Гидриды. Водородная энергетика (стр. 10 )

Исследуются фотохимические методы получения водорода с использованием солнечной энергии. Осуществлен фотоэлектролиз воды (с раздельным получением водорода и кислорода); метод будет представлять практический интерес, если его кпд достигнет 10-12% (пока он составляет около 3%). Биофотолиз воды основан на том, что некоторые микроорганизмы (напр., хлорелла), поглощающие солнечную энергию, способны разлагать воду. Средний кпд трансформации солнечной энергии такими микроорганизмами составляет около 8%.

Для хранения и транспортирования водорода, кроме обычных методов, разработанных для жидкого и газообразного водорода, перспективно использование твердых соединений - гидридов металлов и интерметаллидов. Последние способны реагировать с большими количествами водорода при невысоких температурах и давлениях. Из гидридов интерметаллидов наиболее интересны соединения на основе Ti, Fe, Mg, Ni, La и V. Они содержат до 400 см3 водорода на 1 г гидрида, выделяют водород при сравнительно низких температурах (150-200 °С) и относительно дешевы. Для хранения гидридов интерметаллидов разработаны специальные емкости - гидридные баки. Гидриды интерметаллидов могу быть использованы, в частности, на автотранспорте. Гидридный бак устанавливается на автомобиле и обогревается отработавшими газами двигателя: гидрид разлагается и выделяется водород, который подается в двигатель как добавка к бензину.

Сейчас водород получают, главным образом, из природного газа методом каталитической конверсии с водяным паром. Пока это самый дешевый способ, но в конечном итоге такой путь ведет в тупик, ведь запасы газа рано или поздно тоже закончатся. Неиссякаемым источником водорода может служить вода. Электролиз воды технически осуществить довольно просто, но этот процесс требует значительных энергозатрат. Технология будет экономически выгодной только в том случае, если использовать дешевую электроэнергию, получаемую желательно из возобновляемых источников, — за счет энергии воды, ветра, солнца.

В последнее время появился интерес к технологиям получения водорода из биомассы, остающейся после переработки сельскохозяйственного сырья. Здесь есть несколько возможностей: конверсия спрессованной биомассы, ферментация либо использование бактерий, способных продуцировать водород.

Определение водорода

В составе газовых смесей водород определяют методами хроматографии, масс-спектрометрии, каталитическим сжиганием с последующим определением количества образовавшейся воды, по уменьшению объема и тепловому эффекту, измерением теплопроводности газовой смеси.

Применение

Газообразный водород применяют для синтеза NH3, CH3OH, высших спиртов, углеводородов, НСl и др., как восстановитель при получении многих органических соединений, в том числе пищевых жиров. В металлургии водород используют для получения металлов, создания защитной среды при обработке металлов и сплавов, в нефтепереработке - для гидроочистки нефтяных фракций и смазочных масел, гидрирования и гидрокрекинга нефтяных дистиллятов, нефтяных остатков и смол. Водород применяют также в производстве изделий из кварцевого стекла и др. с использованием водородно-кислородного пламени (температура выше 2000°С), для атомно-водородной сварки тугоплавких сталей и сплавов, для охлаждения турбогенераторов, как восстановитель в топливных элементах.

Жидкий водород применяется как горючее в ракетной и космической технике, для заполнения пузырьковых камер, в качестве хладагента в криогенных конденсационных и адсорбционных вакуум-насосах.

Водород становится одним из главных мировых источников альтернативного топлива. Об этом 7 июня, заявил ученый-энергетик из Исландии, недавно ставший лауреатом международной премии "Глобальная энергия", доктор Торстейнн Инги Сигфуссон на Международном научно-практическом симпозиуме "Энергия мысли".

По мнению Сигфуссона, производство водорода из натурального газа требует меньше затрат, чем его производство из какого-либо другого сырья. "Сегодня самые большие запасы натурального газа сосредоточены в Исландии, поэтому страна считается наиболее благоприятным местом для строительства станции по производству водорода", - рассказал ученый. Он добавил, что "современный проект производства водородного топлива, над которым он в настоящее время работает, стоит два миллиона долларов США".

Идею производства топлива на основе водной энергии разрабатывают английский ученый Джеффри Хьюитт и академик Российской академии наук Владимир Накоряков, также ставшие лауреатами международной премии "Глобальная энергия". По словам Хьюитта, "проект очень дорогостоящий, поэтому ученые мира ищут пути решения проблемы оптимизации параметров производства".

За работу над проектами по производству альтернативного топлива ученым Торстейнн Инги Сигфуссону, Джеффри Хьюитту и Владимиру Накорякову будет вручен денежный приз в размере 30 млн руб., который распределят между победителями в равных долях. Церемония награждения лауреатов пройдет 9 июня в выставочном центре "Ленэкспо" с участием президента России Владимира Путина.

Создан почти невесомый аккумулятор водорода

Группа ученых из центра по исследованиям химии сетчатых структур при Калифорнийском институте наносистем (в университете штата Калифорния в Лос-Анджелесе) создали новый тип материалов для хранения различных газов.

Материалы получили условное название с аббревиатурой COFs (covalent organic frameworks - ковалентные органические каркасы). СOFs - это органические пористые кристаллы с сильными ковалентными связями между атомами углерода, кислорода и бора и др., с высокой термостабильностью, большой удельной площадью поверхности и чрезвычайно малой плотностью.

Уже первый образец нового материала - COF-108 - обладает рекордно низкой для кристаллических материалов плотностью и площадью поверхности 4500 квадратных метров на 1 г.

Еще более важно то, что группа под руководством профессора Омара Яги (Omar Yaghi) научилась синтезировать подобные материалы с заданными свойствами и размерами пор в кристаллах. Это поможет создать материалы, оптимизированные для хранения водорода, метана, углекислого газа или других газообразных соединений.

Не только размеры пор, но и другие свойства кристалла можно менять в зависимости от конкретного применения материала - метод отличается функциональной гибкостью. Синтез кристалла основан на использовании своеобразных строительных блоков.

Профессор Яги - один из самых цитируемых химиков, ему принадлежит идея технологии органических ковалентных каркасов. В 2006 году профессор Яги привлек внимание широкой общественности обещанием создать аккумулятор водорода с использованием металлоорганических каркасов (MOFs), имеющих поры размером в нанометры.

По сравнению с MOFs, новые материалы имеют более низкую плотность. Производством MOFs намерена заняться компания BASF, которая приобрела лицензию на их производство, сообщает пресс-релиз университета штата Калифорния.

Микробы + сахар = водородное топливо?

Что для этого требуется? Бактерии, способные перерабатывать сахар или отбросы, обладающие электрохимической активностью; способность выживать в отсутствие кислорода - это плюс. Таким могло бы быть описание вакансии для бактерии, как его написали бы ученые Службы сельскохозяйственных исследований (США) и Вашингтонского университета, работающие над тем, чтобы сделать клетки топливных микробов более эффективными и обеспечить возможность применения их на практике.

Как говорит Mike Cotta, ведущий ученый в подразделении Службы сельскохозяйственных исследований, называемой «Исследования Биотехнологий ферментации», г. Пеория (шт. Иллинойс, проект Вашингтонского университета возник в результате общей заинтересованности в развитии стабильных методов производства энергии и, таким образом, сократить зависимость США от импортной сырой нефти.

Команда Коты специализируется в использовании бактерий, дрожжевых грибков или других микроорганизмов, развивающихся внутри биореакторов, и получении топливного этанола из ферментированного кристаллического сахара. В Вашингтонском университете в Сент –Льюисе, штат Миссури, ассистент профессора Ларс Ангенент проводит исследования топливных элементов, которые используют смесь бактерий для обработки сточных вод органического происхождения и катализируют выработку электронов и протонов, которые затем могут быть использованы для электроэнергии из водородного топлива. 

В сентябре 2006 года исследователи объединили ресурсы лаборатории и экспертизы для выполнения совместного 3-летнего проекта. Один из ресурсов, который будет использоваться совместно, это Коллекция микробиологических культур Службы сельскохозяйственных исследований, с базой в Пеории, которая насчитывает около 87 000 образцов микробов сублимационной сушки со всего мира. 

Применяя базы данных Коллекции, команда исследователей находится в поисках микробов, которые способны питаться сахарами биомассы (например, глюкозой и ксилозой из кукурузной соломы) и электрохимически активны. Это означает, что они могут извлекать электроны из сахаров топливных клеток без помощи дорогостоящих химикатов, называемых медиаторами. Эти электроны далее соединяются с протонами катодной камере, в результате данной реакции образуется водород, который может гореть или преобразовываться в электроэнергию. 

Бактероиды и Shewanella нужны для инициации процесса. 

Привлекательность водорода происходит из его распространенности в природе и способности хранить и высвобождать энергию при этом, не загрязняя окружающую среду. Проблема в том, чтобы производить водородное топливо не из источников горючих полезных ископаемых, запасы которых ограничены и не возобновляемы. Кроме того, перед учеными стоит задача сделать проект экономически выгодным. Около 95% водорода в США получают из бензина или природного газа через процесс, называемый паровой риформинг.

Boeing испытал водородный двигатель для самолета-разведчика

Компания Boeing сообщила об успешном завершении испытаний четырехцилиндрового двигателя внутреннего сгорания, работающего на водороде. Двигатель, изготовленный компанией Ford, будет установлен на разрабатываемом в Boeing беспилотном самолете-разведчике, который будет летать в стратосфере на высоте около 20 км с нагрузкой до 910 кг.