Российская промышленность

Нет катализаторов не из платиновой группы для водородных топливных элементов.

Водородные топливные элементы не запускаются при отрицательных температурах.

Энергия инициации взрыва гремучего газа искрами от статики на уровне "погладил кошку"

Из совокупности этих проблем и получается, что водород и годится только на что то, где дохрена объёма и есть постоянное потребление или наоборот одноразовое использование. Ну допустим для электрички (коих в Германии несколько таки поехало). Все остальные проекты с ценой не считаются: есть ракеты с водородом в качестве топлива, подводные лодки на топливных элементах. Были космические корабли на них же. Я даже могу представить автомобиль-такси, но отнюдь не машину для повседневного пользования.

Завод вчера и сегодня

Отправимся на Московский нефтеперерабатывающий завод (МНПЗ), куда ежегодно поступает более 12 миллионов тонн нефти. За 40 лет эта цифра подросла в 1,25 раза (на три миллиона тонн), а соотношение получаемых из углеводородного сырья продуктов и их число выросло в 1,5 раза. Это значит, что переработка стала эффективней: из того же объема сырой нефти получается больше полезных продуктов.

Самыми востребованными на рынке нефтепродуктами по сей день остаются светлые: бензин, керосин и дизельное топливо. Спрос на мазут — темный продукт — сегодня сокращается: его используют как топливо для судов и тепловых электростанций, но все реже и в меньших количествах. Поэтому показателем эффективности или глубины нефтепереработки для завода является количество оставшегося мазута — чем его меньше, тем глубже считается переработка сырой нефти.

Если нефтеперерабатывающий завод не выпускает мазут, то глубина переработки нефти близка к 100%. Если 10% поступающей нефти превращается в мазут, то глубина переработки приближается к 90%.

Ксения Дорохова, технолог Московского НПЗ

Отделить рок-группу от оркестра

Нефть состоит из множества органических веществ с примесью неорганических, например серы. Основные нефтепродукты — это тоже смеси, но не такие многокомпонентные.

Самые легкие составляющие нефти — это газы вроде пропана и бутана. Их молекулы в атомном мире были бы рок-группами: в молекуле пропана, например, всего три атома углерода. Самые тяжелые составляющие нефти — вязкие смолистые вещества — целые «оркестры», молекулы которых слеплены из 18–35 атомов углерода. Между рок-группами и оркестрами располагаются углеводороды-«ансамбли», содержащие до 11 атомов углерода — из таких молекул состоит бензин и дизельное топливо.

В сырой нефти компоненты бензина, керосина и других продуктов содержатся в готовом виде, их нужно только выделить. Это делают на первой стадии переработки нефти — перегонке.

Перегонка — это ступенчатое нагревание нефти. В основе этого процесса лежат химические свойства молекул: температура кипения и испарения легких компонентов меньше, чем у тяжелых. Сначала нефть нагревают до 30 градусов, отделяют от нее газы (пропан, бутан, пропилен), которые затем собирают и сжижают. После этого оставшуюся нефть продолжают плавно нагревать до 80 градусов, когда вскипают и испаряются компоненты бензина с наименьшим содержанием углерода. Эти пары тоже собирают и конденсируют. Затем наступает черед компонентов бензина с температурой кипения 80–180 градусов: нефть становится почти вдвое горячее кипятка в вашем чайнике (вода кипит при 100 градусах). При дальнейшем нагревании отделяется керосин, а затем дизельное топливо.

Часть комбинированной установки для первичной переработки (перегонки) нефти

Компоненты бензина после перегонки нужно облагородить: очистить от серы, азота, кислорода, а затем подвергнуть химическим превращениям: изомеризации и риформингу. При изомеризации молекулы меняют структуру: атомы в них выстраиваются по-новому. Это увеличивает октановое число бензина, чтобы топливо не воспламенялось в камере сгорания двигателя раньше времени. Риформинг позволяет снизить количество парафинов и нафтенов и повысить долю ароматических соединений. Благодаря этому двигатель легко заводится в морозы, а автомобиль резво разгоняется.

После перегонки в нефти остается достаточно компонентов, которые можно превратить в светлые продукты. Но если нагревать дальше, начнутся нежелательные химические реакции. Поэтому вторая остановка на пути превращения нефти в светлые продукты — вакуумная перегонка.

Сила пустоты

На уроках физики детям показывают любопытный опыт. Под стеклянным колпаком стоит стакан с водой, из-под колпака откачивают воздух, и вода вскипает при комнатной температуре. Дело в том, что при падении давления температура кипения жидкости снижается. Этим и пользуются при вакуумной перегонке нефти. В вакууме можно испарить и отделить вещества, которые не кипят при атмосферном давлении. Из современных установок можно откачать больше газообразных углеводородов, чем 40 лет назад, то есть создать в них более высокий вакуум и повысить эффективность переработки.

Установка для первичной переработки нефти с блоком для вакуумной перегонки

В ходе вакуумной перегонки нефть разделяется на легкий вакуумный газойль, тяжелый вакуумный газойль и гудрон. И легкий, и тяжелый газойль — желтые жидкости легче воды, но молекулы тяжелого газойля длиннее, чем у легкого. Гудрон — черная смолистая масса, на грани между очень вязкой жидкостью и твердым веществом. Из него делают битум, который используется при строительстве дорог, создании кровельных и других строительных материалов.

Легкий газойль после очистки в основном идет на производство дизельного топлива. Тяжелый газойль в чистом виде не используется: его превращают в бензин с помощью крекинга.

Обрывки молекул

В процессе крекинга (от английского cracking — расщепление) длинные молекулы тяжелого газойля рвутся на несколько более коротких — составляющих бензина. Чтобы молекулы разорвались, оставшуюся после перегонки нефть нагревают в присутствии цеолитного катализатора. Это вещество, которое ускоряет химическую реакцию, но само при этом в ней не участвует.

«Цеолитный катализатор — это материал с пористой структурой, его можно сравнить с губкой. Такая конфигурация нужна для увеличения поверхностной площади катализатора. Чем она больше, тем на большее число реакций может повлиять катализатор», — рассказывает технолог Ксения Дорохова.

Примерно 54% смеси, попавшей на каталитический крекинг, превращается в бензин. Малая доля приходится на газы и дизельное топливо. Все остальное — мазут, состоящий из тяжелых многоатомных молекул.

Для превращения тяжелого газойля в бензин используют особые катализаторы

Можно ли сделать крекинг таким, чтобы мазута не оставалось совсем? Да, если увеличить температуру. Но тогда начнут разваливаться молекулы бензина, а основным продуктом станут газы. Температура крекинга подобрана так, чтобы выход востребованного нефтепродукта — бензина — был максимальным.

В 1980 году на Московском НПЗ выпускали сухой лед и изделия из полипропилена: от садового инвентаря до приборных панелей для автомобилей. Сейчас эти производства остановлены ради выпуска более востребованных продуктов.

До чего дошел прогресс

40 лет назад из тонны нефти получали только 173 килограмма бензина, сегодня почти в полтора раза больше — 241 килограмм. Все благодаря более глубокому вакууму при вакуумной перегонке: в 1980-м эту технологию еще не применяли, как и установку для крекинга с использованием катализаторов, — ее построили в 1983-м.

Изменение процесса облагораживания бензина привело к появлению премиального бензина с октановым числом 100: его стали выпускать в 2020 году.

Выход дизельного топлива увеличился с 205 до 327 килограммов. В основном это продукт перегонки нефти, но свой вклад вносят и вакуумная перегонка, и крекинг. Технологии производства дизельного топлива зависят от времени года. Зимой на МНПЗ выпускают зимнее дизельное топливо с низкой температурой замерзания, меняя структуру парафиновых углеводородов, — благодаря этому они не кристаллизуются и не твердеют на холоде.

Количество продуктов из нефти 40 лет назад и сейчас

Еще один полезный продукт нефтепереработки — смесь пропана и пропилена, изготавливаемая с помощью крекинга. После перехода на каталитический крекинг производство этой смеси выросло с двух килограммов на тонну нефти до 12.

Несколько иначе производится авиационный керосин. Это продукт прямой перегонки нефти: ни вакуумная перегонка, ни крекинг в его производстве не участвуют. Тем не менее, выход продукта по сравнению с 1980 годом увеличился с 45 до 71 килограммов на тонну нефти.

Из тяжелого остатка крекинга на МНПЗ производят 15 марок битума, от кровельных до дорожных. В битум превращается 129 килограммов из каждой тонны нефти, а в 1980 году было 28 килограммов — больше из мазута извлечь не получалось. Сорок два года назад при переработке тонны нефти на Московском НПЗ получалось 440 килограммов мазута, сегодня гораздо меньше — 173 килограмма. Все остальное превращается в более ценные продукты.

К 2025 году на заводе планируют построить комплекс глубокой переработки нефти, который поможет расщеплять ее тяжелые компоненты. Из самых неуступчивых веществ будут делать кокс, который применяется в металлургии, а глубина переработки нефти достигнет почти 100%.

Оригинал статьи и другие материалы читайте на сайте журнала Энергия+:
https://e-plus.media/

В кинофильме «Служебный роман» главный герой товарищ Новосельцев вел спокойную предсказуемую жизнь «работа-дом». Но все изменила женщина — Людмила Прокофьевна Калугина. Из-за общения с ней Новосельцев начал делать несвойственные ему вещи: ходить на свидания и продвигаться по карьерной лестнице. Роль Людмилы Прокофьевны для электронов в солнечной батарее выполняют фотоны видимого света. Как энергия света превращается в электрическую, как устроена солнечная батарея и какие перспективы у солнечных электростанций — выясняла «Энергия+».

Строгая начальница Людмила Калугина в фильме казалась надменной и не умеющей взаимодействовать с подчиненными как с живыми людьми. «Наша мымра!» — называли ее в коллективе, пока не разглядели мягкие черты характера.

Составляющие солнечного света, как и грани личности высокого руководства, разглядит не каждый, — Солнце для наших глаз словно сплошное яркое пятно. На деле его лучи состоят из электромагнитных волн, которые разлетаются от звезды во все стороны. Некоторые волны долетают до Земли, где проходят слои атмосферы и, наткнувшись на препятствие, например солнечную батарею, могут повести себя необычно — как частицы (фотоны). Они взаимодействуют с атомами вещества солнечных элементов, почти как шары друг с другом на бильярдном столе — сталкиваются и обмениваются энергией.

Когда свет падает на солнечную батарею, фотоны передают свою энергию электронам атомов в веществе солнечных элементов. Электроны становятся более «активными» и, как Новосельцев из «Служебного романа», могут выйти из зоны комфорта — покинуть пределы своих атомов, став свободными носителями заряда. Но все ли электроны могут повести себя так, и куда попадут те, у которых получится?

Процесс, в котором электроны взаимодействуют с фотонами, называется фотоэлектрическим эффектом. Уравнение фотоэффекта привел в 1905 году Альберт Эйнштейн. Он объяснил этот процесс, введя понятие квантов, то есть порций энергии. Именно за описание фотоэффекта, а не за знаменитую формулу E = mc2, физик и получил Нобелевскую премию в 1921 году.

Фотоэффект впервые был обнаружен в 1887 году Генрихом Герцем. Ученый исследовал излучение электромагнитных волн, используя специальный разрядник — разрезанный пополам стержень с парой металлических шариков на концах, между которыми при подаче напряжения проскакивала искра. Герц обнаружил, что при облучении отрицательно заряженного шарика ультрафиолетом искра образовывалась при меньшем напряжении. Год спустя русский физик Александр Столетов подробно исследовал явление фотоэффекта и сформулировал его основные закономерности, а уже потом Эйнштейн привел описание фотоэффекта.

ЧТО ПРОИСХОДИТ В СОЛНЕЧНОЙ БАТАРЕЕ

Солнечная батарея состоит из элементов (фотоэлементов), а каждый из них — из двух кремниевых слоев. В одном слое примесь фосфора. На внешней оболочке его атомов пять электронов, а на внешней оболочке атомов кремния четыре. Внешние электроны кремния и фосфора могут попарно «сцепиться» друг с другом и образовать ковалентные связи, но один электрон, пятый, останется без пары и будет молча наблюдать в стороне. Связь электрона-холостяка с ядром ослабеет, и потребуется намного меньше энергии, чтобы вытолкнуть его из родного атома — хватит воздействия фотона солнечного света. Из-за избытка слабо связанных с ядрами электронов кремний с примесью фосфора становится полупроводником n-типа с электронной проводимостью.

Другой кремниевый слой элемента солнечной батареи также содержит примеси, но иного типа. Пример такой примеси — бор, атомы которого имеют по три электрона во внешней оболочке. Один не связанный электрон в данном случае остается у атома кремния, и переживает он свое одиночество более агрессивно, чем электрон примесного фосфора. Электрон-одиночка становится «разлучником». Он разрывает ковалентную связь, образованную соседними электронами двух атомов кремния, забирает у одного из атомов электрон, оставляя в другом пустое место — дырку. Атом с дыркой вместо электрона ведет себя как положительно заряженная частица, заряд которой численно равен заряду электрона. В результате слой кремния с примесью бора становится полупроводником p-типа с дырочной проводимостью.

«Отношения» молекул, атомов, электронов и ядер немного напоминают человеческие: внешние электроны разных атомов могут образовывать пары (химические связи) или в одиночестве «делать карьеру» — отрываясь от родного атома под действием солнечного света, становиться частью электрического тока в проводах и розетках

При контакте двух слоев отрицательно заряженный электрон и положительно заряженные дырки могут свободно перемещаться, отчего их иногда называют свободными носителями заряда. Носители, как и все в природе, мечтают о зарядовом балансе и хотят попасть в слой, где смогут найти пару: электроны стремятся в полупроводник p-типа, а дырки — в полупроводник n-типа. Но пройти границу между слоями непросто, и носители заряда выстраиваются вдоль нее. Из-за этого между разными слоями на p-n-переходе возникает электрическое поле-барьер, и преодолеть его электроны и дырки могут только через внешнюю электрическую цепь — полезную нагрузку (например, лампочку). Такое направленное движение зарядов и есть электрический ток во внешней цепи.

ТОК ПОЛУЧИЛИ. А ДАЛЬШЕ?

Сама по себе солнечная батарея не включит лампочку и не зарядит телефон, к тому же уровень напряжения зависит от освещенности панелей. Чтобы мощность автономной батареи была максимальной и можно было подключать в сеть нагрузку, используются так называемые контроллеры заряда — они постоянно варьируют ток солнечной батареи (мощность равна произведению тока и напряжения). Если батарея подключена к централизованной сети, используется инвертор, преобразующий постоянный ток солнечной батареи в переменный.

Не каждый фотон «мотивирует» электроны в солнечных панелях превратиться в электрический ток. Часть фотонов просто отскакивает от поверхности — из-за высокого показателя преломления кремний сильно отражает свет. Вот почему доступный в больших количествах солнечный свет не может в полной мере преобразоваться в электрический ток. Чтобы уменьшить потери на отражение, солнечные элементы покрывают антибликовым покрытием, а также искусственно затемняют их поверхность.

Для увеличения эффективности солнечных батарей их покрывают антиотражающим покрытием, искусственно затемняют для лучшего поглощения света, защищают от влаги и даже перегрева

Солнечную батарею принято накрывать прозрачным стеклом: оно защищает от влаги и фотонов, чья энергия слишком велика: без стекла они будут проскакивать батарею насквозь и нагревать ее, а не отдавать энергию электронам, — так, слишком громкий голос начальницы из «Служебного романа» никак не мотивировал главного героя на свершения.

Алексей Тарасенко

Старший научный сотрудник Объединенного института высоких температур РАН

На одном солнечном элементе возникает напряжение 0,6–0,7 вольт — этого не хватит для нужд потребителей. Поэтому элементы и собирают последовательно в батареи по 36, 60 или 72 штуки, что позволяет обеспечить рабочее напряжение в 12–48 вольт — это сопоставимо с напряжением автомобильных аккумуляторов.

ЭФФЕКТИВНОСТЬ И БУДУЩЕЕ СОЛНЕЧНЫХ ПАНЕЛЕЙ

Первые солнечные батареи появились в середине прошлого века. Кремниевые модули до сих пор самые востребованные: из-за больших объемов производства кремния нужного качества они занимают почти 95% современного рынка преобразователей энергии света. За прошедшие годы их КПД вырос: серийные солнечные панели эффективно перерабатывают около 17–19% попадающего на них солнечного света. В лабораторных экземплярах из перовскита и кремния удалось преодолеть показатель в 30%.

Солнечные панели снабжают энергией небольшие объекты — частные дома, небольшие здания, автозаправочные станции, панели устанавливают на промышленных предприятиях, но в одиночку солнечные электростанции не смогут покрыть растущие потребности человечества в энергии.

Солнечная станция мощностью 1 мегаватт на Омском нефтеперерабатывающем заводе состоит из 2,7 тысяч солнечных панелей и полностью обеспечивает электроэнергией комплекс административных зданий завода

Главные вызовы при строительстве солнечных парков — транспортировка и накопление энергии, также производительность панелей снижают пыль и грязь, пасмурные дни и даже сильный нагрев. Сегодня солнечные станции производят меньше 4% мирового электричества, тогда как уголь, нефть и газ продолжают покрывать более 80% энергетических нужд человечества.

Оригинал статьи и другие материалы читайте на сайте журнала Энергия+:
https://e-plus.media/