Найден новый вид возобновляемого «топлива»
Презентация следующего источника возобновляемой энергии: Аммиак
У источников возобновляемой энергии, таких как солнечная энергия и энергия ветра, есть очевидный недостаток — их производство не имеет преемственности. Преобразование электроэнергии, производимой этими системами, в конечном итоге превращается в углекислый газ после использования. В виде парниковых газов — это серьёзная проблема для окружающей среды.
Учёные, в поисках альтернативы, нашли потенциального кандидата. Им оказался аммиак.
Аммиак не состоит из углерода; его сгорание с кислородом высвобождает азот и воду. Выделяется большое количество энергии без выделения углекислого газа.
Аммиак может быть экологически безопасным топливным элементом, которому нужны только солнечный свет, вода и воздух в качестве сырья. В презентационном прототипе — катионы водорода, образующиеся при электролизе воды, реагируют с молекулами азота, из воздуха. Реакция медленная, но эффективная; и для этой реакции достаточно атмосферного давления и температуры окружающей среды.
Производство аммиака электролизом. На входе слева, вода. Справа — динитрон (молекула из двух атомов азота)
При температуре и давлении окружающей среды, реакции топливных элементов обычно имеют КПД от 1% до 15% и низкую скорость реакции. Но Дуглас МакФарлейн, химик из Университета Монаш в Мельбурне (Австралия), нашёл способ повысить эффективность за счёт изменения электролита.
В водном электролите, молекулы воды иногда реагируют с электронами на катоде, «летающими» электронами. «Мы постоянно боремся за то, чтобы электроны привели к образованию водорода» — объясняет Макфарлейн.
Чтобы противостоять этой проблеме, химик выбрал так называемый ионный жидкий электролит. Такой подход не позволяет азоту (N 2 ) и молекулам воды «блокироваться» вблизи катализаторов, что повышает производство аммиака. В результате эффективность топливного элемента увеличилась с 15% до 60%.
Но это было бы невозможно без компромиссов: ионная жидкость в разработанном топливном элементе была очень вязкой, в 10 раз больше вязкости воды. Протоны должны пробиваться к катоду, что замедляет скорость производства аммиака. «Это был настоящий вызов для нас» — говорит учёный.
В исследовании, опубликованном в апреле вACS Energy Letters, сообщается о разработке флюорозиса, который помогает протонам легче перемещаться в вязкой окружающей среде и ускоряет производство аммиака в 10 раз. Но темпы роста производства должны быть увеличены на несколько порядков, чтобы достичь коммерческой цели.
***
Сарб Гидди и его коллеги из офиса CSIRO Energy Clayton производят аммиак с помощью «мембранного реактора». Система работает при высоких температурах и низких давлениях, которые, по сравнению с технологией MacFarlane, увеличивают пропускную способность и снижают эффективность.
Для конструкции реактора требуется пара длинных концентрических металлических труб, нагретых до 450 ° С. В узком пространстве между трубами вытекает H 2, который можно получить солнечным или эоловым электролизером.
Катализаторы, выстилающие внутреннюю стенку, делят молекулы дигидрогена (H 2) на отдельные атомы водорода (H), которые затем оказывают умеренное давление через атомную решётку от стенки трубки до её полого ядра, где ожидается, что N 2 молекулы вводятся в трубку.
Каталитически активный металл, такой как палладий, соединяет внутреннюю поверхность, разделяя N 2 и коагулируя водород и азот, чтобы объединиться в аммиак. Процесс идёт намного быстрее, чем у клетки MacFarlane. Другая проблема эффективности реактора в том, что реагирует только небольшая часть H 2 .
***
Другие подходы разрабатываются в Колорадской школе в Голдене (США): команда Райана О’Хейра разрабатывает обратные топливные элементы, изготовленные из керамики, чтобы выдерживать высокие рабочие температуры. Ячейки могут синтезировать аммиак с рекордной скоростью — примерно в 500 раз быстрее, чем топливный элемент MacFarlane.
Как и мембранные реакторы Гидди, керамические топливные элементы О’Хейра держат приоритет на пропускную способность. Но по-прежнему необходимопооднять производственные показатели в 70 раз для достижения целей, поставленных Министерством энергетики США.
Различные исследовательские группы теперь работают над системами, в повышении их эффективности.
Преобразование водорода в аммиак с единственной целью преобразования его обратно в водород может показаться странным. Но водород трудно транспортировать: его нужно сжижать, охлаждая до температуры ниже -253 ° C, что потребляет одну треть его энергетического содержания. Напротив, аммиак разжижается при -10 ° C и не требует большого давления.
Потери энергии, возникающие в результате конверсии водорода в аммиак и снова в водород, примерно такие же, как при охлаждении водорода. И уже существуют больше инфраструктуры для обработки и транспортировки аммиака.
