Электрохимия кислорода. Продолжение

🔋 В отличие от 4-электронной (e-) химии кислорода (O2), традиционно используемой в ВЦБ, ряд исследователей сообщает о воздушно-цинковой (O2) химии с использованием пероксид цинка (ZnO2), протекающей по схеме 2e-/O2 в нещелочных водных электролитах, что позволяет проводить с высокой обратимостью окислительно-восстановительные реакции в воздушно-цинковых батареях. Такой химический процесс с использованием ZnO2 стал возможным благодаря использованию гидрофобного трифторметансульфонатного (OTF-) аниона большого размера, входящего в состав растворенного вещества электролита, а также внутреннего слоя Гельмгольца на воздушном катоде, созданного гидрофобными анионами OTF- и богатого ионами цинка (Zn2+). Эта нещелочная воздушно-цинковая батарея не только стабильно работает в окружающем воздухе, но и демонстрирует гораздо лучшую обратимость, чем ее щелочной аналог.

👉 Такая адаптация межфазных структур путем изменения свойств электролита демонстрирует решение проблемы электрохимической необратимости, которая на протяжении веков преследовала не только щелочные ВЦБ, но и почти все металл-воздушные батареи. Эта стратегия также позволяет реально применять металл-воздушные батареи, в которых ранее использовались только щелочные электролиты, например, воздушно-магниевые батареи с теоретической удельной энергией 6851 Вт·ч кг-1, железо-воздушные батареи с теоретической удельной энергией 1229 Вт·ч кг-1, и воздушно-алюминиевые батареи с теоретической удельной энергией 8076 Вт·ч кг-1.

👍 Новым направлением электрокаталитической науки стали одноатомные электрокатализаторы (SAEC), обладающие строгой структурой, высокой собственной активностью и максимальной эффективностью атомов, а также позволяющие заменять дорогие катализаторы из благородных металлов платиновой группы. Однако точное изготовление SAEC с однородными активными центрами высокой плотности, достижение максимальной эффективности использования активных центров, а также поддержание центров с изолированными атомами в качестве одноатомных центров в жестких условиях электрокатализатора остается актуальной задачей.

Окончание следует

🇷🇺 Среди десяти крупнейших стран-потребителей электроэнергии Россия занимает пятое место по среднедушевому объему спроса: 8,1 мегаватт-часов (МВтЧ) на одного человека, согласно данным за 2023 год.

💪 Помимо России, в первую десятку входят еще три страны БРИКС: Китай (6,6 МВтЧ в год), Бразилия (3,4 МВтЧ в год) и Индия (1,4 МВтЧ в год на человека), занимающие по этому показателю седьмое, девятое и десятое места соответственно, согласно данным Ember.

👆На карте – инфраструктурные объекты СПГ-отрасли в Северной и Южной Америке:

📌 Большинство плавучих терминалов по регазификации сжиженного природного газа (СПГ) расположены вблизи побережья Бразилии;

📌 В Северной Америке единственной страной-производителем СПГ являются США, где большинство действующих экспортных мощностей расположены в Мексиканском заливе;

📌 В Южной Америке к числу производителей СПГ относятся Перу и Тринидад и Тобаго.

🇨🇳 Китай нарастил инвестиции в строительство атомных реакторов более чем вдвое в период с 2019 по 2023 гг. – с $6,4 млрд до $14,0 млрд соответственно (в ценах 2023 года).

⚛ В Китае в период с 2019 по 2023 гг. было введено в эксплуатацию 10 атомных реакторов общей «чистой» мощностью 10,2 ГВт. Для сравнения: к июню 2024 г. в КНР действовало 56 реакторов на 54,2 ГВт, согласно данным МАГАТЭ.

▪️Если в 2021 г. по всему миру было заявлено 278 новых угледобывающих проектов, то в 2022 г. – 898, а в 2023 г. – 997, согласно данным Global Energy Monitor.

🇨🇳 Прирост во многом связан с бумом новых проектов в Китае, где развитие собственной угледобычи призвано снизить зависимость от импорта: в 2021 г. в КНР было заявлено новых 124 новых угледобывающих проекта, тогда как в 2022 г. – 360, а в 2023 г. – 578.

🇨🇳🇯🇵 Китай и Япония – два крупнейших в мире потребителя СПГ, на долю которых в 2023 г. пришлось 34% общемирового импорта (136,9 млн т из 401,4 млн т, согласно данным Международной группы импортеров сжиженного природного газа).

👍 Обе страны обладают густой сетью терминалов по регазификации СПГ, расположенных на побережье Желтого, Восточно-Китайского и Южно-Китайского морей, а также Японского моря и Тихого океана.

Российский низкоуглеродный водород остается самыми дешевыми в мире – Argus

Себестоимость произведенного в России из газа, так называемого, «серого водорода» (без использования системы улавливания углерода) составляет от $0,5 за кг и до $0,7 за кг с учетом капитальных затрат, свидетельствуют расчеты Argus.

Низкоуглеродный водород, произведенный в США также из газа методом автотермического риформинга (путем подмешивания к газу кислорода), но с применением улавливания углерода, стоит от $1 за кг до $2 за кг с учетом капзатрат.

Произведенный в Катаре методом парового риформинга метана, но с использованием системы улавливания углерода, водород уже как минимум в 4 раза дороже российского продукта – $2-3 за кг в зависимости от учета в цене капзатрат.

Еще дороже, чем из газа, обойдется китайский водород из угля с применением улавливания углерода: $3 за кг и на доллар дороже с учетом капзатрат.

Наиболее дорогим остается безуглеродный «зеленый» водород, созданный методом электролиза воды с применением возобновляемых источников энергии: солнца или ветра. Произвести «солнечный» водород в Чили будет стоить свыше $4 за кг ($6 с учетом капзатрат). В Нидерландах производство водорода на энергии ветра обойдется $5 за кг ($7 с капзатратами).

Самый дорогой H2 производят в Японии из атомной энергии методом электролиза воды - более $6,5 за кг и $9 за кг с учетом капзатрат, что в 13 раз дороже российского водорода.

«Серый» аммиак из газа в России обойдется $100 за тонну и вдвое дороже с учетом капзатрат, тогда как «зеленый» аммиак на энергии солнца, произведенный в Чили, с учетом капзатрат обойдется $1200 за тонну (до $800 без их учета).

Таким образом себестоимость продукции отличается в 8 раз.

Аммиак с применением системы улавливания углерода, произведенный из газа в Катаре дороже российского в 4 раза (без учета капзатрат), сделанный из угля в Китае – в 5 раз дороже ($500 за т без учета капзатрат).

Страны Юго-Восточной Азии в ближайшее десятилетие введут 16 ГВт новых ГАЭС

🌏 Установленная мощность гидроаккумулирующих электростанций (ГАЭС) в странах Юго-Восточной Азии, в том числе Таиланде, Филиппинах, Индонезии и Вьетнаме, увеличится с 2,3 гигаватта (ГВт) в 2023 г. до более чем 18 ГВт в 2033 г., следует из прогноза Rystad Energy. Отрасль может привлечь за этот период до $70 млрд инвестиций.

👉 Ключевой вклад в этот прирост внесут Филиппины, где на предынвестиционной стадии находятся проекты общей мощностью 5,7 ГВт. В свою очередь, во Вьетнаме и Индонезии запланированы проекты на 4,5 ГВт и 4,2 ГВт соответственно, а в Таиланде – на 1,6 ГВт. Ввод новых мощностей позволит сбалансировать энергосистему в условиях стремительного развития ВИЭ. Гидроаккумулирующие электростанции, как правило, оснащены двумя резервуарами, между которым есть перепад высот. В условиях низкого спроса дешевая электроэнергия из общей сети используется для перекачки воды из нижнего резервуара в верхний, откуда вода в часы роста нагрузки на сеть сбрасывается в нижний резервуар, что приводит в действие гидротурбины.

💪 Страны АСЕАН, к числу которых, помимо Таиланда, Вьетнама, Индонезии и Филиппин, относятся Бруней, Камбоджа, Лаос, Малайзия, Мьянма и Сингапур, увеличили мощность электростанций на ВИЭ в пять с лишним раз в период с 2013 по 2023 гг. (с 9,4 ГВт до 48,6 ГВт, без учета гидроэлектростанций). Общая доля ветровых генераторов, солнечных панелей и биомассовых установок в структуре выработки электроэнергии в странах АСЕАН выросла за этот период с 4,6% до 10%, тогда как доля всех типов ГЭС осталась на уровне в 15,5%. Соответственно, ввод новых ГАЭС позволит странам региона «подтянуть» гидроэнергетическую инфраструктуру под новый уровень развития всех прочих ВИЭ.

👉 В отличие от других средств хранения энергии, эффективность ГАЭС, т.е. соотношение регенирируемой электрической энергии к накопленной кинетической, не зависит от количества циклов заряда-разряда. Предельный срок эксплуатации ГАЭС превышает 75 лет, тогда как в случае литий-ионных аккумуляторов он составляет не более полутора десятилетий (при этом «моральное» устаревание накопителей энергии занимает гораздо меньший срок). Это во многом объясняет ускорение темпов ввода гидроаккумулирующих электростанций: по данным Международного агентства по ВИЭ (IRENA), в 2022-2023 гг. в мире в целом было введено в эксплуатацию 14,8 ГВт, то есть больше, чем за 2016-2021 гг. (13,1 ГВт). Основной вклад в строительство новых ГАЭС внес Китай, где ввод гидроаккумулирующих мощностей достиг 14,5 ГВт; остальные 0,3 ГВт приходились на Европу и Северную Америку.
https://globalenergyprize.org/ru/2024/06/20/strany-jugo-vostochnoj-azii-v-blizhajshee-desjatiletie-vvedut-16-gvt-novyh-gajes/

Цинковый электрод

🤔 Цинковые аноды также сталкиваются с серьезными проблемами. Паразитная реакция между Zn и электролитом приводит к спонтанному образованию H2 и коррозии электрода, что снижает коэффициент использования активного материала. В концентрированном щелочном растворе (4-9 М, с pH~14 для обеспечения высокой ионной проводимости), обычно используемом в ВЦБ, цинк подвергается коррозии с выделением водорода, что приводит к потерям заряда и потенциально опасному скоплению газообразного водорода. Стоит также
отметить, что при pH ниже 13 пассивация цинка приводит к образованию стабильного, компактного, нерастворимого полупроводникового оксида цинка (ZnO) n-типа, что отрицательно сказывается на работе батареи.

😱 Коррозия может еще больше усугубляться из-за отсутствия поверхностной пассивации цинковых анодов. Кроме того, неравномерное распределение плотности тока на поверхности электрода при перезарядке неизбежно приводит к изменению формы электрода или росту дендритов. Эти дендриты могут проколоть сепаратор и достичь катодной стороны, что приведет к короткому замыканию и полному отказу батареи. Вышеперечисленные проблемы, связанные с цинковыми анодами, тормозят прогресс воздушно-цинковых батарей и других батарей, использующих Zn, таких как Zn-MnO2 и Zn-NiOOH. Однако в предыдущих исследованиях эти проблемы в определенной степени игнорировались из-за использования избыточного количества металлического цинка и электролитов. Кроме того, выяснилось, что глубина разряда в большинстве предыдущих исследований для обеспечения максимального влияния воздушных катодов могла быть очень низкой для аккумуляторных ВЦБ. Для практического серийного применения идеальные цинковые электроды должны обладать высоким коэффициентом использования материала и быть способными поддерживать большую емкость и электрохимическую обратимость в реальных условиях.

👉 Для улучшения цинковых анодов были предложены различные стратегии. Наиболее предпочтительным выбором обычно являются цинковые аноды с высокой площадью поверхности. Альтернативный подход к улучшению цикличности анодов заключается в использовании нещелочных электролитов. Для ВЦБ также были проведены исследования почти нейтральных водных электролитов (например, ZnCl2-NH4Cl). Они могут замедлить коррозию цинка и рост дендритов при нанесении цинкового покрытия, но в этом случае цинковые аноды гораздо менее активны в нейтральных электролитах из-за пассивации поверхности путем формирования резистивных пленок ZnO.

🧐 Более того, кинетика РВК и КВР также значительно ниже при нейтральных значениях рН, чем в щелочных условиях. Аналогичным образом для воздушно-цинковых батарей были предложены и оценены неводные электролиты (например, ионные жидкости). Хотя цикличность цинковых электродов при этом может быть улучшена, они могут полностью изменить пути реакции РВК и КВР на воздушном катоде и значительно ухудшить кинетику реакции. Таким образом, основными проблемами цинковых электродов для аккумуляторных ВЦБ являются дендриты, коррозия, изменение формы и пассивация. Поэтому, необходимо разработать эффективные решения, например, добавки к электродам, добавки к электролитам, модификация сепаратора и т.д., позволяющие улучшить такие характеристики цинковых электродов в аккумуляторных ВЦБ, как емкость батареи, КПД и срок службы.
https://www.tg-me.com/globalenergyprize/7062

⛴ По итогам 2023 г. в мире насчитывалось в общей сложности 772 танкера для перевозки СПГ: из них 633 приходилось на танкеры трех категорий:

📌 Дедвейтом от 90 тыс. до 150 тыс. кубических метров (197 единиц);
📌 Дедвейтом от 150 тыс. до 170 тыс. куб. м (132);
📌 Дедвейтом от 170 тыс. до 210 тыс. куб. м (304), согласно данным Международной группы импортеров сжиженного природного газа (GIIGNL).

🇷🇺 Для сравнения: общая проектная мощность двух технологических линий СПГ-завода в сахалинском порту «Пригородное» составляет чуть более 35 тыс. куб. м в сутки (в регазифицированном эквивлаенте).

Перед вами редкая картина Клода Моне – "Разгрузка угля" от 1875 года.

В те годы художник жил в западном предместье Парижа и часто ездил в город на поезде. Такая сцена для импрессиониста очень необычна. Чаще он писал цветы и закаты. А не промышленный пейзаж, где рабочие разгружают уголь для соседней фабрики.

Многие видят в этой работе социальную критику: приглушенные тона, обезличенные фигуры, тяжелый мост и смолящие фабрики на фоне.

К сожалению, посмотреть на картину можно только в Париже в музее Орсе.

Китай нарастил инвестиции в добычу угля до нового максимума

💰 Инвестиции в добычу угля в Китае в 2023 г. выросли на 6%, достигнув многолетнего максимума в $100 млрд, следует из данных Международного энергетического агентства (МЭА). Доля КНР в глобальной структуре капитальных затрат в развитие угольной отрасли по итогам 2023 г. составила 62%, тогда как в 2017 г. она находилась на отметке в 49%.

👉 Рост инвестиций в угледобычу призван снизить зависимость от угольного импорта, который играет важную роль в балансировке китайского рынка в периоды высокого спроса. По данным МЭА, доля импорта в потреблении энергетического угля в КНР в 2023 г. составляла 9% (351 млн т из 4002 млн т), а в структуре спроса на коксующийся уголь – 14% (100 млн т из 738 млн т).

👍 При этом Китай продолжает расширять инфраструктуру для использования угля в электроэнергетике и металлургии. Согласно данным Global Energy Monitor, в КНР к январю 2024 г. действовало 1155 угольных ТЭС общей мощностью 1137 гигаватт (ГВт), еще 126 электростанций на 140 ГВт находились на стадии строительства. В свою очередь, общая мощность кислородно-конверторных печей, использующих коксующийся уголь в процессе выплавки стали, к апрелю 2024 г. составляла 832 млн т в год, при этом проекты еще на 43 млн т стали в год находились в фазе активной реализации.

💪 Свыше половины предложения угля в КНР обеспечивали автономный район Внутренняя Монголия на севере страны и примыкающая к ней провинция Шаньси. В 2023 г. добыча угля в этих регионах в общей сложности достигала 2143 млн т; еще четверть объемов приходилась на провинцию Шэньси (626 млн т) в центре страны и Синьцзян-Уйгурский автономный округ на северо-западе КНР (368 млн т). По данным Global Energy Monitor, к апрелю 2024 г. в этих четырех регионах на стадии подготовки к началу добычи находились шахты и разрезы общей мощностью 341 млн т в год, что превышает текущий объем угледобычи в ЕС (276 млн т в 2023 г.). Сравнительно крупным угледобывающим регионом также является провинция Гуйчжоу на юго-западе КНР, на долю которой в 2023 г. приходилось 2% добычи угля, а также 4% мощности угольных шахт и разрезов, находящихся на инвестиционной стадии.

🇨🇳 В целом, Китай в последние годы оставался не только крупнейшим производителем угля, но и лидером по темпам развития новых угледобывающих проектов: в период с 2015 по 2023 гг. в КНР было введено в эксплуатацию 222 новых угольных шахты и разреза, тогда как во всём остальном мире – 121. Ввод новых объектов обеспечил добычу 1074 млн т в угля в 2015-2023 гг., в то время как во всех остальных странах мира – 501 млн т. Скорее всего, такая пропорция будет сохраняться в ближайшем будущем, в том числе из-за отказа от угля в Европе и Северной Америке, где к 2024 г. общая мощность проектов, находившихся в фазе подготовки к началу угледобычи, составляла лишь 66 млн т в год (против 394 млн т в год в КНР).

https://globalenergyprize.org/ru/2024/06/20/kitaj-narastil-investicii-v-dobychu-uglja-do-novogo-maksimuma/

⛴ Морской транзит нефтепродуктов через мыс Доброй Надежды в восточном направлении превышал отметку в 6 млн баррелей в сутки (б/с) в апреле-мае 2024 г., тогда как в западном – составлял менее 3 млн б/с.

👉 Транзит в восточном направлении осуществляется при перевозках нефтепродуктов из России, Турции, США и стран Африки в Азиатско-Тихоокеанский регион, а в западном – при транспортировке бензина, дизеля, нафты и авиакеросина из стран Ближнего Востока и Азии в Европу и Северную Америку.

Ученые «Росатома» придумали, как извлекать металлы из отработавших аккумуляторов

Ученые Государственного научно-исследовательского и проектного института редкометаллической промышленности («Гиредмет») и Ведущего НИИ химической технологии, входящих в «Росатом», разработали способ извлечения металлов из отработанных литий-ионных аккумуляторов 🪫

По результатам исследований чистота карбоната лития (Li2CO3), выделенного из аккумуляторов, составила 99,5%. Более сложной задачей стало получение высокочистых кобальта и никеля. Для отработки технологии ученые собрали специальное оборудование, содержащее 88 ступеней очистки металлов.

Подробности методики «Росатом» не приводит, однако в 2022 году в научном отчете Ведущего НИИ химической технологии описали процесс извлечения ценных веществ из так называемой черной массы. Она образуется после ручной разборки аккумуляторов и их переработки, включающей разрядку, помол, отделение и сушку получившейся суспензии. Металлы извлекали тремя разными способами, в том числе по авторской технологии, когда черную массу замешивали с серной кислотой с образованием гранул. После этого гранулы подвергали сульфатизации, чтобы содержащиеся в них металлы перешли в соединения, растворимые в воде, а затем обжигали и выщелачивали раствором серной кислоты вместе с пероксидом водорода при температуре 80 градусов.

Полученные ценные соединения — карбонат лития, сульфат кобальта (CoSO4) и никель — можно использовать повторно. В будущем технология может упростить и удешевить производство литий-ионных аккумуляторов.

Полученные технологические решения готовы к внедрению в промышленном масштабе.

Первую в мире электростанцию, которая работает на 100% водороде, презентовали в финском технологическом концерне Wärtsilä. Электростанция способна вырабатывать энергию без природного газа, но не прямо сейчас.

Платформа водородного двигателя основана на уже существующей силовой установке Wärtsilä и получила часть необходимых сертификатов. Заказать двигатель, который на 100% готов к использованию водорода, можно будет в 2025 году, а его поставки стартуют с 2026 года.

Важное событие для энергетического перехода - новые двигатели на водороде создадут 100% возобновляемые энергосистемы завтрашнего дня.

Wärtsilä является мировым лидером в области инновационных технологий и решений жизненного цикла для морского и энергетического рынков. Компания имеет более чем 280 офисов в 79 странах, в её стенах трудятся почти 18 тысяч человек.

⛏ Глобальная добыча лития в период с 2021 по 2023 гг. выросла более чем на 80% - со 107,9 тыс. до 198,0 тыс. т соответственно, следует из данных Energy Institute.

🚙 Ключевым драйвером является распространение электромобилей: общемировые продажи новых легковых электрокаров и подключаемых гибридов за тот же период увеличились более чем вдвое – с 6,6 млн единиц в 2021 г. до 13,8 млн в 2023 г.

👆 (a) Диаграмма Пурбе для цинка,
(b) Доля различных форм Zn2+, образующихся в зависимости от pH для системы цинк-вода

👉 В развитие темы

▪️В СССР уголь широко использовался в теплоснабжении не только угледобывающих регионов, но и столиц.

☝️ На фото – Виктор Цой, бросающий уголь в топку котельной «Камчатка», где он работал с 1986 по 1988 гг. Еще до прихода в «Камчатку» в репертуаре Цоя появилась песня «Я хочу быть кочегаром», в которой обыгрывается возможность работать «сутки через трое». А уже непосредственно в «Камчатке» Цой, согласно одной из версий, написал песню «Следи за собой», которая была издана на пластинке уже после его гибели.

✊ Сегодня музыканту исполнилось бы 62 года.