование воздуха, автомобильные компоненты, обработка стекла, железнодорожные сети и судостроение, а также в научных лабораториях.
Хорхе Уэте, председатель проектного консорциума, сказал, что они достигли «фантастических результатов и прототипов», которые принесут реальную пользу людям, работающим с пламенем.
Хотя так называемые электролизеры воды, которые расщепляют воду на газы, которые затем можно сжигать, существуют уже много лет, проблема заключалась в том, что они удерживали потоки газообразных водорода и кислорода вместе — небезопасная и потенциально взрывоопасная смесь из-за проблемы flashback’, когда пламя разгорается слишком быстро и всасывается обратно в систему подачи газа.
«Это новое более безопасное пламя из воды, которое полностью отличается от любого из существующих методов создания пламени для коммерческого использования», — сказал Дэвис.
Расщепление воды светом
В то время как SafeFlame использует электролиз для расщепления воды для создания пламени, другие проекты стремятся имитировать процесс фотосинтеза и использовать свет для расщепления воды, чтобы улавливать молекулы водорода для возобновляемых источников энергии.
«Искусственный фотосинтез предлагает стратегию замены ископаемого топлива чистыми источниками энергии», — сказал доктор Стефано Фабрис, исследователь проекта h3OSPLIT, финансируемого ЕС, в Институте материалов Итальянского национального исследовательского совета.
Конечной целью искусственного фотосинтеза является эффективное преобразование солнечной энергии в химическую энергию и хранение ее в качестве топлива. Расщепляя воду, молекулы водорода могут быть выделены, а затем преобразованы в электричество для питания всего, от вашего холодильника до города.
Исследователи h3OSPLIT использовали синтезированную группу неорганических молекул оксидов металлов, известных как фотокатализаторы, для запуска химической реакции расщепления воды на водород и кислород под воздействием света.
Чтобы понять, как оптимизировать процесс, исследователи h3OSPLIT использовали сложное компьютерное моделирование для имитации поведения атомов и электронов во время процесса. Проект завершился в 2013 году, и его предварительные результаты были опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences .
‘Эффективность фотосинтеза растений очень низкая – подумайте о времени, необходимом для выращивания дерева. Чтобы иметь смысл для нашего энергоемкого общества, эффективность искусственных фотосинтетических устройств должна быть намного выше.