Как сделать водород: Как сделать водородный генератор для дома своими руками

Как сделать водородную воду в домашних условиях

Если рассматривать различные способы улучшения питьевой воды, то одним из самых полезных среди них можно считать насыщение воды молекулярным водородом. При этом жидкость получает ряд уникальных свойств:

• антиоксидантная активность;
• оптимальный для организма показатель pH;
• нормализация ОВП (Redox-потенциала).

Учитывая такие полезные характеристики питьевой жидкости с повышенным содержанием Н2, часто возникает вопрос – как сделать водородную воду в домашних условиях? До недавнего времени широкому кругу людей на бытовом уровне были доступны только дорогостоящие электролитические установки, сложные в управлении. Они достаточно небезопасны и требуют больших затрат на электроэнергию. Кроме того, водородную воду дома можно получить за счет химической воды реакции с активными металлами. Такая технология тоже считается небезопасной, требует большой аккуратности и знаний.

Генераторы для получения водородной воды

Современная альтернатива упомянутым способам производства водородной воды – компактные устройства с уникальной технологией выработки молекулярного водорода. В отличие от обычного неконтролируемого электролиза под высоким напряжением, реакция в таких генераторах проходит в особой мембране. Она изготовлена из электропроводящего полимера. Во время электрохимической реакции она не выделяет побочных продуктов разложения и не загрязняет жидкость. Это значит, что водородную воду можно будет сразу пить и не подвергать ее дополнительной фильтрации.

Также в качестве устройства для получения воды, насыщенной водородом, можно рассматривать бутылки-ионизаторы. В их фильтр-блоке содержатся магниевые и керамические шарики, способствующие образованию молекул водорода. Они могут очищать и улучшать качество воды, ощелачивая ее и уменьшая в ней количество свободных радикалов. При этом бутылки-ионизаторы не требуют электропитания или подзарядки аккумулятора и полностью автономны.

Водородная вода в домашних условиях из генератора

При использовании такого способа насыщения жидкости молекулами h3, не нужно заниматься длительными расчетами и подготовкой оборудования. Генератор работает автономно от встроенного аккумулятора, при включении ему не нужны внешние источники питания. Такое устройство позволяет безопасно приготовить водородную воду дома за несколько минут. По своим характеристикам она не будет отличаться от той, которую обработали в дорогостоящих установках для насыщения h3.

Узнайте больше о получении водородной воды дома – обращайтесь к представителям интернет-магазина Кулмарт по телефонам +7 (495) 951-34-22 или +7 (495) 504-61-81.

Водородные перспективы России: 20 процентов мирового рынка

Правительство может утвердить концепцию развития водородной энергетики через один-два месяца. О планах кабмина на Петербургском международном экономическом форуме рассказал вице-премьер России Александр Новак. В перспективе наша страна может занять пятую часть мирового рынка по торговле водородом. Что для этого нужно сделать?

Важно подчеркнуть, что Россия входит в климатическую повестку в числе лидеров. У нас один из самых чистых энергобалансов среди промышленно развитых стран, в основе которого – газ.

Выступая на Петербургском международном экономическом форуме, вице-премьер Александр Новак назвал основные задачи в области развития водородной энергетики, которые стоят перед правительством. Во-первых, необходимо создать производство водорода, ориентированного на экспорт, и, во-вторых, занять определенную нишу на мировых рынках. По оценкам, доля российского водорода может составить 20 процентов – примерно столько же, сколько сейчас Россия занимает на рынке природного газа и нефти.

«Водородная энергетика, по всей видимости, займет очень важное место в мировой экономике. У водорода есть определенные преимущества по сравнению с другими энергоносителями – в частности, при правильном формате его сжигания не образуются парниковые газы, – говорит ведущий эксперт Фонда национальной энергетической безопасности, преподаватель Финансового университета при правительстве РФ Станислав Митрахович. – Пока что этот рынок очень маленький. По большей части водород производится на химическом заводе из природного газа и там же потребляется для различных химических процессов. Чтобы водород куда-то загрузили, перевезли, по-другому использовали – все это еще только в стадии проектирования. Но большинство стран мира заявили о водородной стратегии».

Водородная стратегия разрабатывается и в России. Наша страна планирует создать экспортно-ориентированное производство водорода – как низкоуглеродного, на базе природного газа, так и безуглеродного на базе электролиза воды с использованием мощностей ГЭС, АЭС и возобновляемых источников энергии.

Водород – самый распространенный элемент на Земле, но в обычных условиях он не встречается ни в виде отдельных молекул, ни в виде газа. Водород легко вступает в реакцию с другими органическими соединениями с образованием, например, воды. Поэтому логично, что и получить его можно с помощью обратного процесса – из воды путем разделения ее молекул электрическим током на кислород и водород. То есть, посредством электролиза.

Есть и другие технологии. Основной промышленный способ получения водорода – реакция с водой метана, который входит в состав природного газа.

Важный критерий производства – экологичность. Каждый сорт водорода, полученного разными способами, принято обозначать цветом. Например, водород из природного газа считается «серым», а «зеленым» называют водород после электролиза. Однако вокруг этого деления на категории экологичности возникают споры. И уже сейчас наши европейские партнеры готовы использовать «цветовое разнообразие» водорода в качестве экономического и политического инструмента.

«К сожалению, наши традиционные внешнеэкономические партнеры, которые традиционно наши углеводороды покупали в больших количествах, в частности, Европейский союз, говорят, что нам нужен так называемый «зеленый» водород. Тот, который получается при электролизе с использованием энергии, выработанной на возобновляемых источниках энергии, а к ним они относят только солнечные станции, ветряные станции и маленькие гидростанции. У нас, для сравнения, другая точка зрения: мы считаем, что атомная энергетика и гидроэнергетика, включая большие гидростанции, тоже относится если не к безуглеродному развитию, то к низкоуглеродному развитию», – говорит Станислав Митрахович.

Водород становится все более привлекательным для инвесторов. Сфера его применения очень широка – от генерации электричества до транспорта, отопления и промышленных процессов. По оценке Международного энергетического агентства, доля водородного топлива в транспортном секторе достигнет четверти к концу столетия, а сам водород будет вполне конкурентоспособной альтернативой бензину. И у России есть все шансы стать одним из главных производителей и экспортеров водорода в мире.

Водородная бомба Мир нашел новую альтернативу нефти и газу. Она обойдется в сотни миллиардов долларов: Госэкономика: Экономика: Lenta.ru

Бум на зеленую энергетику уже давно сопровождается попытками найти замену привычным, но совершенно не экологичным углеводородам. Одним из кандидатов на эту роль стал водород. На него делают ставку Европейский союз, Китай, США, Япония и многие другие страны. Суммарная стоимость всех проектов, реализуемых сегодня в области водородной энергетики, достигла уже 90 миллиардов долларов. Объем планируемых инвестиций в последующие 30 лет только лишь от ЕС — до 470 миллиардов евро. В то же время на пути водородной революции пока немало препятствий — в частности, дороговизна производства, нехватка чистой воды и неразвитость систем доставки. Перспективы h3 как главного топлива будущего — в материале «Ленты.ру».

Главная проблема любого ископаемого источника энергии — ограниченность его объемов. Рано или поздно закончатся и нефть, и газ, и уголь. Существующие возобновляемые источники энергии — ветер, солнце и вода — пока не могут в достаточной степени заменить углеводороды. А вот водород в теории может. Водород практически не встречается на Земле в чистом виде, однако его можно извлечь из большого числа распространенных ресурсов: воды, метана, каменного угля, биомассы, водорослей и даже мусора.

Водород научились получать еще в начале XIX века, но до конца XX века повсеместно использовать водород в качестве устойчивого источника энергии было невозможно. Газогенераторные установки были массивными и требовали топлива для работы. Вторая проблема — такой водород нельзя назвать чистым, так как газогенераторы оставляют углеродный след.

Фото: Public Domain / Wikimedia

Важный шаг к превращению водорода в распространенный источник энергии произошел в 1959 году — американская компания Allis-Chalmers Manufacturing Company создала трактор с силовой установкой, работавшей на так называемых топливных элементах. Принцип работы такой установки прост: запасенный в баллонах водород вступает в химическую реакцию с кислородом, в результате чего выделяется электричество, которое питает электромотор. Помимо этого топливные элементы выделяют в атмосферу побочные продукты, безвредные для окружающей среды, — тепло и водяной пар.

Топливные элементы можно использовать для получения электроэнергии в промышленных масштабах, а выделяемое в процессе реакции тепло — для обогрева зданий. Кроме того, они гораздо компактнее газогенераторной установки, поэтому их можно установить на борту любых транспортных средств. Теоретически топливные элементы могут сделать водород основой топливно-энергетического комплекса (ТЭК), но для этого нужно решить две проблемы.

Фото: Kim Hong-Ji / Reuters

Первая — углеродный след при получении водорода. Топливные элементы обеспечивают нулевой выброс лишь в процессе получения электричества, но для их работы нужен водород. Эту проблему можно решить с помощью электролиза воды: под воздействием электрического тока дистиллированная вода распадается на кислород и водород. Процесс вообще может быть замкнутым: полученное в топливных элементах электричество используется в том числе для получения водорода.

При этом водород, полученный путем электролиза, еще и подразделяют на «желтый» и «зеленый»: для производства первого используется атомная энергия, второго — возобновляемые источники энергии. Таким образом, по-настоящему экологичным водородом многие страны признают лишь «зеленый» подвид.

Второе серьезное препятствие на пути повсеместного внедрения топливных элементов — их высокая цена. На рубеже XX и XXI веков свои автомобили на топливных элементах показали BMW, General Motors, Honda, Hyundai, Toyota и даже «АвтоВАЗ», но о серийном производстве речи еще не шло. В 2008 году Honda выпустила небольшую партию седанов FCX Clarity с водородными топливными элементами, которую сдавали в лизинг (одновременно и аренда, и аналог целевого кредита) в Калифорнии за 600 долларов в месяц. При этом производство каждого автомобиля обходилось Honda в миллион долларов.

Материалы по теме

00:02 — 30 сентября 2020

На обочине

Конкурента Tesla обвинили в грандиозной лжи. Слава и миллиарды соперника Илона Маска тают на глазах

00:02 — 13 января

Опомнились

Запад решил отказаться от нефти и газа и уже нашел им замену. Готова ли к этому Россия?

В 2014 году Toyota начала продажи Mirai — первого в мире серийного автомобиля на водородных топливных элементах. Два года спустя в продажу поступило второе поколение Honda FCX Clarity, но объемы продаж оставались скромными. Toyota за все время производства реализовала около десяти тысяч Mirai.

Параллельно топливные элементы начали использовать и в других видах транспорта. В 2017 году в Германии на маршрут вышел пассажирский поезд на водородных топливных элементах Coradia iLint. Причем работает он на линиях, которые не электрифицированы, — поезд на топливных элементах заменил дизельные тепловозы. С 2008 года по Альстеру, притоку Эльбы, ходят суда на водородных топливных элементах. Существуют и прототипы самолетов с аналогичными силовыми установками.

Однако и Toyota, и другие производители уверены, что в ближайшем будущем себестоимость автомобилей на топливных элементах будет не выше, чем у машин с двигателем внутреннего сгорания (ДВС). В 2020 году японский автогигант представил второе поколение модели и планирует увеличить продажи в десять раз.

Сразу несколько игроков включились в борьбу за рынок тяжелых грузовиков на топливных элементах. Hyundai в рамках программы Hydrogen Mobility к 2025 году планирует поставить клиентам в Европе 1600 грузовиков на топливных элементах. Toyota совместно с Kenworth начала испытания водородного грузовика еще в 2017 году, а два года спустя поставила несколько машин в порт Лос-Анджелеса. Наконец, одним из главных генераторов новостей стал американский стартап Nikola, который занимается разработкой грузовиков на топливных элементах. Компания обещала начать их производство к 2023 году.

Исследовательский центр Bloomberg New Energy Finance (BNEF) оценивает все реализуемые сегодня проекты в области водородной энергетики в сумму свыше 90 миллиардов долларов. Институт экономики энергетического сектора и финансового анализа (IEEFA), в свою очередь, насчитал десятки строящихся установок электролиза на базе ВИЭ суммарной мощностью 50 ГВт и стоимостью 75 миллиардов долларов.

Главным инициатором отказа от ископаемых источников энергии и перехода на водород выступают страны Большой семерки, которые в 2015 году, еще до подписания Парижского соглашения, договорились полностью избавиться от ископаемого топлива к концу века. Европейский союз еще более оптимистичен: в 2019 году был принят «Зеленый пакт для Европы» (The European Green Deal), согласно которому ЕС должен добиться нулевого выброса парниковых газов и отказа от ископаемых источников энергии уже к 2050 году. Особую роль в его реализации должен сыграть водород.

Фото: Bernd von Jutrczenka / Getty Images

В июле 2020 года Еврокомиссия представила «Водородную стратегию для климатически нейтральной Европы». Она предусматривает конкретные шаги по развитию водородной энергетики. Приоритетным направлением станет именно «зеленый» водород. Но на первом этапе, чтобы быстрее уменьшить выбросы парниковых газов, будет использоваться и низкоуглеродистый водород — произведенный на основе ископаемого топлива, например, каменного угля, но с улавливанием углерода.

К 2030 году, согласно стратегии, на территории Евросоюза будут работать электролизеры суммарной мощностью 40 ГВт для производства «зеленого» водорода, а еще 40 ГВт будут производить электролизеры в соседних странах для экспорта водорода в ЕС. Для сравнения: общая мощность всех электростанций России составляет около 250 ГВт. Производство же самого «зеленого» водорода достигнет 10 миллионов тонн. По оценкам ЕК, к 2050 году возобновляемый водород в Европе может потребовать от 180 до 470 миллиардов евро инвестиций. Пока же на энергию на базе водорода приходится менее 1 процента всего энергопотребления в Евросоюзе.

Не менее амбициозные планы у Китая: в стране надеются, что к 2040 году водород будет составлять 10 процентов всей китайской энергосистемы. На протяжении долгих лет КНР была мировым лидером по производству водорода и занимала около одной трети мирового рынка. Но речь идет о высокоуглеродистом водороде, который получают из угля и нефти без улавливания углерода. Это приводит к тому, что цена килограмма водорода в Китае одна из самых низких в мире — около 9 юаней (1,15 евро).

Для сравнения: ориентировочная стоимость ископаемого водорода в ЕС сегодня составляет около 1,5 евро за килограмм. Предполагаемые затраты на ископаемый водород с улавливанием и хранением углерода составляют около 2 евро за килограмм. А килограмм «зеленого» водорода, в свою очередь, обойдется в 2,5-5,5 евро.

Однако обязательство стать климатически нейтральным к середине века заставляет Китай переориентироваться на производство экологически чистого водорода. К тому же, по расчетам Института Роки-Маунтин (RMI), американской некоммерческой организации, консультирующей по вопросам энергетического перехода, Китай может стать углеродно-нейтральным к середине века без ущерба для экономического роста. Институт утверждал, что «Китай имеет хорошие возможности для получения технологического конкурентного преимущества от перехода к чистым нулевым выбросам», и призвал страну поддержать электролиз водорода.

Электролизер

Кадр: Realstrannik.com

Соседи — Южная Корея и Япония — также намерены развивать водородную индустрию. Первая планирует наладить производство топливных ячеек общей мощностью 40 ГВт, а также выпустить более 6 миллионов водородных автомобилей к 2040 году. Вторая уже построила «зеленую» водородную фабрику в Фукусиме, одну из крупнейших в мире. А Саудовская Аравия при технологической поддержке американской компании Air Products строит в своем «городе будущего» Неоме гигантскую зеленую электролизную установку стоимостью 5 миллиардов долларов и производительностью 650 тонн водорода в сутки.

Вероятно, крупнейший водородный проект современности реализуется в настоящее время в Австралии. В «Азиатском хабе возобновляемой энергии» в горнопромышленном центре Пилбара строятся солнечные и ветровые электростанции общей площадью 6,5 тысячи квадратных километров. Они будут производить более 50 тераватт-часов зеленой энергии, большая часть которой пойдет на производство водорода. Проект стоимостью 16 миллиардов долларов планируется запустить в 2027 году.

Что касается России, то возрастающая роль водорода в мировой энергетике на первый взгляд сулит ей потерю доли на рынке. В действительности же есть шанс не только сохранить, но и упрочить свои позиции. Министр энергетики Александр Новак заявил, что Россия уже договаривается с Германией о совместных исследованиях по производству зеленой энергии — в частности, водорода. Новак подчеркнул, что, на его взгляд, углеводороды продолжат играть ключевую роль в мировой энергетике, а вот энергетический баланс в Европе может измениться.

Действительно, «водородная стратегия» ЕС подразумевает импорт огромных объемов водорода, а у России уже есть каналы его поставки. Например, для импорта водорода в Германию можно использовать существующую сеть газопроводов — в частности, газопроводы OPAL и Eugal, сухопутные продолжения «Северного потока» и «Северного потока 2». Gascade, немецкая дочка «Газпрома», на словах подтвердила принципиальную готовность использовать свои газопроводы для транспортировки водорода.

Александр Новак

Фото: Александр Миридонов / «Коммерсантъ»

Таким образом, у России уже есть покупатель водорода и возможности по его транспортировке. Однако мощностей по производству водорода, тем более экологически чистого, в стране нет. Решить эту проблему должна дорожная карта «Развитие водородной энергетики в России» на 2020-2024 годы. Главную роль в ее реализации должны сыграть «Росатом» и «Газпром». Уже в 2024 году «Росатом» должен запустить пилотные водородные установки на атомных станциях и построить опытный полигон для испытаний водородных поездов. «Газпром», в свою очередь, должен в 2021 году разработать и испытать газовую турбину на метано-водородном топливе, а затем изучать возможности применения водорода в двигателях различных транспортных средств и в газовых установках — газотурбинных двигателях и газовых бойлерах.

Интерес к теме водорода проявляет и «НОВАТЭК». Компания объявила о подписании меморандума о взаимопонимании в целях изучения и оценки возможностей развития производственно-сбытовой цепочки поставок водорода с немецкой компанией Uniper. Компании рассматривают возможность поставки «голубого» водорода, произведенного из природного газа с дальнейшим улавливанием и хранением CO2, а также «зеленого» водорода.

По оценкам BofA Securities, к 2050 году стоимость мирового рынка «зеленого» водорода составит 2,5 триллиона долларов. Кроме того, будет создано не менее 30 миллионов рабочих мест. Однако не все разделяют столь оптимистичные прогнозы. Аналитики из Rystad Energy считают, что до водородного триумфа в энергетике еще далеко — лишь половина из запущенных в мире «зеленых» водородных проектов будет реализована до 2035 года. При этом подавляющему большинству проектов потребуется господдержка.

Помимо того, что чистая водородная энергетика требует огромных капиталовложений, существует проблема, связанная с недостатком ключевого сырья — чистой воды. По оценкам экспертов Oilprice, для производства одной тонны водорода методом электролиза нужно девять тонн воды. При этом она требует специальной подготовки и очистки. Например, чтобы подготовить одну тонну деминерализованной воды, пригодной для электролиза, нужно две тонны обычной воды. Таким образом, понадобится 18 тонн воды, чтобы произвести тонну водорода.

Фото: Spencer Platt / Getty Images

Также непонятно, как быть с транспортировкой водорода. Сейчас основные объемы этого топлива перевозятся морскими танкерами, но проблема заключается в выкипании продукта, даже несмотря на использование систем охлаждения. Существенно дешевле доставлять водород по трубам, однако запускать водород в действующие газотранспортные системы можно, только смешав его с природным газом, что означает дополнительные затраты на извлечение.

Еврокомиссия признает, что «чистый» и низкоуглеродный водород еще долго будет значительно дороже водорода, полученного из ископаемых источников энергии. Из хороших новостей: за последние пять лет стоимость технологии электролиза упала на 40 процентов и продолжает снижаться. BloombergNEF прогнозирует, что к 2050 году «зеленый» водород при цене доллар за килограмм станет выгоднее газа на мировых рынках и сможет конкурировать с самым дешевым углем. Но это через 30 лет, а пока путь превращения водорода в главный энергоноситель планеты только начинается.

Генератор водорода: принцип работы, преимущества водородного генератора

Главная / Статьи / Генератор водорода высокой чистоты

---



Водород используется в качестве газа-носителя при проведении хроматографических исследований. Для постоянного питания лабораторного оборудования необходимо либо подключать баллоны с H₂ под давлением, либо генератор водорода. Второй вариант предпочтительнее по нескольким причинам, и все они будут рассмотрены в этой статье наряду с другими темами:

Преимущества генераторов водорода

Использование баллонного H₂ приводит к повышению стоимости производственного цикла: компания вынуждена постоянно закупать и доставлять газ, из-за чего весь процесс работы ставится в зависимость от регулярности поставок. Кроме того, хранение баллонов под давлением — это всегда повышенный риск утечки, взрывов и пожаров.

Установка генератора водорода позволяет получать нужное количество вещества высокой степени очистки (до 99,999%). В результате предприятие оптимизирует структуру расходов, добиваясь при этом постоянного и равномерного проведения хроматографических исследований. Обеспечиваются и дополнительные преимущества:

• Прибор генерирует газ только по мере необходимости: не нужно хранить водород, что исключает вероятность выброса газа в помещение.
• Концентрация получаемого вещества ниже взрывоопасной: полностью соблюдается техника безопасности, минимизируются возможные травмы на производстве.
• Оператор полностью контролирует качество получаемого газа, а в случае его снижения может предпринять меры по дополнительной очистке.

Принцип работы оборудования

Генератор водорода, купить который может любая компания или лаборатория, получает газ из дистиллята. Причем его качество влияет на процентное содержание примесей в готовом продукте. Если в генератор чистого водорода поступает вода с высокой концентрацией посторонних ионов, она несколько раз проходит через деионизационный фильтр и только потом попадает в электролизер. Последующие этапы получения H

2 выглядят следующим образом:

• Дистиллят расщепляется на кислород и водород в процессе электролиза (в качестве электролита применяется ионообменная мембрана).
• О₂ попадает в питающий бак, а потом сбрасывается в атмосферу, как побочный продукт работы устройства.
• H₂ подается в сепаратор, отделяется от воды, которая затем снова поступает в питающий бак. Это обеспечивает непрерывность процесса получения нужного вещества.
• Водород еще раз проходит через разделяющую мембрану, удаляющую из газа остаточные молекулы кислорода, и поступает в хроматографическое оборудование.

По этому принципу работает любой водородный генератор, купить который предлагают современные производители. Технические параметры зависят от модели.

Особенности и возможности генераторов водорода

Главное требование к прибору — качество получаемого вещества. Генератор водорода, купить который предлагает

НПФ «Мета-хром», производит H₂ высшей категории, соответствующий ГОСТу. То есть он может использоваться в качестве источника газа-носителя для питания высокоточного лабораторного оборудования. Это актуальное решение, если потребителю по каким-либо причинам недоступен гелий: например, в случаях работы прибора с детектором по теплопроводности.

Современное оборудование полностью автоматизировано за счет наличия большого количества датчиков, контролирующих все этапы получения газа. В свою очередь датчиками управляет микропроцессор. Он позволяет оператору задавать нужные режимы работы с помощью клавиатуры. Генератор водорода, цена которого является доступной, регулирует следующие параметры:

• Давление полученного вещества, подаваемого на хроматографическую линию.
• Уровень заливаемого в бак дистиллята и его расход.
• Герметичность газовых магистралей: при обнаружении утечки сразу подается соответствующий сигнал, работа прекращается.
• Параметры тока в электролизере.

Выбор прибора

Когда выбирается генератор водорода, цена модели обычно отражает ее возможности. Чем их больше, тем удобнее прибор в регулярном использовании. К наиболее важным параметрам относятся:

• Микропроцессорное управление для точного задания рабочих параметров.
• Качество очистки готового продукта: желательно, чтобы техника поддерживала многоступенчатую подготовку H₂.
• КПД электролизера: чем он выше, тем меньше энергии расходуется на поддержание расщепления воды.
• Возможность дозаливки дистиллята без отключения устройства для обеспечения непрерывности процессов.
• Продуманная защита от повышения тока в камере электролиза или в случае превышения давления в питающих трубах. Оптимально, если устройство сразу отключается или автоматически меняет рабочие параметры.
• Регулируемая производительность H₂. Наличие этой функции позволяет оператору контролировать объемы генерируемого газа. Сокращается нагрузка на электролизер, повышается срок его службы без необходимости замены.
• Управление температурным режимом дожигателя кислорода. Чем больше параметров, которые позволяют регулировать генератор чистого водорода, тем проще отладить производственный процесс.
• Индикация влажности вещества (исключает риск попадания влаги в питающие линии).

Существуют и другие параметры, на которые рекомендуется обратить внимание перед тем, как купить водородный генератор: цена устройства, производительность, степень очистки газа, стабильность давления, обводненность готового вещества, время выхода на режим, потребляемая мощность и габариты.

Обслуживание генераторов водорода

Современные устройства не требуют сложной пусконаладки или дорогостоящего обслуживания. Это универсальные приборы, которые удобно использовать на производствах в любой отрасли промышленности. Управление осуществляется через мини-клавиатуры, а результаты выводятся на ЖК-монитор.

Использование прибора позволяет полностью отказаться или существенно сократить объемы потребления баллонного H₂ и повышает эффективность работы предприятий.

О нас — Enapter

Enapter разрабатывает и производит высокоэффективные генераторы водорода. Ключевая технология электролиза основана на уникальной и запатентованной анионообменной мембране (AEM). Наша цель состоит в том, чтобы создать эффективные технологии, способные заменить ископаемые виды топлива экологически чистым водородом, сделав его доступным. 

  

Все началось с компании ACTA Spa, которая была основана в 2004 году и специализировалась на исследованиях и разработке топливных элементов и электролизе AEM. Спустя более 10 лет успешной работы, они представили первый электролизер в 2012 году. Некоторые из этих прототипов отправились в Таиланд, где Себастьян-Юстус Шмидт разработал проект микросети для всемирно известного дома Phi Suea House. Phi Suea House стал первым в мире жилым комплексом, который полностью обеспечивается энергией от солнечных батарей и сохраняет избыточную в виде водорода. Эта всемирная демонстрация водородного накопителя в жилых домах привлекла широкое внимание общественности, и в 2017 году Себастьян основал Enapter, поглотив ACTA Spa и  получив проверенную ключевую технологию, патенты и команду по электрохимии. С момента образования компания достигла высоких результатов в развитии команды, продукта и индустрии.  Enapter стал одним из передовых производителей электролизеров, производящих «зеленый» водород.  

  

Сегодня AEM электролизер — это стандартизированная, масштабируемая и гибкая система, которая позволяет производить водород «на месте». Благодаря инновационному программному обеспечению для управления энергосистемой, электролизер легко интегрировать с другими устройствами, а также управлять удаленно. Электролизер AEM можно смело назвать усовершенствованием технологии PEM. 

Имея тот же принцип, в электролизере AEM используется полупроницаемая мембрана, но для прохождения анионов. Результатом являются гибкость, быстрое время отклика, большая плотность тока и максимально чистый водород. Так как работа не ведется в сильно коррозийной среде, нет потребности в дорогостоящих катализаторах на основе благородных металлов (иридий или платина) или большом количестве титана. Такие уникальные преимущества позволяют позиционировать электролизер на рынке, как доступное бытовое устройство . Наша технология позволяет частным лицам и предприятиям использовать экологически чистый водород повсеместно. Мы планируем массово производить AEM электролизер, снижая стоимость “зеленого” водорода и делая его доступным; аналогично темпам снижения затрат, которые мы наблюдали в полупроводниковой промышленности и солнечной энергетике.  

  

Офисы компании расположены в Европе и Азии, позволяя компании динамично развивать бизнес по всему миру. Электролизеры Enapter уже функционируют более чем в 33 странах, что коренным образом меняет способы использования энергии в транспортном, жилом и промышленном секторах. Мы получили признание за вклад в развитие отрасли, завоевав множество наград и получив «Знак отличия Комиссии ЕС». 

Заправимся водородом в Черноголовке

Установку проектировали и создавали специально для водородной заправочной станции центра компетенций Национальной технологической инициативы «Новые и мобильные источники энергии» при Институте проблем химической физики (ИПХФ) РАН в Черноголовке.

«Конструкция оказалась настолько удачной, что уже в этом году мы планируем приступить к серийному производству таких установок, — рассказал “Стимулу” генеральный директор ООО “Поликом” Евгений Волков. — Для этого у нас в Черноголовке есть собственные производственные мощности. Наши генераторы водорода будут строиться на принципе универсальной платформы. Это означает, что одна и та же основа может быть использована для построения оборудования производительностью от двух до пятнадцати кубометров в час в зависимости от потребностей заказчика. Кроме того, такой принцип позволяет проводить апгрейд с увеличением производительности прямо на предприятии заказчика».

Помимо применения в альтернативной энергетике такие установки востребованы в традиционных сферах. Например, водород используется на электростанциях для охлаждения мощных электрогенераторов, его применяют в металлургии для получения сверхчистых металлов, в производстве полупроводников, стекольной и пищевой промышленности.

«Важно отметить, что созданный нами генератор водорода — это не лабораторный образец, а полноценная установка, которую можно смело размещать на предприятии потребителя, — говорит Евгений Волков. — Конструкция полностью отработана, подобраны качественные и надежные комплектующие, проведены испытания в различных режимах. На это как раз и уходит основное количество времени. От лабораторного образца, собранного “на коленке”, до полноценного “взрослого” оборудования путь долгий. Основная сложность состоит в том, чтобы установка была достаточно простой для обеспечения надежности и ремонтопригодности, но при этом обладала всем необходимым функционалом. Например, система безопасности нашего оборудования, которая стоит на страже не только самого “железа”, но и здоровья и жизни людей, должна работать безотказно и предотвращать последствия более трех десятков вероятных нештатных ситуаций».

Генеральный директор ООО «Поликом» Евгений Волков

«Поликом»

Вместо агрессивной щелочи — вода

Принцип работы любого генератора водорода на основе электролиза заключается в том, что вода расщепляется под действием электрического тока на водород и кислород. Водород является продуктом, а кислород, как правило, выбрасывается в атмосферу. Разработанные в компании «Поликом» генераторы водорода построены на принципе электролиза на протонообменных мембранах. Его еще называют бесщелочным электролизом, или PEM-электролизом — от словосочетания Proton Exchange Membrane (протонообменная мембрана). Сейчас это наиболее современная технология электролиза.

В отличие от устаревших щелочных электролизеров в таком оборудовании в качестве электролита вместо раствора агрессивной щелочи используется протонообменная мембрана. Она представляет собой прочную пленку, способную пропускать протоны — ядра атомов водорода. Вместо разогретого раствора щелочи высокой концентрации в системе циркулирует только чистая вода. Благодаря этому такой электролизер более долговечен, поскольку в нем нет коррозии компонентов системы — клапанов, датчиков, трубопроводов. Если потребуется ремонт, воду можно просто слить и проводить работы без риска химического ожога.

 Помимо применения в альтернативной энергетике такие установки востребованы в традиционных сферах. Например, водород используется на электростанциях для охлаждения мощных электрогенераторов, его применяют в металлургии для получения сверхчистых металлов, в производстве полупроводников, стекольной и пищевой промышленности

«Водород, получаемый на наших электролизерах, является сверхчистым не только из-за отсутствия в нем примесей щелочи, — поясняет Евгений Волков. — Благодаря особенности конструкции достигается так называемое дифференциальное давление, то есть давление водорода высокое, а кислорода — низкое. Это позволяет избежать примесей кислорода в водороде прямо в процессе его получения и избавиться от необходимости устанавливать систему доочистки водорода от кислорода, что значительно упрощает конструкцию».

Фактически единственная примесь в водороде, получаемом на оборудовании компании «Поликом», — это пары воды, и то они содержатся в нем в микроколичествах. При этом такая чистота получается исключительно за счет удачно примененных технологических решений и не требует дополнительных энергозатрат.

Технология бесщелочного электролиза широко известна за рубежом и последние пятнадцать-двадцать лет активно развивается. Как правило, потребители, перешедшие на такое оборудование, уже не возвращаются к щелочным электролизерам. Существует несколько западных компаний с опытом производства и поставок таких установок на различные предприятия.

«Мы хорошо знакомы с продукцией практически всех производителей, присутствующих на мировом рынке, — говорит Евгений Волков. — Отмечу, что с технической точки зрения наше оборудование не уступает им ни по одному параметру, а ремонтопригодность и локализованное производство является значительным дополнительным плюсом».

Руководитель Центра компетенций Национальной технологической инициативы «Новые и мобильные источники энергии» Юрий Добровольский

«Поликом»

Создать систему заправок

Центр компетенций НТИ при ИПХФ РАН в Черноголовке организован для реализации разработок по сквозной технологии создания новых и портативных источников энергии. Руководитель ЦК НТИ, один из ведущих специалистов в области водородных технологий Юрий Добровольский, уже рассказывал «Стимулу» о перспективах водородной отрасли в России и мире. ЦК НТИ работает сразу по нескольким направлениям водородной энергетики, в том числе по созданию специализированных установок для получения водорода из воды с помощью электричества.

«В начале прошлого года мы с помощью наших немецких коллег спроектировали и установили модуль для заправки водородом. На Западе это еще малосерийное, но полноценное производство, и начинать делать подобный продукт с нуля здесь долго, дорого и бессмысленно. Этот заправочный модуль содержит стандартные части, которые оказалось легче купить, нежели разрабатывать с нуля. Кроме того, у нас нет опыта создания водородных заправок, и нам было интересно посмотреть, как это сделают по нашему техническому заданию германские коллеги. Кстати, выяснилось, что это очень близко к тому, как мы себе представляли. И, поскольку сроки изготовления нам тоже были очень важны (в тот момент мы уже тратили огромное время на заправку нашей техники), мы решили поручить работу специалистам», — пояснил в беседе со «Стимулом» Юрий Добровольский.

 Вместо разогретого раствора щелочи высокой концентрации в системе циркулирует только чистая вода. Благодаря этому такой электролизер более долговечен, поскольку в нем нет коррозии компонентов системы — клапанов, датчиков, трубопроводов

Модуль состоит из системы компримирования водорода (сжатия с помощью компрессора) и заправочного блока с пистолетом для непосредственной подачи. Пока эта система работает на сжатом водороде, который покупается отдельно. По словам Евгения Волкова, сейчас работают над тем, чтобы совместить электролизер компании «Поликом» и модуль заправочной станции. Когда эти работы будут завершены, заправка сможет работать полностью автономно. При этом останется возможность также подключать баллоны в качестве резерва.

«Приобретение этого модуля помогло нам организовать быструю заправку наших собственных изделий, которые мы делаем в центре компетенций, — рассказал Юрий Добровольский. — Но мы также планируем заправлять с помощью этой системы и других потребителей. Например, водоробусы наших партнеров, которые должны вскоре прибыть в Москву. Кроме того, появляются собственные разработки и во многих организациях, занимающихся транспортом, таких как КамАЗ и НАМИ. Мобильная заправочная станция для их нужд уже готова».

Испытания заправки с электролизным модулем будут проходить на разных видах транспорта — беспилотниках, водородных автобусах, грузовиках и легковых автомобилях, в том числе на беспилотной транспортной платформе, водородный топливный элемент для которой также создан в центре компетенций.

Заведующий лабораторией материалов для водородного аккумулирования энергии ИПХФ Борис Тарасов

scientificrussia.ru

Черноголовка как водородная столица России

Водородная инфраструктура для нашей страны — значимый элемент национальной программы развития водородной энергетики. В планах специалистов из Черноголовки — перевести коммунальное хозяйство и транспорт города на водород. Именно отсюда начнется «водородный» путь развития. «Я убежден, что мы выбрали правильное направление. Когда сорок лет назад я только начал заниматься водородной энергетикой, я столкнулся с недопониманием и недоверием к этой сфере, — говорит Борис Тарасов, заведующий лабораторией материалов для водородного аккумулирования энергии ИПХФ. — А сегодня уже разработана государственная политика в этой области. Уверен, что в рамках поддержанной государством программы научная молодежь приложит все свое умение и задор для стремительного, целеустремленного и продуктивного развития водородной энергетики».

 «Почему именно Черноголовка? Это наукоград, здесь собраны очень квалифицированные научные коллективы и расположен центр компетенций, то есть сложилось отличное профессиональное сообщество, необходимое для отработки водородных технологий»

В ЦК НТИ надеются, что эта станция станет первым элементом будущей программы «Водородная Россия — 2050» и на ней будет отрабатываться создание водородной инфраструктуры. Разработчики планируют, что такие заправки будут получать водород не только от электролизных модулей, но и используя природный газ и возобновляемые источники энергии. А Черноголовку хотят сделать пилотным городом для отработки водородных технологий в городском коммунальном хозяйстве.

«Почему именно Черноголовка? Это наукоград, где в основном живут люди с соответствующей высокой квалификацией, которые в состоянии и оценить, и помочь с продвижением подобной инициативы, — говорит Юрий Добровольский. — Кроме того, здесь собраны очень квалифицированные научные коллективы и расположен центр компетенций, то есть сложилось отличное профессиональное сообщество, необходимое для отработки водородных технологий. В Черноголовке молодой и очень позитивный мэр, который настроен на развитие города именно как наукограда с такими высокоинтеллектуальными технологиями, как водородные. И он готов их внедрять».

У Черноголовки очень удобное географическое положение: город не слишком удален от Москвы и находится недалеко от трассы Москва — Казань. Но при этом наукоград небольшой, компактный, в нем чуть более 20 тысяч жителей, и результаты внедрения новых технологий здесь будут заметны сразу — и в коммунальном хозяйстве, и на транспорте, и в таких уникальных вещах, как получение «зеленой» энергии из водорода или ВИЭ.

Переход на водород – Наука – Коммерсантъ

Водород — это самое энергоемкое и легкое вещество из всех видов топлива. Его производство не относится к инновациям — он производился миллионами тонн еще в советские времена, когда его использовали для производства аммиака для получения азотных удобрений.

Водород и сегодня используют для производства удобрений, повышения качества бензина, улучшения свойств стали, а также в пищевой промышленности для производства маргарина и твердых кондитерских жиров методом гидрогенизации растительных масел. Без него не обходятся все процессы гидроочистки, гидрообессеривания, гидрокрекинга, регенерации катализаторов. Его также широко применяют для охлаждения генераторов на электростанциях.

С тех пор как появилась перспектива перехода на водородную энергетику с углеводородной, потребность в водороде увеличилась на порядки. Сегодня эта перспектива стала реальностью, поскольку примерно десять лет назад была решена одна из основных проблем с его хранением для дальнейшего использования в качестве автомобильного топлива. Вместо тяжелых, дорогих и небезопасных стальных баллонов для сжатого под высоким давлением водорода стали применять легкие композитные емкости из углепластика, которые прекрасно помещаются в легковых автомобилях. Кроме того, стало возможным получать водород прямо по месту употребления. Появление таких технологий зажгло для водородной энергетики зеленый свет.

Около 20 лет назад во всем мире начали появляться автомобили на водороде, и бывшие выставочные центры пилотных моделей превратились в салоны-магазины серийных образцов. Количество автомобилей на водородном топливе сегодня исчисляется тысячами. Их стоимость составляет около $50–60 тыс. Серийные автомобили на водороде есть у Toyota, Hyundai, Honda. Предсерийные образцы тестируют Audi, Mercedes, BMW, Mazda, Ford и ряд других производителей. Все технические препятствия, столько десятилетий казавшиеся непреодолимыми, пройдены за считаные годы, и теперь вопрос только в экономической целесообразности для массового потребителя. В России такой автомобиль приобрел себе житель Красноярска, но в связи с отсутствием заправок в своем городе перевез машину в Москву и получает топливо в одном из научных институтов.

Как получить водород?

Для развития водородной энергетики нужно будет на государственном уровне решить вопрос, в каком виде доставлять водород к месту его получения. Дело в том, что водород содержится в очень многих видах ископаемых топлив.

«Наиболее дешевый водород получается методом паровой конверсии метана,— рассказывает заведующий отделом гетерогенного катализа Института катализа СО РАН Павел Снытников.— Другой способ — из аммиака. Для его транспортировки, как и для природного газа, в нашей стране даже существует трубопровод, так как аммиак сжижается всего при давлении 8,5 атмосферы. Третье решение — перевозка будущего водорода в виде метанола. В Китае метанол используют как автомобильное топливо. Но в России против метанола почему-то предубеждение, по-видимому, в связи с тем, что с давних пор у нас простой народ пил все, что горело, в том числе и метанол, и люди лишались зрения».

А вот получать его лучше всего там же, где будут потреблять, чтобы уйти от проблем транспортировки чистого водорода. Чтобы использовать водород, например, как автомобильное топливо, нужно закачать его в баллоны под давлением 700 атмосфер. Правда, на сжатие нужна дополнительная энергия. Не меньше энергии требуется на сжижение водорода, так что один из подходящих способов его транспортировки — это перевозка в химически связанном состоянии, например в виде метана, из которого водород должен производиться там же, где будет использоваться. То есть до заправки везут метан, а уже на самой заправке устанавливается небольшое производство, например, конвертер метана в водород. Но этот способ не очень хорош для экологии, поскольку на небольших производствах сложно обеспечить качественную очистку выбросов. Зато экономически он себя вполне оправдывает. Опыт Японии, Кореи и ряда других стран показал, что километр пробега на водороде выходит не дороже бензина. 4 кг водорода, закачанного в баллон, хватает примерно на 800 км пути обычного седана.

Получать водород можно практически из любого углеводородного топлива: из бензина, дизельного топлива или пропан-бутановых смесей. В Институте катализа им. Г. К. Борескова СО РАН ведется работа по гранту РНФ по тематике получения водорода из дизельного топлива. Также разрабатываются методы получения водорода даже из органических носителей, например из бор-гидридов. Главные задачи на будущее развитие водородной энергетики — это не только получение водорода, но и его хранение. Жидкий водород можно хранить только при низких температурах, поэтому его использовали только в критически важных областях, например, как ракетное топливо.

Если отвлечься от автомобилей и обратить внимание на энергообеспечение более крупных стационарных объектов, например жилых или промышленных комплексов, то вся идеология водородной энергетики строится на ее связке с другими источниками энергии. Например, с возобновляемыми — гидро-, ветряными, солнечными электростанциями или с крупными атомными электростанциями. Производство такой энергии идет в одном режиме, а тратится потребителями она в другом, поэтому, когда есть излишки энергии, ее можно тратить на получение водорода даже из обычной воды методом электролиза.

Голубая мечта о зеленом водороде

Электролиз — это способ получения водорода из воды, который, к сожалению, требует больших энергозатрат, поэтому он оправдан только в тех случаях, когда вырабатываемую энергию необходимо запасти, пусть даже и с невысоким КПД. Лучше всего использовать для этого источники, где постоянно возникают достаточно большие излишки энергии. Емкости аккумуляторов для ее сохранения не хватает, кроме того, аккумуляторы быстро разряжаются, а полученный методом электролиза водород — это гарантированный запас энергии, можно сказать, воплощение мечты о чистой энергии, так называемом зеленом водороде. К сожалению, пока всего 2% общего объема водорода в мире производится методом электролиза. 75% водорода получают из природного газа и 25% — сжиганием угля. Цены топлива, полученного по этим технологиям, также несопоставимы: $1,7 за 1 кг водорода из природного газа и $5–10 за водород, полученный электролизом. Впрочем, стоимость зависит от источника энергии. Например, от энергии АЭС зеленый водород вдвое дешевле ($3–5), чем от возобновляемых источников энергии.

Основные организации в России, заинтересованные в получении водорода — это компании «Росатом» и «Газпром». Атомные электростанции нуждаются в сохранении избытка энергии в виде водорода и дальнейшего его использования. А добывающая компания хочет перерабатывать природный газ в водород, имея соответствующие установки непосредственно в местах использования, например на автомобильных заправках. Для решения проблемы транспортировки водорода можно переводить его в спирты — метанол, диметиловый эфир, чтобы получать из них водород, что называется, «по требованию» для дальнейшего использования на энергоустановках. Это химия получения водородсодержащих компонентов, и она достаточно хорошо освоена.

Как перестать сжигать топливо

Вообще, заявления о том, что водород — это экологически чистое топливо, не совсем справедливы. Из школьного курса химии мы помним, что после сжигания водорода получается вода. Но горит-то он в воздухе, где высокое содержание азота, и в результате реакции кислорода и азота при высоких температурах мы получаем те же токсичные оксиды азота, что и при сжигании бензина, только в меньшем объеме. Собственно, водород здесь ни при чем: любое высокотемпературное горение вызывает в воздухе реакцию взаимодействия кислорода и азота с образованием оксидов. По этой причине получать электричество с помощью сжигания любого топлива — это не самый экологичный способ. А тем более углеводородного, которое сгорает с выделением выбросов углекислого газа в атмосферу. Чтобы решить проблемы с выбросами в атмосферу, нужно прекратить сжигать топливо и снизить градус его потребления до комнатной температуры. В этом могут помочь топливные элементы.

Применение водорода в топливных элементах является самым экологичным. Разные топливные элементы используют водород при разных температурах и могут быть более или менее привередливы к его чистоте. Низкотемпературные топливные элементы работают на чистом водороде, а высокотемпературные вполне удовлетворяются синтез-газом. Топливный элемент — это электрохимическое устройство, которое преобразует химическую энергию водорода в электрическую (процесс, обратный электролизу) с достаточно высоким КПД. Институт катализа СО РАН сотрудничает с российскими производителями топливных элементов — ГК «ИнЭнерджи» и Институтом проблем химической физики РАН, где были разработаны и созданы сверхлегкие топливные элементы для беспилотных летательных аппаратов. В настоящее время там ведутся разработки более крупных топливных элементов для автомобильных передвижных платформ. Рынок топливных элементов еще только формируется, поскольку область их применения постоянно растет. Появляются новые возможности в разработке — осваивается новый экономический сектор. Вопросы могут быть самые разные — например, обеспечение дальних трасс или камер видеонаблюдения источниками связи или возможность установки автономных вышек сотовой связи. Источники водородной энергии всегда работают как тандем «топливный элемент на водороде плюс аккумулятор». Аккумулятор способен сглаживать пиковые нагрузки, а топливный элемент обеспечивает длительную выработку электроэнергии.

Сегодня в мире на топливных элементах работают тысячи небольших энергоустановок. В США, Японии и некоторых странах Европы они уже около 30 лет снабжают водородной энергией небольшие частные поселки, большие и удаленные от города супермаркеты или промышленные объекты. В отличие от дизель-генераторов это намного более бесшумные системы, так что их широко используют как запасные источники энергии в случае сбоев в работе основного источника энергообеспечения.

Сколько стоит чистый воздух

В качестве грантового финансирования на развитие индустрии водородной энергетики некоторые страны ЕС ежегодно выделяют сотни миллионов евро, США — сотни миллионов долларов. Совокупные вложения Европы и США в эту отрасль исчисляются миллиардами. Сейчас многие компании во всем мире делают попытки использовать источники энергии на топливных элементах в самых разных областях. В ближайшие десятилетия может измениться сама концепция человеческого энергопотребления.

В России развитие топливных элементов исторически связано с космическими программами в середине ХХ века. Щелочные топливные элементы использовались во многих космических проектах, где требовались автономные энергоустановки.

В 2020 году правительство России утвердило энергетическую стратегию Российской Федерации на период до 2035 года и ключевые меры развития водородной энергетики. В этом же году был создан консорциум по водородной энергетике, куда вошли ведущие научные институты: Томский политехнический университет, Институт катализа СО РАН, Институт проблем химической физики РАН, Институт нефтехимического синтеза РАН, Самарский государственный технический университет и Сахалинский государственный университет. В программе развития водородной энергетики РФ намечено создание водородных кластеров и пилотных проектов по производству и экспорту водорода. Планируется развитие первых коммерческих проектов производства водорода. Сегодня в РФ появляются отдельные пилотные проекты с использованием водородной энергетики, но до массового внедрения пока не дошло: скорее производители демонстрируют свою готовность к реализации подобных проектов в случае выделения финансирования со стороны, например, госкорпораций. Так, в конце 2019 года в Санкт-Петербурге был запущен трамвай на водородном топливе, а ОАО «Газпром» и ОАО «РЖД» в качестве пилотного проекта обсуждают возможность запуска поезда на Сахалине на топливных водородных элементах.

Мария Роговая

процессов производства водорода | Министерство энергетики

Водород можно производить с помощью ряда различных процессов. Термохимические процессы используют тепло и химические реакции для выделения водорода из органических материалов, таких как ископаемое топливо и биомасса, или из таких материалов, как вода. Вода (H ₂ O) также может быть разделена на водород (H ₂ ) и кислород (O ₂ ) с помощью электролиза или солнечной энергии. Микроорганизмы, такие как бактерии и водоросли, могут производить водород посредством биологических процессов.

Термохимические процессы

Некоторые термические процессы используют энергию различных ресурсов, таких как природный газ, уголь или биомасса, для выделения водорода из их молекулярной структуры. В других процессах тепло в сочетании с замкнутыми химическими циклами производит водород из такого сырья, как вода. Узнайте больше о следующих термохимических процессах:

Электролитические процессы

Электролизеры используют электричество для разделения воды на водород и кислород.Эта технология хорошо разработана и доступна на рынке, и в настоящее время разрабатываются системы, которые могут эффективно использовать прерывистую возобновляемую энергию. Узнайте больше об электролизе.

Процессы прямого солнечного водораздела

Процессы прямого солнечного расщепления воды или фотолитические процессы используют световую энергию для расщепления воды на водород и кислород. Эти процессы в настоящее время находятся на различных ранних стадиях исследований, но предлагают долгосрочный потенциал для устойчивого производства водорода с низким воздействием на окружающую среду.Узнайте больше о следующих процессах разделения воды на солнечной энергии:

Биологические процессы

Микробы, такие как бактерии и микроводоросли, могут производить водород посредством биологических реакций с использованием солнечного света или органических веществ. Эти технологические пути находятся на стадии исследований и разработок, где проводятся пилотные демонстрации, но в долгосрочной перспективе имеют потенциал для устойчивого производства водорода с низким содержанием углерода. Узнайте больше о следующих биологических процессах:

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

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

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

Биологическое расщепление воды

Некоторые фотосинтетические микробы используют световую энергию для производства водорода из воды в виде часть их метаболических процессов.Поскольку кислород образуется вместе с водородом, фотобиологическая технология производства водорода должна преодолевать присущую ему чувствительность к кислороду ферментативных систем, выделяющих водород. Исследователи NREL решают эту проблему с помощью скрининг на естественные организмы, которые более устойчивы к кислороду и создание новых генетических форм организмов, способных поддерживать производство водорода в наличие кислорода.Исследователи также разрабатывают новую систему, в которой используется метаболический переключение (лишение серы) на цикл клеток водорослей между фотосинтетическим ростом фаза и фаза производства водорода.

Контактное лицо: Мария Гирарди

Ферментация

Ученые NREL разрабатывают технологии предварительной обработки для преобразования лигноцеллюлозного биомасса в сырье, богатое сахаром, которое может быть непосредственно ферментировано для получения водорода, этанол и ценные химикаты.Исследователи также работают над определением консорциума. Clostridium, которые могут напрямую сбраживать гемицеллюлозу до водорода. Другое исследование области включают в себя биоразведку эффективных целлюлолитических микробов, таких как Clostridium thermocellum, который может сбраживать кристаллическую целлюлозу непосредственно до водорода, чтобы снизить затраты на сырье. После идентификации модельной целлюлолитической бактерии ее потенциал для генетических манипуляций, включая чувствительность к антибиотикам и простоту генетического трансформация, будет определена.Будущие проекты ферментации NREL будут сосредоточены на по разработке стратегий создания мутантов, которые селективно блокируются от производства отработанные кислоты и растворители для максимального увеличения выхода водорода.

Контактное лицо: Пин-Чинг Манесс

Конверсия биомассы и отходов

Водород можно производить путем пиролиза или газификации ресурсов биомассы, таких как сельскохозяйственные остатки, такие как скорлупа арахиса; бытовые отходы, включая пластмассы и отходы смазка; или биомасса, специально выращенная для использования в энергии.Пиролиз биомассы производит жидкий продукт (био-масло), содержащий широкий спектр компонентов, которые могут быть 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 реформирование потоков пиролиза и разработку и испытание псевдоожижаемых катализаторов.

Контактное лицо: Ричард Френч

Фотоэлектрохимическое расщепление воды

Самый чистый способ производства водорода — использование солнечного света для прямого разделения воды. в водород и кислород.Технология многопереходных ячеек, разработанная фотоэлектрическими промышленность используется для фотоэлектрохимических (PEC) систем сбора света, которые генерируют достаточное напряжение для разделения воды и стабильны в среде вода / электролит. Разработанная NREL система PEC производит водород из солнечного света без дополнительных затрат. и усложнение электролизеров, при КПД преобразования солнечной энергии в водород На 12,4% ниже теплотворная способность при использовании отраженного 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

Солнечная система термоделирования 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 требуются сверхвысокие температуры. циклы для производства водорода. Такой высокотемпературный, высокопоточный, термохимический процессы предлагают новый подход к экологически безопасному производству водорода. Очень высокие скорости реакции при таких повышенных температурах вызывают очень быструю реакцию. скорости, которые значительно увеличивают производительность и более чем компенсируют прерывистый характер солнечного ресурса.

Контактное лицо: Джуди Неттер

Возобновляемый электролиз

Возобновляемые источники энергии, такие как фотоэлектрическая энергия, ветер, биомасса, гидро- и геотермальная энергия. может обеспечить нашу страну чистой и устойчивой электроэнергией. Однако возобновляемая энергия источники естественным образом изменчивы, требуют накопления энергии или гибридной системы для размещения суточные и сезонные изменения.Одно из решений — производить водород путем электролиза — расщепления с помощью электрического тока — воды и использовать этот водород в топливном элементе для производства электричество в периоды низкого производства электроэнергии или пикового спроса, или для использования водорода в транспортных средствах на топливных элементах.

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

Узнайте больше об исследованиях электролиза возобновляемых источников энергии NREL.

Контактное лицо: Кевин Харрисон

Надежность шланга дозатора водорода

С акцентом на снижение затрат и повышение надежности и безопасности NREL выполняет ускоренное тестирование и циклическое тестирование шлангов для подачи водорода на 700 бар на предприятии по интеграции энергетических систем с использованием автоматизированной робототехники для моделирования полевых условий.Посмотрите видео с роботом, который имитирует повторяющееся напряжение человека, сгибающегося и скручивающегося. шланг для подачи водорода в бортовой накопительный бак транспортного средства на топливных элементах. Исследователи проводить механические, термические испытания и испытания под давлением для новых и бывших в употреблении систем подачи водорода шланги. Материал шланга анализируется для выявления проникновения водорода, охрупчивания, и зарождение / распространение трещины.

Контактное лицо: Кевин Харрисон

Анализ путей производства и доставки водорода

NREL выполняет анализ на системном уровне в различных областях устойчивого производства водорода. и пути доставки.Эти усилия сосредоточены на определении улучшений статуса, в результате от технологических достижений, стоимости как функции объема производства и потенциала для снижения затрат. Результаты помогают выявить препятствия на пути к успеху этих путей. основные факторы затрат и остающиеся проблемы НИОКР. Разработанные NREL тематические исследования по анализу водорода обеспечивают прозрачные прогнозы текущих и будущих затрат на производство водорода. Узнайте больше о работе NREL по системному анализу.

Контактное лицо: Женевьева Заур

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, Nature Energy (2017)

Замечательная стабильность немодифицированных фотокатодов GaAs при выделении водорода в Кислый электролит, журнал , Журнал химии материалов A (2016)

Эффективность преобразования солнечной энергии в водород: яркий свет на производительность фотоэлектрохимических устройств, Энергетика и экология (2016)

Обратимая пассивация поверхности GaInP2 за счет адсорбции воды: модельная система для зависимости от окружающей среды Фотолюминесценция, Журнал физической химии C (2016)

CO2-фиксирующий метаболизм одного углерода в разрушающей целлюлозу бактерии Clostridium thermocellum, Труды Национальной академии наук, (2016)

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

Контакт

Huyen Dinh

Электронная почта
303-275-3605

Итак, что же такое зеленый водород?

Компании и отраслевые группы часто объединяются для продвижения своей продукции.Гораздо более необычным был шаг, сделанный в прошлом месяце 10 крупными европейскими энергетическими компаниями и двумя ведущими отраслевыми организациями континента, объединившимися для запуска кампании, рекламирующей продукт, который ни одна из них на самом деле не продает.

Этот продукт является возобновляемым или «зеленым» водородом. И хотя сегодня это не является основной проблемой для этих компаний (Enel, EDP, BayWa и другие) или отраслевых групп (SolarPower Europe и WindEurope), все видят, что зеленый водород играет жизненно важную роль в достижении глубокой декарбонизации энергетической системы.

Интерес к экологически чистому водороду стремительно растет среди крупных нефтегазовых компаний. Европа планирует сделать водород важной частью своего пакета Green Deal стоимостью триллион долларов, при этом ожидается, что в июле будет опубликована общеевропейская стратегия «зеленого» водорода.

«Мы не можем электрифицировать все», — сказал генеральный директор WindEurope Джайлс Диксон. «Некоторые производственные процессы и тяжелый транспорт должны будут работать на газе. А возобновляемый водород — лучший газ. Он полностью чистый. Это будет доступно, поскольку возобновляемые источники энергии сейчас настолько дешевы.

Что такое зеленый водород? Введение в цветовую палитру водорода

Для бесцветного газа водород очень красочен.

Согласно номенклатуре, используемой исследовательской фирмой Wood Mackenzie, большая часть газа, который уже широко используется в качестве промышленного химического вещества, является коричневым, если он производится путем газификации угля или лигнита; или серый, если он производится путем паровой конверсии метана, при котором в качестве сырья обычно используется природный газ.Ни один из этих процессов не является экологически безопасным.

Предположительно более чистый вариант известен как голубой водород, где газ производится путем паровой конверсии метана, но выбросы сокращаются за счет улавливания и хранения углерода. Этот процесс может примерно вдвое сократить количество производимого углерода, но до сих пор далеко не без выбросов.

Зеленый водород, напротив, может почти устранить выбросы за счет использования возобновляемых источников энергии, которые становятся все более распространенными и часто вырабатываются не в идеальное время, для обеспечения электролиза воды.

Бирюзовый цвет стал еще одним дополнением к палитре производства водорода. Его получают путем разложения метана на водород и твердый углерод с помощью процесса, называемого пиролизом. Бирюзовый водород может показаться относительно низким с точки зрения выбросов, потому что углерод можно либо захоронить, либо использовать в промышленных процессах, таких как сталелитейное производство или производство аккумуляторов, поэтому он не улетучивается в атмосферу.

Однако недавние исследования показывают, что водород бирюзового цвета на самом деле, вероятно, будет не более свободным от углерода, чем синий вариант, из-за выбросов от источников природного газа и необходимого технологического тепла.

Как получить зеленый водород?

При электролизе все, что вам нужно для производства большого количества водорода, — это вода, большой электролизер и много электроэнергии.

Если электричество поступает из возобновляемых источников, таких как ветер, солнце или гидроэнергетика, то водород фактически зеленый; единственные выбросы углерода — это выбросы, воплощенные в генерирующей инфраструктуре.

Проблема прямо сейчас заключается в том, что не хватает больших электролизеров, а обильные поставки возобновляемой электроэнергии по-прежнему обходятся недешево.

По сравнению с более устоявшимися производственными процессами, электролиз очень дорог, поэтому рынок электролизеров невелик.

И хотя производство возобновляемой энергии в настоящее время достаточно велико, чтобы вызвать изгибы в Калифорнии и проблемы с сетью в Германии, перепроизводство — явление относительно недавнее. Большинство энергетических рынков по-прежнему нуждаются в большом количестве возобновляемых источников энергии только для обслуживания энергосистемы.

Как вы храните и используете эти вещи?

Теоретически есть много полезных вещей, которые можно сделать с зеленым водородом.Вы можете добавить его в природный газ и сжечь на тепловых электростанциях или в теплоцентралях. Вы можете использовать его в качестве прекурсора для других энергоносителей, от аммиака до синтетических углеводородов, или, например, для непосредственного питания топливных элементов в автомобилях и кораблях.

Начнем с того, что вы можете использовать его просто для замены промышленного водорода, который вырабатывается каждый год из природного газа и который составляет около 10 миллионов метрических тонн только в США.

Основная проблема удовлетворения всех этих потенциальных рынков заключается в доставке зеленого водорода туда, где он необходим.Хранить и транспортировать легковоспламеняющийся газ непросто; он занимает много места и делает стальные трубы и сварные швы хрупкими и склонными к выходу из строя.

Из-за этого для транспортировки водорода в больших объемах потребуются специальные трубопроводы, строительство которых было бы дорогостоящим, создавая давление газа или охлаждая его до жидкости. Эти два последних процесса являются энергоемкими и еще больше снизят и без того невысокую эффективность использования зеленого водорода в оба конца (см. Ниже).

Почему зеленый водород внезапно стал такой большой проблемой?

Одним из путей к почти полной декарбонизации является электрификация всей энергетической системы и использование экологически чистых возобновляемых источников энергии.Но электрифицировать всю энергетическую систему будет сложно или, по крайней мере, намного дороже, чем объединение возобновляемой генерации с низкоуглеродным топливом. Зеленый водород — одно из нескольких потенциальных низкоуглеродных видов топлива, которое могло бы заменить сегодняшние ископаемые углеводороды.

По общему признанию, водород в качестве топлива далек от идеала. Его низкая плотность затрудняет хранение и перемещение. И его воспламеняемость может быть проблемой, как отмечалось в июне 2019 года на норвежской водородной заправочной станции.

Но и другие низкоуглеродные виды топлива имеют проблемы, не в последнюю очередь из-за стоимости. И поскольку большинство из них требует производства зеленого водорода в качестве прекурсора, почему бы просто не придерживаться исходного продукта?

Сторонники указывают, что водород уже широко используется в промышленности, поэтому технические проблемы, связанные с хранением и транспортировкой, вряд ли будут непреодолимыми. Кроме того, газ потенциально очень универсален и может применяться в самых разных областях — от отопления и долгосрочного хранения энергии до транспортировки.

Возможность использования экологически чистого водорода в широком спектре секторов означает, что существует соответственно большое количество компаний, которые могут извлечь выгоду из растущей экономии водородного топлива. Из них, пожалуй, наиболее значительными являются нефтегазовые компании, которые все чаще сталкиваются с призывами сократить производство ископаемого топлива.

Несколько крупных нефтяных компаний входят в число игроков, борющихся за поул-позицию в разработке экологически чистого водорода. Shell Nederland, например, подтвердила в мае, что она объединила усилия с энергетической компанией Eneco для участия в последнем тендере голландского морского ветроэнергетического комплекса, чтобы создать рекордный водородный кластер в Нидерландах.Спустя несколько дней компания-разработчик солнечной энергии Lightsource BP сообщила, что обдумывает разработку австралийской электростанции по производству зеленого водорода, работающей на 1,5 гигаватт ветровой и солнечной энергии.

Заинтересованность Big Oil в экологически чистом водороде может иметь решающее значение для обеспечения коммерческой жизнеспособности топлива. Снижение затрат на производство экологически чистого водорода потребует огромных инвестиций и масштабов, что могут обеспечить крупнейшие нефтяные компании.

Сколько стоит производство зеленого водорода?

Производство зеленого водорода по-прежнему обходится дорого.В отчете, опубликованном в прошлом году (с использованием данных за 2018 год), Международное энергетическое агентство оценило стоимость зеленого водорода от 3 до 7,50 долларов за килограмм по сравнению с 0,90 до 3,20 доллара за производство с использованием паровой конверсии метана.

Снижение стоимости электролизеров будет иметь решающее значение для снижения цены на зеленый водород, но это потребует времени и масштабов. Стоимость электролизера может упасть вдвое к 2040 году с примерно 840 долларов за киловатт мощности на сегодняшний день, заявило в прошлом году МЭА.

Экономическое обоснование экологически чистого водорода требует очень большого количества дешевой возобновляемой электроэнергии, поскольку значительная часть теряется при электролизе.По данным Shell, КПД электролизера колеблется от 60 до 80 процентов. Проблема эффективности усугубляется тем фактом, что для многих приложений может потребоваться экологически чистый водород для питания топливного элемента, что приводит к дополнительным потерям.

Некоторые наблюдатели предположили, что производство экологически чистого водорода может вытеснить избыточные мощности возобновляемых источников энергии в крупных производственных центрах, таких как морские ветряные электростанции в Европе. Однако, учитывая все еще высокую стоимость электролизеров, сомнительно, захотят ли разработчики проектов по производству зеленого водорода оставить свои электролизеры без дела до тех пор, пока цены на возобновляемые источники энергии не упадут ниже определенного уровня.

Более вероятно, как это уже рассматривается Lightsource BP и Shell, девелоперы построят экологически чистые заводы по производству водорода с выделенными активами по производству возобновляемой энергии в местах с высоким уровнем ресурсов.

Сколько производится зеленого водорода?

Немного по большому счету. По данным Wood Mackenzie, в настоящее время на зеленый водород приходится менее 1 процента от общего годового производства водорода.

Но WoodMac прогнозирует бум производства в ближайшие годы.Количество проектов экологичных водородных электролизеров почти утроилось за пять месяцев, предшествующих апрелю 2020 года, до 8,2 гигаватт. Всплеск в основном был вызван увеличением масштабов развертывания электролизеров, при этом запланировано 17 проектов с мощностью 100 мегаватт или более.

И дело не только в том, что появляется больше проектов. К 2027 году средний размер систем электролизера, вероятно, превысит 600 мегаватт, сообщает WoodMac.

Кто возглавляет разработку зеленого водорода?

Зеленый водород, кажется, сейчас у всех на уме, и как минимум 10 стран обращаются к газу для обеспечения энергетической безопасности в будущем и возможного экспорта.Последней страной, которая присоединилась к этой группе, является Португалия, которая в мае представила национальную водородную стратегию, которая, как сообщается, оценивается в 7 миллиардов евро (7,7 миллиарда долларов) до 2030 года. В прошлом месяце лидер оффшорной ветроэнергетики Ørsted провозгласил первый крупный проект, нацеленный исключительно на транспортный сектор.

Помимо таких громких имен, множество небольших компаний надеются отхватить кусок растущего зеленого водородного пирога.Такие компании, как ITM Power, могут быть не так хорошо известны сегодня, но если зеленый водород оправдает хотя бы часть своих обещаний, однажды он может стать огромным.

А водородные автомобили?

А, да. Привлекательная Toyota Mirai помогла зародить ранние надежды на то, что автомобили на водородных топливных элементах могут соперничать с электромобилями за замену двигателя внутреннего сгорания. Но по мере роста рынка электромобилей перспектива того, что водород станет серьезным соперником, исчезла из поля зрения, по крайней мере, в сегменте легковых автомобилей.

Сегодня на дорогах США находится примерно 7600 автомобилей с водородными топливными элементами, по сравнению с более чем 326400 электромобилей, проданных в США только в прошлом году.

Тем не менее, эксперты по-прежнему ожидают, что водород будет играть роль в обезуглероживании некоторых сегментов транспортных средств, причем вилочные погрузчики и грузовики большой грузоподъемности наиболее вероятно от этого выиграют.

***

Дополнительная литература Wood Mackenzie, The Future for Green Hydrogen

ученых нашли способ повысить эффективность производства водородного топлива в 25 раз

Вариант водородного топлива с нулевыми выбросами многообещающе для снижения нашей зависимости от ископаемого топлива — если бы только мы могли найти способ производить его дешево и без безумных затрат энергии.Теперь ученые нашли способ эффективно производить водородное топливо с помощью ржавчины и источника света.

В установке используются всего несколько основных ингредиентов — свет от ртутно-ксеноновой лампы, раствор воды и метанола и особый тип ржавчины (или оксида железа), называемый α-FeOOH. В новом исследовании исследователи обрисовали в общих чертах, как этот метод дает в 25 раз больше водорода, чем существующие методы, в которых используются катализаторы из диоксида титана.

Одна из самых больших проблем в производстве водородного топлива — отделить атомы водорода от других молекул и удерживать их в таком состоянии, не взрывая все это.

В новом методе при замене титана ржавчиной образовавшийся водород, казалось, был заблокирован от повторного соединения с кислородом, облегчая разделение элементов и в то же время снижая риск взрыва.

Воспламеняемость — одна из причин, по которой водородное топливо еще не прижилось. Во-вторых, для отделения водорода (от воды, метана или чего-то подобного) обычно требуется гораздо больше энергии, чем это практически осуществимо.

«Мы были очень удивлены получению водорода с помощью этого катализатора, потому что, как известно, большинство оксидов железа не восстанавливаются до водорода», — говорит материаловед Кен-ичи Кацумата из Токийского университета науки в Японии.

«Впоследствии мы искали условия для активации α-FeOOH и обнаружили, что кислород был незаменимым фактором, что стало вторым сюрпризом, потому что многие исследования показали, что кислород подавляет образование водорода, улавливая возбужденные электроны».

Помимо того, что этот тип ржавчины более распространен (и, следовательно, дешевле), чем другие металлы, используемые в качестве катализаторов для производства водорода, он также кажется очень устойчивым — исследователи сообщают, что им удалось успешно провести свои лабораторные эксперименты в течение поразительные 400 часов.

Учитывая, что источником водорода в данном случае являются простые органические отходы, новый подход потенциально может иметь огромное значение для энергетических систем — процесс производства водорода, который позволяет делать больше с меньшими затратами.

В автомобильном двигателе или на силовой установке единственным побочным продуктом водородного топлива является вода. Это обещание революционного источника топлива заставило многих ученых усердно работать над получением водорода с использованием обильных ресурсов, таких как вода и солнечный свет.

Мы видели несколько катализаторов, успешно испытанных в последние годы, что дало экспертам ряд возможностей для изучения, но проблема получения чего-то, что имеет коммерческий смысл, еще не решена.

Это последнее исследование описывает значительный шаг вперед, но потребуются еще много исследований, прежде чем мы сможем заправлять наши автомобили водородом. Одна из областей, которую команда хочет исследовать дальше, — это то, почему кислород так важен для производственного процесса (когда его удалили из катализатора, эксперименты не увенчались успехом).

«Конкретная функция кислорода в активации индуцированного светом α-FeOOH еще не раскрыта», — говорит Кацумата. «Таким образом, изучение механизма — следующая задача.»

Исследование было опубликовано в Chemistry — A European Journal .

Использование алюминия и воды для производства чистого водородного топлива — когда и где это необходимо | MIT News

По мере того, как мир работает над отказом от ископаемого топлива, многие исследователи изучают, может ли чистое водородное топливо играть более важную роль в секторах, от транспорта и промышленности до зданий и производства электроэнергии. Его можно использовать в транспортных средствах на топливных элементах, котлах, вырабатывающих тепло, газовых турбинах, вырабатывающих электричество, системах для хранения возобновляемой энергии и многом другом.

Но при использовании водорода не происходит выбросов углерода, что обычно происходит. Сегодня почти весь водород производится с использованием процессов на основе ископаемого топлива, которые в совокупности генерируют более 2 процентов всех глобальных выбросов парниковых газов. Кроме того, водород часто производится в одном месте и потребляется в другом, а это означает, что его использование также сопряжено с логистическими проблемами.

Перспективная реакция

Другой вариант производства водорода исходит из, возможно, неожиданного источника: реакции алюминия с водой.Металлический алюминий легко реагирует с водой при комнатной температуре с образованием гидроксида алюминия и водорода. Эта реакция обычно не происходит, потому что слой оксида алюминия естественным образом покрывает необработанный металл, предотвращая его непосредственный контакт с водой.

Использование реакции алюминия с водой для получения водорода не приводит к выбросам парниковых газов и обещает решить проблему транспортировки для любого места, где есть вода. Просто переместите алюминий, а затем протрите его водой на месте.«По сути, алюминий становится механизмом для хранения водорода — и очень эффективным, — говорит Дуглас П. Харт, профессор машиностроения в Массачусетском технологическом институте. «Используя алюминий в качестве источника, мы можем« хранить »водород с плотностью в 10 раз большей, чем если бы мы просто хранили его в виде сжатого газа».

Две проблемы удерживают алюминий от использования в качестве безопасного и экономичного источника для производства водорода. Первая проблема — обеспечить чистоту алюминиевой поверхности и ее способность вступать в реакцию с водой.С этой целью практическая система должна включать средства сначала модификации оксидного слоя, а затем предотвращения его повторного образования по мере протекания реакции.

Вторая проблема заключается в том, что добыча и производство чистого алюминия энергоемки, поэтому любой практический подход требует использования алюминиевого лома из различных источников. Но алюминиевый лом — непростой исходный материал. Обычно он находится в легированной форме, что означает, что он содержит другие элементы, которые добавляются для изменения свойств или характеристик алюминия для различных целей.Например, добавление магния увеличивает прочность и коррозионную стойкость, добавление кремния снижает температуру плавления, а добавление небольшого количества того и другого делает сплав умеренно прочным и устойчивым к коррозии.

Несмотря на обширные исследования алюминия как источника водорода, остаются два ключевых вопроса: как лучше всего предотвратить прилипание оксидного слоя к поверхности алюминия и как легирующие элементы в куске алюминиевого лома влияют на общее количество образуется водород и какова скорость его образования?

«Если мы собираемся использовать алюминиевый лом для производства водорода на практике, мы должны иметь возможность лучше предсказать, какие характеристики образования водорода мы собираемся наблюдать в реакции алюминия с водой», — говорит Лорин Меруэ, доктор философии. 20 лет, получившая докторскую степень в области машиностроения.

Поскольку основные этапы реакции не совсем понятны, трудно предсказать скорость и объем образования водорода из алюминиевого лома, который может содержать различные типы и концентрации легирующих элементов. Поэтому Харт, Меру и Томас У. Игар, профессор материаловедения и инженерного менеджмента факультета материаловедения и инженерии Массачусетского технологического института, решили систематически изучить влияние этих легирующих элементов на реакцию алюминия с водой. и о перспективном методе предотвращения образования мешающего оксидного слоя.

Для подготовки у них были специалисты из Novelis Inc., которые изготовили образцы чистого алюминия и специальных алюминиевых сплавов, изготовленных из технически чистого алюминия в сочетании с 0,6% кремния (по весу), 1% магния или обоими — составы, типичные для лома. алюминий из различных источников. Используя эти образцы, исследователи Массачусетского технологического института провели серию тестов для изучения различных аспектов реакции алюминия с водой.

Предварительная обработка алюминия

Первым шагом была демонстрация эффективных средств проникновения через оксидный слой, который образуется на алюминии в воздухе.Твердый алюминий состоит из крошечных зерен, которые иногда образуют границы, которые не совпадают идеально. Чтобы максимизировать производство водорода, исследователям необходимо предотвратить образование оксидного слоя на всех этих внутренних поверхностях зерен.

Исследовательские группы уже испробовали различные способы удержания алюминиевых зерен «активированными» для реакции с водой. Некоторые измельчают образцы лома на частицы, настолько мелкие, что оксидный слой не прилипает. Но алюминиевые порошки опасны, так как могут вступить в реакцию с влажностью и взорваться.Другой подход предусматривает измельчение образцов лома и добавление жидких металлов для предотвращения осаждения оксидов. Но шлифование — процесс дорогостоящий и энергоемкий.

По мнению Харта, Меруэ и Игара, наиболее многообещающий подход, впервые представленный Джонатаном Слокумом, научным сотрудником в 18-м году, когда он работал в исследовательской группе Харта, включал предварительную обработку твердого алюминия путем нанесения жидких металлов сверху и позволяя им проникать сквозь него. границы зерен.

Чтобы определить эффективность этого подхода, исследователям необходимо было подтвердить, что жидкие металлы будут достигать внутренних поверхностей зерен с присутствующими легирующими элементами и без них.И они должны были установить, сколько времени потребуется жидкому металлу, чтобы покрыть все зерна чистого алюминия и его сплавов.

Они начали с объединения двух металлов — галлия и индия — в определенных пропорциях, чтобы создать «эвтектическую» смесь; то есть смесь, которая осталась бы в жидкой форме при комнатной температуре. Они покрыли свои образцы эвтектикой и позволили ей проникнуть в течение периода времени от 48 до 96 часов. Затем они подвергали образцы воздействию воды и контролировали выход водорода (количество образовавшегося) и скорость потока в течение 250 минут.Через 48 часов они также сделали изображения с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM) с большим увеличением, чтобы они могли наблюдать границы между соседними зернами алюминия.

Основываясь на измерениях выхода водорода и изображениях SEM, команда Массачусетского технологического института пришла к выводу, что эвтектика галлий-индий естественным образом проникает и достигает внутренних поверхностей зерен. Однако скорость и степень проплавления зависят от сплава. Скорость проникновения была такой же в образцах алюминия, легированных кремнием, что и в образцах из чистого алюминия, но ниже в образцах, легированных магнием.

Возможно, наиболее интересными были результаты образцов, легированных как кремнием, так и магнием — алюминиевым сплавом, который часто встречается в рециклируемых потоках. Кремний и магний химически связываются с образованием силицида магния, который возникает в виде твердых отложений на внутренней поверхности зерен. Меруэ предположил, что когда в алюминиевом ломе присутствуют и кремний, и магний, эти отложения могут действовать как барьеры, препятствующие прохождению галлий-индиевой эвтектики.

Эксперименты и изображения подтвердили ее гипотезу: твердые отложения действительно действовали как барьеры, а изображения образцов, предварительно обработанных в течение 48 часов, показали, что проникновение не было полным.Очевидно, что длительный период предварительной обработки будет иметь решающее значение для максимизации выхода водорода из алюминиевых ломов, содержащих как кремний, так и магний.

Meroueh приводит несколько преимуществ от используемого ими процесса. «Вам не нужно прикладывать какую-либо энергию, чтобы галлий-индийская эвтектика сотворила чудеса с алюминием и избавилась от этого оксидного слоя», — говорит она. «После того, как вы активировали свой алюминий, вы можете бросить его в воду, и он будет генерировать водород — никаких затрат энергии не требуется». Более того, эвтектика не вступает в химическую реакцию с алюминием.«Он просто физически перемещается между крупинками», — говорит она. «В конце процесса я мог бы восстановить весь введенный мной галлий и индий и использовать его снова» — ценная особенность, поскольку галлий и (особенно) индий являются дорогостоящими и их относительно мало.

Влияние легирующих элементов на образование водорода

Затем исследователи исследовали, как присутствие легирующих элементов влияет на образование водорода. Они протестировали образцы, обработанные эвтектикой в ​​течение 96 часов; к тому времени выход водорода и скорость потока во всех образцах стабилизировались.

Присутствие 0,6% кремния увеличивало выход водорода для данного веса алюминия на 20% по сравнению с чистым алюминием — даже несмотря на то, что кремнийсодержащий образец содержал меньше алюминия, чем образец чистого алюминия. Напротив, присутствие 1% магния дает гораздо меньше водорода, в то время как добавление кремния и магния увеличивает выход, но не до уровня чистого алюминия.

Присутствие кремния также значительно ускоряет скорость реакции, давая гораздо более высокий пик скорости потока, но сокращая продолжительность выхода водорода.Присутствие магния приводит к более низкой скорости потока, но позволяет выходу водорода оставаться довольно стабильным с течением времени. И снова алюминий с обоими легирующими элементами дает скорость потока между легированным магнием и чистым алюминием.

Эти результаты представляют собой практическое руководство о том, как отрегулировать выход водорода в соответствии с рабочими потребностями устройства, потребляющего водород. Если исходным материалом является технически чистый алюминий, добавление небольших количеств тщательно подобранных легирующих элементов может регулировать выход водорода и скорость потока.Если исходным материалом является алюминиевый лом, ключевым моментом может быть тщательный выбор источника. Для сильных кратковременных всплесков водорода хорошо подойдут куски кремнийсодержащего алюминия с автомобильной свалки. Для меньших, но более длинных потоков лучше подойдут содержащие магний отходы каркаса снесенного здания. Для получения промежуточных результатов хорошо подойдет алюминий, содержащий как кремний, так и магний; такой материал в изобилии доступен для сломанных автомобилей и мотоциклов, яхт, велосипедных рам и даже чехлов для смартфонов.

Также должна быть возможность комбинировать обрезки различных алюминиевых сплавов, чтобы настроить результат, отмечает Меруэ. «Если у меня есть образец активированного алюминия, который содержит только кремний, и другой образец, содержащий только магний, я могу поместить их оба в емкость с водой и позволить им прореагировать», — говорит она. «Таким образом, я получаю быстрое наращивание производства водорода из кремния, а затем магний берет верх и обеспечивает стабильную выработку».

Другая возможность настройки: Уменьшение крупности зерна

Другой практический способ повлиять на производство водорода может заключаться в уменьшении размера алюминиевых зерен — изменение, которое должно увеличить общую площадь поверхности, доступную для протекания реакций.

Чтобы исследовать этот подход, исследователи запросили у своего поставщика специально изготовленные образцы. Используя стандартные производственные процедуры, специалисты Novelis сначала пропустили каждый образец через два ролика, сжимая его сверху и снизу так, чтобы внутренние зерна были сплющены. Затем они нагревали каждый образец до тех пор, пока длинные плоские зерна не реорганизовались и не сжались до заданного размера.

В серии тщательно спланированных экспериментов команда Массачусетского технологического института обнаружила, что уменьшение размера зерна увеличивало эффективность и уменьшало продолжительность реакции в различной степени в различных образцах.И снова наличие определенных легирующих элементов имело большое влияние на результат.

Требуется: пересмотренная теория, объясняющая наблюдения

В ходе своих экспериментов исследователи столкнулись с неожиданными результатами. Например, стандартная теория коррозии предсказывает, что чистый алюминий будет генерировать больше водорода, чем алюминий, легированный кремнием, — противоположность тому, что они наблюдали в своих экспериментах.

Чтобы пролить свет на лежащие в основе химические реакции, Харт, Меру и Игар исследовали «поток» водорода, то есть объем водорода, образующийся с течением времени на каждом квадратном сантиметре поверхности алюминия, включая внутренние зерна.Они исследовали три размера зерен для каждого из четырех составов и собрали тысячи точек данных, измеряющих поток водорода.

Их результаты показывают, что уменьшение размера зерна имеет значительный эффект. Он увеличивает пиковый поток водорода из алюминия, легированного кремнием, в 100 раз, а из трех других составов — в 10 раз. Как для чистого алюминия, так и для кремнийсодержащего алюминия уменьшение размера зерна также уменьшает задержку перед пиковым потоком и увеличивает скорость его последующего уменьшения.В случае магнийсодержащего алюминия уменьшение размера зерна вызывает увеличение пикового потока водорода и приводит к несколько более быстрому снижению скорости выхода водорода. При наличии как кремния, так и магния поток водорода с течением времени напоминает поток магнийсодержащего алюминия, если не изменять размер зерна. Когда размер зерна уменьшается, характеристики выхода водорода начинают напоминать поведение, наблюдаемое в кремнийсодержащем алюминии. Этот результат был неожиданным, потому что, когда присутствуют и кремний, и магний, они реагируют с образованием силицида магния, что приводит к новому типу алюминиевого сплава со своими собственными свойствами.

Исследователи подчеркивают преимущества более глубокого понимания лежащих в основе химических реакций. В дополнение к руководству по проектированию практических систем, это может помочь им найти замену дорогостоящему индию в их смеси для предварительной обработки. Другая работа показала, что галлий естественным образом проникает через границы зерен алюминия. «На данный момент мы знаем, что индий в нашей эвтектике важен, но мы не совсем понимаем, что он делает, поэтому мы не знаем, как его заменить», — говорит Харт.

Но уже Харт, Меру и Игар продемонстрировали два практических способа настройки скорости реакции водорода: путем добавления определенных элементов в алюминий и путем изменения размера внутренних зерен алюминия. В сочетании эти подходы могут принести значительные результаты. «Если вы перейдете от магнийсодержащего алюминия с наибольшим размером зерна к кремнийсодержащему алюминию с наименьшим размером зерна, вы получите скорость реакции водорода, которая отличается на два порядка», — говорит Меруэ.«Это здорово, если вы пытаетесь создать реальную систему, которая будет использовать эту реакцию».

Это исследование было поддержано Энергетической инициативой Массачусетского технологического института (MIT Energy Initiative) стипендиями ExxonMobil-MIT Energy, присужденными Лорин Меруэ PhD ’20 с 2018 по 2020 год.

Эта статья появилась в выпуске Spring 2021 Energy Futures, журнала MIT Energy Initiative.

Сделать чистый водород сложно, но исследователи только что решили серьезное препятствие — ScienceDaily

На протяжении десятилетий исследователи всего мира искали способы использования солнечной энергии для генерации ключевой реакции для получения водорода как источника чистой энергии — расщепления молекулы воды с образованием водорода и кислорода.Однако такие усилия в большинстве случаев не увенчались успехом, потому что делать это было слишком дорого, а попытки сделать это с низкими затратами приводили к низкой производительности.

Теперь исследователи из Техасского университета в Остине нашли недорогой способ решить половину уравнения, используя солнечный свет для эффективного отделения молекул кислорода от воды. Открытие, опубликованное недавно в журнале Nature Communications , представляет собой шаг вперед к более широкому внедрению водорода в качестве ключевой части нашей энергетической инфраструктуры.

Еще в 1970-х годах исследователи изучали возможность использования солнечной энергии для производства водорода. Но невозможность найти материалы с комбинацией свойств, необходимых для устройства, которое может эффективно выполнять ключевые химические реакции, не позволила ему стать основным методом.

«Вам нужны материалы, которые хорошо поглощают солнечный свет и в то же время не разлагаются, пока происходят реакции расщепления воды», — сказал Эдвард Ю, профессор кафедры электротехники и вычислительной техники школы Кокрелла.«Оказывается, материалы, которые хорошо поглощают солнечный свет, имеют тенденцию быть нестабильными в условиях, необходимых для реакции расщепления воды, в то время как стабильные материалы, как правило, плохо поглощают солнечный свет. Эти противоречивые требования подталкивают вас к, казалось бы, неизбежному компромиссу , но объединив несколько материалов — один, который эффективно поглощает солнечный свет, например кремний, и другой, обеспечивающий хорошую стабильность, например диоксид кремния, — в одном устройстве, этот конфликт может быть разрешен.«

Однако это создает другую проблему — электроны и дырки, созданные поглощением солнечного света в кремнии, должны иметь возможность легко перемещаться через слой диоксида кремния. Обычно для этого требуется, чтобы слой диоксида кремния был не более нескольких нанометров, что снижает его эффективность в защите кремниевого поглотителя от разрушения.

Ключом к этому прорыву стал метод создания токопроводящих дорожек через толстый слой диоксида кремния, который можно выполнять с низкими затратами и масштабировать для больших объемов производства.Чтобы добиться этого, Ю и его команда использовали технологию, впервые примененную при производстве полупроводниковых электронных чипов. Покрывая слой диоксида кремния тонкой пленкой алюминия и затем нагревая всю структуру, образуются массивы наноразмерных «шипов» алюминия, которые полностью перекрывают слой диоксида кремния. Затем их можно легко заменить никелем или другими материалами, которые помогают катализировать реакции расщепления воды.

При освещении солнечным светом устройства могут эффективно окислять воду с образованием молекул кислорода, а также генерировать водород на отдельном электроде и проявлять выдающуюся стабильность при длительной эксплуатации.Поскольку методы, используемые для создания этих устройств, обычно используются в производстве полупроводниковой электроники, их должно быть легко масштабировать для массового производства.

Команда подала предварительную заявку на патент на коммерциализацию технологии.

Улучшение способа производства водорода является ключом к его превращению в жизнеспособный источник топлива. Большая часть производства водорода сегодня происходит за счет нагревающего пара и метана, но это в значительной степени зависит от ископаемого топлива и приводит к выбросам углерода.

Существует тенденция к «зеленому водороду», при котором используются более экологически безопасные методы производства водорода. И упрощение реакции расщепления воды — ключевая часть этих усилий.

Водород может стать важным возобновляемым ресурсом с некоторыми уникальными качествами. Он уже играет важную роль в важных производственных процессах и начинает проявляться в автомобильной промышленности. Батареи на топливных элементах выглядят многообещающе для грузовых перевозок на дальние расстояния, и водородная технология может стать благом для хранения энергии, поскольку она способна накапливать излишки энергии ветра и солнца, производимой, когда для них созревают условия.

В дальнейшем команда будет работать над повышением эффективности кислородной части расщепления воды за счет увеличения скорости реакции. Следующая серьезная задача исследователей — перейти к другой половине уравнения.

«Сначала мы смогли обратиться к кислородной стороне реакции, которая является более сложной частью, — сказал Ю, — но вам нужно выполнить реакции выделения водорода и кислорода, чтобы полностью расщепить молекулы воды, поэтому наши Следующим шагом будет рассмотрение применения этих идей для создания устройств для водородной части реакции.«

Это исследование финансировалось Национальным научным фондом США через Директорат инженерии и программу центров материаловедения и инженерии (MRSEC). Ю работал над проектом со студентами UT Austin Сунил Ли и Алекс Де Пальма, а также Ли Джи, профессором Университета Фудань в Китае.

Основы водорода — Производство солнечной энергии

Эксперимент по фотохимическому выделению газообразного водорода, FSEC h3 Lab (Фото.Спенсер)

Использование солнечной энергии для производства водорода может осуществляться двумя способами: электролиз воды с использованием электроэнергии, вырабатываемой солнечными батареями, и прямое разделение воды солнечными батареями. Говоря о солнечной энергии, почти все говорят о фотоэлектрическом электролизе. Процесс работает. Фактически, это было впервые продемонстрировано в Центре солнечной энергии Флориды в 1983 году при финансовой поддержке Космического центра Кеннеди НАСА. Хотя это технологически выполнимо, это пока не экономически жизнеспособно.Помимо затрат, возникает вопрос, зачем использовать электричество, очень эффективный носитель энергии, для производства водорода, другого энергоносителя, а затем снова преобразовывать его обратно в электричество для использования? Другими словами, электричество настолько ценно, как электричество, наш самый желанный носитель энергии, что мы, возможно, не захотим использовать его ни для чего другого. Это особенно верно, если электричество производится из фотоэлектрических элементов. Фотоэлектрические панели как источник энергии соответствуют пиковой нагрузке на кондиционирование воздуха в коммунальных предприятиях страны.Гораздо лучше использовать фотоэлектрическую электроэнергию в качестве электричества, поскольку иначе использовать ее слишком расточительно.

Когда будет смысл получать водород из электричества, вырабатываемого солнечными батареями? Ответ заключается в том, что мы захотим производить водород в любое время, когда электричество нельзя будет использовать — в периоды пиковой нагрузки в отдаленных районах и во время сезонных колебаний. Водород из ветра, гидро-, геотермальной энергии или любой другой формы солнечной энергии является ценным, когда ресурс не соответствует профилю нагрузки электрической сети.

Если солнечное электричество через фотоэлектрический электролиз-топливный элемент не имеет смысла, как насчет фотоэлектрического электролитического водорода? Фактически, большая часть обсуждения PV-электролиза касается производства водорода для использования в качестве автомобильного топлива. Опять же, этот сценарий не представляется жизнеспособным. Рассмотрим случай водородной заправочной станции, выдающей 1000 галлонов бензина в день, что составляет примерно половину среднего показателя по стране. Обратите внимание, что один галлон бензина содержит примерно то же количество энергии, что и один килограмм (кг) водорода.Таким образом, для заправочной станции потребуется около 1000 кг водорода в сутки. Используя более низкую теплотворную способность водорода, электрическая энергия, необходимая для производства одного кг водорода, составляет 51 кВтч (при КПД электролизера 65%). Это означает, что на 1000 кг водорода в день потребуется 51 000 кВтч электроэнергии в день. Количество фотоэлектрических модулей, необходимых для поставки 51 000 кВтч, можно оценить, разделив кВтч на 5 часов в день. Таким образом, для работы водородной заправочной станции мощностью 1000 кг / день потребуется 10 200 кВт или 10,2 мегаватт фотоэлектрической энергии.Обратите внимание, что для 1 кВтп требуется около 10 квадратных метров площади для фотоэлектрических систем с эффективностью 10%.

Вторая категория, прямое разделение солнечной воды на воду, относится к любому процессу, в котором солнечная энергия напрямую используется для производства водорода из воды без прохождения промежуточной стадии электролиза. Примеры включают:

• фотоэлектрохимическое расщепление воды — этот метод использует полупроводниковые электроды в фотоэлектрохимической ячейке для преобразования световой энергии в химическую энергию водорода.По сути, существует два типа фотоэлектрохимических систем: в одном используются полупроводники или красители, а в другом — растворенные комплексы металлов.
• фотобиологические — они включают производство водорода из биологических систем с использованием солнечного света. Некоторые водоросли и бактерии могут производить водород при подходящих условиях. Пигменты водорослей поглощают солнечную энергию, а ферменты клетки действуют как катализаторы, расщепляя воду на водородные и кислородные составляющие.
• высокотемпературных термохимических цикла — в этих циклах используется солнечное тепло для производства водорода путем расщепления воды с использованием термохимических стадий.
• газификация биомассы — при этом используется тепло для преобразования биомассы в синтетический газ, богатый водородом.

Экспериментальный фотореактор для высокотемпературного производства водорода на солнечной энергии (Фото: Н.Waters)

Фотоэлектрохимические и фотобиологические процессы — это те процессы, которые необходимо развивать, чтобы удовлетворить долгосрочные потребности в энергии. Сегодняшние системы имеют КПД менее 1% (от солнечной к водородной), и они должны достигать гораздо более высокого КПД, чтобы быть экономичными. Также нет ни одной крупномасштабной инсталляции той или иной технологии.

Высокотемпературные термохимические циклы могут достигать отличной эффективности (более 40 процентов), но они должны использовать концентрированные солнечные приемники / реакторы, способные достигать температуры выше 800 ° C.Изучено большое количество разнообразных термохимических циклов. (См. Производство водорода с помощью циклов солнечного термохимического расщепления воды).

При газификации биомассы используется тепло для превращения биомассы (древесины, травы или сельскохозяйственных отходов) в синтетический газ. Состав газов зависит от типа сырья, присутствия кислорода, температуры реакции и других параметров. Газификаторы биомассы были разработаны как реакторы с неподвижным слоем, псевдоожиженным слоем и с захваченным слоем.

Все эти прямые солнечные процессы находятся в стадии исследования и разработки, и все еще предстоит преодолеть препятствия.