Гибкость перовскитов

👍В чём же так хорош слоистый перовскит? В отличиях от классического перовскита (с формулой CaTiO3). Последний имеет нарушенную кубическую структуру и состоит из атомов трёх типов:
✔️А (атома кальция),
✔️B (атома титана),
✔️X (трёх атомов кислорода).

👉Атом A расположен в центре псевдокубических структур, атом B – в угловых узлах псевдокуба, а три атома X образуют вокруг B шестигранники, вокруг которых находятся по шесть атомов кислорода. Несмотря на неизменность структуры, в которой А является большим катионом (положительно заряженным ионом), B – катионом меньшего размера, а X – анионом (отрицательно заряженным ионом), роль двух первых атомов могут играть не только кальций и титан, но и схожие по своим свойствам минералы – например, церий (мягкий редкоземельный металл серебристого цвета) и ниобий (блестящий переходный металл серебристо-серого цвета).

💪Слоистые перовскиты имеют нескольку иную структуру: в них используются четыре атома X, а также два атома А, роль которых играют два разных минерала. При этом если в классических перовскитах восьмигранники соединены друг с другом вершинами, то в слоистых перовскитах восьмигранники связаны в слои, которые отделены друг от друга слоями с кубической структурой каменной соли. Такая структура обеспечивает большую гибкость и дополнительные возможности для её усовершенствования.

Схема утилизации СММ путём АТР, сопряжённого с предварительным концентрированием метана и in situ утилизацией СО2

В развитие темы

Амины/полиамины на основе твёрдотельных носителей

🧽Пористые амины в составе твёрдотельных носителей относятся к наиболее детально изученному классу DAC-сорбентов. Для функционализации поверхности пор аминогруппами используются три различных стратегии – для производства трёх соответствующих классов аминовых сорбентов на твёрдотельных носителях.

1️⃣КЛАСС 1 состоит из физически импрегнированных в поры мезо- или микропористых субстратов (таких как мезопористый кремнезём, пирогенный кремнезём и смолы) полиаминов (таких как полиэтиленимин, PEI). Полиамины могут заполнять субстраты в больших количествах, часто показатель насыщения ими превышает 10 ммоль аминов/г сорбента, а в некоторых случаях они составляют более 60% веса функционального материала.

💪Морфология полиаминов на поверхности пор также влияет на эффективность улавливания CO2, влияя на кинетику процессов. При меньшей загрузке ими сорбента амины могут формировать тонкий слой за счёт мощных межмолекулярных сил (например, водородных связей) взаимодействия с поверхностью пор, а при повышенной загрузке ими сорбента амины образуют конгломераты, значительно затрудняющие диффузию CO2 сквозь объёмы вязких полиаминов, затрагивая кажущуюся эффективность аминов (определяемую как молярное соотношение между адсорбированным CO2 и общим количеством аминогрупп в сорбенте), а, следовательно, и эффективность функционирования сорбента. При контакте с воздухом амины химически улавливают CO2 посредством вышеупомянутых химических процессов в системе «амины-CO2», демонстрируя повышенное поглощение углекислого газа во влажной среде.

👉Внедрение других функциональных групп посредством пропитывания субстрата смесью полимеров, таких как полиэтиленгликоль (PEG) с PEI, помогает модулировать полиаминовые слои и, таким образом, поглощение ими CO2. Тем не менее, подобно другим физически импрегнируемым материалам, тело полиаминов не имеет прочных связей, из-за чего в долгосрочной перспективе наблюдается потеря аминов или аддитивных полимеров субстратом.

Продолжение следует

https://t.me/globalenergyprize/3642

Проблемы геотермальных систем

♨️Из анализа усовершенствованных геотермальных систем (Enhanced Geothermal Systems, EGS) можно сформулировать следующие выводы. Типичные EGS должны удовлетворять таким требованиям:
✔️глубина скважин более 3 км;
генерируемая мощность более (3-10) МВт;
✔️температура в резервуаре более 250°C;
✔️расход воды 50 – 100 кг/с;
✔️срок эксплуатации более 25 лет;
✔️расстояние между скважинами 0,5-2 км;
✔️объём подземного проницаемого резервуара 0,1 – 0,3 км3.

🤔Существует ряд технических проблем:
📌Высокая цена бурения (экспоненциальный рост с глубиной);
📌Создание подземного резервуара с достаточной проницаемостью;
📌Неопределённость и малое время жизни пары скважин;
📌Падение температуры со временем (падение эффективности EGS);
📌Малый КПД извлечения тепла – (1-5) % от запаса;
📌Необходимость наличия воды для EGS и её потери в системе;
📌Создание замкнутой циркуляционной системы (бурение последующих скважин);
📌Индуцированная сейсмичность;
📌Коррозия оборудования за счёт HCl, H2S, карбонатов.
https://t.me/globalenergyprize/3633

Актуальность CCUS

👉Масштабное хранилище в КНР определённо найдёт себе применение. Дело в том, что подобные проекты в сфере CCUS особенно востребованы в обрабатывающих отраслях, на долю которых приходится свыше половины выбросов в промышленности.

🧮По оценке McKinseу, общая доля
✔️сталелитейной,
✔️цементной
✔️и химической отраслей
в глобальной структуре промышленных выбросов составляет 58%, тогда как доля добычи нефти, газа и угля – лишь 21% (при доле всех прочих секторов в 21%).

🤔Если переход на ВИЭ позволяет купировать выбросы так называемой второй категории (Scope 2 emissions), связанных с потреблением электроэнергии, то проекты CCUS обеспечивают сокращение выбросов первого типа (Scope 1), которые образуются при непосредственном производстве промышленной продукции. При этом наибольшую сложность представляет третья категория выбросов (Scope 3), эмитентами которых являются поставщики сырья (Upstream) и потребители конечной продукции (Downstream).
https://t.me/globalenergyprize/3648

Комбинация генераций

🇷🇺Комбинированная генерация в последние годы находит всё большее применение в российских регионах. Например, «Россети» с 2017 г. осуществляют строительство солнечно-дизельных энергоустановок в Забайкалье, а с 2021 – в отдалённых посёлках Томской области. Дизельные генераторы обеспечивают потребителей в утренние и вечерние часы пикового спроса, а солнечные панели – в дневное время суток, аккумулируя избыток электроэнергии в накопителе, откуда домохозяйства снабжаются ночью.

🎙Комбинированная генерация может стать одним из векторных решений в развитии ВИЭ в России, заявлял в интервью ассоциации «Глобальная энергия» член Международного комитета одноименной премии Юрий Петреня. «Тот факт, что Россия является преимущественно северной страной, с холодными и снежными зимами, безусловно, накладывает ограничения на развитие ВИЭ как массовой отрасли энергетики. Однако это не означает, что не нужно заниматься векторными решениями, ориентированными на конкретные ниши – как в той же Арктике, где сооружение комбинированных ветро-дизельных установок могло снизить зависимость от Северного завоза, или же (без привязки к конкретной географии) в сегменте частных домохозяйств, где, как в той же Калифорнии, малые солнечные панели могли бы получить широкое распространение», – подчёркивал Юрий Петреня.

Катализаторы окисления воды

💧Известно, что процесс окисления воды в случае природного фотосинтеза осуществляется при участии специального катализатора. Основным компонентом последнего выступают 4 атома Mn.

👍Не затрагивая вопрос о внешнем источнике энергии, можно назвать задачу прогнозирования, разработки, сборки и подробных исследований многочисленных катализаторов процесса окисления воды крайне важной. В качестве внешнего источника энергии в данном случае пока служит электричество, а процесс обозначается как электрохимическое окисление воды. Этот процесс даёт неиссякаемый источник протонов, т. е. компонента, из которого состоит молекула водорода и, следовательно, без которого в принципе невозможно в последующем получить молекулярный водород.

👉В качестве побочного продукта в этой реакции выделяется кислород, экологически безопасный продукт, причём крайне необходимый для существования всего живого на планете. При этом, получение протонов для генерации молекулярного водорода в реакции электрохимического окисления воды с помощью разрабатываемых катализаторов энергетически и, следовательно, финансово намного дешевле других существующих методов получения протонов (например, путём электролиза воды).
https://t.me/globalenergyprize/3646

Сорбенты второго класса

2️⃣Класс 2 (про класс 1 здесь) включает комплексные сорбенты, в которых низкомолекулярные амины ковалентно связаны с поверхностью носителей.

🤔Примером может служить реакция обмена между (3-аминопропил) триэтоксисиланом (APTES) и группами -ОH на поверхности кремнезёма. В ходе контроля количества реагента, амины укладываются единичным слоем на поверхности пор, что в значительной степени снижает потерю аминов и решает проблемы диффузии CO2. Тем не менее, степень загрузки аминами ниже, чем в полиаминовом методе, из-за ограниченной совокупной площади поверхности пор и заселённости групп -ОH носителя, а также ограниченной толщины слоя амина после функционализации.

👉В экспериментах, проведённых к настоящему времени, наблюдается в целом высокая температура регенерации и небольшое снижение показателей циркуляционного процесса.

Тепло из горных пород

🇮🇹🇮🇱Итальянская Enel совместно с израильской Brenmiller Energy ввели в строй инновационную систему хранения тепловой энергии (Thermal Energy Storage – TES) на газовой электростанции Санта-Барбара в провинции Ареццо региона Тоскана. Проект обеспечит коммерциализацию разработки Brenmiller, позволяющую минимизировать парниковые выбросы при генерации тепла.

👉Модуль для хранения энергии внешне напоминает прицеп грузовика, внутри которого размещены трубчатые нагреватели, окружённые дроблёной горной породой. Установка может работать как от тепловой, так и от электрической энергии, в зависимости от возможностей потребителя. Полный цикл работы модуля, размещенного на объекте Enel, будет состоять из двух этапов:
1️⃣на стадии загрузки тепло, получаемое в качестве побочного продукта при выработке электроэнергии из газа, будет раскалять нагреватели и горную породу до 550 градусов Цельсия;
2️⃣на стадии разгрузки в систему по трубопроводам будет поступать вода, которая при нагреве от аккумулированного тепла будет превращаться в пар для последующей выработки электроэнергии. По оценке Brenmiller, модуль сможет хранить до 24 мегаватт-часов (МВт*Ч) тепла в течение пяти часов.

🎙«Наш модуль TES, установленный на газовой электростанции Санта-Барбара компании Enel в провинции Тоскана, является первой в своём роде системой, обеспечивающей хранение тепловой энергии в коммунальных масштабах, что открывает возможности для снижения углеродного следа коммерческим и промышленным потребителям», – комментирует Ави Бренмиллер, председатель совета директоров и главный исполнительный директор Brenmiller Energy.

https://globalenergyprize.org/ru/2022/11/10/teplo-iz-gornyh-porod-innovacionnaya-sistema-hraneniya-energii/

Индия откажется от угля не раньше 2040 года

🇮🇳Уголь будет играть важную роль в энергобалансе Индии как минимум до 2040 г., заявил министр угольной промышленности страны Пралхад Джоши. По его словам, спрос на твёрдое топливо в Индии ещё не достиг своего пика. «Таким образом, в обозримом будущем в Индии не произойдёт отказа от угля», – подчеркнул министр.

👉Слова министра созвучны с прогнозом МЭА, опубликованном в последнем выпуске World Energy Outlook в октябре 2022 г. Спрос на уголь в Индии в период с 2010 по 2021 гг. вырос на 54% (c 399 млн. т до 614 млн. т). Согласно базовому сценарию МЭА, к 2030 г. потребление угля в стране увеличится еще на 26% (до 773 млн. т), а в последующие десять лет снизится лишь на 5%.

💪Ключевым драйвером спроса будет ввод новых угольных электростанций. По данным Global Energy Monitor, к июлю 2022 г. в Индии на стадии строительства находилось 17,3 гигаватта (ГВт) угольных генерирующих мощностей (18% от общемирового объема), а на предынвестиционной стадии – ещё 25,7 ГВт (9%). Индия по этим двум показателям уступала только Китаю, где в фазе строительства к этому же сроку находилось 93,8 ГВт угольных электростанции (53%), а на предынвестиционной стадии – 196,8 ГВт (66%).
https://globalenergyprize.org/ru/2022/11/10/indiya-otkazhetsya-ot-uglya-ne-ranshe-2040-goda/

Наши учёные открыли новый способ получения электричества

🇷🇺Исследователи из Института физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН и Федерального исследовательского центра проблем химической физики и медицинской химии РАН доказали, что энергию химической реакции хлоратов (соли хлорноватой кислоты) с водородом можно использовать для получения электроэнергии. Результаты исследования опубликованы в журнале Molecules.

👉Одной из задач этой работы был поиск вещества, позволяющего получать электричество в условиях дефицита кислорода, характерных для глубоких шахт, подводных пространств и открытого космоса. Химическая реакция получения электричества сопровождается передачей электронов от одних компонентов к другим: частицы, передающие электроны, называются восстановителями, а принимающие – окислителями, роль которых играет кислород, легко доступный в атмосферном воздухе. Эту функцию при нехватке кислорода могут выполнять кислородосодержащие соединения хлора, тогда как в качестве восстановителя используется молекулярный водород, который пригоден для хранения в сжатом виде.

👍Участники исследования провели эксперимент в электрохимической ячейке, состоящей из двух электродов, через один из которых пропускали газообразный водород, а через другой – хлоратный электролит (вещество, проводящее ток через диссоциации на ионы). Предварительные расчёты показали, что хлораты (такие как хлорат натрия) хорошо растворимы в воде и обладают высоким энергетическим потенциалом, что позволяет использовать их растворы в качестве окислителей с высокой плотностью энергии. При этом продуктом реакции должен был стать раствор поваренной соли, утилизация которого не вредит окружающей среде. Эти расчёты подтвердил эксперимент, в результате которого хлорат-анионы (ClO3-) в сочетании с молекулярным водородом стали генерировать электричество, образуя при этом хлорид-анион (CI-). Преобразование химической энергии в электричество происходило с эффективностью от 40% до 50%.

🎙«Нам удалось реализовать в лабораторной установке достаточно изящную идею, расширяющую границы применимости «топлива будущего» — газообразного водорода. Мы продемонстрировали возможность использования его химической энергии для генерации электричества без участия атмосферного кислорода. Вместо него окислителем выступают достаточно дешевые и доступные вещества (хлораты металлов в виде водного раствора), ранее считавшиеся непригодными для химических источников тока по причине низкой электрохимической активности», – комментирует Дмитрий Конев, кандидат химических наук, старший научный сотрудник Федерального исследовательского центра проблем химической физики и медицинской химии РАН.
https://globalenergyprize.org/ru/2022/11/10/rossijskie-uchenye-otkryli-novyj-sposob-polucheniya-elektrichestva/

Пароуглекислотный риформинг метана

👍Это экологически безопасный процесс, позволяющий одновременно утилизировать три парниковых газа (углекислый газ, метан, пары воды) и получать водород в составе синтез-газа (смесь H2 и СО). Процесс отличается возможностью гибкого регулирования соотношения H2/CO путем варьирования состава исходного сырья CH4/CO2/H2O.

👉Компанией Linde разрабатывается процесс по производству синтез-газа DRYREF ™, работающий на катализаторе BASF SYNSPIRE ™ G1–110. При реализации технологии DRYREF значительно снижаются производственные затраты за счёт уменьшения потребления пара.

В развитие темы

Важный марганец

👉Продолжаем про катализаторы. В работах профессора С. И. Аллахвердиева разработана методика поэтапного удаления ионов эндогенного Mn из водоокисляющего комплекса ФС2 (ВОК) и последующей реконструкции ВОК с помощью MnCl2 или искусственных Mn-органических комплексов.

❗️Экспериментально показано, что каталитический центр водоокисляющего кислород-выделяющего комплекса (КВК) ФС2 природного фотосинтеза содержит 4 атома марганца, и в дальнейшем эти данные были подтверждены методом рентгеноструктурного анализа. Аллахвердиевым установлено, что после полного (более, чем 95%) удаления эндогенного Mn из ВОК ФС2 транспорт электронов через ФС2, а также функция фотосинтетического выделения кислорода могут быть вновь восстановлены путём добавления четырех ионов Mn2+ на один РЦ (два из которых могут быть заменены ионами Mg2+ или ионами других двухвалентных металлов) и последующей фотоактивации системы.

👍Все эти годы в ЛУФБС ИФР исследовали и в настоящее время продолжают исследовать широчайший спектр разных металлов и их органических комплексов, которые могли бы быть использованы в качестве катализаторов окисления воды в системах искусственного фотосинтеза. В результате авторы пришли к удивительному заключению, что более подходящего металла для катализа окисления воды, чем тот, который был выбран природой много миллионов лет назад, не существует, и что, очевидно, человечеству в своих изысканиях следует идти по пути создания природоподобных систем искусственного фотосинтеза.

Катионная оптимизация

☀️Перовскиты на основе метил аммония, такие как архетипичный MAPbI3 с шириной запрещ`нной зоны 1,55 эВ, были наиболее интенсивно изучаемыми поглотителями в PSC. Однако они также претерпевают серьёзный фазовый переход при 55°C и термическую деградацию при 85°C, что требует замены катиона MA+ на более стабильные катионы, такие как более крупный FA+.

💪Перовскиты на основе смешанных катионов MAFA или даже однокатионные перовскиты, такие как FAPbI3, демонстрируют большой потенциал по их использованию в качестве альтернативных перовскитов с превосходной термической стабильностью. Более того, FAPbI3 обладает более широким поглощением благодаря более узкой ширине запрещенной зоны в 1,48 эВ. Однако большой размер FA+ вызывает искажение решетки, что влияет на кристаллическую структуру полученного перовскита и требует термического отжига при повышенных температурах для стабилизации α-фазы черного перовскита.

👉Перовскиты со смешанными катионами (MA/FA) легче поддаются стабилизации при комнатной температуре. Помимо FA и смесей с MA, высокая эффективность была получена для беспримесного Pb PSC при замещении узла A с использованием неполярного материала, содержащего органический катион гуанидиния (GA+). GA+ добавлялся в различных соотношениях в кристаллическую структуру FASnI3 вместе с 1% дииодида этилендиаммония (EDAI2) с целью сформирования GAxFA1−x−2ySnI3–yEDAI2.

🤔Получение оптимизированных характеристик устройства было приписано присутствию EDAI2, который пассивировал поверхностные дефекты, контролировал морфологию пленки и подавлял окисление Sn2+ до Sn4+. Более того, со-катион GA, имеющий нулевой электрический дипольный момент, задерживал внутри каркаса FASnI3 окисление перовскита в присутствии влаги.
https://t.me/globalenergyprize/3650

Слова классика

- Если говорить о возобновляемой энергетике, то относительно лёгкая судьба у гидроэнергетики, но увеличение её доли уже выглядит проблематично – ресурсы уже почти исчерпаны, да и стоимость её довольна высока. Хотя в целом можно и нужно продолжать развивать это направление. Необходимо развивать атомную энергетику. Правда, важно при этом иметь свои заводы, которые в состоянии обеспечивать атомную отрасль всем необходимым. Конечно, необходимо развивать и прочую энергетику – всё, начиная от солнца и ветра, заканчивая переработкой дерева, угля и прочих отходов, по самым современным технологиям.

Филипп Рутберг
https://globalenergyprize.org/ru/2019/12/01/filipp-rutberg-rossiya/

Дайджест «Глобальной энергии» за 7-11 ноября.

👉Выпуск по ссылке

📌Российские ученые открыли новый способ получения электричества
📌Индия откажется от угля не раньше 2040 года
📌Китай построит комплекс по улавливанию CO2 мощностью 10 млн т в год
📌Израиль и Марокко опробуют новый способ получения «зеленого» водорода
📌Тепло из горных пород: инновационная система хранения энергии
📌Гибрид солнца и ветра: комбинированная установка для городских условий

«Наука есть наилучший путь для того, чтобы сделать человеческий дух героическим». © Джордано Бруно

Куда вкладываться бизнесу❓

💪Кстати говоря, хранение энергии – одна из наиболее быстрорастущих отраслей мировой энергетики.

💰По оценке МЭА, инвестиции в строительство накопителей
📌в Европе по итогам 2022 г. достигнут $3 млрд., а в мире в целом – $18 млрд.,
📌тогда как в 2019 г. их объём составлял $1 млрд. и $5 млрд. соответственно.

Будет опробован новый способ получения «зелёного» водорода

🇮🇱🇲🇦Израильская H2Pro совместно с марокканским производителем возобновляемой энергии Gaia Energy подписали соглашение о строительстве демонстрационной установки по производству «зелёного» водорода мощностью от 10 до 20 мегаватт (МВт). Проект позволит опробовать технологию H2Pro, которая может снизить издержки на получение «зелёного» водорода до $1 на килограмм.

👉Инновация компании H2Pro сводится к использованию электролитических реакторов, в которых кислород и водород генерируются на разных стадиях расщепления воды. Это позволяет не только отказаться от использования мембраны, но и производить водород под высоким давлением без применения дорогостоящих компрессоров.

💸При этом термическая (вместо электрохимической) генерация кислорода обеспечивает более высокую энергоэффективность. В результате, если удельные расходы на производство «зелёного» водорода с помощью стандартных электролизёров составляют от $3 до $6,5 на кг, то разработка H2Pro должна снизить издержки до $1 на кг.
https://globalenergyprize.org/ru/2022/11/10/izrail-i-marokko-oprobujut-novyj-sposob-polucheniya-zelenogo-vodoroda/

Тонкие места EGS в деталях

♨️Первые две упомянутые ранее проблемы - высокая цена бурения и создание соответствующего резервуава - являются самыми важными и принципиальными. Остановимся подробно на первой.

💰Бурение скважин весьма затратно для любой отрасли промышленности. Для EGS более 60% от общих капитальных затрат может приходиться на бурение. Так, цена бурения скважины глубиной 10 км оценивается в (1-2) млрд. руб. Типичные параметры геотермальной скважины: диаметр в начале — 500 мм, в конце — 150 мм, скорость бурения — до 10 м/ч. Для целей мониторинга в последнее время начали использовать так называемые «микроскважины» с диаметром в начале — 120 мм, в конце — 50 мм, и очень высокой скоростью бурения — до 60 м/ч (1,5 км/сутки). При размещении геофонов вдоль «микроскважины» возможен томографический мониторинг, что принципиально важно для принятия решения о сооружении EGS.

❗️Таким образом, поиск новых технологий скоростного и дешёвого бурения имеет принципиальную важность для многих отраслей промышленности. В 2005-2007 гг. в результате выполнения программы DOE были развиты и апробированы
различные технологии для бурения «микроотверстий»:
📍Резонансное бурение (resonant drilling);
📍Разрушение абразивной струей воды (high pressure fluid enhanced cutting);
📍Высокоскоростное бурение (high-speed drilling, 5 000 об/мин).
📍Лазерное (laser drilling) и микроволновое
(microwave drilling) способы бурения также были рассмотрены, но не нашли пока применения.
Добавим возможность применения плазмы с целью размягчения базальтовых пород перед бурением, но такой подход находится на стадии научных исследований.
https://t.me/globalenergyprize/3653

(a) Представление трех классов аминовых адсорбирующих материалов.
(b) Схематичное представление морфологии SBA-15 при различных методах PEI-заполнения. PEI может заполнять поры:
(i) конформно,
(ii) агрегатно,
(iii) композицией двух предыдущих методов.

В развитие темы

Урбанизация полезна для угля❓

🇮🇳Драйвером спроса на уголь в Индии в последние два десятилетия была урбанизация. Её уровень в стране вырос с 28 до 35% с 2000 по 2021 гг.

📈По оценке Всемирного банка, доля городских домохозяйств, подключённых к общей сети, выросла за тот же период с 91% до 100%. Росту доступности электроэнергии способствовало строительство угольных электростанций: в Индии в этот период было введено в эксплуатацию 186,8 ГВт угольных генерирующих мощностей – 13% от общемирового объёма (при доле Китая в 69%, согласно Global Energy Monitor).

👉Доля угля в структуре выработки электроэнергии в Индии в 2021 г. составила 74%, а в первичном потреблении энергоресурсов – 57%, следует из данных Обзора мировой энергетики BP. Эти показатели для стран азиатского-тихоокеанского региона достигли в прошлом году 57% и 47% соответственно, а для мира в целом – 36% и 27%.
https://t.me/globalenergyprize/3659