Ученые из Южной Кореи и Японии сделали шаг к созданию новых топливных элементов для электромобилей и генераторов. Главная проблема современных твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) в том, что для их работы нужны очень высокие температуры — свыше 800 °C. Это дорого, сложно и не всегда безопасно.

Решение оказалось неожиданным: исследователи создали «дышащий» кристалл — материал, который умеет по требованию выделять и поглощать кислород, по аналогии с тем, как это делают человеческие легкие. Благодаря этому процесс можно запускать уже при 400 °C, то есть в два раза ниже привычных значений.

Секрет в составе: это оксид металла на основе стронция, железа и кобальта. Он выдерживает многократное использование, не разрушается и открывает путь к долговечным и более эффективным топливным элементам.

Новинка может пригодиться в электромобилях — для увеличения запаса хода в стационарных генераторах — для производства энергии с минимальными выбросами. В электронике — в «тепловых транзисторах», управляющих теплом в микросхемах и в умных окнах — для регулирования температуры в зданиях.

Как отмечают авторы разработки, это важный шаг к созданию «умных материалов», которые смогут адаптироваться в реальном времени и работать сразу в нескольких сферах — от энергетики до строительства.

Больше интересной информации про топливо, нефть, энергию и энергетику в телеграм-канале ЭнергетикУм

Рассмотрим потенциал водорода в качестве альтернативы ископаемому топливу с точки зрения стоимости и эффективности. А также ответим на вопросы: сможет ли водород сократить выбросы парниковых газов и придет ли он в центры обработки данных в будущем? Тему раскрыл Стивен Хилл — корреспондент журнала Data Center Knowledge.

Электричество является топливом ИТ-инфраструктуры: от практически каждого компонента до систем охлаждения центров обработки данных. К сожалению производство электроэнергии является вторым по величине источником парниковых газов, на долю которого приходится 25% от их количества. Правда есть альтернатива в виде экологичных вариантов производства электричества, таких как гидроэнергетика, солнечная, ветровая и геотермальная генерация. Их доля медленно растет на протяжении десятилетий, но у большинства дата-центров есть лишь несколько традиционных альтернатив на основе углеводородов, включая резервное электропитание, вырабатываемое дизель-генераторными установками (ДГУ). И здесь есть потенциал использования водорода не только в системах резервного питания, но и в качестве замены ископаемого топлива для электропитания ЦОДов будущего.

Водород – экологичный вариант сокращения выбросов парниковых газов

NASA использовало водород для исследования космоса еще в 1940-х годах. Начиная с миссий Gemini и космических шаттлов до современных ракет Boeing Delta III и IV. Все верхние ступени ускорителей основаны на топливных системах с жидким водородом и жидким кислородом, которые создают самый высокий удельный импульсный КПД среди любого вида топлива. Более того, с середины 60-х водородные топливные элементы обеспечивают большую часть электроэнергии почти для каждого пилотируемого космического корабля.

На Земле однако водород не заменил бензин и дизтопливо в двигателях внутреннего сгорания. И это несмотря на то, что в этом направлении было потрачено много времени и сил. Произошло это, отчасти из-за более высокой воспламеняемости водорода, вызывающего преждевременное зажигание в традиционных бензиновых двигателях, не говоря уже о его полной непригодности в дизельных двигателях с воспламенением от сжатия. Более того, даже после некоторого успеха двигателя, работающего на водороде, сжигание водорода вместе с обычным воздухом по-прежнему производит много парниковых газов. Правда ведутся исследования по сочетанию природного газа с азотом до 30% с тем, чтобы сократить выбросы парниковых газов, но дальше лабораторных разработок дело не пошло.

С другой стороны, сочетание технологии топливных элементов и водорода может оказаться идеальной моделью для производства зеленой электроэнергии с почти нулевым выбросом парниковых газов. Прелесть топливных элементов состоит в том, что на входе мы берем водород и кислород, а на выходе получаем электроэнергию и водяной пар. (К примеру, вода, произведенная топливными элементами космического корабля «Аполлон», была достаточно чистой для того, чтобы ее можно было пить). Трудно придумать что-то намного более “зеленое”, чем это.

Системы топливных элементов, работающие на водороде, спирте или метане, оказались такими же надежными, как и любая другая система производства электроэнергии, а отсутствие каких-либо движущихся частей может существенно снизить затраты на техническое обслуживание из-за износа. Один небольшой недостаток водородных топливных элементов заключается в том, что электроэнергия вырабатывается в виде постоянного тока, в то время как подавляющее большинство инфраструктуры центров обработки данных работает на переменном токе. Но это не является серьезной проблемой, поскольку существует проверенная инверторная технология, которая уже используется в системах резервного питания ЦОДов с применением аккумуляторных батарей и эта технология, обладает относительно небольшим снижением эффективности — на уровне 5-6%.

Газовая турбина — еще один способ использования водорода для выработки электроэнергии. Нынешним “королем горы” является General Electric 7HA.03, производящий 430 МВт электроэнергии (а в пике 640 МВт) при КПД 61%. С целью максимального сокращения выбросов парниковых газов он может работать на топливной смеси, содержащей до 50% водорода, но в планах — 100% использование водорода в ближайшем будущем. Работая на природном газе в тестовом режиме турбина сожгла 3,3 тонны смеси воздух/природный газ и выбросила всего 183 мл загрязнений.

К относительной эффективности газотурбинного генератора добавляется тот факт, что он вырабатывает сразу переменный ток, что устраняет необходимость в инвертировании. Современные турбины можно разогнать до полной нагрузки менее чем за 20 минут и уменьшить до менее чем 30 % от номинальной мощности, не выходя при этом за допустимые нормы выбросов, что является важным фактором, когда речь идет о балансировке колебаний спроса в течение суток.

Что ожидать?

После многих десятилетий исследований и экспериментов мы, возможно, наконец подошли к переломному моменту, когда водород станет жизнеспособной альтернативой ископаемому топливу с точки зрения стоимости, доступности, эффективности и, что, возможно, наиболее важно, сокращения выбросов парниковых газов. Анализ этих проблем менялся с годами, но суть в том, что спрос на ИТ-услуги будет только расти, а это означает, что операторам центров обработки данных, которые могут содержать до 100 тысяч серверов скоро потребуются уже гигаваттные резервные мощности.

На данный момент у водорода есть потенциал, если речь идет об экономике резервного питания и электропитания в целом для ЦОДов будущего. Причем этот потенциал увеличится в свете необходимости сокращения выбросов парниковых газов. В настоящее время существуют инициативы, которые помогут склонить чашу весов в пользу водорода. Например, проект Earthshot — Hydrogen Shot, запущенный в июне 2021 года, преследует цель снизить стоимость чистого водорода на 80% до 1 доллара за килограмм за одно десятилетие. Это даст развитие и остальной части цикла, связанному с хранением и транспортировкой водорода.

Необходимо заметить, что в мире проводится множество исследований для решения других проблем, таких как развитие реверсивных топливных элементов, которые генерируют электроэнергию, когда это необходимо, и возвращаются к электролизу для хранения избыточной энергии, когда потребность в энергии падает.

Среди прочих разработок:

- развитие высокотемпературного электролиза, который может использовать тепло геотермальных, солнечных и даже ядерных реакторов для производства водорода из воды;

- поиск новых сплавов, которые могут быть столь же эффективными, как драгметаллы, используемые в настоящее время в качестве катализаторов электролиза;

- применение полимеров в качестве электролита в протонообменной мембране топливных элементов;

- развитие криотехнологий для регазификации сжиженного природного газа и предварительного охлаждения водорода для его собственной газификации;

- исследования в области опреснительных топливных элементов, которые потенциально могут производить электричество при выработке пресной воды из морской.

Зависимость мира от ископаемого топлива не может продолжаться вечно, по некоторым оценкам, у нас осталось менее 50 лет, прежде чем мы исчерпаем большую часть мировых запасов нефти. С разработкой жизнеспособных альтернативных видов топлива, таких как водород, мы можем выйти за рамки устаревших технологий, улучшить состояние окружающей среды и, возможно, в конечном итоге освободимся от мертвой хватки, которой нефтяная промышленность держит большую часть мирового энергоснабжения. Мы должны развиваться, и использование водорода для центров обработки данных будущего — один из способов.

Комментарий дата-центра ITSOFT. Центры обработки данных, в особенности те, что оказывают услуги colocation (размещение клиентского оборудования в телекоммуникационных стойках) приближены к своим заказчикам, к мегаполисам и местам генерации данных. По экономическим причинам невозможно арендовать сотни гектаров дорогой земли для построения солнечной или ветряной электростанции, равно как гидро-, геотермальных, приливных и прочих источников генерации электричества. В этой связи использование топлива, в котором с высокой плотностью, если так можно сказать упакована электроэнергия и к тому же на 100% экологичного может действительно стать альтернативой в будущем. Жесткой хваткой никто не держится за традиционные дизель-генераторные установки и аккумуляторные комнаты.

В случае, если удастся решить вопросы, связанные с ценой на водородное топливо, безопасностью его хранения, транспортировки и использования, полагаем, что ИТ-сфера откроет инновациям двери, по крайней мере для резервного и аварийного электропитания.

Материал подготовлен дата-центром ITSOFT

Мир еще не успел оправиться от головокружительного успеха компании Tesla, как на горизонте появился еще один производитель, названный в честь изобретателя Николы Теслы и бросающий серьезный вызов автогигантам. Компания Nikola стремительно прошла путь от малоизвестного стартапа, собирающегося выпускать электрические грузовики, до новой восходящей звезды автомобильной индустрии. С момента выхода на IPO в начале июня ее капитализация на максимуме достигала 30 миллиардов долларов — больше, чем у Ford и Fiat-Chrysler, брендов с многолетней историей. Сейчас она превышает 16 миллиардов долларов. При этом Nikola пока не выпустила ни одного автомобиля. Основателя и главу компании Трэвора Милтона уже называют «вторым Илоном Маском», а саму Nikola — «убийцей Tesla». И в этот раз все серьезно: еще ни один конкурент Маска не пользовался такой популярностью и любовью инвесторов. Электрический нокдаун — в материале «Ленты.ру».

Человек с озера

Основатель Nikola Трэвор Милтон — еще более неординарный человек, чем Илон Маск. Даже год его рождения доподлинно неизвестен: по одним данным, он родился в 1981-м, по другим — в 1982-м. Милтон происходит из многодетной семьи мормонов — у него три сестры и брат.

Будущий бизнесмен получил религиозное воспитание и сразу после школы провел полтора года в миссионерской поездке по Бразилии. В отличие от Маска, Милтон так и не получил высшего образования — он покинул Университет долины Юта (Utah Valley State College) после первого семестра. Как и Маск, деньги на электромобили он заработал, продав свой первый успешный бизнес-проект.

В 2014 году Worthington Industries выкупила 80 процентов его компании dHybrid Systems. Сумма сделки не разглашалась. Первоначально компания Милтона занималась производством хранилищ для сжиженного и сжатого природного газа, но со временем большую часть прибыли ей начал приносить автомобильный бизнес — dHybrid Systems занялась переводом двигателей тяжелых грузовиков на работу на природном газе. При работе на природном газе каждый километр пути обходится дешевле, чем при работе на дизельном топливе, а вредные выбросы при этом снижаются.

Ничего нового в этой технологии нет: работающие на газе грузовики предлагают многие европейские производители, а российский КамАЗ даже участвует на газовом грузовике в гонках. Неудивительно, что Милтону хотелось большего. Поэтому в 2014 году он основал в Солт-Лейк-Сити, столице штата Юта, компанию Nikola Motor Company, которая должна была стать Tesla в мире грузовых автомобилей. Милтон никогда не скрывал своей любви к этому производителю электрокаров.

«Я был фанатом Tesla на протяжении шести лет. У меня было две Model S. Поклонники Tesla на протяжении многих лет сталкивались с ненавистью со стороны окружающих, когда компания только начинала свою работу»,

— написал он в своем Twitter. В том же треде Милтон, впрочем, отметил, что пересел с Tesla Model S на Jaguar I-Pace — электрический кроссовер от британского концерна Jaguar Land Rover. Вероятно, глава Nikola посчитал неэтичным использование в личных целях электромобиля главного потенциального конкурента.

Золотая жила

Причина, по которой Милтон заинтересовался электрическими грузовиками, по его собственным словам, состоит в том, что на них можно заработать больше денег — маржинальность этого бизнеса выше. Однако для грузоперевозок критически важен вес грузовика. Полная масса автопоезда ограничена во всех странах, поэтому чем легче тягач и прицеп, тем тяжелее может быть груз, который он везет. Именно большой вес аккумуляторов всегда был ограничителем для развития электрических грузовиков — на них нельзя перевозить столько же груза, сколько на дизельных машинах. Но Милтон нашел решение проблемы.

Nikola не запасает электроэнергию, а производит ее на борту. Помимо электромотора, на борту грузовиков компании установлены так называемые топливные элементы — электрохимическое устройство, в ячейках которого происходит химическая реакция между водородом и кислородом. В процессе реакции вырабатывается постоянный ток и синтезируется вода, которая потом просто сливается на дорогу. Кислород для реакции забирается из воздуха, а охлажденный до низких температур водород под высоким давлением хранится в баках.

Преимуществ у технологии масса. Помимо меньшей массы, это еще и большая скорость заправки — даже на станциях быстрой зарядки на пополнение 80 процентов емкости аккумулятора уходит 20-30 минут, а заправить бак водорода можно за 3-5 минут. При этом емкость аккумулятора падает на морозе, а запас хода на баке водорода не зависит от внешней температуры. И наконец, утилизация использованных аккумуляторов — это трудоемкий и крайне вредный для окружающей среды процесс, который исключен в случае с автомобилями на топливных элементах.

Проблемная технология

Между тем вышеупомянутая методика также известна достаточно давно — Honda представила первый прототип легкового автомобиля на топливных элементах еще в 1999 году, а в 2008-м начала мелкосерийное производство. Несколько сотен машин были сданы в лизинг клиентам в Калифорнии и Японии. Фактически речь шла о привлечении клиентов к заводским испытаниям, а не о бизнесе. По такой же схеме испытывали свои прототипы Ford, General Motors (GM), Mercedes-Benz и Nissan (самые известные бренды). Еще несколько компаний, включая BMW и даже «АвтоВАЗ», ограничились заводскими испытаниями. Сейчас Toyota, Honda и Hyundai продают машины на топливных элементах через избранных дилеров. Японские компании — в США и Японии, а Hyundai — в Корее. Наибольших успехов добилась Toyota — к концу 2019 года было продано более 10 тысяч машин. Однако серийных грузовиков, работающих на топливных элементах, до сих пор нет.

Существует две причины, почему электромобили на топливных элементах так и не стали массовым явлением. Во-первых, отсутствие инфраструктуры, а во-вторых, высокая цена. Пусть машинам на топливных элементах не нужны зарядные станции, зато им нужны водородные заправки, которых в мире еще меньше. Например, в Калифорнии в мае 2019 года была всего 41 водородная заправка и более 18 тысяч зарядных станций.

Что касается цен, Toyota Mirai в США стоит минимум 58 тысяч долларов, в Европе — 66 тысяч евро. При этом нет уверенности, что машины не продаются себе в убыток. По данным Bloomberg, себестоимость Honda FCX Clarity в конце 2000-х составляла 120-140 тысяч долларов. Однако у основателя Nikola есть план по решению этих проблем.

Укрепили тылы

В случае с заправочными станциями Милтон решил пойти по пути Маска и занятьcя возведением инфраструктуры сам. Он заявил, что в ближайшее время в США будет построено 700 заправочных станций, причем каждая будет рассчитана на большое число грузовиков. Кроме того, компания Nikola сама будет производить экологически чистый водород — его получают посредством электролиза из воды, а электричество для процесса берут от ветряных генераторов и солнечных батарей. Килограмм водорода уже сейчас стоит менее четырех долларов, что дешевле дизельного топлива. Милтон верит, что в ближайшем будущем цена опустится ниже трех и даже двух долларов за килограмм.

Более того, Милтон нашел способ сделать дешевле сам грузовик. Но для этого ему пришлось не только найти крупного партнера, но и на время отказаться от идеи революционного грузовика, разработанного Nikola с нуля. Первый прототип тягача компания представила в 2016 году. Машина называлась One и отличалась необычным дизайном практически с полностью отсутствующим капотом и огромным спальным отсеком. В 2017 году был показан прототип тягача для региональных перевозок под названием Two. Грузовик был выполнен в стиле One и отличался укороченным спальником. В 2018 году Nikola представил макет грузовика Tre — машина бескапотной компоновки была рассчитана на Европу, а точнее — на привлечение внимания европейских производителей.

Расчет оказался верным — в 2019 году было объявлено о начале сотрудничества Nikola с концерном CNH Industrial, в который входит итальянский производитель грузовиков Iveco. Именно тягач Iveco S-Way послужил основой для новой версии прототипа Tre. Таким образом, компании Милтона не пришлось тратить деньги на разработку ходовой части, кабины и проработку аэродинамики, Nikola нужно было просто интегрировать топливные элементы и бак с водородом в существующую конструкцию.

Даже стилистической переработкой внешности S-Way занимались не только дизайнеры Nikola, но и специалисты знаменитой итальянской студии Italdesign. Помимо новой силовой установки, Nikola Tre получил огромный дисплей на передней панели, камеры заднего вида вместо привычных зеркал и еще один дисплей на месте приборной доски. Однако все это впоследствии появится и на Iveco. Милтону даже не придется строить завод — производить Tre будут на заводе Iveco в немецком Ульме.

Партнеры обещают, что уже в 2020 году начнутся испытания предсерийных грузовиков, а в 2022 году первые машины поступят к владельцам. Правда, речь не о машинах с топливными элементами, а об обычных электрогрузовиках с аккумулятором. Впрочем, Милтон уверяет, что Nikola представит революционные аккумуляторы, которые будут отличаться от существующих меньшей массой и большей емкостью. Что до тягача на топливных элементах, то его придется ждать как минимум до 2024 года.

Помимо этого, Nikola заключила соглашение о сотрудничестве в разработке и производстве аккумуляторного электрического мусоровоза на базе шасси Nikola Tre со вторым по величине в США оператором по управлению отходами Republic Services. После этой новости акции автопроизводителя подскочили на 22 процента. Заказ предусматривает производство 2,5 тысячи грузовиков. Кроме того, сделка подразумевает двукратное увеличение числа машин в будущем. Испытания машин планируют начать в 2022 году, поставки — в 2023-м.

Атака на Маска

На первых порах Милтон отзывался об Илоне Маске весьма комплементарно, но все изменилось в ноябре 2017 года, когда Tesla представила свой прототип электрического грузовика под названием Semi. Дизайн c панорамным остеклением и компоновка тягача с едва выступающим передком, большим спальником и дверью посередине боковины — это напоминало Nikola One. Ответ не заставил себя ждать — в мае 2018 года Nikola Corporation подала на Tesla судебный иск о взыскании двух миллиардов долларов за плагиат. Компания Илона Маска ответила иском в Ведомство по патентам и товарным знакам США (USPTO) с требованием о признании недействительным патента Nikola Motor на конструкцию двери грузовика. Первый раунд противостояния остался за Милтоном — USPTO отклонила иск Tesla. Однако решения по первому иску все еще не принято.

Следующим витком противостояния стала премьера в феврале 2020 года пикапа Nikola Badger — прямого конкурента Tesla Cybertruck. Однако, если Маск продемонстрировал ездовой прототип своего пикапа, то Милтон обошелся компьютерной моделью. По заявлениям создателей, Badger превосходит Cybertruck буквально во всем. Он мощнее, дальнобойнее, способен перевозить больше груза и буксировать более тяжелые прицепы. Трэвор Милтон утверждает, что Badger куда лучше приспособлен к реальной жизни, чем пикап Маска.

«Я вырос на ферме и всю свою жизнь владел пикапами. Я думаю, что Tesla Cybertruck создавалась не для реальных покупателей пикапов, а для фанатов Tesla. […] Но Badger — это настоящий грузовик. Он построен, чтобы конкурировать с Ford F-150. На него можно устанавливать лестницы, он может тянуть за собой прицепы, ездить по бездорожью»,

— сказал он.

Помимо аккумуляторной версии, у Badger будет и модификация на топливных элементах. Премьера «живого» электромобиля была намечена на сентябрь 2020 года, но в связи с пандемией коронавируса перспективы ее проведения весьма туманны. Осенью планировалось открыть прием заказов на машину. Впрочем, ни цен, ни сроков начала производства оглашено не было. К слову, Милтон утверждает, что у него уже есть предзаказы на тягачи от корпоративных клиентов на сумму 10 миллиардов долларов. Среди заказчиков называют службы доставки UPS и интернет-магазин Amazon.

Однако, если тягачи Nikola не будут готовы, то этот пул предзаказов может быстро раствориться — над электрическими тягачами работают DAF, Daimler, Kenworth, Peterbilt, Toyota и Volvo, а Peterbilt и Toyota уже испытывают тягач на топливных элементах. Все больше конкуренция и в сегменте электрических пикапов — над такими машинами, помимо Tesla, работают стартапы Bollinger, Lortdstown и Rivian, а также гиганты индустрии GM и Ford. Если Милтон и его Nikola не начнут оправдывать выданные авансы в ближайшие годы, то Милтон вполне может повторить не историю успеха Илона Маска, а историю провала Джона Делореана.

https://lenta.ru/articles/2020/08/18/nikola/

Внутренняя структура гранулы аэрогеля. Источник: Yury M. Volfkovich et al. / ACS Energy & Fuels

Пористый нанокомпозит на основе оксида графена и тефлона, способный улучшить характеристики топливных элементов, синтезировали и изучили сотрудники Института физической химии и электрохимии имени А. Н. Фрумкина РАН и Института проблем химической физики РАН, Черноголовка. Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Energy & Fuels.

Топливный элемент преобразуют химическую энергию в электрическую. Схематично он состоит из двух электродов, анода и катода, пространство между которыми заполнено электролитом. На анод подается поток водорода. Просачиваясь сквозь пористый материал анода, водород распадается на протоны и электроны. Протоны устремляются к катоду через электролит, способный проводить протоны и не способный – электроны. Последним ничего не остается, как потечь по внешней электрической цепи и совершить полезную работу. На катоде электроны и протоны соединяются с подаваемым извне кислородом с образованием воды и тепла.

Источник: 900igr.net

Благодаря экологичности и высокому КПД (более 60%) топливные элементы могут стать основным источником электроэнергии в быту и промышленности. Они уже используются как источник электричества, тепла и воды для космических аппаратов и в качестве энергоустановки для электромобилей и беспилотников. Этим занимается Центр компетенций по технологиям новых и мобильных источников энергии при ИПХФ РАН. Компания Toshiba выпускает мобильные водородные электростанции Н2One, снабжающие электричеством и горячей водой небольшие районы или организации, например, железнодорожную станцию.

Одним из способов модернизации топливных элементов является поиск более эффективных электродов. Для создания катода используется пористая подложка, на которую наносится тонкий слой платины. От материала подложки зависит скорость химической реакции восстановления кислорода: чем она быстрее, тем больше топливный элемент вырабатывает электроэнергии. Перспективный материал для этих целей представили сотрудники Института физической химии и электрохимии имени А. Н. Фрумкина РАН и Института проблем химической физики РАН, Черноголовка.

Это легкий и прочный композит, состоящий из тефлона и оксида графена. Их сочетание формирует губчатую структуру аэрогеля из пор разного размера – от единиц нанометров, до десятков микрометров. Покрытый платиной графен-тефлоновый аэрогель ученые использовали в качестве катода для топливного элемента. При определенных условиях энергоэффективность топливного элемента увеличилась вдвое.

А - фотография гранул аэрогеля; B - внутренняя структура гранулы аэрогеля. Источник: Yury M. Volfkovich et al. / ACS Energy & Fuels

Причина - в уникальном сочетании гидрофобных свойств тефлона и гидрофильных – оксида графена. Мелкие поры аэрогеля хорошо смачиваются водой и водным электролитом, крупные воду отталкивают. Во время работы топливного элемента мелкие поры заполняются водой из раствора электролита, а крупные остаются пустыми и пропускают через себя подаваемый извне кислород. Такая конфигурация ускоряет реакцию восстановления кислорода до воды на платине. В результате, топливный элемент вырабатывает электроэнергию более эффективно, чем применяемые сейчас топливные элементы с подложкой в виде сажи Vulcan XC-72.

Ранее мы рассказывали о гибком, мощном аккумуляторе на основе пористого графена, и сообщали о том, как графен увеличивает емкость литий-ионных аккумуляторов.