Вода — как топливо для автомобилей.
Один из вызовов мировому инженерному сообществу — решить проблему энергетического кризиса. Главная часть в решении энергетической проблемы — исключение ископаемого топлива, как топливо для техники. Идея привода автомобилей от солнца и воды выглядела как научная фантастика каких-то 10 лет назад. Однако, некоторые автогиганты начали воплощать в жизнь эти идеи, применяя топливные элементы для привода автомобилей на водороде, полученном из воды и солнечной энергии. Автомобильная индустрия полна решимости использовать эти элементы в серийных автомобилях в последующие пару лет. Ключом к этому будет развитие топливных станций для поддержки этих автомобилей.
Компания Proton OnSite, которая проектирует и производит водородные и газовые системы, играет ключевую роль в США в распространении таких станций. Их системы объединяют солнечную энергию и воду для производства топлива будущего. Они используют
Эта мембрана выполняет двойную роль. С одной стороны она как мостик между двух электродов для проведения электрохимической реакции, а с другой стороны она как барьер, отделяет водород от кислорода. В соединении с конструкцией протоновой ячейки, толщина мембраны с человеческий волос способна выдержать давление в 149 кг/см2. Традиционный процесс производства синтетических мембран дорогостоящ, и большая часть мембран не столь долговечна при таком давлении.
В США при поддержке Национального Научного Фонда, Proton OnSite, разработала и протестировала новый материал для мембран с усиленной механической стойкостью и высокой эффективностью. Новый материал заменит ныне действующий для мембран, с большей долговечностью и улучшенной эффективностью, что позволит его использование на энергетическом и топливном рынке.
Предлагаемые материалы, если все пройдет удачно, будут на 75% дешевле, по сравнению с нынешними и позволят использовать высокие температуры для увеличения производительности. В результате, эти коммерческие технологии произведут революцию на топливном рынке, и позволят сократить зависимость экономики от цен на топливо. Также это поможет в экологическом плане, так как в основной массе эта система безвредна. Хотя никто не говорит, как выглядит производство этих материалов.
Остается надеяться, что и в России есть подобные разработки.
Related posts:
Вы можете оставить комментарий, или отправить trackback с Вашего собственного сайта.Вода как топливо для автомобилей – это реальность!
Дорогие бензин и дизельное топливо не раз заставляли водителей мечтать о том, чтобы была вода как топливо – вот можно было бы ездить, не задумываясь ни о чем! Это сколько же можно сэкономить денег, ведь цены на бензин в нашей стране остаются стабильно высокими, даже притом, что стоимость нефти падает.
Однако если мечтают о фантастическом сценарии многие, то о том, что вода как топливо для автомобилей реально может использоваться, знают единицы. Или это неправда? Попробуем разобраться.
Тонкая грань между мошенничеством и гениальным изобретением
Отметим сразу, что данная разработка представляет собой лишь гипотетическое транспортное средство, которое способно получать энергию для работы двигателя только из воды. В реальности подобная машина пока еще не была представлена.
Но все эти гипотетические разработки – запатентованы, о них много писалось в профильных научных журналах. Казалось бы, фантастика может стать реальностью! Так почему же не становится и в итоге прочие ученые всегда клеймили изобретения, как мошеннические.
Водород, как горючее
Но изобретатели упорно настаивают на своем и утверждают, что энергию действительно реально получать непосредственно из воды. Суть устройство такого двигателя, работающего на воде, заключается в том, что он будет способен разделять воду на:
- кислород;
- водород.
А последний являет собой горючее, способное продуцировать невероятное количество энергии.
Но в тоже время, другие ученые утверждают, что смысла в таком разделении воды нет, потому что на этот процесс нужно затратить ровно столько энергии, сколько и получится в конечном итоге. Не говоря еще о вероятных тепловых потерях, которые обязательно возникнут во время сжигания водорода.
И тут уже выясняется, что получить тот объем энергии, который будет достаточен для полноценного поддержания работы двигателя автомобиля, будет невозможно!
Кстати, большинство изобретателей настаивают на том, что выделить из воды водород можно посредством обычного электролиза. Но они то ли забывают от эйфории, возникшей от «изобретения» нового типа двигателя, о том, что для электролиза понадобится еще больше энергии, чем получится добыть, то ли намеренно умалчивают об этом.
Так что пока водителям придется лишь мечтать о том, дабы заправлять свои любимые автомобили обычной водой, а все также ежедневно заезжать на привычные автозаправочные станции.
А себя не забывать на протяжении дня периодически «заправлять» чистой водой – ведь она крайне важна для полноценной деятельности человеческого организма. Для этого нужно использовать фильтры для воды!
Автомобиль, который работает на воде
Автомобили спустят на воду
Ярослав Гронский
Японские инженеры приближают кризис производителей бензина: разработчики представили двигатель, который ездит на воде. Причем заправляться можно как из-под крана, так и речной, и морской водой.
Компания Genepax представила автомобиль, двигатель которого «питается» необычным топливом. Машина будет приводиться в движение обычной водой, а вредные выбросы в атмосферу будут равны нулю. Причем, если верить японским разработчикам, всего одного литра воды хватит на час езды со скоростью 80 км/ч. Представители компании утверждают, что машина может использовать воду любого качества – хоть дождевую из лужи, хоть из-под крана, речную и даже морскую. «Автомобиль может продолжать движение до тех пор, пока у вас есть с собой емкость с водой, чтобы периодически заливать ее в топливный бак», — сказал глава Genepax.
«К тому же для питания батарей энергией не надо будет строить станции подзарядки, как для большинства современных электромобилей», — добавил он.
Силовая установка получила название Water Energy System (WES). Она устроена по тому же принципу, что и другие двигатели, использующие в качестве топлива водород. Но главной особенностью системы Genepax является то, что она использует коллектор с электродами мембранного типа (MEA), который состоит из особого материала, способного при помощи химической реакции расщепить воду на кислород и водород.
Пока разработчики не получили патент на свое изобретение, а потому, как преобразуется вода в энергию, пока держится в секрете. Однако президент компании-разработчика Хирасава Киеси намекнул, что этот процесс аналогичен принципу получения водорода путем реакции гидрида металла и воды.
Кроме полного отсутствия вредных выбросов среди плюсов силового агрегата Genepax долговечность. Выносливость установки достигается за счет того, что катализатор не изнашивается от загрязняющих веществ.
Представленный в Осаке автомобиль с водяным мотором создан в единственном экземпляре и будет использован, чтобы запатентовать изобретение. Себестоимость производства одного такого двигателя составляет чуть более $18 тыс. Однако, как утверждают представители фирмы, в будущем расходы на его постройку можно будет снизить в 4 раза путем налаживания массового производства, для которого Genepax сейчас ищет компаньонов среди японских автопроизводителей. Кроме того, дорогостоящие материалы, такие как, например, платина, необходимы для мотора в том же количестве, что и в обычных фильтрующих системах в двигателях внутреннего сгорания, и не сильно удорожают производство. Также нет необходимости использовать водородный топливный бак под высоким давлением.
Это уже далеко не первый случай, когда производители пытаются найти необычную альтернативу стандартным видам горючего.
Так, например, в начале года те же японцы объявили, что вложат более $11 млн в налаживание изготовления биоэтанола из древесины. А в Испании в скором времени собираются получать биотопливо из отходов, оставшихся после производства апельсинового сока. При его отжиме в испанской провинции Валенсия получается до 240 тыс. тонн отходов ежегодно. Из каждой тонны «мякоти» можно получить около 80 литров горючего. Испания, как и остальные страны Евросоюза, намерена к 2010 году довести долю потребляемого биотоплива до 6%, около 1% из которых будут получать из апельсиновой кожуры и мякоти.
Автозаправка сможет получать топливо из воздуха
Российские ученые сделали и уже подключили к автозаправке первый отечественный электролизный генератор газа, способный производить водород с чистотой 99,999%. Это делает заправку автономной – топливо она получит из воды.
Водородный электролизер – устройство, способное разделять компоненты жидкости при помощи электрического тока, – разработан компанией «Поликом» на базе Центра компетенций Национальной технологической инициативы (НТИ) «Новые и мобильные источники энергии». С его использованием заправка становится независима от внешних поставок газа. По сравнению с обычной бензиновой заправка, для которой водород поставляется в баллонах, в 5–6 раз дороже в эксплуатации. Электролизер эту диспропорцию выравнивает. Прибор использует электричество и воду – эти ресурсы, даже с учетом системы водоподготовки, есть на любой заправке, говорит генеральный директор «Поликома» Евгений Волков.
Внедрение водородного топлива в России делает самые первые шаги – в стране практически нет водородного транспорта, поэтому нет и инфраструктуры для его заправки. В регулярном режиме в России сейчас эксплуатируется только один-единственный автомобиль на водородных топливных элементах – Toyota Mirai. Но это только начало. Год назад правительство России приняло решение разработать программу развития национальной водородной энергетики. Это ключевой фактор глобальной энергетической трансформации, позволяющий снизить парниковые выбросы. Чтобы к 2050 г. понизить температуру окружающего воздуха на 2 градуса, нужно перевести на водородное топливо 400 млн частных автомобилей, 15–20 млн грузовиков и 5 млн единиц общественного транспорта, показал отчет аналитического центра Hydrogen Council. Данные легли в основу программы Центра компетенций НТИ «Водородная Россия – 2050». Один из этапов программы – создание водородной трассы Москва – Казань со всей необходимой инфраструктурой. А также постепенное внедрение в России водородных автомобилей.
В ноябре 2020 г. компания «Эвокарго» объявила о выпуске беспилотного грузовика EVO-1. Он полностью основан на российских разработках, оснащен гибридной системой питания от электрических батарей и водородных топливных элементов, говорилось в официальном сообщении компании. В перспективе грузовики «Эвокарго» смогут пользоваться водородными заправками «Поликома», отметили в офисе НТИ. Понятно, что водородные заправки будут востребованы, когда будут реализованы масштабные транспортные проекты на водороде – пассажирские перевозки, грузовой и коммунальный транспорт.
Человечество более 50 лет ищет альтернативу традиционным моторам, и одна из возможных замен – двигатели, работающие на водороде. При сгорании водорода не образуется токсичных выбросов, он совершенно экологически безопасен, рассказывает генеральный директор «Донэнерго», эксперт в области энергетики и электротранспорта Сергей Сизиков. Минусы водорода – его стоимость и взрывоопасность, а также то, что для его добычи нужен целый производственный комплекс и не в каждом регионе он есть. Водородный транспорт существует пока в виде проектов – в основном ими занимаются крупные автомобильные компании, которые вместе с учеными разрабатывают соответствующие концепты. Из-за взрывоопасности технология не получила распространения в повседневной жизни – мировые производители в качестве основного вектора выбрали электротранспорт, эта технология уже используется людьми и на данный момент электрические гибриды существенно перспективнее водородных, заключает Сизиков. Так что на данный момент водородная технология является скорее научной, чем практической.
Опасность воды в топливной системе автомобиля. Удаление и профилактика
При эксплуатации двигателя внутреннего сгорания часто возникает проблема – влага попадает в топливную систему и нарушает работу ДВС. Это вызывает серьезные последствия, самым незначительным из которых является невозможность пуска двигателя. Возможен выход из строя дорогостоящих узлов (таких как ТНДВ), поломка топливной системы и повреждение распылителя инжектора. Как этого не допустить, есть ли способы избежать попадания воды?
Причины возникновения
Никто не застрахован от проникания воды в топливную систему, т.к. влага находится в каждом двигателе. Если это случилось, то поведение двигателя даст водителю об этом знать:
- пуск утром будет затруднен — вода тяжелее топлива, за ночь она опускается на дно топливного бака и попадает в топливопровод, образуя пробки;
- двигатель работает нестабильно, с перебоями, не развивает полной мощности.
- в зимнее время года при низких температурах, следуя элементарным законам физики, вода кристаллизуется, т.е. превращается в лёд, кроме того, что это препятствует её смешиванию с соляркой или бензином и, как следствие, попаданию топлива в систему, в топливных магистралях (трубках) ледяные пробки перекрывают доступ подачи топлива для запуска двигателя.
При заправке в дождливую погоду, вода попадает через горловину в бак, или с воздухом, который насыщен в той или иной степени влагой. Это происходит, когда температура воздуха внутри бака отличается от температуры окружающей среды. При открытии крышки, воздух заполняет пустое пространство бака, а через время конденсат попадает непосредственно в топливо. Конденсат возникает из-за того, что более теплый воздух оседает на холодном в виде капелек воды. Поэтому с риском сталкиваются водители, которые предпочитают не наполнять бак полностью. Но и водители, которые так не поступают, не застрахованы от риска, т.к. небольшое количество конденсата все равно останется. Просто чем больше свободной поверхности в баке, тем больше со временем скопится лишней воды.
Влага может находиться в топливе во время заправки. Это не значит, что недобросовестные заправки продают разбавленный нефтепродукт. При хранении на нефтебазах воздух также попадает внутрь емкости и конденсируется. Объемы цистерн намного больше, соответственно попадает больше воды.
Во время движения и сгорания топлива в бак попадает и атмосферный воздух, который тоже выпадает росой на стенки и стекает на дно. Человек, у которого плохое зрение, при вхождении в теплое помещение может наблюдать у себя на носу запотевшие очки. Приблизительно аналогичная ситуация происходит и с машиной.
Запустили двигатель, начали движение, рабочая температура двигателя 80 – 95 °C, прекратили движение, заглушили двигатель, температура не работающего двигателя в зависимости от температуры окружающей среды может снижаться до 0 °C и ниже, интервал температур составляет 40 – 70 °C и выше. При таких перепадах температур и подобных значениях происходит образование конденсата в топливной системе автомобиля.
Устранение последствий
Влага в топливе грозит неприятными последствиями для всей автомобильной системы. Самая простая — скопление воды в бензобаке вызывает его коррозию и со временем появляется течь.
В холодную пору вода замерзает в трубопроводе системы и образует пробки, препятствуя движению топлива. В этом случае пуск ДВС затруднен или же маловероятен. С дизельным двигателем, например, Common-Rail, проблема может стоять остро и запустить его гораздо труднее.
Система дизеля сложнее, если в неё попала вода, возникает риск поломки важных и дорогостоящих ее элементов, таких как плунжерная пара ТНВД.
Последствия проникновения влаги в топливопровод могут быть тяжелыми, минимум они доставят неудобства водителю, максимум – станут причиной серьезной поломки и дорогостоящего ремонта. Чтобы этого не допустить, используют различные методы. Самый действенный из них — профилактика.
Профилактические мероприятия и меры предосторожности
Для предотвращения проникания влаги в топливную систему используют различные методы. Самыми распространенными из них являются:
- использование качественного топлива;
- полное заполнение бака топливом;
- не заправляться в дождливую или туманную погоду;
- использование специальных присадок к топливу.
Последний способ — наиболее эффективный. Наука позволила создать высокоэффективные присадки, которые удаляют воду из топливных магистралей, препятствуют её появлению и обладают другими полезными свойствами.
Diesel 100 — финская многофункциональная присадка, которая используется для профилактики проникания в топливную систему двигателя воды. Она дает комплексный, положительный эффект — улучшает качество топлива, стабильность работы ДВС, облегчает пуск в зимнее время, очищает топливную систему, защищает от окисления и коррозии, увеличивает способность реагировать с воспламенением смеси и обладает смазывающим эффектом. Но главным преимуществом использования этой присадки является избавление от воды, а также ликвидация серьезных последствий, вызываемых ее попаданием в топливо.
Diesel 100 повысит энергоотдачу топлива, продлит ресурс вашего двигателя, поможет избавить вас от дорогостоящего ремонта.
Водородные автомобили: энтузиазм в Азии, сомнения в Германии | Экономика в Германии и мире: новости и аналитика | DW
В Германии быстро растет интерес к водороду (h3). Но является ли этот экологичный энергоноситель перспективным топливом для автомобилей? Мнения на этот счет разошлись, причем на удивление резко. С одной стороны — министр транспорта ФРГ Андреас Шойер (Andreas Scheuer). В 2021-2022 годах по дорогам страны должны ездить 60 тысяч водородных автомобилей, неожиданно для многих объявил он на конференции «Водород и энергетический поворот» в Берлине 5 ноября. Автомобильная промышленность, продолжил министр, «должна вывести на рынок доступные автомобили и показать людям, что эта техника надежно работает». На 1 января 2019 года в Германии было зарегистрировано менее 400 водородных автомобилей.
Volkswagen не собирается выполнять требование министра
С другой стороны — глава концерна Volkswagen Херберт Дис (Herbert Diess). Ровно за сутки до почти ультимативного требования министра он выступил на церемонии начала серийного производства первого «народного электромобиля» VW ID.3. В своей речи он остановился и на водородной технологии. Ее время, полагает топ-менеджер, наступит не в предстоящем, а лишь в следующем десятилетии (в 2030-х годах), однако применять ее будут главным образом другие виды транспорта — грузовые автомобили, поезда, суда.
Иными словами, крупнейший автостроитель Германии (и мира) даже не думает выполнять требование министра: Volkswagen целиком сделал ставку на электромобили. Полностью электрических легковых машин в ФРГ было на 1 января 2019 года в общей сложности свыше 83 тысяч. К ним можно прибавить более 340 тысяч гибридов, из которых 67 тысяч были заряжаемыми от розетки плагин-гибридами.
На Франкфуртском автосалоне 2019 рядом с BMW i Hydrogen Next демонстрировался топливный элемент
Вечером того же 4 ноября в Берлине прошла встреча канцлера Ангелы Меркель (Angela Merkel) c руководителями немецкого автопрома, на которой обсуждалось развитие электромобильности в Германии. Одно из решений: в ближайшие два года установить по всей стране 50 тысяч новых общедоступных зарядных станций. Сейчас их около 21 тысячи, и считается, что это крайне мало для широкого внедрения автомобилей на электрической тяге. Правительство ФРГ ставит задачу к 2030 году довести число станций до 1 миллиона.
BEV против FCEV: неравные силы
А на следующий день участвовавший в этой встрече Андреас Шойер («вчера водородная тема была, конечно, не приоритетной») на конференции по водороду не без гордости сообщил, что «весной 2020 года у нас в Германии будет уже 100 водородных заправочных станций». К 2021 году к ним должны прибавиться еще 15. Соответствующее заявление о намерениях министр подписал с совместным предприятием h3Mobility, в которое наряду с такими энергетическими компаниями, как Shell и Total, входит и немецкий автостроитель Daimler.
Министр экономики и энергетики Петер Альтмайер и министр транспорта Андреас Шойер
Он с прошлого года малыми партиями выпускает Mercedes GLC F-Cell, который в семи немецких городах можно взять в лизинг. А в сентябре на Франкфуртском автосалоне 2019 была представлена модель BMW i Hydrogen Next, производство которой, опять-таки малыми партиями, баварский автоконцерн начнет в 2022 году.
Все эти цифры показывают, каков в настоящий момент на немецком рынке расклад сил между двумя экологичными альтернативами автотранспорту с двигателями внутреннего сгорания (ДВС) — между электромобилями, работающими от аккумуляторных батарей (BEV), и водородными автомобилями (FCEV), в которых энергия для электромотора вырабатывается в ходе реакции h3 с кислородом в топливных элементах.
В такой ситуации автомобильная промышленность Германии однозначно сделала выбор в пользу электромобилей, подчеркнул президент Объединения немецкой автомобильной промышленности (VDA) Бернхард Маттес (Bernhard Mattes) на состоявшейся в конце октября в Штутгарте конференции Handelsblatt Auto-Gipfel 2019. На других континентах, добавил он, могут сделать ставку и на иные технологии (он имел в виду «водородные» планы Японии и Южной Кореи), но Европе, по его мнению, создание разветвленной инфраструктуры одновременно для нескольких видов альтернативных двигателей финансово просто не потянуть.
Toyota Mirai: объемы производства вырастут в десять раз
На этой отраслевой конференции автостроители и их поставщики обсуждали перспективы немецкого и мирового автопрома, и речь, действительно, шла главным образом о гибридах и электромобилях. Однако два доклада были посвящены водородным автомобилям. Весьма показательно, что с ними выступили представители двух азиатских фирм.
Выпуск водородного автомобиля Mirai на одной из японских фабрик компании Toyota
Вице-президент по научным исследованиям и разработкам европейского отделения Toyota Геральд Кильман (Gerald Killmann) сообщил, что эта японская компания в десять раз увеличит выпуск водородного автомобиля Toyota Mirai. Привел он и абсолютные цифры: до сих пор ежегодно выпускались 3 тысячи единиц, объемы производства нового поколения этой модели решено увеличить до 30 тысяч в год (для сравнения: в 2018 году компания продала по всему миру в общей сложности свыше 10,5 миллиона автомобилей).
При этом менеджер напомнил историю успеха первого в мире серийного гибридного автомобиля Toyota Prius. Первое поколение, стартовавшее в 1997 году, было убыточным, второе, по его словам, пошло уже лучше, «третье обеспечило хорошую прибыль, сегодня свыше половины продаваемых нами в Европе автомобилей — это гибриды». Нечто подобное может произойти и с водородной технологией, убежден Геральд Кильман.
Основными потенциальными покупателями модели Toyota Mirai он считает таксомоторные компании, сервисы перевозки VIP-пассажиров, парки служебных машин фирм и ведомств. И дело тут не только в высокой цене (в Германии этот водородный автомобиль стоит порядка 80 тысяч евро).
Прототип беспилотного водородного грузового автомобиля южнокорейской компании Hyundai
Компания Toyota исходит из того, рассказал Геральд Кильман, что рядовому покупателю больше подходят электромобили: у него машина ночью и значительную часть дня обычно простаивает, так что есть время ее подзарядить. «У водородной технологии перспективы скорее в профессиональной сфере, там, где автомобиль должен работать круглосуточно или перевозить грузы», — отметил докладчик и указал на решающие преимущества машин на топливных элементах: заправка длится 3-5 минут, а дальность пробега составляет более 500 километров.
Hyundai Nexo и водородные грузовики для Швейцарии
Таким образом, два лидера мировой автомобильной промышленности, Volkswagen и Toyota, практически сходятся в том, что h3 получит широкое распространение на грузовом автотранспорте. Расходятся они в оценке сроков. И это явно связано с тем, что в Японии уже действует согласованный между правительством, автостроителями и инфраструктурными компаниями план до 2030 года довести число водородных автомобилей на дорогах страны до 800 тысяч. А в Германии есть правительственный план к тому же времени довести число электромобилей до 7-10,5 миллионов.
Тем временем в Южной Корее стартовал пилотный проект по переводу на h3 сразу трех городов. Речь не только об автомобильном транспорте, но и об электроэнергетике и теплоснабжении, и Hyundai будет поставлять туда свои топливные элементы, рассказал в Штутгарте представитель немецкого отделения этой южнокорейской компании Оливер Гутт (Oliver Gutt). Одновременно она наращивает начавшийся в 2018 году выпуск как водородного внедорожника Hyundai Nexo (цена в Германии: около 70 тысяч евро), так и h3-грузовиков.
Южнокорейский водородный автомобиль Hyundai Nexo на Франкфуртском автосалоне 2019
Сейчас Hyundai, продолжил Оливер Гутт, приступает к выполнению заказа, полученного из Швейцарии: в течение пяти лет туда будут поставлены 1600 работающих на топливных элементах грузовиков, в которых из экологических (и, соответственно, имиджевых) соображений заинтересованы, в частности, крупные сети супермаркетов. Правда, альпийской республике предстоит еще построить соответствующие заправочные станции.
Без «зеленого» водорода прорыва не будет
Оливер Гутт порекомендовал следить за развитием сети водородных заправок в Европе на немецком сайте h3.live. Там сразу же бросается в глаза: Германия со своими скоро 100 станциями является бесспорным европейским лидером. Или, иначе говоря: в других странах континента инфраструктура для h3 развита еще меньше.
Принципиально важен также вопрос, откуда берется водород. Производить его из углеводородов, например, из природного газа, с экономической точки зрения представляется не очень оправданным, ведь в таком случае автомобили можно было бы напрямую заправлять компримированным (CNG) или сжиженным природным газом (LNG).
С точки зрения экологии и защиты климата смысл имеет только «зеленый» водород, получаемый из обычной воды методом электролиза с использованием избыточной электроэнергии ветряных и солнечных электростанций. Но широкое промышленное внедрение экспериментально уже апробированной технологии Power to Gas только начинается. Правда, правительство ФРГ твердо намерено форсировать этот процесс.
Выступая вместе с Андреасом Шойером на конференции в Берлине, министр экономики и энергетики ФРГ Петер Альтмайер (Peter Altmaier) заявил: «Мы хотим, чтобы Германия стала в области водородных технологий номером 1 в мире». Насколько реалистичен этот лозунг в автомобильной сфере, покажет время. Но самые первые в мире водородные поезда начали перевозить пассажиров именно в ФРГ.
Смотрите также:
Технологии хранения энергии из возобновляемых источников
Электростанция из аккумуляторов
Как хранить в промышленных масштабах излишки электроэнергии, выработанной ветрогенераторами и солнечными панелями? Соединить как можно больше аккумуляторов! В Германии эту технологию с 2014 года отрабатывают в институте общества Фраунгофера в Магдебурге (фото). По соседству, в Шверине, тогда же заработала крупнейшая в Европе коммерческая аккумуляторная электростанция фирмы WEMAG мощностью 10 МВт.
Технологии хранения энергии из возобновляемых источников
Большие батареи на маленьком острове
Крупнейшие аккумуляторные электростанции действуют в США и странах Азии. А на карибском острове Синт-Эстатиус (Нидерландские Антилы) с помощью этой технологии резко снизили завоз топлива для дизельных электрогенераторов. Днем местных жителей, их около 4 тысяч, электричеством с 2016 года снабжает солнечная электростанция, а вечером и ночью — ее аккумуляторы, установленные фирмой из ФРГ.
Технологии хранения энергии из возобновляемых источников
Главное — хорошие насосы
Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) — старейшая и хорошо отработанная технология хранения электроэнергии. Когда она в избытке, электронасосы перекачивают воду из нижнего водоема в верхний. Когда она нужна, вода сбрасывается вниз и приводит в действие гидрогенератор. Однако далеко не везде можно найти подходящий водоем и нужный перепад высот. В Хердеке в Рурской области условия подходящие.
Технологии хранения энергии из возобновляемых источников
Место хранения — норвежские фьорды
Оптимальные природные условия для ГАЭС — в норвежских фьордах. Поэтому по такому кабелю с 2020 года подводная высоковольтная линия электропередачи NordLink длиной в 623 километра и мощностью в 1400 МВт будет перебрасывать излишки электроэнергии из ветропарков Северной Германии, где совершенно плоский рельеф, на скалистое побережье Норвегии. И там они будут храниться до востребования.
Технологии хранения энергии из возобновляемых источников
Электроэнергия превращается в газ
Избытки электроэнергии можно хранить в виде газа. Методом электролиза из обычной воды выделяется водород, который с помощью СО2 превращается в метан. Его закачивают в газохранилища или на месте используют для заправки автомобилей. Идея технологии Power-to-Gas родилась в 2008 году в ФРГ, сейчас здесь около 30 опытно-промышленных установок. На снимке — пилотный проект в Рапперсвиле (Швейцария).
Технологии хранения энергии из возобновляемых источников
Водород в сжиженном виде
Идея Power-to-Gas дала толчок разработкам в разных направлениях. Зачем, к примеру, превращать в метан полученный благодаря электролизу водород? Он и сам по себе отличное топливо! Но как транспортировать этот быстро воспламеняющийся газ? Ученые университета Эрлангена-Нюрнберга и фирма Hydrogenious Technologies разработали технологию его безопасной перевозки в цистернах с органической жидкостью.
Технологии хранения энергии из возобновляемых источников
В чем тут соль?
Соль тут в тех круглых резервуарах, которые установлены посреди солнечной электростанции на краю Сахары близ города Уарзазат в Марокко. Хранящаяся в них расплавленная соль выступает в роли аккумуляторной системы. Днем ее нагревают, а ночью используют накопленное тепло для производства водяного пара, подаваемого в турбину для производства электричества.
Технологии хранения энергии из возобновляемых источников
Каверна в роли подземной батарейки
На северо-западе Германии много каверн — пещер в соляных пластах. Одну из них энергетическая компания EWE и ученые университета Йены превратили в полигон для испытания технологии хранения электроэнергии в соляном растворе, обогащенном особыми полимерами, которые значительно повышают эффективность химических процессов. По сути дела, речь идет о попытке создать гигантскую подземную батарейку.
Технологии хранения энергии из возобновляемых источников
Крупнейший «кипятильник» Европы
Человечество давно уже использует тепло для производства электроэнергии. Возобновляемая энергетика поставила задачу, наоборот, превращать электричество, в том числе и избыточное, в тепло (Power-to-Heat). Строительство в Берлине крупнейшего «кипятильника» Европы мощностью 120 МВт для отопления 30 тысяч домашних хозяйств компания Vattenfall намерена завершить к концу 2019 года.
Технологии хранения энергии из возобновляемых источников
Накопители энергии на четырех колесах
Когда по дорогам мира будут бегать миллионы электромобилей с мощными аккумуляторными батареями, они превратятся в еще один крупный накопитель энергии из возобновляемых источников. Этому поспособствуют умные сети энергоснабжения (Smart grid): они будут стимулировать подзарядку по низким ценам в моменты избытка электричества. (На фото — заправка для электромобилей в Китае).
Автор: Андрей Гурков
ИСО — Навстречу более экологичному будущему
Возможно, решение заключается в появлении «чистых машин». Они могут быть определены как транспортные средства, приводимые в движение электрическим током, с использованием либо батареи, либо топливных элементов, которые работают на борту транспортного средства на водороде и часто представляют собой гибрид двух элементов. Идеи производства электромобилей обсуждались в течение многих лет, но только сейчас доказан эффект изменения климата, что делает их жизнеспособной коммерческой перспективой. Действительно, перемены уже наступили. Ежемесячные данные, опубликованные обществом производителей и торговцев электромобилями, свидетельствуют о том, что за последние несколько лет продажи электромобилей в Соединенном Королевстве значительно возросли. В то время как в первой половине 2014 года было зарегистрировано около 500 электромобилей в месяц, в течение 2018 года этот показатель вырос в среднем до 5000 в месяц1).
Тем не менее их производство является достаточно сложным, и многие производители и потребители будут сталкиваться с многочисленными проблемами, прежде чем такие автомобили будут производиться массово. Как поясняет г-н Ясуджи Шибата (Mr Yasuji Shibata), генеральный директор департамента оценки электрических транспортных средств корпорации, «первая цель Toyota Motor Corporation заключается в том, чтобы разработать электрические двигатели с тем же уровнем производительности и надежности, что и обычные автомобили, в рамках обоснованного бюджета». С этим связано требование гарантии эксплуатации характеристик автомобиля, отвечающего потребностям клиента, в особенности потребности в экономии топлива.
Все заряжено
Электромобили должны иметь стандартный разъем для зарядки от стандартных пунктов питания.Говоря конкретнее, производительность одной ячейки (самого маленького электрического блока) и топливного блока (все ячейки, вместе взятые) – это две ключевые области фокусировки. К аккумуляторам также предъявляются два особых требования: хранение и выпуск. В отличие от бензобака емкость батареи изменяется в зависимости от температуры окружающей среды и устаревания. Также существуют различия между электроснабжением в транспортных средствах аккумулятора и автомобилями на водородных топливных элементах: у электрического аккумулятора имеется ограниченное количество энергии. Проблема заключается в том, что в случае эксплуатации транспортных средств, особенно таких, как грузовые автомобили, электричество расходуется постоянно. Поэтому при перемещении предметов (подъем пандусов, их поднятие) существует меньше возможностей для реагирования на тряску и есть большие потребности в энергии. Другими словами, происходит снижение эффективности, а значит, и производительности.
Однако в случае с транспортными средствами на топливных элементах, будь это автомобиль или грузовик, эффективность функционирования достигает 100 % мощности до последней капли газа. Поскольку аккумуляторы вмещают ограниченное количество энергии, дальность пути невелика, но у водородных топливных элементов дальность значительно выше. В настоящее время разница увеличилась в два раза и, возможно, в три раза – в ближайшем будущем. Отчасти это связано с тем, что автомобиль, который работает на топливных элементах, имеет больший пробег и менее восприимчив к погодным воздействиям окружающей среды, а также имеет более короткое время заправки, от трех до пяти минут. Такие авто контрастируют с автомобилями Tesla, у которых только время дозаправки составляет 20 минут. Вероятно, поэтому, в будущем будет популярна гибридизация электроэнергии и топливного элемента.
Ряд исследований показал, что было бы легко просто насытить рынок автомобилями на аккумуляторах, но замена бензиновых автомобилей на аккумуляторные будет происходит гораздо сложнее, чем кажется на первый взгляд. Электрическая сеть имеет достаточную мощность, чтобы справиться с таким изменением. С производством водорода колебания электроэнергии могут быть сбалансированы в течение дня, поэтому так важно проектирование гибридного решения. Обеспечение возобновляемой энергией такой, как солнечная, ядерная или энергия ветра, в автомобиле вряд ли сработает, потому что источники располагаются далеко от самого автомобиля. Но совсем другая ситуация складывается с водородом в качестве топлива, когда энергия может быть доступна в любом месте.
Электрический автомобиль заправляется на зарядной станции у дороги в Оксфордшир, Великобритания.Враг или друг окружающей среды?
Следует также сказать несколько слов об экологической безопасности и опасности непонимания различия между понятиями «зеленое» и «чистое» топливо. Если взять, например, биотопливо, оно, безусловно, подходит под понятие «зеленое», но определенно не «чистое». Ранее большое внимание уделялось выбросам углекислого газа, но около двухсот видов других загрязняющих веществ от работы двигателя внутреннего сгорания были проигнорированы, что значительно больше вредит здоровью человека. Например, канцерогены присутствуют в выхлопе биодизельного двигателя и загрязняют так же, как и обычный двигатель.
Автомобили на топливных элементах, использующие водород в качестве топлива, могут достичь более высокой средней эффективности полного топливного цикла (от колеса к колесу), чем двигатель внутреннего сгорания, который использует биотопливо, такое как биодизель. Действительно, самое большое преимущество водородного транспортного средства заключается в том, что оно производит только воду и воздух, которые не приносят вред окружающей среде. Но хотя и является правдой, что водородное топливо не оставляет выбросов, также верно и то, что оно не производится естественным путем на Земле. Производство водорода предполагает такие процессы, как электролиз, для которого необходимо электричество. И эта энергия поступает из ископаемого топлива.
Так как же международные стандарты позволят преодолеть разнообразные проблемы? Само собой разумеется, что, как и во всех областях стандартизации, это означает, что одинаковые продукты могут быть доведены до схожего уровня производительности и надежности, независимо от того, где они производятся. Также предполагается, что объем ресурсов, необходимых для создания уникального продукта, будет снижен для каждой страны, что обеспечит защиту окружающей среды. В целом основным препятствием для развития международной стандартизации является гармонизация между производителями. После использования автомобилей с аккумуляторами, некоторые страны переключают свое внимание на автомобили, которые используют технологию водородных топливных элементов. Существует огромный и растущий рынок, поэтому гармонизация международных стандартов стала ключевым приоритетом.
Стандарты на топливо
Двигатель автомобиля на топливных элементах “Mirai ” от Toyota.В частности, стандарт ISO 17268 включает устройства заправки газообразным водородом наземных транспортных средств. Соединитель для заправки водородом стандартизирован по стандарту ИСО для стран, имеющих рынок транспортных средств с топливными элементами. Так, потребители смогут получать водород с любой водородной станции в Китае, Европе, Японии, Корее, Соединенных Штатах и т.д. ISO 23828 также относится к дорожным транспортным средствам с топливными элементами и используется в качестве измерения расхода топлива транспортных средств, работающих на компримированном водороде. Экономия топлива измеряется с помощью данного метода и упоминается в GTR 15 международных технических правил. Измеряемая таким образом экономия топлива будет использоваться правительствами для квалификации транспортных средств и заводов-изготовителей, применяющих этот метод, в качестве одного из показателей повышения качества транспорта.
Каждый день такие препятствия, как светофоры и изменения скоростного режима, означают, что требования к мощности трансмиссии автомобиля быстро меняются. Так есть ли у автомобилей на топливных элементах сила тяги, которую мы ожидаем? ISO 20762 был разработан для проверки максимальной мощности гибридного электрического транспортного средства (HEV) на системную мощность. ISO 23274-1 позволяет измерить расход топлива без погрешностей при запуске из другого состояния заряда. Такая ситуация также предполагает, что состояние заряда можно проверить при разных циклах, нагрузках и температурах.
Технический комитет ИСО/ТК 197, который занимается разработкой стандарта по водородным технологиям, возглавляет Андрей В. Чувелев (Andrei V. Tchouvelev), один из ведущих мировых экспертов по водородной безопасности, правилам, кодексам и стандартам. Г-н Чувелев 35 лет занимался исследованиями водорода и, переехав в Канаду из родной России, стал соучредителем канадской программы водородной безопасности. Комитет, который он возглавляет, не занимается непосредственно автомобилями, но занимался разработкой серии стандартов на топливо, поэтому все, что находится в диапазоне от автоматов заправочных станций до автомобилей, работающих на водороде, входит в его компетенцию. Существуют общие требования, а также детализация, касающаяся таких компонентов, как дозатор, компрессор, клапаны, фитинги и топливные шланги.
Первый в мире парк такси, работающих на водороде, с гордостью демонстрирует свой логотип на старте в 2015 году.Глобальные требования
Ряд стран также подписали Директиву Европейского союза об инфраструктуре альтернативных видов топлива (AFID) (и ряд стандартов), одним из которых является водород. Основная часть работы по подготовке базы стандартизации в рамках мандата AFID была проведена ИСО/ТК 197 и посвящена изучению топливораспорядительных установок, качества топлива и соединителей. Данный комитет также участвует во 2 м этапе разработки глобальных технических правил (GTR 13), касающихся транспортных средств, работающих на водороде и топливных элементах. Он обеспечивает соответствие требований международных стандартов требованиям глобальных технических правил. Однако такое функционирование представляется сложным, несмотря на то что многие заинтересованные стороны работают вместе в целях разработки необходимых глобальных требований.
«Люди хотят изменений сейчас, не имея достаточных технических знаний и доказательств», – говорит Чувелев. По его словам, существуют дополнительные сложности: «Мы живем в быстро меняющемся мире, и Четвертая промышленная революция делает вызов стандартизации». Он также считает, что существует дилемма «курицы и яйца», когда следует разрабатывать международный стандарт для обеспечения безопасности и производительности, не ограничивая развитие технологий, поскольку автомобили на топливных элементах и топливная инфраструктура находятся на стадии развития уже около 15 лет.
Речь идет не только о легковых автомобилях, но также о поездах, автобусах, грузовиках, и других средствах передвижения, в том числе морских, авиационных и аэрокосмических. Например, для большегрузного грузовика может потребоваться 80 кг встроенного хранилища, в то время как обычному автомобилю с топливными элементами необходимо 5 кг. Таким образом, теперь помимо транспортных средств малой грузоподъемности необходимо заниматься разработкой стандартов, связанных с более высокими объемами хранения на борту и решением проблем заправки с наращиванием объемов. Кроме проблем, связанных с хранением топлива, топливными элементами и аккумуляторами, мы сталкиваемся с проблемами масштабирования, потенциально ограничивая их независимые крупномасштабные мобильные приложения.
1)«Зеленые» машины будущего, «Статистика рынка электромобилей» (февраль 2019 г.)
Могут ли автомобили использовать воду в качестве топлива?
Уважаемый EarthTalk! Я слышал, что автомобили можно модифицировать для работы на воде. Как это возможно?
— Дайан МакМоррис, Рокпорт, ME
Существует ряд маркетинговых онлайн-предложений комплектов, которые превратят вашу машину в «работающую по воде», но к ним следует относиться скептически. Эти комплекты, которые прикрепляются к двигателю автомобиля, используют электролиз для разделения воды (h3O) на составляющие молекулы — водород и кислород — и затем вводят полученный водород в процесс сгорания двигателя, чтобы привести автомобиль в действие вместе с бензином.По их словам, это делает бензин более чистым и полным, что делает двигатель более эффективным.
Но эксперты говорят, что уравнение энергии для этого типа систем на самом деле совсем неэффективно. Во-первых, в процессе электролиза для работы используется энергия, такая как домашнее электричество или бортовой автомобильный аккумулятор. Таким образом, по законам природы система использует больше энергии для производства водорода, чем может дать сам образующийся водород, по словам доктора Фабио Кьяры, ученого-исследователя в области альтернативного горения из Центра автомобильных исследований Университета штата Огайо.
Более того, по словам Кьяры, количество парниковых газов, производимых автомобилем, «будет намного больше, потому что задействованы два процесса сгорания [бензин и водород]». Наконец, есть соображения безопасности для потребителей, которые устанавливают эти устройства в свои автомобили. «H3 — легковоспламеняющийся и взрывоопасный газ», — говорит он, и для его установки и использования потребуется особая осторожность.
Процесс электролиза мог бы быть жизнеспособным для экономии энергии, если бы для его питания можно было использовать возобновляемые, экологически чистые источники энергии, такие как солнечная или ветровая, хотя захват достаточного количества этого источника энергии на борту автомобиля было бы еще одним препятствием.
Сегодня исследователи уделяют больше внимания использованию водорода для питания топливных элементов, которые могут заменить двигатели внутреннего сгорания для двигателей автомобилей и выбрасывать только воду из выхлопной трубы. И хотя водород горюч и может приводить в действие двигатель внутреннего сгорания, использование водорода таким образом приведет к потере его лучшего потенциала: для питания топливных элементов.
Автомобили на водородных топливных элементах набирают обороты, но коммерциализация водородного топлива еще не завершена. «Потенциальные преимущества топливных элементов значительны», — говорят исследователи из U.Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL) Министерства энергетики США. «Однако, прежде чем системы топливных элементов станут конкурентоспособной альтернативой для потребителей, необходимо преодолеть множество проблем».
В штате Калифорния действует программа «Водородное шоссе», которая поддерживает развитие технологий и инфраструктуры водородных топливных элементов. И многие компании работают над способами производства, хранения и распределения водорода. Автомобили, работающие на топливных элементах, сейчас находятся на стадии опытных образцов, близятся к производству.
Пока мы все ждем, чтобы увидеть, как это изменится, лучшим выбором сегодня для большого пробега и низкого уровня выбросов по-прежнему остается бензиновый / электрический гибридный автомобиль.
КОНТАКТЫ : Центр автомобильных исследований, http://car.eng.ohio-state.edu; NREL, www.nrel.gov; Калифорнийское водородное шоссе, www.hydrogenhighway.ca.gov.
ОТПРАВИТЕ ВОПРОСЫ ПО ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ НА: EarthTalk , P.O. Box 5098, Westport, CT 06881; [email protected].Прочтите предыдущие колонки по адресу: www.emagazine.com/earthtalk/archives.php. EarthTalk теперь книга! Подробная информация и информация для заказа: www.emagazine.com/earthtalkbook.
Правда о автомобилях с водным приводом: дневник механика
От стартапа, ловящего заголовки до планов, публикующих планы домашних мастеров, в последнее время в Интернете появились автомобили с водным двигателем, не говоря уже о том, что они забили мой почтовый ящик.
Да, вы можете управлять своей машиной по воде.Все, что нужно для создания «водогрейного гибрида», — это установка простой, часто самодельной электролизной ячейки под капотом вашего автомобиля. Ключ состоит в том, чтобы взять электричество из электрической системы автомобиля для электролиза воды в газообразную смесь водорода и кислорода, которую часто называют газом Брауна или HHO, или оксигидрогеном. Обычно смесь находится в соотношении 2: 1 атомов водорода к атомам кислорода. Затем он немедленно подается во впускной коллектор, чтобы заменить часть дорогостоящего бензина, который вы платили за нос последние пару месяцев.Эти простые «комплекты» повысят экономию топлива и уменьшат ваши счета и зависимость от иностранной нефти на 15–300 процентов.
Есть даже японская компания Genepax, демонстрирующая прототип, работающий только на воде. 13 июня агентство Reuters опубликовало отчет о прототипе вместе с широко обсуждаемым в блогах видео, в котором даже показан безобидный серый ящик в багажнике автомобиля Genepax, обеспечивающий всю мощность для управления автомобилем. Все, что вам нужно сделать, это добавить изредка бутылку Evian (или чая, или другой жидкости на водной основе), а затем ездить без бензина.
Так что я обо всем этом думаю? Почему я не тестировал и не писал об этом? Это обязательно изменит мир, каким мы его знаем … не так ли?
Мусор.
Единственное реальное окончательное заявление Genepax на своем веб-сайте заключается в том, что его процесс спасет мир от глобального потепления. (Запрос на комментарий не был возвращен во время пресс-релиза.) Их водно-энергетическая система (WES), похоже, представляет собой не что иное, как топливный элемент, преобразующий водород и кислород обратно в электричество, которое используется для работы двигателя, приводящего в движение колеса. .Технология топливных элементов хорошо изучена и довольно эффективна для преобразования водорода и кислорода в электричество и воду, и именно здесь мы пришли, верно? За исключением того, что водород изначально был получен из воды — здесь что-то не получается.
Вот в чем дело, народ: бесплатного обеда не бывает.
В воде есть энергия. Химически он заключен в атомных связях между атомами водорода и кислорода. Когда водород и кислород объединяются, будь то топливный элемент, двигатель внутреннего сгорания, работающий на водороде, или пикап с электролизером в кузове, остается энергия в виде тепла или электронов.Поршни и коленчатый вал или электродвигатели преобразуют ее в механическую энергию для движения автомобиля.
Проблема: для разделения этих атомов водорода и кислорода внутри электролизной ячейки требуется ровно столько же энергии, сколько вы возвращаетесь, когда они рекомбинируют внутри топливного элемента. Законы термодинамики не изменились, несмотря на всю шумиху, которую вы читаете в каком-нибудь блоге или агрегаторе новостей. Вычтите потери на тепло в двигателе, генераторе и электролизере, и вы потеряете энергию, а не получите ее — и точка.
Но хватит о Genepax, который имеет отношение к моему основному тезису, и перейдем к более распространенной теме в моей почте: HHO как средство увеличения экономии топлива обычных двигателей внутреннего сгорания.
энтузиастов HHO — от гипермилеров до рядовых Джо, отчаянно пытающихся сэкономить на насосе — предполагают, что водород изменяет способ горения бензина в камере сгорания, заставляя его гореть более эффективно или быстрее. Хорошо, была пара технических работ, в которых предполагалось, что следы водорода могут изменить характеристики сгорания в двигателях с ультра-обедненным горением со стратифицированным зарядом.Правильно управляемое обогащение H 2 , кажется, увеличивает скорость сжигания углеводородов в цилиндре, извлекая больше энергии. Однако эти исследования предполагают увеличение экономии топлива только на несколько процентных пунктов и неприменимы, если двигатель не работает слишком бедно для приличных выбросов. Это далеко от возмутительных заявлений о 300-процентном улучшении экономики, которые я вижу в Интернете и в моем почтовом ящике.
Нет оснований полагать, что даже более скромное увеличение, о котором говорится в некоторых рекламных объявлениях, может быть достигнуто с помощью обычного автомобильного двигателя с компьютерным управлением, работающего в режиме замкнутого контура, то есть способности компьютера измерять выход кислорода из выхлоп двигателя в реальном времени и изменение соотношения топливо / воздух для больших миль на галлон и малых выбросов.События в камере сгорания сильно различаются в типах двигателей со сверхбедным сжиганием, где, как было замечено, помогает обогащение водородом. Ультра-обедненный означает, что вокруг есть много лишнего кислорода, с которым водород может что-то реагировать — гораздо больше, чем очень скромное количество, которое мы всасываем из типичного доморощенного генератора водорода, сделанного из сосуда Мейсона. И помните, что эти исследования касаются обогащения водородом в строго контролируемых лабораторных условиях, а не распыления неконтролируемого количества водородно-кислородной смеси в ваш воздухоочиститель.
Строю вагон-электролизер — прямо сейчас. Узел электролизной ячейки находится на моем рабочем месте и готов к установке, так что следите за результатами испытаний в ближайшее время. Если это сработает, то можете поверить в шумиху.
Этот контент создается и поддерживается третьей стороной и импортируется на эту страницу, чтобы помочь пользователям указать свои адреса электронной почты. Вы можете найти больше информации об этом и подобном контенте на сайте piano.io.
Вода — не топливо
ГеттиКаждую неделю я получаю пресс-релизы о «революционных технологиях» в энергетическом пространстве. Количество этих технологий, которые в конечном итоге меняют правила игры, почти равно нулю, но я не сразу игнорирую такие заявления, если только они явно не нарушают законы науки.
Тем не менее, я, естественно, настроен скептически, пока не убедился в обратном.
Так было на этой неделе, когда я получил пресс-релиз от австралийско-израильского стартапа Electriq ~ Global. В пресс-релизе говорилось в части:
Австралийско-израильская компания Electriq ~ Global и голландская компания Eleqtec заключили соглашение о запуске технологии производства топлива на водной основе Electriq ~ Global в Нидерландах. Вместе они планируют запустить перерабатывающие заводы Electriq ~ Fuel и внедрить приложения eMobility для грузовиков, барж и мобильных генераторов.
Состоящий на 60% из воды, Electriq ~ Fuel радикально меняет правила игры в области энергетики с нулевым уровнем выбросов. Инновационное топливо представляет собой экономичную альтернативу батареям и сжатому водороду. По сравнению с решениями по хранению экологически чистой энергии, такими как литий-ионные батареи или сжатый водород, Electriq ~ Global обеспечивает больший запас хода при более низкой стоимости. Потенциал плотности энергии этой технологии до 15 раз выше, чем у электрических батарей, которые в настоящее время используются в электромобилях ».
Когда в заявлении говорится, что вода используется в качестве топлива, это всегда увеличивает мой скептицизм.Но я ответил на этот конкретный пресс-релиз и сказал им, что мне понадобится дополнительная информация, прежде чем действовать в соответствии с пресс-релизом:
Мне нужно знать некоторые детали, от которых они, вероятно, не хотят отказываться. Например, сама вода не может быть топливом. Это продукт горения. Единственный способ превратить его в топливо — это где-то добавить энергии. Я мог вскипятить воду и превратить ее в пар. Я мог электролизовать воду, чтобы получить водород. Я мог бы добавить что-нибудь (например, металлический натрий), который будет реагировать с водой с образованием водорода.Но каждый из этих шагов включает добавление энергии в систему ».
Это загвоздка любой из этих систем, которые, по-видимому, полагаются на воду в качестве топлива. Вода не может быть топливом, как углекислый газ не может быть топливом. Это продукты сгорания. Оба они могут быть превращены в топливо или в энергоносители, но это требует дополнительных затрат энергии. (В случае гидроэнергетики природа добавила эти энергозатраты). А законы термодинамики требуют, чтобы затраты энергии на создание топлива всегда были больше, чем энергия, которую вы получаете обратно при использовании этого топлива.
Например, я могу создать водород из воды, пропустив через нее электричество. Затем я могу сжечь этот водород для получения энергии, но он всегда будет меньше, чем количество энергии, которое я потратил на производство водорода.
Например, может потребоваться четыре британских тепловых единицы (БТЕ) электроэнергии для создания трех БТЕ водорода из воды. Бывают случаи, когда это экономически оправдано, но вы хотите быть уверены, что четыре начальных BTU, которые использовались, не могли быть использованы для питания конечного приложения.Как правило, более эффективно использовать четыре БТЕ электроэнергии для питания транспортного средства, чем преобразовывать их в три БТЕ водорода для питания транспортного средства.
Я получил ответ, но это был просто пресс-кит, в котором были подробно описаны некоторые детали. Пресс-кит признал, что вода «реагирует» с катализатором с образованием водорода. В качестве придирки катализатор увеличивает скорость химической реакции, но сам по себе не расходуется на нее. Если вещество действительно реагирует с водой, это не катализатор, это реагент.
Например, как я упоминал в своем ответе, металлический натрий бурно реагирует с водой с образованием гидроксида натрия (NaOH) и водорода (H 2 ). В реакции выделяется энергия настолько быстро, что водород может взорваться. В процессе металлический натрий превращается в ионы натрия. Таким образом, натрий является реагентом, а не катализатором. Кроме того, преобразование ионов натрия обратно в металлический натрий требует больших затрат энергии.
Я не знаю точно, как обстоят дела с Electriq ~ Fuel, но в пресс-ките действительно сказано, что «катализатор» — это химическая соль, которую они называют Bh5.Я подозреваю, что это гидрид металла (например, гидрид натрия, NaH). Этот класс соединений будет производить водород при взаимодействии с водой, но сами по себе являются энергоемкими для производства.
Таким образом, автомобиль, работающий на такой системе, может претендовать на звание автомобиля с нулевым выбросом углерода, но эти выбросы действительно происходят там, где образуется сама соль. Подобно электромобилю, работающему на угле, выбросы отсутствуют, но есть выбросы, связанные с производством электроэнергии.
Это видно из пресс-кита, в котором говорится, что : «При использовании возобновляемых источников энергии для рециркуляции нашего топлива последствия нашей технологии равны нулю. Мы потребляем промышленный h3 низкой чистоты, который производится как побочный продукт других химических процессов (например, производство хлора или стали) «.
Теоретически это может быть правдой, но слишком многие технологии используют волшебную палочку возобновляемых источников энергии, чтобы требовать нулевых выбросов. Что мы действительно хотели бы знать, так это фактические затраты энергии, необходимые для производства соли, достаточной для движения транспортного средства на X миль.Таким образом, мы могли сравнить эту технологию с энергоэффективностью двигателя внутреннего сгорания или электромобиля.
Кроме того, по моему опыту, «промышленный h3 низкой чистоты» обычно используется в качестве топлива на месте, а не транспортируется в другое место конечному пользователю. Пользователям не так много такого водорода.
В заключение, я ни в коем случае не намеревался дискредитировать или унизить технологию Electriq ~ Fuel. Как я упомянул в своем ответе им, мне потребуются дополнительные подробности, прежде чем я смогу решить, рассматриваю ли я это как «переломный момент».«Мое намерение здесь состояло скорее в том, чтобы помочь читателям понять, какие вопросы следует задавать при оценке подобных утверждений.
Маск называет водородные топливные элементы «глупыми», но технологии могут угрожать Tesla
Клиент заправляет автомобиль водородом на заправочной станции TrueZero в Милл-Вэлли, Калифорния. Штат тратит более 2,5 миллиарда долларов из фондов чистой энергии для ускорения продаж автомобилей на водороде и аккумуляторных батареях. Это включает 900 миллионов долларов, выделенных на завершение строительства 200 водородных станций и 250 000 зарядных станций к 2025 году.
Bloomberg | Bloomberg | Getty Images
Tesla и ее конкуренты на рынке электромобилей с батарейным питанием доминируют в спорах о том, кто будет контролировать будущее автомобилей, но в Соединенных Штатах есть еще один вид экологически чистых транспортных технологий, основанный на самых распространенных технологиях. ресурс во вселенной.
Электромобили на топливных элементах (FCEV) объединяют водород, хранящийся в резервуаре, с кислородом из воздуха для производства электроэнергии, с водяным паром в качестве побочного продукта.В отличие от более распространенных электромобилей с батарейным питанием, автомобили на топливных элементах не нужно подключать к электросети, а все текущие модели превышают 300 миль при полном баке. Они наполняются форсункой почти так же быстро, как традиционные газовые и дизельные автомобили. Хотя сами автомобили на топливных элементах испускают водяной пар только из выхлопных труб, Союз обеспокоенных ученых отмечает, что производство водорода может привести к загрязнению. Хотя возобновляемые источники водорода, такие как сельскохозяйственные угодья и свалки, увеличиваются, большая часть водорода, используемого в качестве топлива, поступает из традиционной добычи природного газа.Тем не менее, отдача по-прежнему меньше, чем у бензиновых аналогов.
Водородная энергия присутствует на рынке уже много лет, но ее объем чрезвычайно ограничен. В настоящее время в Калифорнии 39 общественных водородных заправочных станций (еще 25 находятся в стадии разработки), а также пара на Гавайях. Теперь у Восточного побережья появляется собственная инфраструктура. Несколько станций уже работают, и еще больше в Нью-Йорке, Нью-Джерси, Массачусетсе, Коннектикуте и Род-Айленде.
Коммерческий успех, проблемы потребителей
Водород более широко используется на коммерческом рынке.Более 23000 вилочных погрузчиков на топливных элементах работают на складах и в распределительных центрах США в более чем 40 штатах, в том числе на предприятиях Amazon и Walmart. Десятки автобусов на топливных элементах используются или планируются в Огайо, Мичигане, Иллинойсе и Массачусетсе, а также в Калифорнии.
Количество заправочных станций водородом растет во всем мире. Toyota и Honda объединяются с правительством Квебека для создания водородной инфраструктуры в Монреале в этом году, и даже богатая нефтью Саудовская Аравия получает свою первую станцию.
Toyota, второй по величине автопроизводитель в мире, является крупнейшим игроком на потребительском рынке США автомобилей на водородных топливных элементах. Его Mirai — семейный автомобиль на водородных топливных элементах — нашел 5000 покупателей с тех пор, как он был представлен осенью 2015 года. Расс Кобле, представитель группы по охране окружающей среды и передовых технологий Toyota, сказал, что компания ожидает роста продаж по мере открытия новых заправочных станций.
«Toyota уже давно утверждает, что технология водородных топливных элементов может быть решением с нулевым уровнем выбросов для широкого спектра типов транспортных средств», — сказал он.
Toyota заявляет, что масштабируемость технологии водородных топливных элементов также привела к появлению двух приложений для Калифорнийских технико-экономических обоснований в другой области, представляющей интерес для Tesla: грузовики с полуприцепами.
Полуприцеп Toyota Motor, работающий на водородных топливных элементах, представлен на AutoMobility LA в преддверии автосалона в Лос-Анджелесе
Патрик Т. Фэллон | Bloomberg | Getty Images
Honda также сделала большой выбор в пользу водорода. В настоящее время на дорогах США находится около 1100 автомобилей Honda Clarity Fuel Cell.С., сказала Натали Кумаратне, пресс-секретарь Honda. Honda предлагает в аренду только Clarity Fuel Cell в Калифорнии — она предлагает в аренду или продажу гибридные версии автомобиля с аккумулятором и электроэнергией. Из 20 174 автомобилей Clarity, проданных или сданных в аренду в 2018 году, 624 были вариантами топливных элементов, 948 — электрическими батареями и 18 602 — гибридными.
Honda и Toyota объединились с дочерней компанией Shell Oil для строительства новых водородных заправочных станций в Калифорнии. По словам Кумаратне, два объекта уже построены, а пять находятся в стадии строительства.Компания выступает за строительство станций на северо-востоке США, некоторые из которых находятся в стадии разработки. «Партнерство с другими производителями водородных топливных элементов и влиятельными лицами в отрасли имеет смысл. У всех нас есть шансы на успех», — сказала она.
Hyundai, которая в настоящее время имеет 220 автомобилей на водородных топливных элементах на дорогах США, также видит рост продаж. «Мы ожидаем, что Северо-Восток станет следующим крупным регионом роста водородной инфраструктуры», — сказал Дерек Джойс, представитель корейского производителя продукции и группы передовых силовых агрегатов.Компания только что представила Nexo в США. EPA оценивает запас хода среднеразмерного кроссовера до 380 миль, что больше, чем у любого электромобиля с батарейным питанием на рынке.
По состоянию на 1 февраля в США было продано и сдано в аренду чуть более 6000 электромобилей на топливных элементах, вдвое больше Японии, следующего по величине рынка.
Маск о водородных «дурацких элементах»
Соучредитель и генеральный директор Tesla Илон Маск назвал водородные топливные элементы «невероятно глупыми», и это не единственное, что он сказал о технологии.Он назвал их «дурацкими ячейками», «грудой мусора» и сказал акционерам Tesla на ежегодном собрании несколько лет назад, что «успех просто невозможен».
Маск нашел неожиданный источник поддержки в 2017 году, когда Йошиказу Танака, главный инженер, отвечающий за Mirai, сказал Reuters: «Илон Маск прав — лучше заряжать электромобиль напрямую от сети». Но руководитель Toyota добавил, что водород — жизнеспособная альтернатива бензину. Председатель Toyota Такеши Учиямада сказал Reuters на том же автосалоне в Токио в 2017 году: «Мы действительно не видим враждебных отношений с нулевой суммой между электромобилем с батарейным питанием и водородным автомобилем.Мы вовсе не собираемся отказываться от технологии водородных электрических топливных элементов ».
Автомобильная промышленность в целом не разделяет взгляды Маска на будущее, основанное на принципе« батарея или разрушение ». Проведенный в 2017 году опрос 1000 руководителей автомобильной отрасли KPMG пришли к выводу, что водородные топливные элементы имеют лучшее долгосрочное будущее, чем электромобили, и будут представлять собой «настоящий прорыв» (78 процентов), причем руководители автомобилестроительных компаний назвали короткое время дозаправки, всего несколько минут, главным преимуществом. 62% респондентов заявили KPMG, что проблемы с инфраструктурой приведут к краху рынка электромобилей с батарейным питанием.
В Калифорнии продолжаются дебаты по поводу того, окупили ли субсидии, предложенные штатом для запуска рынка топливных элементов, инвестиции, судя по ограниченному использованию заправочных станций и отсутствию прибыли. Калифорния привержена усилиям, начатым при бывшем губернаторе Джерри Брауне, по финансированию инициатив в области возобновляемых источников энергии, которые включали план транспортных средств с нулевым выбросом в размере 900 миллионов долларов и финансирование инфраструктуры зарядки электромобилей, включая 200 водородных станций к 2025 году.
Мы могли видеть системы водородных топливных элементов, которые стоят в четыре раза меньше, чем литий-ионные батареи, а также обеспечивают гораздо больший радиус действия.
Дэвид Антонелли
Кафедра физической химии в Ланкастерском университете
GM еще не выпустила автомобиль на топливных элементах для потребительского рынка, но у нее есть совместное предприятие с Honda по производству стеков топливных элементов на заводе в Мичигане. началось в 2013 году и расширилось в 2017 году, когда обе компании заявили, что завод в Мичигане, где производятся топливные трубы, может производить автомобили начиная с 2020 года.
Ford экспериментировал с вариантами топливных элементов своих автомобилей Focus и Fusion, а также Edge кроссовер, но таких машин в продажу не предлагает.
«Учитывая постоянно растущую долю возобновляемых источников энергии, водородные топливные элементы могут сыграть важную роль в будущем», — сказал представитель Ford. «С точки зрения массового вывода на рынок, однако, аккумулятор в настоящее время занимает более выгодное положение по сравнению с топливным элементом — не в последнюю очередь из-за ценовой ситуации и доступной инфраструктуры. Наша работа будет по-прежнему сосредоточена на электрификации, поскольку мы отслеживаем прогресс в области водорода. В настоящее время у нас нет планов предлагать автомобили на водородных топливных элементах ».
Fiat Chrysler не продает автомобиль на топливных элементах в США.S., но в течение 15 лет он поддерживал исследования под руководством профессора Дэвида Антонелли, кафедры физической химии в Ланкастерском университете в Великобритании, которые могли снизить затраты на технологию. Его команда работает с материалом, который позволяет сделать топливные баки меньше, дешевле и более энергоемкими, чем существующие технологии водородного топлива, а также транспортные средства с батарейным питанием.
«Стоимость производства нашего материала настолько низка, а плотность энергии, которую он может хранить, намного выше, чем у литий-ионной батареи, что мы можем увидеть системы водородных топливных элементов, которые стоят в четыре раза меньше, чем литий-ионные батареи. а также обеспечивает гораздо больший радиус действия «, — сказал Антонелли.Лицензия на технологию предоставлена коммерческой компании Kubagen, созданной Антонелли.
Модель автомобиля и цены на заправку остаются серьезными проблемами
Безопасность вызывает беспокойство, так как водород легковоспламеняем, но бензин и литий-ионные аккумуляторы тоже. Транспортировка водорода для использования на заправочных станциях создает дополнительные риски для безопасности — станции используют датчики для отслеживания утечек. В Калифорнии не сообщалось о серьезных инцидентах, а промышленный сектор перевозил водород на протяжении десятилетий.
По данным Национальной ассоциации противопожарной защиты, транспортные средства с альтернативным топливом, категория, которая включает как водородные топливные элементы, так и электрические батареи, не более опасны, чем традиционные двигатели внутреннего сгорания. Статистика NFPA показывает, что примерно каждые 3 минуты в США происходит пожар автомобиля из-за двигателя внутреннего сгорания.
Однако самым большим препятствием может быть цена.
Средняя цена на водородное топливо в Калифорнии составляет около 16 долларов за кг — бензин продается за галлоны (объем), а водород за килограмм (вес).Для сравнения: 1 галлон бензина содержит примерно такое же количество энергии, как 1 кг водорода. Большинство электромобилей на топливных элементах несут от 5 до 6 кг водорода, но проходят вдвое больше, чем современный автомобиль с двигателем внутреннего сгорания с эквивалентным газом в баке, что дает эквивалент бензина на галлон от 5 до 6 долларов.
Автомобили на водородных топливных элементах в настоящее время в среднем имеют запас хода от 312 до 380 миль, согласно EPA. Заправка из порожнего топлива будет стоить около 80 долларов (большинство водителей не позволяют баку полностью опуститься перед заправкой, поэтому в конечном итоге заправка обходится от 55 до 65 долларов).Эта стоимость в настоящее время оплачивается автопроизводителями, которые предоставляют арендаторам предоплаченные карты на три года заправки топливом на сумму до 15 000 долларов. В Калифорнии, где самые высокие в стране цены на бензин, заправка обычного автомобиля большим бензобаком может стоить 40 долларов и более.
Kelley Blue Book оценивает годовые затраты на топливо для Toyota Mirai, Honda Clarity Fuel Cell и Hyundai Nexo в 4495 долларов, что в три-четыре раза превышает стоимость бензиновых альтернатив.
«Мы понимаем, что автопроизводители не могут продолжать платить за топливо, и мы видим линию прямой видимости, чтобы попасть туда, но это объемная игра, и мы должны достичь критической массы», — сказал Шейн Стивенс, директор по разработке сотрудник компании FirstElement Fuel, которая управляет 19 из 39 водородных заправочных станций в Калифорнии и разрабатывает 12 из 25 дополнительных станций для штата.Ближайшая цель его компании — 10 долларов за килограмм, что равняется примерно 4 долларам за галлон газа. «Это хорошее краткосрочное приемлемое число, которое можно достичь в ближайшие три-пять лет и избавить людей от топлива, субсидируемого автопроизводителями», — сказал Стивенс.
Самая большая проблема: автомобили остаются дорогими. Например, Nexo — самый дорогой Hyundai, продаваемый в США, со стартовой ценой в 59 345 долларов (стартовые цены на Santa Fe сопоставимого размера начинаются с 24 250 долларов). Модели топливных элементов Toyota Mirai и Honda Clarity имеют аналогичную рекомендованную производителем розничную цену в диапазоне 59 000 долларов.Эти покупки автомобилей имеют право на государственные скидки — в Калифорнии доступна налоговая скидка в размере 5000 долларов США.
Лизинг был популярным выбором потребителей для электромобилей на топливных элементах и аккумуляторных батареях, потому что эта технология является новой, и первые пользователи не хотят быть привязанными к текущей модели в течение длительного времени по мере развития технологий и повышения эффективности.
Как и в случае с любой новой технологией, стоимость топливных элементов должна снизиться, если рынок будет расти и достигнет эффекта масштаба в производстве и инфраструктуре.«У Honda есть долгосрочные обязательства по производству водорода, но вы не можете продавать автомобили без инфраструктуры», — сказал Кумаратне.
Стивенс сказал, что если рынок в Калифорнии достигнет «нескольких сотен тысяч автомобилей», он сможет быть конкурентоспособным по цене с бензином. Это большой скачок по сравнению с 6000 проданными на данный момент автомобилями, но большинство новых автомобильных рынков начинаются с ограниченного производства. Toyota заявила, что планирует увеличить производство с 3000 единиц Mirai в год до 30 000 автомобилей к 2021 году. «Это десятикратное увеличение.»
» Несколько сотен тысяч машин в Калифорнии не так уж и далеко. И это всего лишь Toyota, — сказал Стивенс. — Речь идет не о субсидировании всего роста инфраструктуры, а просто о том, чтобы помочь нам преодолеть препятствие, а это уже не за горами. Если мы дойдем до нескольких сотен тысяч автомобилей, мы действительно сможем отказаться от государственных субсидий и стать самоокупаемыми ».
Поправка: водород — самый богатый ресурс во вселенной. Из-за ошибки редактирования более ранняя версия эта статья искажает этот факт.
Ученые только что нашли новый способ получения топлива из морской воды
Хотя водородное топливо устраняет загрязнение выхлопных труб, большая часть водородного топлива производится из природного газа, ископаемого топлива. Можно сделать это из более чистого источника: воды. С электродами в воде электричество может отделять водород от кислорода, давая вам чистый водород. Но до сих пор в процессах использовалась очищенная пресная вода, которая стоит дорого. Для увеличения масштабов использования водородного топлива нам нужен другой источник, более дешевый и не использующий воду, которую мы могли бы пить.
Новое исследование ученых из Стэнфорда демонстрирует новый метод получения водородного топлива непосредственно из океанской воды. «В настоящее время потребность в водороде по-прежнему относительно ограничена, потому что так называемая водородная экономика еще не получила широкого распространения, хотя находится на ранней стадии роста», — говорит Хунцзе Дай, профессор химии из Стэнфорда и соавтор новой статьи. об исследовании. «Вы можете себе представить, что спрос на водород возрастет».
[Фото: любезно предоставлено Х. Даем, Юн Куангом, Майклом Кенни] Автомобили, работающие на водороде, уже ходят по дорогам, а поезд, работающий на водороде, теперь курсирует в Германии.В этом году в Сан-Франциско прибывает паром, работающий на водороде, а в рамках проекта в Норвегии создается грузовое судно с нулевым уровнем выбросов. Стартап в Сингапуре разрабатывает первый региональный водородно-электрический самолет. «Если в будущем автомобили с водородным двигателем или другие машины действительно будут набирать обороты, вам понадобится много водорода, и тогда вы начнете думать о том, где взять этот водород», — говорит Дай.
В будущем корабли, работающие на водородных топливных элементах, смогут производить собственное топливо непосредственно из морской воды, заменив грязное топливо, называемое бункером, которое они используют сегодня.(По одной из оценок, один большой контейнеровоз может произвести столько же вызывающих рак загрязнений, сколько 50 миллионов автомобилей, вместе с парниковыми газами.)
Другие, включая ВМС США, экспериментировали с получением водорода из морской воды в прошлом. Компания Alphabet’s Moonshot Factory поэкспериментировала с другим методом, а затем решила закрыть проект. Исследователи из Стэнфорда протестировали метод, использующий простой электролиз с парой настроек. В соленой воде положительный электрод обычно притягивает хлорид, быстро разлагая металл.При добавлении нового покрытия электрод может прослужить дольше. Это также означало, что команда могла использовать в 10 раз больше электроэнергии со своим устройством, быстрее генерируя водород. Исследователи также сделали конструкцию энергоэффективной. И процесс может работать на возобновляемой электроэнергии.
Исследование находится на начальной стадии, но Дай говорит, что компании заинтересованы в лицензировании технологии. Теоретически топливо можно было бы широко использовать в транспорте, от автомобилей до самолетов; Поскольку в процессе также образуется кислород, его также можно использовать на подводных лодках, где он может поставлять топливо для корабля и кислород для людей на борту.(Дайверы также потенциально могут использовать эту технологию в устройстве для замены кислородного баллона.) Водородные топливные элементы могут также накапливать электроэнергию от электростанций или хранить энергию в домах.
Топливные элементы могут хранить больше энергии, чем батареи, и позволяют избежать некоторых из проблем, связанных с окружающей средой. «Водород потенциально является следующим поколением энергии для энергетических устройств, потому что плотность энергии на самом деле выше, чем у батарей», — говорит Дай. «Это означает, что при заправке вы можете проехать на большее расстояние.Или вы можете использовать более тяжелые устройства ». Чтобы водородная экономика стала успешной, необходимо решить инженерные и инфраструктурные задачи. Но сам океан потенциально может обеспечить себя топливом.
Аммиак — возобновляемое топливо, получаемое из солнца, воздуха и воды — может обеспечить энергию земного шара без углерода | Наука
Автор Роберт Ф. Сервис
СИДНЕЙ, БРИСБАН И МЕЛЬБУРН, АВСТРАЛИЯ— Древние засушливые ландшафты Австралии — плодородная почва для нового роста, — говорит Дуглас Макфарлейн, химик из Университета Монаш в пригороде Мельбурна: обширные леса ветряных мельниц и солнечных батарей.На страну падает больше солнечного света на квадратный метр, чем на любой другой, а сильные ветры обрушиваются на ее южное и западное побережье. В целом Австралия может похвастаться потенциалом возобновляемых источников энергии в 25 000 гигаватт, что является одним из самых высоких показателей в мире и примерно в четыре раза превышает установленную мощность производства электроэнергии на планете. Тем не менее, при небольшом населении и ограниченном количестве способов хранения или экспорта энергии его возобновляемые источники энергии в значительной степени остаются неиспользованными.
Вот где появляется Макфарлейн. Последние 4 года он работал над топливным элементом, который может преобразовывать возобновляемую электроэнергию в безуглеродное топливо: аммиак.Топливные элементы обычно используют энергию, хранящуюся в химических связях, для производства электричества; MacFarlane’s действует наоборот. В своей лаборатории на третьем этаже он демонстрирует одно из устройств размером с хоккейную шайбу, покрытое нержавеющей сталью. Две пластиковые трубки на его задней стороне подают азот и воду, а шнур питания подает электричество. Через третью трубку в передней части он бесшумно выдыхает газообразный аммиак, и все это без тепла, давления и выбросов углерода, которые обычно необходимы для производства химического вещества.«Это вдыхание азота и выдыхание аммиака», — говорит Макфарлейн, сияя, как гордый отец.
Компании по всему миру уже производят аммиак на сумму 60 миллиардов долларов в год, в основном в качестве удобрений, и штуковина Макфарлейна может позволить им производить аммиак более эффективно и чисто. Но у него есть амбиции сделать гораздо больше, чем просто помочь фермерам. Преобразуя возобновляемую электроэнергию в богатый энергией газ, который можно легко охладить и сжать в жидкое топливо, топливный элемент MacFarlane эффективно утилизирует солнечный свет и ветер, превращая их в товар, который можно отправлять в любую точку мира и преобразовывать обратно в электричество или газообразный водород для питания транспортных средств на топливных элементах.Газ, выходящий из топливного элемента, бесцветен, но для окружающей среды, по словам Макфарлейна, аммиак настолько зеленый, насколько это возможно. «Жидкий аммиак — это жидкая энергия», — говорит он. «Нам нужны устойчивые технологии».
Аммиак — один атом азота, связанный с тремя атомами водорода — может показаться не идеальным топливом: химическое вещество, используемое в бытовых чистящих средствах, имеет неприятный запах и токсично. Но его удельная энергия по объему почти вдвое больше, чем у жидкого водорода — его основного конкурента в качестве экологически чистого альтернативного топлива — и его легче транспортировать и распространять.«Вы можете хранить его, отправлять, сжигать и преобразовывать обратно в водород и азот», — говорит Тим Хьюз, исследователь накопителей энергии из производственного гиганта Siemens в Оксфорде, Великобритания. «Во многих отношениях это идеальный вариант».
Исследователи по всему миру преследуют одно и то же видение «аммиачной экономики», и Австралия позиционирует себя, чтобы возглавить ее. «Это только начало», — говорит Алан Финкель, главный ученый Австралии из Канберры. По словам Финкеля, федеральным политикам еще предстоит предложить какое-либо серьезное законодательство в поддержку возобновляемого аммиака, что, возможно, и понятно для страны, долгое время связанной с экспортом угля и природного газа.Но в прошлом году Австралийское агентство по возобновляемым источникам энергии заявило, что создание экспортной экономики для возобновляемых источников энергии является одним из его приоритетов. В этом году агентство объявило о выделении 20 млн австралийских долларов на финансирование экспортных технологий из возобновляемых источников, включая доставку аммиака.
Ветреные побережья Австралии предлагают изобилие энергии, которую она однажды может экспортировать в качестве безуглеродного топлива.
ЗАЩИТА ПОБЕРЕЖЬЯ, ЮЖНАЯ АВСТРАЛИЯВ штатах Австралии политики рассматривают возобновляемый аммиак как потенциальный источник местных рабочих мест и налоговых поступлений, говорит Бретт Купер, председатель Renewable Hydrogen, консалтинговой фирмы по возобновляемым источникам топлива в Сиднее.В Квинсленде официальные лица обсуждают создание экспортного терминала аммиака в портовом городе Гладстон, который уже является центром отгрузки сжиженного природного газа в Азию. В феврале штат Южная Австралия выделил 12 миллионов австралийских долларов в виде грантов и ссуд для проекта по возобновляемым источникам аммиака. А в прошлом году международный консорциум объявил о планах строительства комбинированной ветряной и солнечной электростанции стоимостью 10 миллиардов долларов, известной как Азиатский центр возобновляемой энергии в штате Западная Австралия. Хотя большая часть из 9000 мегаватт электроэнергии проекта будет проходить по подводному кабелю для питания миллионов домов в Индонезии, часть этой энергии может быть использована для производства аммиака для экспорта на большие расстояния.«Аммиак — ключевой фактор для экспорта возобновляемых источников энергии», — говорит Дэвид Харрис, директор по исследованиям технологий с низким уровнем выбросов в Энергетической организации Австралийского Союза научных и промышленных исследований (CSIRO) в Пулленвейле. «Это мост в совершенно новый мир».
Однако сначала проповедники возобновляемого аммиака должны будут заменить один из крупнейших, самых грязных и проверенных временем промышленных процессов в мире: то, что называется Haber-Bosch.
Аммиачный завод, металлический мегаполис труб и резервуаров, находится там, где красные скалы пустыни Пилбара в Западной Австралии встречаются с океаном.Завод принадлежит Yara, крупнейшему в мире производителю аммиака, и завершен в 2006 году. Он находится в авангарде технологий и является одним из крупнейших в мире заводов по производству аммиака. Тем не менее, в его основе — стальные реакторы, в которых до сих пор используется вековой рецепт производства аммиака.
До 1909 года азотфиксирующие бактерии производили большую часть аммиака на планете. Но в том же году немецкий ученый Фриц Габер обнаружил реакцию, которая с помощью железных катализаторов может расщепить прочную химическую связь, удерживающую вместе молекулы азота, N 2 , и соединить атомы с водородом с образованием аммиака.Реакция требует грубой силы — давление до 250 атмосфер в высоких узких стальных реакторах — процесс, впервые внедренный немецким химиком Карлом Бошем. Процесс довольно эффективен; около 60% энергии, вложенной в растение, в конечном итоге хранится в аммиачных связях. Этот процесс, масштабируемый до заводов размером с Yara, может производить огромное количество аммиака. Сегодня предприятие производит и отгружает 850 000 метрических тонн аммиака в год, что более чем вдвое превышает вес Эмпайр-стейт-билдинг.
Большинство используется как удобрение. Растения нуждаются в азоте, который используется для построения белков и ДНК, а аммиак доставляет его в биологически доступной форме. Реакторы Haber-Bosch могут производить аммиак намного быстрее, чем естественные процессы, и в последние десятилетия эта технология позволила фермерам прокормить быстро растущее население мира. Подсчитано, что по крайней мере половина азота в организме человека сегодня поступает из завода по производству синтетического аммиака.
Haber-Bosch привел к «зеленой революции», но процесс совсем не зеленый.Для этого требуется источник газообразного водорода (H 2 ), который отделяется от природного газа или угля в реакции с использованием сжатого перегретого пара. Остается двуокись углерода (CO 2 ), на которую приходится около половины выбросов от всего процесса. Второе сырье, N 2 , легко отделяется от воздуха, который на 78% состоит из азота. Но создание давления, необходимого для смешивания водорода и азота в реакторах, потребляет больше ископаемого топлива, что означает больше CO 2 .Сумма выбросов складывается: производство аммиака потребляет около 2% мировой энергии и производит 1% его CO 2 .
Зеленый способ производства аммиака
Обратные топливные элементы могут использовать возобновляемые источники энергии для производства аммиака из воздуха и воды, что является гораздо более экологически безопасным методом, чем промышленный процесс Хабера-Боша. Возобновляемый аммиак может служить удобрением — традиционная роль аммиака — или энергоемким топливом.
Промышленный аммиак Большая часть аммиака в мире синтезируется с использованием технологии Габера – Боша, вековой давности, которая является быстрой и достаточно эффективной.Но фабрики выбрасывают огромное количество углекислого газа (CO2). Мягкие реакции В обратном топливном элементе используется возобновляемая электроэнергия, чтобы запустить химическую реакцию, в результате которой образуется аммиак. Вода реагирует на аноде, образуя ионы водорода (H +), которые мигрируют к катоду, где они реагируют с азотом (N2) с образованием аммиака. Реакция эффективная, но медленная. Аммиак — это больше, чем удобрение. Газ легко сжижается при небольшом давлении и охлаждении и может транспортироваться на электростанции для выработки безуглеродной электроэнергии.Его также можно «расколоть» в h3, ценный источник энергии для транспортных средств на топливных элементах. Воздух Высокая температура и давление Низкие температура и давлениеN2h3h3CO2 Природный газNh4CO2Удобрения Аммиачная электростанция Транспортные средства на топливных элементахАммонийная остановка рядом с фермами ТранспортКрекингN2ВыходностьЭффективностьCO2ВыходностьЭффективностьCO2NhV. ALTOUNIAN / НАУКА
Yara делает первый шаг к озеленению этого процесса с помощью пилотного завода, который должен открыться в 2019 году, который будет располагаться рядом с существующим заводом Pilbara.Вместо того, чтобы полагаться на природный газ для производства H 2 , новая надстройка будет подавать энергию от солнечной батареи 2,5 мегаватт на блок электролизеров, которые разделяют воду на H 2 и O 2 . Завод по-прежнему будет полагаться на реакцию Габера-Боша для объединения водорода с азотом для получения аммиака. Но источник водорода на солнечной энергии сокращает общие выбросы CO 2 от процесса примерно вдвое.
Другие проекты следуют этому примеру. В феврале штат Южная Австралия объявил о планах построить аммиачный завод стоимостью 180 млн австралийских долларов, снова полагаясь на электролизеры, работающие на возобновляемых источниках энергии.Завод, открытие которого запланировано на 2020 год, станет региональным источником удобрений и жидкого аммиака, которые можно сжигать в турбине или пропускать через топливный элемент для производства электроэнергии. Поставка жидкой энергии поможет стабилизировать энергосистему в Южной Австралии, которая в 2016 году пострадала от изнурительного отключения электроэнергии.
Полученный таким образом аммиак должен привлечь покупателей в таких странах, как Европейский Союз и Калифорния, которые создали стимулы для покупки более экологичного топлива. По словам Харриса, по мере роста рынка будут расти и маршруты распределения импорта аммиака, и технологии его использования.К тому времени топливные элементы, подобные топливным элементам MacFarlane, могут быть готовы заменить саму Haber-Bosch — и полузеленый подход к производству аммиака может стать полностью экологичным.
Вместо устрашающего тепла и давления обратные топливные элементы производят аммиак, ловко перебирая ионы и электроны. Как и в заряжаемой батарее, заряженные ионы проходят между двумя электродами, на которые подается электричество. Анод, покрытый катализатором, расщепляет молекулы воды на O 2 , ионы водорода и электроны.Протоны проходят через электролит и проницаемую для протонов мембрану к катоду, в то время как электроны проходят через провод. На катоде катализаторы расщепляют молекулы N 2 и побуждают ионы и электроны водорода реагировать с азотом и производить аммиак.
В настоящее время урожайность невысока. При комнатной температуре и давлении реакции топливных элементов обычно имеют эффективность от 1% до 15%, а производительность незначительна. Но Макфарлейн нашел способ повысить эффективность, заменив электролит.В электролите на водной основе, который используют многие группы, молекулы воды иногда реагируют с электронами на катоде, крадя электроны, которые в противном случае пошли бы на образование аммиака. «Мы постоянно боремся с переходом электронов в водород», — говорит Макфарлейн.
Компонент обратного топливного элемента использует возобновляемую энергию для соединения воды и азота для производства аммиака.
СТИВЕН МОРТОН / СОТРУДНИК КОРОЛЕВСКОГО ФОТОГРАФИЧЕСКОГО ОБЩЕСТВАЧтобы минимизировать эту конкуренцию, он выбрал так называемый ионный жидкий электролит.Такой подход позволяет большему количеству N 2 и меньшему количеству воды находиться рядом с катализаторами на катоде, увеличивая производство аммиака. В результате эффективность топливных элементов резко выросла с 15% до 60%, сообщил он и его коллеги в прошлом году в отчете Energy & Environmental Science . С тех пор результат улучшился до 70%, говорит Макфарлейн, но с компромиссом. Ионная жидкость в его топливном элементе вязкая, в 10 раз более вязкая, чем вода. Протоны должны продвигаться к катоду, замедляя темпы производства аммиака.«Это причиняет нам боль», — говорит Макфарлейн.
Чтобы ускорить процесс, Макфарлейн и его коллеги играют со своими ионными жидкостями. В исследовании, опубликованном в апреле в ACS Energy Letters , они сообщают о разработке одного, богатого фтором, который помогает протонам легче проходить и ускоряет производство аммиака в 10 раз. его клетки могут соответствовать целям, установленным для данной области Министерством энергетики США (DOE), которые бросят вызов Хаберу-Бошу.
Рядом с университетом Монаша Сарб Гидди и его коллеги из офиса CSIRO Energy в Клейтоне производят аммиак с помощью своего «мембранного реактора». Он основан на высоких температурах и умеренном давлении — гораздо меньшем, чем в реакторе Габера-Боша, — что, по сравнению с ячейкой Макфарлейна, увеличивает пропускную способность, жертвуя при этом эффективностью. Конструкция реактора предусматривает использование пары концентрических длинных металлических трубок, нагретых до 450 ° C. В узкий зазор между трубками течет H 2 , который может быть изготовлен с помощью электролизера, работающего на солнечной или ветровой энергии.Катализаторы, выстилающие зазор, расщепляют молекулы H 2 на отдельные атомы водорода, которые затем под небольшим давлением проталкиваются через атомную решетку стенки внутренней трубки к ее полой сердцевине, где ожидают закачанные по трубопроводу молекулы N 2 . Каталитически активный металл, такой как палладий, выстилает внутреннюю поверхность, расщепляя N 2 и уговаривая водород и азот объединиться в аммиак — намного быстрее, чем в ячейке Макфарлейна. Пока только небольшая часть входящего H 2 вступает в реакцию за любой проход — это еще один удар по эффективности реактора.
Другие подходы находятся в разработке. В Колорадской горной школе в Голдене исследователи под руководством Райана О’Хейра разрабатывают обратные топливные элементы размером с кнопку. Изготовленный из керамики, чтобы выдерживать высокие рабочие температуры, элемент может синтезировать аммиак с рекордной скоростью — примерно в 500 раз быстрее, чем топливный элемент MacFarlane. Подобно мембранным реакторам Гидди, керамические топливные элементы приносят в жертву некоторую эффективность ради производительности. Даже в этом случае, говорит О’Хейр, им все равно необходимо повысить производительность еще в 70 раз, чтобы достичь целей Министерства энергетики.«У нас много идей, — говорит О’Хейр.
Пока неизвестно, окажется ли какой-либо из этих подходов одновременно эффективным и быстрым. «Сообщество все еще пытается выяснить, в каком направлении двигаться», — говорит Лорен Гринли, инженер-химик из Университета Арканзаса в Фейетвилле. С этим согласен Григорий Соловейчик, менеджер в Вашингтоне, округ Колумбия, программы Агентства перспективных исследовательских проектов Министерства энергетики США по созданию возобновляемых видов топлива. «Сделать [зеленый] аммиак несложно», — говорит он.«Сделать это экономично в больших масштабах сложно».
Похоже, интереса достаточно, чтобы начать эту отрасль.
Дэвид Харрис, CSIRO Energy
Какой бы отдаленной ни была перспектива следующих в Азию танкеров с зеленым австралийским аммиаком, возникает следующий вопрос. «Как только вы доставите аммиак на рынок, как вы получите из него энергию?» — спрашивает Майкл Долан, химик из CSIRO Energy в Брисбене.
По словам Долана, самый простой вариант — использовать зеленый аммиак в качестве удобрения, как современный аммиак, но без штрафных санкций за углерод.Кроме того, аммиак можно преобразовать в электричество на электростанции, приспособленной для сжигания аммиака, или в традиционном топливном элементе, как планирует сделать завод в Южной Австралии. Но в настоящее время самая высокая ценность аммиака — это богатый источник водорода, используемый в транспортных средствах на топливных элементах. В то время как аммиачные удобрения продаются по цене около 750 долларов за тонну, водород для автомобилей на топливных элементах может быть более чем в 10 раз дороже.
В Соединенных Штатах автомобили на топливных элементах кажутся почти мертвыми, побежденными автомобилями с батарейным питанием.Но Япония по-прежнему активно поддерживает топливные элементы. Страна потратила более 12 миллиардов долларов на водородные технологии в рамках своей стратегии по сокращению импорта ископаемого топлива и выполнения своего обязательства по сокращению выбросов CO 2 в соответствии с Парижским соглашением по климату. Сегодня в стране всего около 2500 автомобилей на топливных элементах. Но к 2030 году японские официальные лица ожидают 800 000 человек. И страна рассматривает аммиак как способ заправить их.
Преобразование водорода в аммиак только для его обратного преобразования может показаться странным.Но водород трудно транспортировать: его нужно сжижать, охлаждая до температуры ниже -253 ° C, используя треть его энергетической ценности. Аммиак, напротив, разжижается при -10 ° C под небольшим давлением. По словам Долана, затраты энергии на преобразование водорода в аммиак и обратно примерно такие же, как и при охлаждении водорода, а поскольку для обработки и транспортировки аммиака уже существует гораздо большая инфраструктура, аммиак — более безопасный вариант.
Последний шаг — удаление водорода из молекул аммиака — это то, над чем работают Долан и его коллеги.На огромном металлическом складе в кампусе CSIRO, который долгое время использовался для изучения горения угля, двое коллег Долана собирают реактор высотой 2 метра, который затмевает находящийся поблизости угольный реактор. При включении реактор «расщепляет» аммиак на две составляющие: H 2 для продажи и N 2 для возврата в воздух.
Обзор соответствующего исследования
Этот реактор по сути является увеличенной версией мембранного реактора Гидди, работающего в обратном направлении.Только здесь газообразный аммиак подается в пространство между двумя концентрическими металлическими трубками. Тепло, давление и металлические катализаторы разрушают молекулы аммиака и толкают атомы водорода к полой сердцевине трубки, где они объединяются, образуя H 2 , который отсасывается и хранится.
В конечном итоге, говорит Долан, реактор будет производить 15 килограммов в день водорода с чистотой 99,9999%, чего достаточно для питания нескольких автомобилей на топливных элементах. В следующем месяце он планирует продемонстрировать реактор автопроизводителям, используя его для заправки баков Toyota Mirai и Hyundai Nexo, двух автомобилей на топливных элементах.Он говорит, что его команда на поздней стадии обсуждения с компанией, чтобы построить коммерческую пилотную установку на основе этой технологии. «Это очень важная часть головоломки, — говорит Купер.
Согласно плану развития возобновляемых источников энергии, недавно опубликованному Министерством экономики, торговли и промышленности Японии, после 2030 года Япония, вероятно, будет импортировать водород на сумму от 10 до 20 миллиардов долларов в год. Япония, Сингапур и Южная Корея начали переговоры с австралийскими официальными лицами о создании портов для импорта водорода или аммиака, произведенного из возобновляемых источников.«Я не знаю, как все это сочетается с экономической точки зрения», — говорит Харрис. «Но похоже, что есть достаточно интереса, чтобы начать эту отрасль».
Купер знает, чем он хочет закончить. За кофе дождливым утром в Сиднее он описывает свое футуристическое видение возобновляемого аммиака. Когда он прищуривается, он видит, что лет через 30, побережье Австралии усеяно супертанкерами, пришвартованными к морским буровым установкам. Но они не стали бы заправляться маслом. Линии электропередач на морском дне будут передавать возобновляемую электроэнергию на буровые установки от ветряных и солнечных ферм на берегу.На борту одно устройство будет использовать электричество для опреснения морской воды и подачи пресной воды в электролизеры для производства водорода. Другое устройство будет фильтровать азот с неба. Обратные топливные элементы соединят их вместе в аммиак для загрузки на танкеры — изобилие энергии солнца, воздуха и моря.
Это мечта, которой ядерный синтез так и не осуществился, говорит он: неиссякаемая безуглеродная энергия, только на этот раз за счет аммиака. «Он никогда не закончится, и в системе нет углерода.«
автомобилей на водородных топливных элементах | Агентство по охране окружающей среды США
Транспортные средства на водородных топливных элементах (FCV) похожи на электромобили (EV) в том, что они используют электродвигатель вместо двигателя внутреннего сгорания для приведения в действие колес. Однако, в то время как электромобили работают от батарей, которые необходимо подключить для подзарядки, FCV вырабатывают электроэнергию на борту. В топливном элементе газообразный водород (H 2 ) из топливного бака транспортного средства соединяется с кислородом (O 2 ) из воздуха для выработки электроэнергии с использованием только воды и тепла в качестве побочных продуктов процесса.
Узнайте, как работают топливные элементы
Наличие
Несколько производителей автомобилей продают или сдают в аренду FCV на отдельных рынках, в первую очередь в Калифорнии, где уже существуют некоторые водородные заправочные станции. Водородная инфраструктура также появляется в других местах по всей стране. Станции планируются или строятся на северо-востоке и на Гавайях, а транзитные автобусы на топливных элементах уже курсируют по улицам таких городов, как Бостон, Массачусетс и Флинт, штат Мичиган.Есть планы расширить предложения FCV в течение следующих нескольких лет по мере роста инфраструктуры и развития технологий.
См. Доступные модели автомобилей на топливных элементах
Посмотрите, где расположены водородные заправочные станции в США
Знаете ли вы?
Водородное топливо можно производить из воды. В процессе, называемом электролизом, электричество используется для разделения воды на H 2 и O 2 . Электроэнергия может поступать из возобновляемых источников энергии, таких как энергия ветра и солнца.
Выбросы
Как и электромобили, FCV — автомобили с нулевым уровнем выбросов — они не имеют выхлопных газов, связанных со смогом или парниковыми газами. Выбросы образуются в процессе производства и транспортировки водородного топлива.
Хотя во Вселенной много водорода, его необходимо отделить от других соединений, чтобы использовать в качестве топлива. Этот процесс может быть энергоемким. Количество выбросов, связанных с производством водородного топлива, зависит от источника водорода и метода производства.В настоящее время большая часть водорода, который используется в качестве топлива, поступает из природного газа, но водородное топливо также может быть получено из воды, нефти, угля и растительного сырья. Водород можно производить даже из вашего мусора! В пилотных проектах для производства водородного топлива использовался свалочный газ и сточные воды.
Узнайте о различных способах производства водородного топлива
Подробнее о выбросах при производстве водорода
Заправка топливом и запас хода
Заправка FCV водородом аналогична заправке бензобака.Просто прикрепите насадку из специального дозатора водорода на общественной станции и заполните бак. Время заправки также одинаково: FCV можно заправить всего за 5 минут.
Некоторые FCV могут проехать более 300 миль на одном баке водородного топлива — это больше, чем расстояние от Сент-Луиса до Чикаго — и экономия топлива близка к 70 MPGe (миль на галлон в эквиваленте бензина).
Подробнее о моделях автомобилей на топливных элементах