Учёные научились добывать электричество из морской воды
Учёные создали прочную мембрану, с помощью которой можно добывать энергию из морской воды.
В основе технологии лежит осмос — процесс односторонней диффузии через полупроницаемую мембрану молекул растворителя. Движутся они в сторону большей концентрации растворённого вещества.
Есть два способа получения энергии из этого процесса. При первом вода движется через мембрану и создаёт давление на одну сторону, которое можно конвертировать в энергию. При втором, основной упор делается на движение через мембрану ионов, которое позволяет получить электрический ток. Этот метод можно применять в тех местах, где речная вода встречается с морской. Данная идея совсем не нова, но до сих пор не удавалось создать мембрану, которая могла бы выдержать долгое время в морской воде. Именно эту проблему и решили исследователи из Университета Дикина в Австралии и Мичиганского университета в США. Учёные использовали арамидные нановолокна, чтобы получить гибкий, но прочный материал. Такая мембрана смогла выдержать 200 часов испытаний при различных условиях.
Как при помощи воды получают электричество
На протяжении веков люди использовали силу воды для выполнения различных задач. Например, для измельчения зёрен в муку. Сегодня же воду используют для создания электроэнергии. Но как это происходит?
В движущихся водах энергия исходит от гравитации. Согласно круговороту воды в природе, вода испаряется с поверхности земли либо выделяется растениями. Далее высвобождённый водяной пар переносится на большую высоту и превращается в облачные капли. Далее эти капли становятся всё больше и в итоге падают с неба в виде осадков: дождя, снега.
Течь воду на поверхности Земли заставляет сила тяжести. Если вода выпадает в виде дождя, то её часть стекает вниз по естественным каналам и превращается в реку. Сооружения, благодаря которым вода превращается в электричество, работают при помощи турбины. В частности, эти сооружения улавливают энергию проточной воды за счёт турбины. Эта вращающаяся турбина соединяется с валом. А вал вращается внутри устройства под названием «генератор». Генератор использует для преобразования энергии вала в электричество индукцию.
Существуют две разновидности гидроэнергетических сооружений. Это «русловый» гидроузел и «водохранилище» или «плотина» ГЭС. Вообще гидроэнергетика зависит от того, сколько воды в реках на планете. Из-за глобального потепления и изменения климата в отдельных регионах может выпадать меньше осадков. Это позволит вырабатывать меньше электричества.
Водородная энергетика: начало большого пути
Ранее мы рассказывали про то, каким экологичным видом транспорта являются электробусы. Однако не упомянули один важный момент: c ростом числа электротранспорта городам потребуется больше электричества, которое зачастую получают экологически небезопасными способами. К счастью, сегодня мир научился получать энергию при помощи ветра, солнца и даже водорода. Новый материал мы решили посвятить последнему из источников и рассказать об особенностях водородной энергетики.
На первый взгляд, водород — идеальное топливо. Во-первых, он является самым распространенным элементом во Вселенной, во-вторых, при его сгорании высвобождается большое количество энергии и образуется вода без выделения каких-либо вредных газов. Преимущества водородной энергетики человечество осознало уже давно, однако применять ее в больших промышленных масштабах пока не спешит.
Водородные топливные элементы
Первый водородный топливный элемент был сконструирован английским ученым Уильямом Гроувом в 30-х годах XIX века. Гроув пытался осадить медь из водного раствора сульфата меди на железную поверхность и заметил, что под действием электрического тока вода распадается на водород и кислород. После этого открытия Гроув и работавший параллельно с ним Кристиан Шенбейн продемонстрировали возможность производства энергии в водородно-кислородном топливном элементе с использованием кислотного электролита.
Позже, в 1959 году, Фрэнсис Т. Бэкон из Кембриджа добавил в водородный топливный элемент ионообменную мембрану для облегчения транспорта гидроксид-ионов. Изобретением Бэкона сразу заинтересовалось правительство США и NASA, обновленный топливный элемент стал использоваться на космических аппаратах «Аполлон» в качестве главного источника энергии во время их полетов.
Водородный топливный элемент из сервисного модуля «Аполлонов», вырабатывающий электричество, тепло и воду для астронавтов. Источник: James Humphreys / Wikimedia Commons
Сейчас топливный элемент на водороде напоминает традиционный гальванический элемент с одной лишь разницей: вещество для реакции не хранится в элементе, а постоянно поставляется извне. Просачиваясь через пористый анод, водород теряет электроны, которые уходят в электрическую цепь, а сквозь мембрану проходят катионы водорода. Далее на катоде кислород ловит протон и внешний электрон, в результате чего образуется вода.
Принцип работы водородного топливного элемента. Источник: Geek.com
С одной топливной ячейки снимается напряжение порядка 0,7 В, поэтому ячейки объединяют в массивные топливные элементы с приемлемым выходным напряжением и током. Теоретическое напряжение с водородного элемента может достигать 1,23 В, но часть энергии уходит в тепло.
С точки зрения «зеленой» энергетики у водородных топливных элементов крайне высокий КПД — 60%. Для сравнения: КПД лучших двигателей внутреннего сгорания составляет 35-40%. Для солнечных электростанций коэффициент составляет всего 15-20%, но сильно зависит от погодных условий. КПД лучших крыльчатых ветряных электростанций доходит до 40%, что сравнимо с парогенераторами, но ветряки также требуют подходящих погодных условий и дорогого обслуживания.
Как мы видим, по этому параметру водородная энергетика является наиболее привлекательным источником энергии, но все же существует ряд проблем, мешающих ее массовому применению. Самая главная из них — процесс добычи водорода.
Проблемы добычи
Водородная энергетика экологична, но не автономна. Для работы топливному элементу нужен водород, который не встречается на Земле в чистом виде. Водород нужно получать, но все существующие сейчас способы либо очень затратны, либо малоэффективны.
Самым эффективным с точки зрения объёма полученного водорода на единицу затраченной энергии считается метод паровой конверсии природного газа. Метан соединяют с водяным паром при давлении 2 МПа (около 19 атмосфер, т. е. давление на глубине около 190 м) и температуре около 800 градусов, в результате чего получается конвертированный газ с содержанием водорода 55-75%. Для паровой конверсии необходимы огромные установки, которые могут быть применимы лишь на производстве.
Трубчатая печь для паровой конверсии метана — не самый эргономичный способ добычи водорода. Источник: ЦТК-Евро
Более удобный и простой метод — электролиз воды. При прохождении электрического тока через обрабатываемую воду происходит серия электрохимических реакций, в результате которых образуется водород. Существенный недостаток этого способа — большие энергозатраты, необходимые для проведения реакции. То есть получается несколько странная ситуация: для получения водородной энергии нужна… энергия. Во избежание возникновения при электролизе ненужных затрат и сохранения ценных ресурсов некоторые компании стремятся разработать системы полного цикла «электричество — водород— электричество», в которых получение энергии становится возможным без внешней подпитки. Примером такой системы является разработка Toshiba H2One.
Мобильная электростанция Toshiba H2One
Мы разработали мобильную мини-электростанцию H2One, преобразующую воду в водород, а водород в энергию. Для поддержания электролиза в ней используются солнечные батареи, а излишки энергии накапливаются в аккумуляторах и обеспечивают работу системы в отсутствие солнечного света. Полученный водород либо напрямую подается на топливные ячейки, либо отправляется на хранение во встроенный бак. За час электролизер H2One генерирует до 2 м 3 водорода, а на выходе обеспечивает мощность до 55 кВт. Для производства 1 м 3 водорода станции требуется до 2,5 м 3 воды.
Пока станция H2One не способна обеспечить электричеством крупное предприятие или целый город, но для функционирования небольших районов или организаций ее энергии будет вполне достаточно. Благодаря своей мобильности она может использоваться также как и временное решение в условиях стихийных бедствий или экстренного отключения электричества. К тому же, в отличие от дизельного генератора, которому для нормального функционирования необходимо топливо, водородной электростанции достаточно лишь воды.
Сейчас Toshiba H2One используется лишь в нескольких городах в Японии — к примеру, она снабжает электричеством и горячей водой железнодорожную станцию в городе Кавасаки.
Монтаж системы H2One в городе Кавасаки
Водородное будущее
Сейчас водородные топливные элементы обеспечивают энергией и портативные пауэр-банки, и городские автобусы с автомобилями, и железнодорожный транспорт (более подробно об использовании водорода в автоиндустрии мы расскажем в нашем следующем посте). Водородные топливные элементы неожиданно оказались отличным решением для квадрокоптеров — при аналогичной с аккумулятором массе запас водорода обеспечивает до пяти раз большее время полета. При этом мороз никак не влияет на эффективность. Экспериментальные дроны на топливных элементах производства российской компании AT Energy применялись для съемок на Олимпиаде в Сочи.
Стало известно, что на грядущих Олимпийских играх в Токио водород будет использоваться в автомобилях, при производстве электричества и тепла, а также станет главным источником энергии для олимпийской деревни. Для этого по заказу Toshiba Energy Systems & Solutions Corp. в японском городе Намиэ строится одна из крупнейших в мире станций по производству водорода. Станция будет потреблять до 10 МВт энергии, полученной из «зеленых» источников, генерируя электролизом до 900 тонн водорода в год.
Водородная энергетика — это наш «запас на будущее», когда от ископаемого топлива придется окончательно отказаться, а возобновляемые источники энергии не смогут покрывать нужды человечества. Согласно прогнозу Markets&Markets объем мирового производства водорода, который сейчас составляет $115 млрд, к 2022 году вырастет до $154 млрд. Но в ближайшем будущем массовое внедрение технологии вряд ли произойдет, необходимо еще решить ряд проблем, связанных с производством и эксплуатацией специальных энергоустановок, снизить их стоимость. Когда технологические барьеры будут преодолены, водородная энергетика выйдет на новый уровень и, возможно, будет так же распространена, как сегодня традиционная или гидроэнергетика.
- Блог компании Toshiba
- Энергия и элементы питания
- Экология
Электричество из лужи, или Как получить энергию из воды
Без еды человек может прожить от четырех до шести недель, а вот без воды – не более трех дней. Впрочем, не только человек, все живое нуждается в воде.
Однако именно человек пошел дальше всех, ведь людям вода нужна не только для поддержания жизни, приготовления пищи и гигиены, но и для многого другого. Воду мы используем и в быту, и на производстве. И вот теперь человечество всерьез задумалось о том, чтобы добывать из воды энергию!
Конечно, человек давно уже умеет добывать энергию с помощью воды, для чего служит огромное количество гидроэлектростанций, построенных по всему миру. Однако можно ли добывать энергию прямо из воды?
Невозможное возможно?
В принципе, современная физика к подобному относится с изрядным скепсисом. Ведь, в соответствии с фундаментальными физическими законами, нет способа извлекать химическую энергию из воды. У воды отрицательная энтальпия образования, следовательно, для разделения ее на элементы требуется затратить энергию. Не существует соединений кислорода и водорода с большей негативной энтальпией образования, за счет которой мог бы быть получен избыток энергии. Поэтому многие изобретатели, которые заявляли, что научились добывать энергию непосредственно из воды, получали клеймо мошенников.
Однако изобретателей это не останавливает, и раз за разом ученые пытаются добиться невозможного. Вот и опять не так давно была опубликована информация о том, что ученые разработали технологию, благодаря которой из воды стало возможно получать экологически чистую энергию. Якобы этого добился профессор Массачусетского технологического института Дэниэл Носер.
Прототип получил название Sun Catalytix. Для извлечения водорода из воды устройство использует солнечную энергию. Специальный солнечный элемент помещается в сосуд с водой. При попадании на него света образуются пузырьки водорода. Процесс получения дешевой энергии из воды полностью обратим. При помощи солнечного света происходит разложение воды на водород и кислород. Получаемый кислород впоследствии используется при горении водорода. Конечным продуктом горения снова является вода. Получается такой себе «круговорот воды в природе» в пределах энергетической установки. По сути, солнечная энергия преобразуется в удобную для использования форму посредством воды.
Разработчики уверены, что их изобретение сможет применяться не только для обеспечения энергией отдельных домов и учреждений, но даже в транспортных средствах. Их уверенность была подкреплена грантом в размере 4 млн долл. от Агентства исследований в области энергетики и индийского машиностроительного гиганта Tata. Была даже создана «Sun Catalytix Corporation».
По словам разработчиков, их технология обеспечит источниками бесплатной энергии как жилые дома, так и другие объекты в странах третьего мира. Сюда включаются и транспортные решения, и промышленные предприятия и т. д.
Единственное, что смущает в этой «новости» – датирована она 2011 г., а Google даже утверждает, что «по их данным, компания Sun Catalytix Corporation закрыта навсегда».
Топливо из воды
Так что же получается? Неужели физика права, и вода не сможет нам помочь в деле производства энергии? Возможно, это и так, но из воды можно получить топливо. Например, водород. 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.
Еще в 1935 г. Чарльз Гаррет продемонстрировал «в течение нескольких минут» работу «водяного автомобиля». Как можно увидеть из патента Гаррета, оформленного в том же году, для генерации водорода применялся электролиз. Повторить успех Гаррета пытались и другие изобретатели. Конечно, в этом деле тоже не все так просто. И многие изобретатели, заявлявшие, что добились в вопросе получения топлива из воды существенного прогресса, также оказались мошенниками.
Например, в 2002 г. Genesis World Energy анонсировала готовое к продвижению на рынок устройство, которое извлекало бы энергию из воды путем ее разложения на водород и кислород. Увы, в 2006 г. Патрик Келли, собственник GWE, был приговорен в Нью-Джерси к пяти годам тюрьмы за кражу и выплате возмещений в размере 400 тыс. долл.
Другой изобретатель, Дэниэл Дингел, заявлял, что разработал технологию, позволяющую использовать воду в качестве топлива. В 2000 г. Дингел стал бизнес-партнером компании Formosa Plastics Group с целью дальнейшего развития технологии. Но в 2008-м компания подала на изобретателя иск за мошенничество, и 82‑летний Дингел был приговорен к 20 годам тюрьмы.
В том же 2008 г. СМИ Шри-Ланки сообщили о некоем гражданине этой страны по имени Тушара Приямал Эдиризинге, который утверждал, что проехал около 300 км на «водяном автомобиле», потратив 3 литра воды. Тушара продемонстрировал свою технологию премьер-министру Ратнасири Викреманаяке, который пообещал всемерную правительственную поддержку его усилий по продвижению водяного автомобиля на рынок Шри-Ланки. Однако несколько месяцев спустя Тушара был арестован по обвинению в мошенничестве.
Шанс все же есть
Вместе с тем, ошибочно думать, что все, кто занимается проблемой получения топлива из воды, – мошенники. Например, авторитетный ученый Джеффри Хьюитт даже стал лауреатом премии «Глобальная энергия» в 2007 г. за идею производства топлива на основе энергии воды. К сожалению, сам ученый считает, что подобные методы добычи топлива еще долго останутся недоступными для будничного использования в связи с их высокой стоимостью. По его мнению, стоимость такой энергии безумно велика, и время, когда экологичные виды топлива можно будет использовать в повседневной жизни, настанет еще не скоро. Так что пока энергия из воды – не конкурент традиционной энергетики. Однако ученый уверен, что эту отрасль энергетики необходимо активно развивать, так как применение, например, водородного сырья может повысить коэффициент полезного действия электростанций до 85 % с текущего уровня в 50 %. И в будущем новое горючее способно заменить все существующие ныне ресурсы.
Так что ученые не зря бьются над этой проблемой. Возможно, в скором времени это принесет свои плоды. Например, в марте этого года пришло сообщение, что в процессе лабораторных исследований ученые из Калифорнийского университета научились создавать топливо из воды. Над созданием альтернативного вида топлива американские специалисты начали работу еще два года назад. На протяжении этого времени ученые обнаружили, что при правильном расщеплении молекул воды получается горючее, которое в будущем способно заменить все существующие ныне ресурсы. Полученный результат не до конца удовлетворил ученых, поэтому исследовательская работа еще продолжается.
Новый метод, который разработали специалисты, способен расщеплять воду на несколько молекул. При правильном синтезе водорода возникают процессы, которые присущи топливу. Однако существует основная проблема, решением которой занимаются ученые. Дело в том, что расщепленные молекулы подвергаются стремительному разрушению, в результате чего синтезировать все элементы не представляется возможным.
На сегодняшний день ученые работают над созданием метода, который бы позволил использовать все полученные элементы. Конечно, это вновь может оказаться уткой, но возможно что и нет. И если результаты научной работы окажутся положительными, то человечество получит новый альтернативный вид топлива, ресурсы которого будут неограниченными.