«Лисий хвост» улучшил свойства нанотрубок для электродов солнечных панелей

🇷🇺 Ученые из Сколковского института науки и технологий (Сколтех) предложили быстрый и безотходный метод химической обработки пленок из углеродных нанотрубок, который позволит улучшить их свойства для дальнейшего использования в производстве сенсорных экранов и солнечных батарей.

👉 Пленки из углеродных нанотрубок проводят электричество и пропускают видимый свет, благодаря чему они популярны в производстве прозрачных электродов – ключевых элементов солнечных панелей и сенсорных экранов, которые ранее изготавливались из оксида индия-олова, хрупкого и неэкологичного материала. При этом свойства углеродных нанотрубок – проводимость, прозрачность и гибкость – можно дополнительно улучшить за счет легирования небольшим количеством других веществ.

🎙 «Легирование имеет принципиальное значение. Доступные сегодня технологии не позволяют изготовить углеродные нанотрубки такого качества, чтобы они имели необходимые характеристики в чистом виде. Зато можно отрегулировать свойства путём добавления примесей. Выбор той или иной легирующей добавки продиктован компромиссом между повышением проводимости, прозрачностью плёнки и устойчивостью эффекта. Прежде тонкие плёнки нанотрубок могли удовлетворить лишь двум критериям из трёх. А сейчас нам удалось получить все три в одном материале», – комментирует профессор Центра фотоники и фотонных технологий Альберт Насибулин.

👍 Примером распространенной примеси является тетрахлороаурат водорода, который позволяет повысить электропроводность и прозрачность пленок из углеродных нанотрубок, и бромид меди, обеспечивающий хорошее сочетание устойчивости и проводимости. Однако при этом тетрахлороаурат водорода обеспечивает лишь кратковременный эффект, а бромид меди снижает прозрачность пленок. Подобная дилемма характерна для большинства известных на сегодняшний день легирующих примесей.

💪 Ученым Сколтеха удалось решить эту дилемму, применив в качестве легирующей примеси газообразный диоксид азота, который также называют «лисьим хвостом» из-за ярко-оранжевого цвета. «Вообще говоря, мы исследовали другую, нестабильную и нежелательную модификацию углеродных нанотрубок, которую этот газ вызывает при значительно более низких температурах. Но получилось так, что мы нашли другой диапазон температур, в котором происходят очень стабильные модификации. Поскольку наша примесь — газ, процесс легирования быстрый, масштабируемый и безотходный. Диоксид азота легко интегрировать в существующие технологические цепочки синтеза, а излишки этого реагента удаляются из смеси, потому что при охлаждении до 20 °C он сжижается», – объясняет старший преподаватель Центра фотоники и фотонных технологий Дмитрий Красников.

❗️ Если эффект от использования тетрахлороаурата водорода с течением времени снижается в три раза, то в случае диоксида азота – не более чем в полтора. При этом, будучи газом, диоксид азота не садится на пленку несколькими слоями, а останавливается на молекулярной толщине покрытия. Это облегчит его применение в производстве электродов для фотовольтаики, сенсорных дисплеев и автомобилей.

https://globalenergyprize.org/ru/2024/08/02/lisij-hvost-uluchshil-svojstva-nanotrubok-dlja-jelektrodov-solnechnyh-panelej/

Наши ученые упростили получение максенов для накопителей энергии

🇷🇺 Ученые из Института химии растворов имени Г.А. Крестова РАН разработали новый способ получения максенов – слоистых соединений, которые используются в накопителях энергии, устройствах защиты от электромагнитных помех и приборах для очистки и опреснения воды. Авторы использовали технологию синтеза в плазме, которая не требует применения высоких температур и опасных реагентов и позволяет получить чистые максены без лишних примесей.

👉 Максены представляют собой двумерные материалы, в состав которых могут входить металлы, неметаллы, азот и углерод. Обычно максены получают путем травления токсичных химических веществ, однако этот способ имеет ряд недостатков: реакцию необходимо проводить при высоких температурах, а после ее проведения – утилизировать опасные отходы и очищать максены от примесей, образующихся в процессе травления.

👍 Более «экологичную» альтернативу предложили ученые из Института химии растворов РАН, которые для получения максенов использовали плазму – ионизированный газ высокой температуры – на основе четыреххлористого углерода. При комнатной температуре это соединение представляет собой жидкость, которая начинает кипеть и превращаться в газ при температуре 76,5 градуса Цельсия.

💪 Исследователи поместили в эту среду две титановые проволоки: одна использовалась как катод (положительно заряженный элемент), а другая — как анод (отрицательно заряженный элемент). Затем через них пропустили короткий электрический разряд, под действием которого образовалась плазма, направленная от одной проволоки к другой. Титан вблизи плазмы плавился, образуя в растворе двумерные структуры максенов. Авторы высушивали раствор при комнатной температуре, получая на выходе порошок максенов. Анализ его химического состава показал, что синтезированные таким образом максены не содержат оксидных примесей, которые бы ухудшали электромагнитные свойства материалов.

❗️Основное преимущество нового метода заключается в том, что состав максенов можно легко варьировать, заменяя материал электрода другим металлом (например, молибденом, хромом, вольфрамом). Это позволит получать материалы с заданными целевыми свойствами – электрическими, магнитными, оптическими и биологическими. При этом такой способ легко масштабируем и не требует утилизации побочных продуктов.

🎙 «Предложенный метод – наиболее легкий способ синтеза максенов без примесей. В дальнейшем мы планируем в одностадийных процессах получать мембранные композиты, содержащие максены, которые могут использоваться как компактные опреснители соленой воды», – комментирует один из авторов исследования, кандидат химических наук Николай Сироткин.

https://globalenergyprize.org/ru/2024/08/01/rossijskie-uchenye-uprostili-poluchenie-maksenov-dlja-nakopitelej-jenergii/

How blue are blue hydrogen and gas-CCS?

Продолжая линейку новостей по оценкам углеродного следа разных видов энергоносителей (ранее мы писали про сравнение углеродного следа трубопроводного газа и СПГ), обратимся к июньскому исследованию от Carbon Tracker по голубому водороду и газовой электрогенерации с CCS. Ключевые выводы:

- Голубой водород. Паровой реформинг метана с CCS. Даже по прогрессивным западным оценкам голубой водород сможет конкурировать с зеленым по цене в 2030х гг (в этом был план поставок трубопроводного газа в Германию со строительством заводов по конверсии в водород+CCS на месте). Выбросы СО2 на стадии добычи и транспортировки газа (upstream) дают существенный вклад в результирующий углеродный след голубого водорода, причем в случае поставок СПГ из США углеродный след превышает лимиты по стандартам UK и EU.

- Электрогенерация на газе с улавливанием и захоронением СО2. Сегодня треть английского и шестая часть европейского электричества генерируется на газовых электростанциях. В переходном сценарии газовая электрогенерация с CCS (улавливание до 95% СО2 из дымовых газов за счет снижения эффективности не более чем на 10%) и метан-водородные турбины будут играть важную роль. При этом СПГ из США имеет углеродный след в 5 и более раз выше, чем трубопроводный газ из Новрегии (....и России).


✅Скачать обзор целиком - Climate Tracker KIND OF BLUE The real climate impact of Blue Hydrogen andGas-CCS, Lorenzo Sani

Одна из ключевых мыслей обзора: до зеленого водорода еще далеко, а вот голубой водород и электрогенерация на газе с CCS будут соответствовать жестким стандартам UK / EU по углеродному следу только в случае, если газ трубопроводный, а не СПГ из США.

Иллюстрация из отчета сгенерирована с помощью ChatGPT и DALL-E. Промпт: A highly contrasted image of an LNG import terminal, depicted in vibrant shades of blue. The terminal includes large storage tanks, pipelines, and smokestacks.

Технологии энергоперехода.

Ввод ветровых и солнечных электростанций в Китае достиг нового максимума

💪 Установленная мощность ветровых и солнечных генераторов в КНР по итогам первой половины 2024 г. достигла 1150 гигаватт (ГВт), впервые в истории превзойдя аналогичный показатель для угольных электростанций (1147 ГВт), следует из данных Rystad Energy. Ключевую роль сыграл резкий рост популярности солнечных панелей, а также целенаправленный вывод из эксплуатации малых угольных электростанций.

🤔 Темпы ввода угольных теплоэлектростанций (ТЭС) в КНР в нынешнем году существенно замедлились. Если в 2023 г. в стране было подключено к сети 48,1 гигаватта (ГВт) угольных ТЭС, то за первую половину 2024 г. – лишь 8,6 ГВт, что стало минимальной полугодовой отметкой за более чем двадцать лет. С одной стороны, сказывается ужесточение конкуренции с низкоуглеродной энергетикой, где за последнее десятилетие произошло серьезное сокращение издержек. Если в 2012 г. нормированная стоимость выработки электроэнергии на наземных ветроэлектростанциях в КНР составляла $0,08 за киловатт-час (кВт*Ч), то в 2022 г. – $0,03 за кВт*Ч (в постоянных ценах), согласно данным Международного агентства по ВИЭ (IRENA). Аналогичный показатель для солнечных панелей за тот же период снизился с $0,21 до $0,04 за кВт*Ч.

👉 Удешевление технологий стало одной из причин резкого ускорения темпов ввода ВИЭ. По оценке Rystad Energy, в 2023 г. общий ввод ветровых и солнечных генераторов в КНР достиг 293 ГВт, хотя еще в середине 2010-х годовые темпы ввода едва превышали отметку в 50 ГВт. При этом Китай нарастил инвестиции в строительство атомных реакторов более чем вдвое в период с 2019 по 2023 гг. – с $6,4 млрд до $14 млрд соответственно (в постоянных ценах). По данным МАГАТЭ, в период с 2019 по 2023 гг. было введено в эксплуатацию 10 атомных реакторов общей «чистой» мощностью 10,2 ГВт. В результате Китай к сегодняшнему дню вышел на третье общемировое место по установленной мощности АЭС (54,2 ГВт против 61,4 ГВт во Франции и 97,0 ГВт в США).

🧐 Важным фактором для китайской электроэнергетики остается и целенаправленное закрытие угольных ТЭС с длительным сроком эксплуатации. По данным Global Energy Monitor, в Китае в период с 2000 по первую половину 2024 г. было отключено от сети 124 ГВт угольных ТЭС, что более чем на 10% эквивалентно мощности угольных электростанций, действующих к сегодняшнему дню в КНР. Впрочем, в структуре электрогенерации по-прежнему доминирует твердое топливо: если на долю угля в 2023 г. в КНР приходилось 60,7% выработки электроэнергии, то на долю «ветра» и «солнца» – в общей сложности лишь 15,5%, в том числе из-за зависимости ВИЭ от погодных условий. Доля всех прочих источников, включая АЭС и гидроэлектростанции, составляла 23,8%.

https://globalenergyprize.org/ru/2024/08/02/vvod-vetrovyh-i-solnechnyh-jelektrostancij-v-kitae-dostig-novogo-maksimuma/

👆График мирового прироста спроса на электроэнергию за последние 30 с лишним лет (год к году).

👉 Сокращение спроса фиксировалось лишь дважды – в 2009 г., когда под действием мирового финансового кризиса глобальный ВВП снизился на 1,4%, и в 2020 г., когда глобальная рецессия и связанный с ней спад электропотребления был связан с пандемией COVID-19.

👆Китай и Индия входили в число стран-лидеров по абсолютному приросту электропотребления в последние 30 с лишним лет.

👉Однако при этом прирост спроса был характерен и для США и ЕС, где повышение энергоэффективности компенсировалось электрификацией промышленности, жилищного сектора, транспорта и сферы услуг.

👉 Углеродоемкость электроэнергетики – то есть удельный объем выбросов на 1 киловатт-час выработки электроэнергии – в последние годы снижалась не только в ведущих странах ОЭСР, но и в Китае, который является мировым лидером по вводу ветровых и солнечных генераторов, и Индии, которая уже приступила к выполнению амбициозной задачи по утроению установленной мощности низкоуглеродных источников к 2030 году, включая «атом» и ВИЭ.

Двигательные установки на водороде

Введение
👍 Водород рассматривается в качестве топлива, позволяющего сократить выбросы углекислого газа для всех видов транспорта. Его можно транспортировать на относительно большие расстояния, хранить в течение длительного времени и распределять либо в жидком виде, либо в виде сжатого газа. Для транспортировки больших объемов водорода на большие расстояния экономически наиболее эффективным способом является, как правило, его перемещение в виде сжатого газа, но для этого требуются трубопроводы, что сопряжено с техническими трудностями. В жидком виде температура водорода должна поддерживаться на уровне -253°C, что требует значительных затрат энергии. При этом его плотность ниже, чем у таких видов ископаемого топлива, как бензин, дизельное топливо и т.д. По прогнозам, к 2050 году более 70% водорода будет «зеленым», а оставшуюся долю будет занимать «голубой», «серый» и «розовый» водород.

👉 Несмотря на эти преимущества, из-за меньшей объемной плотности водорода для его хранения под высоким давлением требуется тяжелый контейнер. Хотя вес водорода при одинаковом количестве вырабатываемой энергии составляет 1⁄3 от веса керосинового топлива, объем водорода в четыре раза больше. Следовательно, резервуары для хранения должны быть гораздо больше. Кроме того, в краткосрочной перспективе переход к новой водородной экономике, особенно к транспорту на основе водорода, сталкивается с многочисленными препятствиями, включая медленную реализацию политики в области регулирования и субсидирования, а также проблемы с технологиями и инфраструктурой. Однако ожидается, что к 2050 году транспорт на основе водорода будет играть значительную роль, особенно для крупного транспорта, как автобусы, грузовики для дальних перевозок, суда и даже поезда и самолеты.

Продолжение следует

🇺🇸 Каушик Раджашекара - заслуженный профессор инженерии Хьюстонского университета


📚 Из нового доклада «10 прорывных идей в энергетике на следующие 10 лет».

💸 В регионах с высокой долей солнечной генерации цены на электроэнергию в дневное время суток нередко опускаются ниже нуля: внутридневной пик выработки электроэнергии накладывается на сравнительно низкий уровень спроса, характерный для периода с 10 до 15 часов дня.

👆 На графике – средняя стоимость электроэнергии в период с июня 2023 г. по май 2024 г. в штате Южная Австралия, где на долю солнечных панелей в среднем по году приходится свыше четверти выработки электроэнергии.

🖼 «Натюрморт геолога». Вячеслав Малинко, 1936 год.

💰 Глобальные инвестиции в развитие электроэнергетики в 2023 г. выросли на 15%, достигнув $1,3 трлн. Как и в последние несколько лет, основными драйверами были капиталовложения в ВИЭ, а также в строительство АЭС и линий электропередач.

👉 Растущий спрос на «чистую» энергию обеспечивает увеличение инвестиций в низкоуглеродные источники, ввод которых влечет за собой рост нагрузки на сеть и необходимость модернизации сетевой инфраструктуры.

🌡 Конечное использование энергии для охлаждения комнатного воздуха – в том числе с помощью неэлектрических кондиционеров – увеличилось более чем вдвое в период с 2000 по 2022 гг.

👉 Помимо Азиатско-Тихоокеанского региона (АТР), в число регионов-лидеров по темпам прироста спроса входили Африка, Ближний Восток, а также Центральная и Южная Америка.

Угольную золу можно использовать для очистки сточных вод

🇷🇺 Ученые из Красноярского научного центра РАН предложили использовать микросферы угольной золы при создании керамических мембран, которые применяются для очистки сточных вод.

👉 Основным способом очистки сточных вод от нефтепродуктов, пестицидов и тяжелых металлов является использование мембран – пористых полимерных соединений, которые при фильтрации удерживают сторонние вещества и пропускают воду. Более дешевой альтернативой являются керамические мембраны, в производстве которых можно использовать промышленные отходы, в том числе золу, которая образуется при сжигании топлива на угольных ТЭС. «Керамические мембранные подложки обладают рядом преимуществ по сравнению с полимерными мембранами, включая прочность, химическую и температурную стабильность, способность к регенерации и долгий срок службы. На поверхности такой подложки формируют ряд слоев с уменьшающимся от слоя к слою размером пор. Задерживающие свойства мембраны определяются самым верхним селективным слоем», – объясняет доктор физико-математических наук Илья Рыжков.

👍 Зола содержит алюмосиликатные микросферы, которые благодаря своему составу, сферической форме и низкой плотности удобны для получения легких керамических материалов. Чтобы получить из этого материала мембранные подложки, авторы спрессовали порошок золы и разместили его в печь, где был осуществлен обжиг при температуре в 1100 градусов Цельсия. После двухчасовой выдержки получились плоские подложки диаметром и толщиной 26×3 миллиметра, которые благодаря высокой температуре спекания отличались высокой прочностью, но при этом оставались достаточно пористыми.

🎙 Ученые провели эксперимент, в ходе которого через образцы мембранных подложек из угольных отходов пропускалась вода, загрязненная частицами микрокремнезема. Опытные образцы показали почти стопроцентную степень очистки. «Полученные подложки могут быть использованы в качестве основы для создания микро-, ультра- и нанофильтрационных мембран, в том числе с электропроводящими селективными слоями. Предложенная нами методика и использование зольных отходов в производстве мембранных материалов позволит снизить выбросы мелкодисперсных микрочастиц в окружающую среду и создать предпосылки для разработки технологий комплексной переработки отходов тепловой энергии», – комментирует Илья Рыжков.

https://globalenergyprize.org/ru/2024/08/02/ugolnuju-zolu-mozhno-ispolzovat-dlja-ochistki-stochnyh-vod-issledovanie/

💪 В 2023 году в мире в целом было одобрено строительство свыше 50 гигаватт (ГВт) мощности угольных электростанций, что стало рекордом по объему одобренных проектов в угольной генерации с 2015 года.

👉 Большая часть проектов относится к сверх- и ультрасверхкритическим технологиям сжигания угля, обеспечивающим экономию твердого топлива и минимизацию выбросов в атмосферу.

Водород для двигателей

💰 В автомобильной промышленности наблюдается тенденция к росту инвестиций в технологию водородных топливных элементов. К их преимуществам можно отнести быструю заправку и большую дальность хода, что особенно выгодно для большегрузных автомобилей, таких как грузовики и автобусы.

В силовых установках водород может использоваться двумя способами:
1️⃣ в качестве топлива для топливного элемента, вырабатывающего необходимую электроэнергию для ходовых двигателей,
2️⃣ в качестве топлива для водородного двигателя, предназначенного для замены двигателей внутреннего сгорания (таких, как бензиновые), дизельных или реактивных двигателей.
Сегодня о первых.

Топливные элементы
👉 Топливные элементы обычно имеют более высокий КПД по сравнению с двигателями внутреннего сгорания. В зависимости от типа топливного элемента, их КПД может составлять от 40 до 50%. Как правило, для двигателей используются топливные элементы с протонообменной мембраной (ПЭМ), работающие при температуре от 80°C до 100°C. Они используют электрохимическую реакцию преобразуя водород и кислород, поступающие на анод и катод элемента, электрического напряжения, применяемого для питания силовых установок. Побочными продуктами их работы являются только водяной пар и тепло, что делает их высокоэффективными и экологически чистыми. ПЭМ-топливный элемент нуждается в драгоценных металлах, таких как платина, в качестве катализатора, что делает его дорогим.

🤔 Однако в настоящее время ведутся исследования, направленные на уменьшение количества платины, используемой в качестве катализатора. Одна из проблем ПЭМ заключается в том, что концентрация СО в топливе должна быть снижена до менее чем 10 ppm, поскольку даже небольшое количество СО в водороде приводит к ухудшению работы элемента.

🚗 В автомобильной промышленности наблюдается тенденция к росту разработок автомобилей на топливных элементах. К их преимуществам относятся быстрая заправка, прямое преобразование энергии, отсутствие выбросов и большая дальность хода, что особенно выгодно для большегрузных автомобилей, таких как грузовики, автобусы, карьерные машины и т. д. КПД топливного элемента существенно не меняется при его работе с частичной нагрузкой. При сопоставимых условиях дорожной нагрузки, особенно при частичной нагрузке, КПД топливного элемента значительно превышает КПД двигателя внутреннего сгорания. Система на топливных элементах, предназначенная для использования в автомобильных двигателях, должна иметь вес, объем, плотность мощности, пусковой режим и переходные характеристики, аналогичные электромобилям или современным автомобилям с двигателями внутреннего сгорания. ПЭМ-топливные элементы приобретают все большее значение для автомобильных систем благодаря их низкой рабочей температуре, более высокой плотности мощности, удельной мощности, долговечности, КПД, относительно высокому сроку службы и способности быстро адаптироваться к изменениям потребности в электроэнергии. ПЭМ-топливный элемент легко запускается и может работать при относительно низких температурах, ниже 100°C.

🤷 Несмотря на большие перспективы технологии топливных элементов, автомобили на их основе по-прежнему остаются демонстрационными или находятся на стадии ограниченного производства. Это объясняется проблемами, связанными со стоимостью, производством, надежностью технологии, производством водорода и наличием водородной инфраструктурой.

🚛 Кроме того, КПД автомобиля, работающего от аккумулятора, намного выше, чем у автомобиля на топливных элементах. Таким образом, наблюдается, в основном, тенденция на коммерциализацию пассажирских транспортных средств, работающих на аккумуляторах, а не на топливных элементах. Однако для более крупных транспортных средств, таких как автобусы, грузовики, горнодобывающая техника и т.д., топливные элементы могут стать правильным выбором. Это связано с большим весом аккумуляторов в таких транспортных средствах, а также временем, требующимся для их зарядки.

https://www.tg-me.com/globalenergyprize/7458