В Стэнфорде усовершенствовали дешёвый способ электролиза воды

    В августе прошлого года учёные из Стэнфордского университета впервые продемонстрировали недорогой способ электролиза воды, то есть разделения H2O на кислород и водород. Для инициации химического процесса достаточно простой батарейки ААА. Разумеется, вместо батарейки можно использовать небольшую солнечную панель, которая обеспечивает разность потенциалов хотя бы 1,5 вольта.

    В прошлом году учёные использовали катоды и аноды из никеля и оксида никеля. Это первый в мире опыт, когда для электролиза удалось отказаться от электродов из драгоценных металлов (платина, иридий) и когда процесс шёл на таком низком напряжении.

    Сейчас им удалось ещё удешевить и упростить электролиз, что сделает водородное топливо ещё дешевле, если вывести технологию на промышленный уровень. В усовершенствованном техпроцессе для катода и анода используется одинаковый катализатор из NiFeOx. То есть анод и катод больше не требуют разной pH-фактора (один кислотный, другой щелочной), так что их легко и удобно можно поместить в общий сосуд с водой. Остаётся только собирать выделяемые кислород и водород (хотя, кислород лучше не собирать, а сразу отпускать в атмосферу).

    На видео ниже показано, как работает электролиз от батарейки ААА. С одного электрода выделяется кислород, а с другого — водород. Авторы научной работы заявляют, что интенсивность реакции даже выше, чем при комбинации электродов из традиционных оксида иридия и платины.

    Реакция идёт стабильно и очень активно на всей поверхности электродов.



    Секрет «фокуса» — в структуре катализатора NiFeOx. Хотя это с виду простые материалы, но структура материала очень специфическая. Он каким-то образом «выращивается» на углеродных нановолокнах (из научной работы не совсем понятно, каким образом его изготовить). Учёные говорят, что этот чудесный катализатор в будущем можно приспособить и для других химических реакций, кроме электролиза воды.

    Хотя подобная технология выглядит довольно неправдоподобно, а все восемь соавторов научной работы — китайцы, не следует забывать, что они работают в отделении материаловедения и технологий Стэнфордского университета, одного из самых авторитетных научных заведений мира.

    В результате каталитической реакции наночастицы оксида металла (железо, кобальт, оксиды никеля или смеси их оксидов) размером около 20 нм электрохимически преобразуются в сверхмалые наночастицы NiFeOx с диаметром 2-5 нм в результате литий-индуцированной реакции. В отличие от традиционного химического синтеза, отмечают авторы изобретения, этот метод позволяет сохранить превосходное электрическое соединение между наночастицами и приводит к образованию больших площадей для проведения каталитической реакции.

    Во время эксперимента была проверена непрерывная работа устройства таким способом в течение целой недели (более 200 часов) без деградации электродов, говорит И Цуй (Yi Cui), один из авторов научной работы. Он добавил, что эффективность электролиза воды составляет 82% при комнатной температуре (судя по всему, при нормальном давлении тоже).

    Результаты исследования опубликованы 23 июня 2015 года в журнале Nature Communications (в бесплатном доступе).

    Как уже отмечалось годом ранее, это очень важный проект, потому что значительно упрощает технологию изготовления топливных ячеек с водородом. На таких ячейках может работать и мобильная электроника, и автомобили.


    Toyota Mirai, один из первых в мире автомобилей на водородных топливных ячейках. Продажи начались 15.12.2014 г. Под днищем у него два баллона с водородом под давлением 70 MПa. Заправка занимает 3-5 мин. Дальность хода: 480 км

    Немаловажно, что при сгорании водорода единственным побочным продуктом сгорания является вода. Та же самая вода, которую расщепляли на составляющие, например, солнечным светом на первом этапе технического процесса.
    Ads
    AdBlock has stolen the banner, but banners are not teeth — they will be back

    More

    Comments 45

      +22
      > выглядит довольно неправдоподобно, а все восемь соавторов научной работы — китайцы
      Толерантности и расового равенства псто
        +4
        Как уже отмечалось годом ранее, это очень важный проект, потому что значительно упрощает технологию изготовления топливных ячеек с водородом. На одной такой ячейке, к примеру, мобильный телефон может работать несколько десятилетий. Если взять для примера автомобиль, то его очень редко или никогда не нужно будет «заправлять» топливом, то есть менять топливные ячейки.
        Хочется спросить, откуда такие цифры?

        Можно, например, вспомнить Kraftwerk в сравнении с аккумулятором того же iphone. Будучи в 5 раз тяжелее, он хранит в 11 раз больший заряд.
        Т.е. пока, эффективность топливных ячеек только в 2 с небольшим раза больше чем у аккумуляторов. Откуда взялись «несколько десятилетий» — непонятно. Строго говоря, топливная ячейка вообще не имеет отношения к «топливу». Она как двигатель, преобразует топливо в энергию.

        Также непонятно как этот проект повлияет на стоимость топливных ячеек? По сути он только удешевляет производство водорода, но ничего не говорит о проблемах его использования.

        Проект безусловно интересен, только на мой взгляд в несколько другом ключе.
        Легко представить огромную солнечную электростанцию в Сахаре, которая из грунтовых вод гонит водород и по трубопроводу переправляет его в Европу, где водород превращают обратно в энергию.
        Хочется верить, что со временем такие водородные трубопровода заменят текущие, нефтяные.
          +2
          Гораздо проще представить линию электропередач из сахары чем трубопровод и достаточное количество воды.
            0
            Не проще. Потери на таких расстояниях настолько слишком велики.
            Альтернатива — линия передач на сверхпроводниках, но там проблем гораздо больше.
              0
              Да сколько уж можно повторять. Для дальних расстояний давно придумали HVDC линии Потери в которых меньше чем в газопроводах аналогичной длины. (Газопровод вообще неэкономичный вид транспорта, в отличии от например нефтепровода и других жидких топлив).
                0
                Ну да, и зачем спрашивается что-то еще изобретают, когда все давно очевидно, элементарно и на хабре описано…
                Экономичность линий и трубопроводов меняется не одинаково с ростом расстояний, и то что эффективно в одном случае — не факт что эффективно всегда.
                  0
                  Потери всегда есть куда снижать, на сверхпроводящих линиях они вероятно будут еще ниже(смотря сколько энергии на охлаждение будет уходить). Но пока это только теория и лабораторные эксперименты, тогда как HVDC уже освоенная промышленная технология хотя и не часто пока применяемая.

                  Но и HVDC потери:
                  1. Уже находятся на приемлемом для практического использования уровне
                  2. Гарантированно меньше чем у газопроводов большой длины

                  Да, зависимость от длины есть: С ростом длинны преимущество HVDC растет, а у газопроводов снижается. В районе 4-6 тыс. км газопроводы начинают проигрывать уже не только ЛЭП, но даже перевозке газа «бочками»(в танкерах, со сжижением в точке отправки и с регазификацией в точке приема).
                    0
                    Хотелось бы пруфов, на «Гарантированно меньше чем у газопроводов большой длины» и «С ростом длинны преимущество HVDC растет». Именно на больших расстояниях (5-6 т. км.), Плюс хорошо бы сравнить с пересылкой баллонов наподобие Hyperloop (с рекуперацией кинетической энергии).

                    У меня нет доказательств свой правоты, я исхожу из того, что проект строительства сверхпроводниковой линии обсуждают не первый год, видные ученые, а он должен быть явно сложнее чем трубопровод (потому что, помимо прочего, включает в себя трубопровод с жидким водородом). Не думаю что сторонники проекта насколько несведущи, что просто не знают о HVDC…

                    Если у вас есть доказательства ваших слов — соглашусь с вами. Если нет — до это домыслы и дальше обсуждать смысла нет.
                      0
                      Сверхпроводящие линии это частный(и более продвинутый) случай HVDC. Они не противопоставляются, наоборот это дальнейшее вероятно перспективное их развитие. О чем в том числе по вашей ссылке написано:

                      На том же симпозиуме в результате дискуссии между учеными было выяснено, что для передачи электроэнергии на большие расстояния, например, на три-пять тысяч километров подходят только линии постоянного тока. Ведь популярные ныне воздушные линии передач переменного тока имеют ограничения по длине в несколько сотен километров. А мощность должна составлять около десяти гигаватт.

                      Потому как сверпроводник решает только одну задачу — убирает омическое(активное) сопротивление. Но в обычных магистральных ЛЭП (на переменном токе высокого напряжения) на эти потери приходится меньшая часть потерь — большая часть за счет реактивных и емкостных потерь(последнее особенно актуально для подводных кабелей).

                      Сначала нужно убрать их, т.е. перейти от обычной ЛЭП к HVDC линии.
                      Только после этого имеет смысл думать о переводе на сверхпроводники, чтобы еще больше снизить потери.

                      Но разница (выигрыш) при переходе от обычной ЛЭП к HVDC выше чем от простой HVDC к HVDC на сверхпроводниках, особенно с учетом того что убрав омические потери добавляются потери на работу криоустановок, которые должны будут охлаждать весь кабель.

                      То что газопроводы крайне неэффективный траспорт можно убедиться тут: www.abok.ru/for_spec/articles.php?nid=4500
                      Таблица 2 — в ней видно, что расходы энергии на перекачку газа в десятки раз выше чем на перекачку жидкостей.
                      Или тут: mirvn.livejournal.com/28345.html?view=719545 (2й и 3й графики)
                      А ниже там в комментариях (ник тот же) я подробнее написал почему так происходит.
                        0
                        1. То что HVDC на больших расстояниях эффективнее ЛЭП — никто и не отрицал

                        2. «Но разница (выигрыш) при переходе от обычной ЛЭП к HVDC выше чем от простой HVDC к HVDC на сверхпроводниках» — не очевидно, откуда взялся такой вывод.

                        3. «Таблица 2» содержит данные в разных единицах измерений. Как можно сравнивать «в лоб» показатели если для жидкостей там «кг. у. т./тыс.т•км», а для газа «кг. у. т./млн м3•км»?..

                        4. На графиках по второй ссылке — примерно то же что и в «Таблице 2». Взяты какие-то данные из вообще разных областей и сравнивается теплое с мягким.

                        Вам не кажется странным, что судя по тем данным переправлять газ по проводу в 128 (!) раз дороже чем на поезде?

                        Как думаете газопровод «Нижняя Тура — Пермь — Горький — Центр», длиной более 1700 км стали бы вообще строить если бы оно так и было? Это не кажется мягко-говоря нелогичным? Об этом же и в комментариях говорят, например nkps.

                        Сложности длинных газопроводов которые вы описали безусловно есть, но они вполне преодолимы. И, пример газопровода «Уренгой — Помары — Ужгород», длиной 4451 км, — это очень явно показывает.

                        Если же возвращаться к водороду, то есть и плюсы.

                        Во-первых, мы качаем не какой-то газ, а крайне энергоемкое топливо, которое при наличии топливных элементов не требует сложного оборудования для выделения энергии (котельных и т.п.). Т.е. на станциях по дополнительному сжатию мы можем просто изымать небольшой процент газа для обеспечения ее работы. Какой процент — я сказать не могу, но полагаю очень небольшой, учитывая что энергоемкость очень велика, КПД — преобразования тоже, а строительство обычных газопроводов сравнимой длины — оправдано (они уже есть).

                        Во-вторых, примером энергоэффективности может служить и описанное в статье о сверхпроводниках, ссылку на которую я давал выше.
                        в эксперименте выяснилось, что в этой модельной магистрали поток жидкого водорода в 200-220 г/с способен переносить около 25 мегаватт мощности. Да и еще параллельно по сверхпроводящему кабелю было передано около 50 мегаватт электричества.
                        Т.е. в эксперименте, сам водород перенес всего в 2 раза меньше энергии чем сверхпроводниковый кабель, который по определению имеет одну из лучших в природе оценок энергоэффективности передачи.

                        Сравнение не совсем корректное, водород в примере сжат до жидкого состояния. Но сам факт заслуживает внимания.

                        Я же нигде не утверждаю, что нужно использовать именно газопровод или еще какие-то конкретные технологии. Напротив, говорю о том что есть множество других технологий, и вариантов реализации (маглев — как один из вариантов).

                        Возвращаясь к цитате с которой началась моя мысль:
                        Интересный проект, посвященный данной проблеме, представил на симпозиуме в Институте изучения устойчивости окружающей среды (Потсдам, ФРГ), что проходил в мае прошлого года известный физик Алекс Мюллер. Согласно его расчетам, если в пустыне Сахара, где, как мы помним, имеется 360 солнечных дней в году, установить солнечные батареи на площади 300 квадратных километров, то они произведут столько электричества, сколько сейчас дают все электростанции мира. А для обеспечения потребности в электроэнергии всей Европы достаточно всего батареи площадью 50 квадратных километров.

                        Что и говорить — звучит заманчиво. Если бы не одно «но». Для того чтобы этот проект был реализован, необходимы сверхпроводники. Иначе электричество из Сахары даже до юга Европы просто не дойдет — оно все будет потрачено на преодоление сопротивление материала.
                        И еще:
                        А во-вторых, водород, как мы помним, сам является перспективным топливом. Сейчас основной проблемой при его использовании является дороговизна получения, поскольку оно потребляет куда больше энергии, чем может эффект от использования подобного газа
                        То есть, если верить статье, то проблема состоит большей частью в сложности (неэффективности) добычи водорода, а эту проблему как раз решает технология описанная в статье.
                          +2
                          2. «Но разница (выигрыш) при переходе от обычной ЛЭП к HVDC выше чем от простой HVDC к HVDC на сверхпроводниках» — не очевидно, откуда взялся такой вывод.

                          Из сравнения характеристик обычных магистральных ЛЭП (переменного тока высокого напряжения) и HVDC (постоянного тока высокого напряжения). В ЛЭП переменного тока потери складываются из реактивных(делящихся на индуктивные и емкостные) и активных(омических).
                          индуктивные+емкостные > активных для длинных ЛЭП
                          Переход от обычной ЛЭП к HVDC = убираем все индуктивные и емкостные потери + еще и снижаем активные (т.к. на постоянном токе, при тех же проводах и изоляции можно увеличить напряжение примерно на 30-40% по сравнению с переменным, за счет этого пропорционально снизить ток и тем самым уменьшить активные потери при той же передаваемой мощности), в результате потери на 1км линии падают порядка 3 раз. Правда при этом появляются потери на преобразование постоянный-переменный ток, которые не зависят от расстояния — именно поэтому они эффективны только на больших расстояниях, когда снижение потерь на каждый км линии перевешивает потери на преобразование в ее начале и конце.

                          Переход от обычной HVDC к HVDC на сверхпроводниках — убираем оставшиеся активные потери, но зато добавляем расход энергии на охлаждение (в плане преобразования постоянный-переменный ничего не меняется, оно так же необходимо)

                          В результате обычная высоковольтная ЛЭП теряет в районе 10% энергии на каждую тыс. км. А HVDC всего около 3% на тыс. км. Какие бы эффективные сверхпроводники и системы охлаждения не использовались в реальных линиях больше 2% на тыс. км сэкономить не получится, а в теории можно только приближаться к 3% (если вдруг изобретут сверхпроводники работающие при комнатных температурах и можно будет вообще не охлаждать и передавать энергию вообще без потерь). Эти ~2%(в теории и будущем 3) на тыс. км гарантированно меньше чем ~7%/тыс.км которые мы уже сэкономили просто перейдя от переменного к постоянному и подняв напряжение на 30-40%(при тех же материалах линии).
                          3. «Таблица 2» содержит данные в разных единицах измерений. Как можно сравнивать «в лоб» показатели если для жидкостей там «кг. у. т./тыс.т•км», а для газа «кг. у. т./млн м3•км»?..

                          Можно (если высокой точности не нужно), т.к. 1 млн кубометров газа примерно равен тысяче тонн другого груза. Если точнее то 1 млн. кубов это около 700 с чем-то тонн. Что еще увеличивает разницу не в пользу газопроводов. Но эти 30%, на фоне разницы в десятки раз не стал писать, т.к. они не существенны — мы же не какой-то конкретный проект считаем.

                          4. На графиках по второй ссылке — примерно то же что и в «Таблице 2». Взяты какие-то данные из вообще разных областей и сравнивается теплое с мягким.

                          Вам не кажется странным, что судя по тем данным переправлять газ по проводу в 128 (!) раз дороже чем на поезде?

                          Как думаете газопровод «Нижняя Тура — Пермь — Горький — Центр», длиной более 1700 км стали бы вообще строить если бы оно так и было? Это не кажется мягко-говоря нелогичным? Об этом же и в комментариях говорят, например nkps.

                          Сложности длинных газопроводов которые вы описали безусловно есть, но они вполне преодолимы. И, пример газопровода «Уренгой — Помары — Ужгород», длиной 4451 км, — это очень явно показывает.

                          Нет, не кажется — газопровод крайне неэффективный, прожорливый вид транспорта. На таких длинных газопроводах типа приведенного в 4,5 тыс км он примерно четверть закаченного в него газа сжирает на саму перекачку самого себя. Технических то возможно любой длины построить, но уже где-то к 7-9 тыс. км половина газа добытого с месторождения будет будет уходить на перекачку газа, и потребитель получит только половину добытого.
                          Именно поэтому на очень длинных дистанциях танкеры-газовозы уже успешно вытесняют сверхдлинные газопроводы. (хотя сами газовозы тоже не слишком эффективны — из-за необходимости газ сжижать). А газопроводы занимают нишу малых и средних расстояний, ну и там где танкером доставить просто физически невозможно из-за отсутствия морских путей между поставщиком и получателем.

                          Где теплое с мягким? Сравнивают предельно конкретные и сравнимые вещи: сколько нужно затратить энергии(в джоулях или кг условного топлива, что фактически одно и тоже) чтобы перевезти 1 тонну груза на 1 километр расстояния. Приведен этот конкретный показатель для разных видов грузов и для разных видов грузового транспорта.

                          Сравнивая трубопровод с поездом вы «забыли», что газ это ГАЗ. Его просто так в поезд не погрузишь. Если захотим возить газ поездом его придется сначала перевести в жидкий вид, и только потом перевозить в хорошо тепло изолированных цистернах (и не смотря на это все-равно часть газа будет испаряться и теряться в процессе). А при доставке в конечную точку опять испарять превращая из жидкости обратно в газ и закачивать в местный газопровод пункта назначения для распределения по потребителям.
                          На это расходуется очень много энергии. Порядка 20-25% от той энергии что хранит в себе сам газ как энергоноситель.
                          Так что не смотря на то, что потом жидкий газ в цистерне будет везти порядка 100 раз «выгоднее» (в плане затрат энергии на 1км пути) чем качать его в газообразном виде по трубе, эта экономия перевесит эти 20-25% потери энергии не зависящей от расстояния, только на очень больших расстояниях. Поэтому на маленьких и средних расстояниях эффективнее оказывается газопровод — хоть сам по себе он неэффективн, но зато ему не нужно 2 раза преобразовать газ — жидкость — газ, а можно на всех стадиях работать с газообразной формой.
                          Но это не отменяет того факта что газопровод с компрессорами это вообще самый неэффективный из известных способов переместить груз из точки А в точку Б. А в плане перемещения энергии(если смотреть на газ не как на груз, а как на энергию в нем хранящуюся), он выигрывает только у ЛЭП переменного тока и то, только в том случае если энергия добывается уже сразу в виде готового газа, а не преобразуется в газ из других видов.

                          То есть, если верить статье, то проблема состоит большей частью в сложности (неэффективности) добычи водорода, а эту проблему как раз решает технология описанная в статье.

                          Не решает. Если верить статье они подняли КПД его выработки до 80% (не считая потери в преобразователях — с ними в лучшем случае 75%). Т.е. 20-25% энергии мы сразу потеряли на преобразовании электричество ==> водород еще никуда его не доставив. Около 10% потеряем перекачивая водород по трубопроводу на хотя бы 2 тыс. км. (это по минимуму — скажем с севера африки в центр европы). А потом около 40% от того что осталось потеряем в топливный ячейках чтобы обратно электричество получить (такой КПД у текущих топливных водородных ячеек)
                          Т.е. 0,75*0,9*0,6 = 0.405 = 40,5% — остались от нашей добытой энергии рожки да ножки, 60% потеряли по пути.
                          Если вдруг получат массовое распространение водородные виды транспорта, где можно будет использовать водород напрямую, тогда уже значительно лучше: 0.75*0.9 = 0.675 = 32,5% потерь. Но это пока теория и неопределенное будущее.

                          Тогда как прямо сейчас можно построить обычную (без сверхпроводников) HVDC линию и передать из африки энергию в виде электричества без преобразований ее в другие виды: около 10-15% потерь на преобразование в начале и конце линии и +3% за каждую тысячу километров самой линии. В нашем примере 2 тыс. км. = 16-20% потерь.

                          P.S.
                          Водород очень емкий накопитель энергии только в расчете на 1кг массы. А на 1 кубометр объема он в несколько раз проигрывает обычному природному газу (метану), для которого были приведены данные в ссылках. Это из-за того, что он примерно в 8 раз легче, а по энергоемкости на 1 кг преимущество менее 3х раз. В результате в 1 кубометре водорода энергии почти в 3 раза меньше.
                          Так что потери в длинных водородных газопроводах если кто-то решится их строить будут вообще чудовищные и намного выше того, что у меня в примере расчета показано (я данные для метана брал, т.к. данных о водородных газопроводах нет, собственно как и самих таких газопроводов промышленного уровня насколько знаю).
                          Потери на перевозку в сжиженном виде так же будет намного выше чем для СПГ — т.к. температура сжижения у него намного ниже, так что и затраты энергии на сжижение будут больше и испаряться в процессе будет быстрее. Ну и плотность в жидком виде так же намного меньше, чем у СПГ, так что объем он будет занимать намного больше и в жидком виде.
                            +1
                            Спасибо за подробные пояснения. Ваши доводы звучат убедительно.

                            Меня по прежнему смущает тот факт, что экономия в 2% на переходе к сверхпроводникам — никак не «вяжется» со звучащими уже несколько лет рассуждениями о строительстве такой линии из Сахары. При том, что это был бы титанический проект и его смысл часто подчеркивается именно как единственно возможный для реализации передачи на таких расстояниях. Понятно что экономия в 2% — никого бы не заставила потратить в миллионы раз больше средств чем на обычную линию.

                            Возможно это связано с дополнительными проблемами при передаче больших объемов энергии (строительство имеет смысл если закладывать в него мощность сравнимую с потреблением нескольких стран).

                            Возможно с ростом объема — доля потерь повышается.

                            Возможно коронные разряды или другие типы негативных факторов оказываются столь велики что строительство HVDC оказывается экономически неэффективно (например, при расстоянии до земли и длине изоляторов в десятки метров — линии было бы крайне сложно строить).

                            Возможно есть другие причины.

                            В любом случае, у меня нет доказательств того что авторы предлагающие сверхпроводниковые решения правы. Так же как нет доказательств того, что вы правы больше чем они. Поэтому думаю продолжать этот спор не имеет особого смысла. Любой кто прочитает эти рассуждения сделает вывод самостоятельно.

                            Удачи вам и спасибо за интересную дискуссию!
                              0
                              Давненько я на Набр/Гт не заходил. Столько накопилось непрочитанного и не отвеченного, попробуем разгребать… :)

                              Не знаю, ни разу не слышал чтобы инвесторами и политиками всерьез рассматривалась именно сверхпроводящая HVDC линия из Африки, а не обычная.
                              По-моему это лишь пожелание/предложение этой группы продвигающей свое ноухау и попытка выдать желаемое за действительное (что без их технологии — якобы никуда и она имеет жизненно важное значение).

                              Грандиозные проекты с генерацией энергии на севере Африки и переброске энергии в Европу по дну моря действительно активно обсуждались, но там везде предполагалось использовать обычные уже испытанные HVDC линии, которые в Европе уже имеются действующих десятки и все довольно хорошо изучено и проверено. Никто бы не решился базировать такой важный и дорогостоящий проект на не проверенной(масштабом и временем) технологии со сверхпроводниками. Проект загнулся (ну почти) из-за геополитических проблем и быстрого падения цен на солнечную энергию (в результате сейчас особых выгод такой мегапроект уже не несет — сравнимые показатели может обеспечить солнечная генерация на юге Европы, если деньги сэкономленные на переброске энергии на лишние несколько тысяч км пустить на увеличение площади панелей, что перекроет меньшую по сравнению с Африкой инсоляцию)

                              Вот один из наиболее проработанных подобных проектов: www.desertec.org/concept/technologies
                              Никакого упоминания о сверхпроводниках, только про HVDC линии.

                              Тут про него на русском прочитать можно: www.popmech.ru/technologies/12615-sakhara-na-eksport-pustynya/#full

                              Проблем с ними особых нет, ни про расстояния до земли (их чаще вообще в виде кабеля под землю или под воду укладывают), ни с разрядами, ни с масштабированием (просто наращиваем сечение кабеля, когда это становится проблематично или неудобно для укладки, начинаем параллельно дополнительные кабели протягивать).
                              2 основные реальные проблемы:
                              1. Довольно большие неизбежные потери в начале/конце линии на преобразование (но как уже писал для сверхпроводящей линии эта часть потерь будет такая же)
                              2. Они совсем не дешевы — даже простейший медный кабель, но соответствующего большого сечения и с высоковольтной изоляцией + механической защитной броней (без всяких сверхпроводников с жидким водородом и прочих футуристических штучек) может стоить больше миллиона долларов за каждый километр. Переброска электричества из Африки в Европу обойдется от 2 миллиардов долларов расходов только на сам кабель. И это еще без учета стоимости прокладки и без учета станций преобразования постоянный <==> переменный в начале и конце линии.

                              Причем мощность такого кабеля по миллиону баксов за км естественно не бесконечная, без значительного роста потерь через 1 такой кабель можно передать где-то до 900-1200 МВт мощности. Если нужно больше, то придется либо делать еще более крупный (и соответственно дорогой) кабель, либо укладывать несколько штук параллельно.
                              Но в этом плане сверхпроводник тоже особо не помощник — хоть сопротивление у него и ноль и формально потерь в нем нет (кроме затрат энергии на постоянное охлаждение), но у всех сверхпроводников есть определенная критическая плотность тока, при превышении которой сверхпроводящее состояние теряется. Что приводит не просто к перегреву и росту % потерь (как при перегрузке обычного кабеля), а к настоящей катастрофе вплоть до разрушения самого кабеля и части оборудования. Поэтому у сверхпроводящих HVDC предельная мощность так же жестко ограничена.
                                0
                                Ну вот, все более менее и прояснилось.

                                Осталось уточнить возможности и примерную стоимость сверхпроводниковых линий. Подробное описание и сравнение есть тут — perst.isssph.kiae.ru/supercond/bulletein/addendum_v4_n5_2007.pdf

                                В частности, в статье описывается устройство СП кабеля, разработанное Ричардом Гарвиным и Юрием Матиссо еще в 60-х. Кабель использует сверхпроводники второго рода и позволяет передавать на 1000 км, 100ГВТ энергии.
                                Стоимость такой линии (за 1000км), по расчетам статьи приближается к $10 млрд.

                                Сравнивая с вашей оценкой (1200МВт за $1 млрд), и учитывая что, по вашим словам, дальнейший рост стоимости — приблизительно линеен (укладка N-кабелей). Получим для 100GВт — стоимость порядка $83 млрд.

                                Т.е. сверхпроводниковая линия как минимум в 8 раз выгоднее обычной HVDC.

                                Но конечно есть но. Серьезной потребности в передаче такого объема энергии на сегодня нет. В той же статье рассматривается реальный проект сверхпроводниковой линии длиной 1000 км, призванный нивелировать разницу в суточном энергопотреблении. При этом срок окупаемости такого проекта оказывается равен 62 годам, что, конечно, очень много.

                                Можно сделать вывод, что на данный момент ситуаций где было бы особенно выгодно использовать для передачи энергии ВТСП — нет. Даже если построить электростанцию в Сахаре — при ее вероятной мощности — будет проще и дешевле использовать обычную HVDC.

                                Однако, если мы говорим о будущем, то Сахара могла бы обеспечить энергией большую часть планеты.
                                1. Сейчас выгоднее стоить солнечные электростанции внутри страны — но они занимают много места, а земля в развитых странах дорожает.
                                2. Другие типы электростанций — наносят больший вред экологии.
                                3. Потребление энергии с каждым годом растет (роботы и электромобили тоже внесут свой вклад).
                                Из этих трех фактов, можно предположить, что в скором будущем человечеству понадобится источник большого количества энергии — желательно очень мощный (десятки-сотни ГВт), экологичный, и где-то подальше от людей.

                                Я вижу два основных варианта, которые реальны на данный момент — термоядерная энергия и солнечная. Но термояд, в отличии от солнечной энергетики — требует на доработку до коммерческого применения кучу времени, и серьезных затрат на получение топлива.

                                В то же время, учитывая как быстро сейчас развивается робототехника — можно помечтать. Представить заводик в Сахаре, производящий роботов, которые собирают и устанавливают солнечные панели. Прямо в сахаре — есть практически все необходимые полезные ископаемые (железо, медь, редкие металлы и т.п.). Конструкции (здания, опоры) — возводят прямо из песка методом 3D печати. Только процессоры и платы — им раз в месяц завозят самолетом. Такой завод — мог бы стать первым предприятием почти замкнутого цикла)) И только площадь солнечных панелей и выходная мощность — будет расти…
                                И вот тогда нам вполне могут понадобиться сверхпроводящие HVDC.
                                Конечно это все мечты. Если ли в них что-то реальное — увидим.
                              0
                              Отлично расписали. Ваш комментарий, да в виде статьи!
                                0
                                Статью о чем именно? Во всем написанном вроде только один интересный/не очевидный факт — о том, что газопроводы весьма прожорливый и не эффективный вид транспорта. Просто у большинства еще со школы/института в голове засел штамп, что трубопроводный транспорт это самый эффективный вид грузового транспорта.
                                И это правда, но относится только к транспортировке жидкостей по трубопроводам. А для газов все сильно по другому и трубопровод оказывается наоборот одним из наименее эффективных способов транспортировки.
                0
                Я бы вообще предложил бы транспортировку аккумуляторов (или если в тему статьи — сжиженный водород) по железной дороге или даже на дирижаблях (особенно если по ветру или его нет вовсе, или летит такой дирижабль очень низко, привязанный к земле дешевой 'железной дорогой'), так как при заметно низких скоростях затраты на эту транспортировку очень низкие (дирижаблю и воздушному шару приходится тратить энергию на преодоление сопротивления воздуха, из-за высокой парусности).
                  0
                  Сжиженный водород — это довольно дорого и очень опасно.
                0
                Негусто того водорода до европы дойдёт. В основном по дороге просочится в щели.
                  0
                  Между Францией и Бельгией нормально функционирует 400 километровый водородный трубопровод.
                  Даже если будут серьезные проблемы — можно пересылать в герметичных баллонах по трубам, наподобие Hyperloop.
                    +1
                    герметичный баллон для водорода весит в десятки раз больше, чем запакованный в него водород. При таких накладных расходах на пересылку всё это не имеет никакого смысла, ни экономического, ни энергетического.

                    400 км водородопровод — самый большой, уникальный и т.п. 400 км со смешным давлением — вообще ни о чём, нужны тысячи км, и давление повыше. Трубы понадобятся толще, чем для газа, производительность при этом ниже — прощё из Катара газопровод проложить, чем с водородом заморачиваться. Очень уж это неприятный газ.

                    Или на месте из того водорода + C02 из атмосферы метан делать, а уже его можно и в трубу.
                      –1
                      Под передачу водорода даже обычные газопроводы используют, с минимальными изменениями. А некоторые водородные трубопровода действуют уже по полвека без единой аварии. Почему вы думаете, что возникнут настолько непреодолимые сложности, что прямо «никакого смысла, ни экономического, ни энергетического»? Если есть примеры расчетов — то можно ознакомиться.

                      Также и с передачей в баллонах — да, сами баллоны тяжелые, но в вакууме и на магнитной подушке это во многом нивелируется. Главные потери энергии будут на разгоне, а там у нас как раз большие энергетические ресурсы. При торможении же, можно энергию назад извлекать, так что будет еще один канал передачи энергии — кинетический.

                      И я нигде не говорил, что все легко и просто. Говорил только, что это проще чем передача энергии по сверхпроводникам, потому что не надо охлаждать огромный проводник которые еще непонятно как изготовить такой длины… Естественно, что если бы все было просто — кто-то бы это уже делал. Но открытие описанное в статье делает этот путь чуть легче. Возможно другие открытия, например недавние достижения в разработке водородных абсорбентов — сделают такой вариант еще ближе.

                      Просто солнечная энергия — одна из самых экологически чистых. И в некоторых местах ее добыча гораздо более эффективна чем в других. Если научиться еще ее эффективно передавать то, будущее, которое хотелось бы увидеть — станет немного ближе.
                –5
                Против закона Кулона не попрешь, и выход водорода по току существенно увеличить не выйдет. Возможно, за счет этого катализатора увеличивается ресурс и растет КПД. А на самом деле это сильно проапгрейженый электродный кипятильник из двух лезвий:
                  0
                  Выход по току тут и не увеличивают, тут снижают напряжение чтобы при том же токе и том же объемы выделяющегося водорода использовать меньше мощности (и энергии).
                  К кипятильнику ничего общего не имеет — там наоборот высокое переменное напряжение используется, чтобы наоборот минимизировать электролиз (и выделения водорода с кислородом) и максимально увеличить нагрев.

                  Т.е. прямо противоположные друг другу задачи.
                  +2
                  Электролиз воды это очень интересно! В журнале Моделист конструктор когда-то обнаружил статью «Огонь из воды». Описание самодельного электролизера, расщепляющего водный раствор щёлочи Кольца. Фактически это горелка на кислородо-водородной смеси. На работе товарищ в качестве эксперимента засунул в трёхлитровую банку, наполовину наполненную водой, два куска проволоки, воткнутых в капроновую крышку. Туда же воткнул штуцер, подсоединил трубочку капельницы с иглой. Запитано всё было от понижающего трансформатора, через диодный мост на довольно слабеньких диодах. В процессе экспериментов один из диодов от перегрева отпаялся. Пламя ушло внутрь, игла расплавилась и закапала. А потом произошёл взрыв. Благо с банки просто сорвало крышку. Но сбежалась все сотрудники нашей службы. С тех пор коллеги прикалывались над нами. Называли отцами водородной бомбы. Руководство настоятельно рекомендовало не проводить такие эксперименты, если не хотим быть уволенными. По той статье у меня лежат изготовленные пластины из нержавейки, резиновые прокладки изоляторы. Нет толстого плексигласа на боковые стенки. Как то вот страшновато теперь собирать эту установку.
                    0
                    Водяной затвор — наше все.
                      0
                      А подобное подростком делал. Делов только собирать газы отдельно друг от друга, не давая смешиваться раньше времени.
                      У меня это было решено перегородкой в емкости (в верхней части, где газы собираются, в нижней где жидкость отсеки естественно сообщались) и двумя трубочками идущими к «горелке» смешиваясь в ней.
                      Получался собственной микроскопический газосварочный аппарат. А при необходимости можно было чистый водород собрать — например шарики воздушные надувал вместо гелия.
                      Все безопасно, никаких взрывов.

                      Ну а если цель только «горелка» — то как выше написали можно еще проще — через гидрозатвор, чтобы в нештатной ситуации огонь не смог пройти обратно в электролизер
                      0
                      82% ???!!!
                        0
                        Я не понимаю, о каком усовершенствовании идет речь? Количество энергии, необходимое на расщепление воды на водород и кислород будет сравнимо с энергией, выделяемой при обратном их сгорании.

                        Умельцы вполне клепают электролизеры (для горелки) из железных электродов и раствора соды (осторожно, перец тот еще, если на сайте есть что то про вечный двигатель, а объем газа считает в 'бульках', но все что касается электролиза рассуждает вполне себе здраво), с эффективностью порядка 3-4литров на ватчас, а между пластинами нужно напряжение порядка 2 вольт (вместо повышения площади электродов используется многослойная конструкция с последовательным подключением, повышающая требования к напряжению линейно от количество пластин).

                        p.s. или проблема возникает именно в отделении водорода от кислорода при таком близком размещении пластин?
                          0
                          Проблема ещё в КПД. Количество энергии, необходимое на расщепление воды на водород и кислород всегда будет БОЛЬШЕ, чем получим при их сгорании. Часть энергии просто разогревает раствор. Вот и ищут решения для повышения эффективности.
                            0
                            Боюсь 20%-30% потери на выпрямителях (или более обще, блоках питания) более существенны.

                            p.s. если речь идет о единицах и десятках процентах КПД при выборе дешевых электродов из железа и дорогих из платины, то мне тем более не понятна суть проблемы.

                            А еще, требования к качеству электроэнергии для электролиза заметно низкие, т.е. при использовании альтернативной энергетики можно существенно с экономить на управляющей электронике (не удивлюсь, если схема электролизера на основе солнечных батарей или ветряков может быть вообще без какой либо электроники, буферных аккумуляторов и т.п. черт с ней с эффективностью, стоимость самой установки и ее обслуживания становится на столько копеечной что критичными останутся только занимаемое место и шум).

                            p.p.s. если говорить о водороде как способе хранения и передаче энергии, то заметное ее количество теряется на сжижение и транспортировку
                            Но как источник энергии для любого летающего (а точнее оторванного от наземной инфраструктуры) транспорта, как мне кажется, водород будет вне конкуренции еще долго.
                              0
                              Вообще тема интересная, надо погуглить на досуге. Что-то мне кажется, что КПД будет не на единицы процентов отличаться, а на десятки. Тот же кипятильник из двух лезвий в сети переменного тока моментально кипятит стакан воды, много там за это время «наэлектролизуется»? Думаю — совсем нет. С постоянным током всё гораздо лучше, но от состава электролита и электродов тоже очень многое зависит.

                                0
                                На сайте этого умельца есть таблички и эксперименты (очень понравилось, что все исследования проводились буквально на коленке без каких либо приборов кроме мультиметра, правда его же эксперименты по вычислению сколько тепла выделяется в электролизере по сравнению с обычной электролампочкой и его выводы очень смешные).

                                С помощью них было показано что максимальная эффективность достигается при повышении площади пластин, при определенном расстоянии между ними и при не превышении напряжения между пластинами (при увеличении площади растет ток потребления). Обычные не практичные экспериментаторы засовывают маленькие электроды (гвозди) на большом расстоянии, прикладывают слишком высокие напряжения и не мудрено, что вода нагревается вместо электролиза.
                                0
                                1. На качественных БП уже давно нет таких больших потерь на преобразовании, качественный преобразователь промышленной мощности потеряет не более 5%
                                2. Речь идет об увеличении КПД минимум на 10% при использовании как раз простых (дешевых) электродов вместо дорогих из платины и иридия.

                                Сам эффект это те самые мифические «нанотехнологии». В данном случае реальный пример их использования — обычные известные материалы, но с применением структурирования нано уровня получили новые (лучшие) свойства.
                              0
                              Усовершенствование в возможности как раз сократить напряжение на 1 ячейку с порядка 2 в, до 1.5 (что снижает расход энергии на ~25%) при сохранении достаточно высокой удельной интенсивности процесса.
                              +2
                              Есть такое явление — перенапряжение водорода. Это то дополнительное напряжение, сверх теоретического, которое необходимо для того, чтобы происходил электролиз. Никаких других способов повышения КПД, кроме снижения этого перенапряжения, в наше время, видимо, не существует.
                              Есть несколько теорий, объясняющих возникновение перенапряжения водорода. Одна из них, например, утверждает, что катод в растворе можно представить, как транзистор с оборванной базой, где база — окисел на катоде, а эмиттер и коллектор — границы с металлом и водой.
                                0
                                Встречал в сети схему на двух NE555 для питания электролизёра импульсным током. Утверждалось, что эффективность выше. Собирать не пробовал.
                                  0
                                  Ух, каких только схем не видел. Даже такие, которые утверждали, что если питать электролизёр особой формой тока (постичь которую смог только автор), КПД электролиза превысит 100%, и можно вечный двигатель собрать. Резонанс молекул, неведомые поля…
                                    0
                                    Это известная байка, типа ячейка мейера итд итп, по упомянутой ссылке на аналогичную статью geektimes.ru/post/234523 есть небольшая дискуссия)
                                      0
                                      Байка-байкой, но люди эти схемы удачно продавали! Расчет на то, что олух, заплативший за это деньги, ни сам электролизёр, ни ответную часть (топливную ячейку) собрать будет не в состоянии.
                                        0
                                        Байка-байкой, но люди эти схемы удачно продавали
                                        Даже и не сомневаюсь, лох не мамонт, как говорится.
                                  0
                                  Да, господа, вы конечно же правы… Но так хочется верить в чудеса! Получить персональный, неисчерпаемый источник энергии. И послать всех на…
                                    0
                                    >хотя, кислород лучше не собирать, а сразу отпускать в атмосферу
                                    А потом будем очищать атмосферный воздух, когда понадобится окислитель для топливного элемента.
                                      0
                                      Часто таскать с собой еще один баллон с кислородом дороже выходит.
                                        0
                                        Да практически всегда. Кроме этого еще сначала сжать до сверх высокого давления тоже придется (а это приличные дополнительные затраты энергии) и весит он в отличии от водорода много: на каждый 1 кг водорода придется возить с собой по 8 кг кислорода (и это не считая массы баллона для него).

                                    Only users with full accounts can post comments. Log in, please.