Метод Монте-Карло подсказал пути оптимизации производства экологичного водорода
Yates et al. / Cell Reports Physical Science, 2020
Австралийские ученые выяснили, от чего зависит цена водородного топлива, получаемого с помощью солнечных батарей. Они выделили основные факторы, влияющие на цену такого водорода в разных климатических районах, и предложили, как можно сделать его дешевле. Прогноз получился оптимистичным: вполне вероятно, что уже к 2030 году солнечный водород сравняется в цене с водородом, который получают традиционным способом из метана. Результаты исследования опубликованы в журнале Cell Reports Physical Science.
Водород — практически идеальное топливо: он легкий, его удобно хранить и перевозить, а при сгорании выделяется безвредный водяной пар. Одна из перспективных областей современной энергетики — получение водорода с помощью солнечных батарей. В таких устройствах энергия солнечного излучения превращается в электроэнергию, которая сразу же тратится на выделения водорода из воды с помощью электролиза. Получается вдвойне выгодный процесс — можно не только получить удобное и экологичное топливо, но и запасти впрок энергию нестабильных солнечных генераторов. Однако, пока что у солнечного водорода есть существенный недостаток — высокая цена. К стоимости солнечного элемента в таком случае нужно прибавить стоимость катализаторов для электролиза, которые зачастую изготавливают из металлов платиновой группы. Эффективность таких устройств тоже пока что ниже, чем у стандартных солнечных элементов, ведь энергия преобразуется дважды, на каждом этапе часть ее теряется. В настоящее время энергия, которую можно получить от сжигания полученного водорода, у лучших преобразователей составляет только 17 процентов от поглощенной ими солнечной энергии. Все это делает солнечный водород дорогим. Поэтому, хотя водородное топливо становится все более популярным (уже используется около 80 миллионов тонн водорода в год), основным его источником все еще остается дешевый реформинг метана.
Австралийские ученые под руководством Нэйтана Чана (Nathan L.Chang) из Университета Нового Южного Уэльса попробовали выяснить, как сделать экологичный водород дешевле В своем анализе они сосредоточились на так называемых независимых электролизерах Такие устройства не подключены к сети и питаются только от солнечных батарей. По сравнению с гибридными электролизерами, которые могут питаться и от сети, и от солнечных батарей, такие устройства работают менее стабильно и имеют ограниченную емкость. Но есть у независимых электролизеров и сильные стороны — такие устройства можно использовать для получения водорода в самых отдаленных районах, а отказ от проводов для соединения с сетью, делает их немного дешевле. Чтобы оценить вклад разных факторов, влияющих на работу независимого солнечного электролизера — стоимости материалов, эффективности, размера устройств, погодных условий и даже стоимости воды, которая нужна для электролиза, — ученые использовали метод Монте-Карло. Всего было сделано 20 тысяч итераций для разных климатических условий, помимо Австралии ученые рассмотрели районы Испании, Японии и Чили.
Чан и его коллеги исходили из предположения, что для выхода на рынок экологичному водороду необходимо преодолеть ценовой порог в 2,5 доллара США за килограмм. На сегодняшний день, согласно их расчетам, средняя цена водорода, полученного в Австралии, все еще выше — от 3,4 до 3,7 долларов за килограмм. Вполне ожидаемо, больше всего цены на водород зависят от стоимости устройства. При этом из двух составных частей электролизера — солнечного элемента и катализатора — больший вклад в финальную цену вносит стоимость солнечного элемента. Кроме того, ученые отмечают, что стоимость водорода зависит от погодных условий — в первую очередь от яркости солнца и количества солнечных дней. Если в солнечном Порт-Хедленде в Австралии стоимость водорода составляет около 3,38 долларов за килограмм, то в Фукусиме в Японии при прочих равных условиях получится 4,72 доллара за килограмм. Поэтому авторы работы считают, что Японию можно будет рассматривать в качестве потенциального покупателя для австралийского водорода.
Одним из самых эффективных способов для снижения стоимости водорода авторы называют переход на более масштабные и мощные преобразователи. Их расчеты показывают, что увеличение мощности устройства в десять раз уже сейчас может снизить цену на водород на 0,3 доллара за килограмм. Появление более эффективных солнечных батарей и катализаторов, разумеется, тоже будет каждый год делать водород из электролизеров немного дешевле. Поэтому стоимость полученного в Австралии солнечного водорода будет непрерывно снижаться, и уже к 2030 году может преодолеть порог в 2,2 доллара США за килограмм.
Впрочем, задачу разработки одновременно дешевого и эффективного электролизера на солнечных батареях еще предстоит решить. Сейчас над созданием таких устройств работает множество научных групп по всему миру. Несколько месяцев назад американские и китайские химики собрали электролизер без использования дорогостоящих материалов — соединили перовскитный солнечный элемент с электрокатализатором из наностержней оксида кобальта. Эффективность устройства оказалась не очень высокой — 6,7 процентов — но авторы работы считают, что в дальнейшем ее можно будет повысить.
Источник
От солнечной энергии к водородному топливу
Исследователи из Федеральной политехнической школы Лозанны (Швейцария) разработали новый метод выделения водорода из воды с помощью солнечной энергии. Он не требует высоких температур и применения благородных металлов, а по эффективности сравним с лучшей на сегодня технологией, использующей платиновые катализаторы.
Солнце всегда рассматривалось как основной источник в альтернативной энергетике. В существующих схемах его энергия преобразуется в электрическую напрямую (с помощью фотоэлементов) или через нагрев теплоносителя в станциях коллекторного типа.
Отдельные компании разрабатывают комбинированные варианты, в которых световая энергия оптического диапазона и тепловой части спектра утилизируются по-разному. Это необходимо потому, что преобразование солнечной энергии всегда сопряжено с задачей её накопления. Электростанция должна работать круглосуточно и обладать запасом мощности, чтобы обеспечивать пиковые нагрузки сети в определённые часы.
Запасать энергию в виде тепловой часто оказывается менее затратно, чем обслуживать ёмкие аккумуляторы и преобразователи напряжения. Однако есть и другой способ накапливать полученную от Солнца энергию – расходовать её на выработку из воды водорода для топливных элементов.
Любая установка, выделяющая водород из воды, тратит на это некоторое количество энергии. В разное время были предложены два основных пути: нагревать воду, доводя её до состояния перегретого пара, и затем пропускать его через электрическое поле с напряжением в тысячи вольт, или использовать электролиз.
Второй метод в целом безопаснее и не требует изначально высоких затрат энергии для начала реакции. Всё, что требуется на первом этапе – преодолеть барьер в 1,7 В. Для этого можно применять фотоэлектрохимические ячейки, которые непосредственно будут выделять водород, или обычный электролизер, питаемый от солнечных батарей.
Выделение водорода из воды методом электролиза (фото: EPFL / LPI / Alain Herzog).
Пока специализированные ячейки – перспективная и дорогая технология. Чаще разработчики шли по второму пути, используя солнечные батареи из трёх последовательно соединённых элементов с разницей потенциалов по 0,6 – 0,7 В.
До сих пор эффективность преобразования солнечной энергии таким способом была ниже десяти процентов. Рекордный показатель в 12,4% был достигнут в 1998 году на компактной экспериментальной установке с платиновым электродом и другими дорогостоящими деталями. Высокая себестоимость сделала неоправданным промышленное применение, и о технологии забыли до лучших времён.
Параллельно исследователи выполняли поиск более дешёвых материалов, способных улучшить характеристики как самих фотоэлементов, так и электролизёра, обеспечив большую разность потенциалов и сравнимый с платиной показатель эффективности.
Таким вариантом стали катализаторы на основе никеля и железа, а также перовскитные фотоэлементы. Изначально перовскитом называли сам минерал (титанат кальция), отрытый в 1839 году на Уральских горах. Затем термин «перовскиты» стал применяться и к другим соединениям, имеющим схожее строение кристаллической решётки.
Электрод и перовскитная солнечная батарея из двух элементов (фото: EPFL).
Редакция журнала «Science» указала перовскиты в списке десяти научных прорывов прошлого года за их многообещающие свойства в солнечной энергетике. Перовскитные солнечные панели гораздо легче традиционных, изготовленных из кремния. Сегодня они производятся методом простого осаждения из газовой фазы, поэтому обходятся примерно вчетверо дешевле кремниевых по себестоимости.
В каждой перовскитной ячейке создаётся разность потенциалов около одного вольта. Используя всего пару элементов такой солнечной батареи (вместо трёх) и дешёвые электроды, исследователи из Лаборатория фотоники EPFL под руководством докторанта Цзиншань Ло получили эффективность преобразования солнечной энергии в водород на уровне 12,3%. На сегодня это можно считать рекордом среди концептов, допускающих малозатратное масштабирование до уровня промышленной установки.
Главной проблемой остаётся неустойчивость элементов на основе перовскита, что приводит к падению напряжения по мере их работы. Природа этого явления пока не ясна. В прошлом году группа Генри Снейта (Henry Snaith) из Оксфордского университета полностью изменила представления о процессах движения экситонов в фотоэлементе из титаната кальция, что позволило упростить их изготовление. Возможно, дальнейшее изучение перовскитов поможет добиться стабильности характеристик солнечных панелей на их основе.
Источник
Получение водорода из морской воды с помощью солнечных панелей Комментировать
Эффективное и экономически выгодное получение водорода и кислорода из морской воды с помощью электролиза было целью ученых на протяжении нескольких десятилетий, сообщает Newsweek.
Количество энергии, которое запасено в 1 кг одном килограмме водорода почти в 2.5 раза больше чем в природном газе, но что еще немаловажно, единственным продуктом сгорания водорода является вода. В недалёком будущем, с помощью водорода можно будет обеспечить энергией практически всё: от автомобилей до зданий и строений. Однако, получение водорода в таком глобальном масштабе может создать нагрузку на пресные источники воды, которые нужны как для питься, так и для использования в многочисленных промышленных процессах.
Команде ученых-химиков из Стэнфордского университета удалось разработать способ получения водорода из морской воды, которая, кстати, занимает 97% от запасов всей воды на Земле. Результаты своей работы опубликовали в Известиях Национальной академии наук США (PNAS).
Типичный электролизёр состоит из двух электродов – катода и анода, погружённых в электролит и разделённых мембраной. При пропускании электрического на этих электродах выделяются пузырьки газа, на аноде – кислород, на катоде – водород. Для снижения количества электричества, требуемого для разделения молекул вода на водород и кислород, электроды обычно покрывают специальным катализатором.
Электролизёр, разработанный командой из Стэнфорда во многом похож на коммерческие аналоги, только за одним исключением – их устройство может работать с солёной морской водой вместо пресно.
Если немного помните школьный курс химии, то знаете что соль NaCl состоит положительно заряженного атома натрия Na+ и отрицательно заряженного атома хлора Cl-.
Больше всего проблем ученым составлял Cl-, поскольку приводит к быстрой коррозии металлического анода. Соль можно удалить из морской воды с помощью опреснения, но это дорогой и затратный с энергетической точки зрения процесс. Чтобы избежать этапа опреснения, команда учёных разработала специальные электроды, который могут противостоять агрессивном условиях в процессе электролиза морской воды.
Анод, а именно токоприёмник они сделали из пористого никеля, который покрыли дешёвым, но высокоактивным катализатором на основе никеля и железа. Сам катализатор устойчив к коррозии, но нижележащий металлический проводит более активен и быстрее корродирует при контакте с раствором хлорида.
Чтобы решить проблему коррозии учёные нашли способ предотвратить миграцию хлорид-ионов через слой катализатора, тем самым предотвращая их попадание на металл. Хитрость заключалось в добавлении в границу раздела фаза катализатор-металл отрицательно заряженных молекул сульфита и карбоната. Поскольку одинаково заряженные частицы отталкиваются между собой, то эти молекулы сульфита и карбоната будут отталкивать хлор-ионы, тем самым не пропуская их к металлу.
Такой модифицированный анод способен отработать в течение 1000 часов в ходе электролиза морской воды при той же плотности тока, что применяется в коммерческих аппаратах. Ученые попробовали сделать еще более насыщенный растворов соли, где её концентрация была в три разы выше чем в морской воде, в таких условиях анод также отработал 1000 часов.
Чтобы электролиз воды был экологически чистым, энергия для него должна использоваться из возобновляемых источников. Поэтому ученые подключили к электролизёру коммерческую солнечную панель.
Испытания провели прямо на территории кампус Стэнфордского университета под естественным солнечных освещением. Плотность тока, протекающая через электролизёр составила прибл. 1А/см².
Как потом использовать этот самый водород и кислород? – можете
вы спросить. Можно подумать, что сжигать также как и природный газ – но нет. Это не эффективно. Водорода и кислород обратно в электричество преобразуется с помощью водородных топливных элементов (англ., Fuel Cell). КПД таких элементов составляет 50-60%, что почти в 2 разе больше чем КПД двигателя внутреннего сгорания. Водород в них играет роль топлива, а кислород – окислителя. Активное использование водородных топливных элементов позволит стать на шаг ближе внедрению полноценной водородной энергетики.
Вообще, основная концепция водородной энергетики – это использование водорода в качестве аккумулятора энергии. Владельцы солнечных электростанций (даже маломощных) знают, что пик выработки электроэнергии приходится на дневное время, однако пик потребления электроэнергии приходится на вечернее время. Казалось бы есть выход, можно накапливать энергию в аккумуляторных батареях. Да, этот вариант подходит для частных домовладений, но не приемлем, когда речь идет о мега- и гигаваттных солнечных электростанция, поскольку в использовании аккумуляторов есть два главных недоставка. Первое, дороговизна, так
аккумуляторные батареи могут составлять почти 50% стоимости солнечной электростанции. Второе, короткой срок службы, который составляет не более 10 лет.
Поэтому хранение энергии в виде водорода – это весьма перспективная альтернатива аккумуляторам. Избыточную энергию, которые вырабатывают солнечные панели в дневное время можно направить на получение водорода. В вечернее время, водород обратно преобразуется в электричество с помощью топливных элементов. Сказанное хорошо иллюстрирует картинка выше. Получается такой “альтернативный” цикл накопления и преобразования энергии.
Источник