Немецкие ученые создали модель для осушки водорода в условиях переменного ветра

🇩🇪 Ученые из Института химических технологий общества Фраунгофера в Германии создали модель, которая позволяет точно рассчитывать процесс осушки водорода методом адсорбции в условиях работы морских ветроэлектростанций. Этот инструмент дает возможность проектировать надежные системы получения «зеленого» водорода прямо на шельфе в Северном море. Модель учитывает реальные колебания скорости ветра, которые напрямую влияют на количество производимого водорода, и помогает оптимизировать работу системы очистки. От уровня чистоты водорода в свою очередь зависит, можно ли его безопасно хранить, транспортировать и использовать в промышленности или транспорте.

👉 В своей работе ученые экспериментально измерили, сколько воды может поглотить конкретный тип цеолита (13X BFK) при разных температурах и давлениях, и описали эти данные с помощью уравнения Лэнгмюра-Фрейндлиха, которое хорошо подходит для моделирования процессов адсорбции. Кроме того, исследователи показали, что сам водород практически не удерживается на поверхности цеолита. Для этого они использовали теорию идеальных адсорбционных растворов, которая подтвердила: взаимодействие между водородом и адсорбентом крайне мало, а значит это существенно упрощает модель и дает возможность сосредоточиться исключительно на описании удержания молекул воды.

💨 Результаты моделирования показали, насколько процесс осушки зависит от погодных условий. При средних и высоких скоростях ветра (10 и 16 м/с) адсорбент насыщался водой всего за 18-20 минут, а при слабом ветре (6 м/с) даже через час колонна оставалась незаполненной. Следовательно система управления не может работать по фиксированному расписанию и должна гибко подстраивать циклы работы под текущую погоду. Для этого ученые предлагают оснащать колонны датчиками температуры или влажности, которые будут показывать степень загрузки адсорбента, а также связывать блок очистки с данными о производительности электролизеров, чтобы система автоматически реагировала на изменения потока водорода.

👍 Созданная немецкими исследователями модель теперь позволяет еще на этапе проектирования морских ВЭС проверить работу системы при самых разных сценариях – от резких порывов ветра до полного штиля. С ее помощью можно заранее рассчитать оптимальные размеры адсорбционных колонн, определить необходимость в буферных емкостях для газа или в дополнительных аккумуляторах. В дальнейшем разработку планируют использовать для сравнения эффективности разных способов регенерации адсорбента, а также для испытаний новых материалов, которые могут заменить цеолит в системах осушки.

📰 Материал доступен на сайте «Глобальной энергии»

Минутка ликбеза

👉 Транспортировка углекислого газа — одна из главных задач современных технологий по снижению углеродных выбросов. Улавливаемый на электростанциях и промышленных предприятиях газ необходимо доставить к месту захоронения или дальнейшего использования, чаще всего в истощенные месторождения. Трубопровод — наиболее эффективный и экономичный способ, но само его строительство требует колоссальных инвестиций и значительного времени. При этом во многих странах, и особенно в Китае, уже существует разветвленная сеть магистральных нефте- и газопроводов, которые можно переоборудовать под транспортировку CO₂.

🤔 Однако просто переключить старые трубы на новую задачу невозможно. Углекислый газ обладает физико-химическими свойствами, сильно отличающимися от нефти и природного газа. При наличии даже небольшого количества воды он вызывает интенсивную коррозию. В случае утечки, будучи тяжелее воздуха, CO₂ накапливается в низинах и создает угрозу удушья для людей и животных. А при резком падении давления газ мгновенно охлаждается до –78 °C, превращаясь в сухой лед и вызывая риск разрушения труб и оборудования.

Как природа хранит углекислый газ: уроки вулкана на Шпицбергене

🤝 Ученые из Тринити-колледжа в Дублине и их итальянские коллеги из Института геонаук и земных ресурсов впервые получили развернутый ответ на вопрос, в каких условиях углекислый газ может превращаться в минералы внутри базальтовых пород. Для этого они исследовали вулкан Сверрефьеллет на Шпицбергене, где тысячи лет назад магматический CO₂ взаимодействовал с талой ледниковой водой, в результате чего внутри породы образовались карбонаты кальция, магния и железа. Именно это естественное хранилище углерода стало лабораторией под открытым небом для изучения того, как с помощью природы можно справляться с избытком углекислого газа.

👉 Ирландские исследователи собрали образцы базальтов из Сверрефьеллета и изучили их с помощью рентгеновской дифракции и электронной микроскопии. Анализы показали, что породы буквально пронизаны прожилками и цементом из карбонатов. Причем образование этих минералов шло по строгой последовательности. Сначала у поверхности базальта образовались богатые кальцием протодоломиты, затем, по мере истощения запасов кальция, в ход пошли магний и железо, формируя магнезит и сидерит. Этот последовательный переход от одного минерала к другому отражает изменение химического состава флюидов по мере их взаимодействия с породой.

👍 Исследователи смогли даже оценить скорости этого процесса. Они измерили толщину карбонатных слоев, которая варьировалась от 40 до 320 микрометров, и сопоставили ее с предполагаемой длительностью циркуляции горячих гидротермальных вод в породах – от нескольких десятков до сотен лет. Расчеты показали, что средние скорости роста кристаллов составляли от 10⁻¹⁴ до 10⁻¹¹ метра в секунду. Чтобы проверить достоверность этих оценок, данные сравнили с лабораторными экспериментами по осаждению магнезита при разных температурах. Совпадение оказалось поразительным: при 100 °C скорость образования минерала возрастала в миллионы раз по сравнению с поверхностными условиями. Выяснилось, что на формирование миллиметрового слоя магнезита при комнатной температуре ушли бы сотни тысяч лет, тогда как в гидротермальной системе Сверрефьеллета этот процесс занимал лишь десятилетия. Это объясняет, почему инженерные проекты, работающие при температурах 25–50 °C, не позволяют добиться образования устойчивых магниевых карбонатов.

🤔 Исследование также показало принципиальные различия в устойчивости минералов. Кальциевые карбонаты оказались наименее надежны: они могут растворяться при изменении кислотности или при поступлении новых порций воды, обедненных кальцием. Совсем иначе ведут себя магнезит и доломит – они практически нерастворимы и способны сохраняться в породах миллионы лет. Именно эти минералы являются ключевыми для долговременной фиксации углекислого газа в недрах. Железистые карбонаты, напротив, оказались нестабильными: при окислении они разрушаются, высвобождая железо и оставляя за собой пустоты. Однако эта особенность имеет и положительный эффект – возникающая вторичная пористость обеспечивает доступ свежих растворов и поддерживает дальнейшее связывание CO₂.

✊ Тем самым исследование ирландских и итальянских геологов впервые показало, что магнезит и доломит, самые ценные минералы для климатической стратегии, образуются естественным образом именно в условиях умеренно горячих гидротермальных систем, при 60-220 °C и в растворах с легкой кислотностью (pH 5-6). Этот результат дает инженерам прямую подсказку: для того, чтобы хранение углекислого газа было эффективным и долговечным, необходимо ориентироваться на геотермально активные зоны либо искусственно воссоздавать аналогичные параметры при закачке CO₂ в недра.

📰 Материал доступен на сайте «Глобальной энергии»

Динамика энергоспроса в США

🇺🇸 Управления энергетической информации США полагает, что потребность в электричестве в Штатах возрастёт с 3900 миллиардов кВт·ч в 2024 году до 5800 кВт·ч в 2050-м. Причём промышленность продолжит оставаться не самым энергоёмким сектором экономики.

👉 Источник

Минутка ликбеза

👉 Современные квантовые компьютеры строятся в основном на сверхпроводящих кубитах. Эти элементы демонстрируют высокую скорость работы и позволяют выполнять сложные операции, недоступные классическим системам. Однако у них есть серьезное ограничение — они плохо удерживают квантовые состояния. Информация быстро «распадается», что мешает использовать такие компьютеры в практических задачах. Именно поэтому исследователи по всему миру ищут надежные варианты «квантовой памяти».

👍 Команда Калифорнийского технологического института предложила необычное решение этой проблемы: преобразовывать электрическую форму квантовой информации в акустическую, то есть в звук.

Графен открывает новое квантовое состояние материи

🤝 Ученые из Индийского института наук совместно с коллегами из Национального института материаловедения Японии разработали сверхчистые образцы графена и впервые зафиксировали в них редкое квантовое состояние – жидкость Дирака. Это открытие меняет представление о поведении электронов в необычных условиях и открывает путь к созданию принципиально новых квантовых технологий.

👉 Проведенные измерения показали неожиданную картину: чем выше становилась электропроводность графена, тем ниже оказывалась его теплопроводность, и наоборот. Это полностью противоречило закону Видемана-Франца, который в обычных металлах связывает оба вида проводимости и утверждает, что они должны изменяться согласованно. В случае графена отклонение от этого закона достигло рекордной величины – более чем в 200 раз.

🤔 Анализ показал, что перенос тепла и заряда в графене происходит разными путями, хотя оба процесса подчиняются единым квантовым законам и зависят от фундаментальной константы – кванта проводимости. Наиболее ярко эффект проявился в так называемой «точке Дирака» – особом состоянии, в котором графен перестает быть и металлом, и изолятором. Именно здесь электроны начинают вести себя не как отдельные частицы, а как единая квантовая жидкость с крайне низкой вязкостью. Эта дираковская жидкость течет в сотни раз легче воды и по своим свойствам напоминает кварк-глюонную плазму – экзотическое состояние материи, которое ранее удавалось получить лишь на мощных ускорителях частиц.

💪 Значение открытия трудно переоценить. Для фундаментальной науки графен превращается в удобную настольную лабораторию, где можно изучать явления, связанные с физикой высоких энергий. Есть перспектива и для прикладных областей: дираковская жидкость может лечь в основу квантовых сенсоров нового поколения, способных улавливать сверхслабые электрические и магнитные сигналы. Такие устройства могут найти применение в медицине, где требуется фиксировать малейшие биоэлектрические импульсы, в телекоммуникациях для передачи информации с высокой точностью, а также в вычислительной технике, где все большее значение приобретают квантовые технологии.

📰 Материал доступен на сайте «Глобальной энергии»