зеленый углерод что это такое
STARTUP NEWS
Поиск по этому блогу
Зелёный углерод. Новые материалы из… водорослей
Что мы знаем о водорослях? То, что это растения, которые растут в воде? И некоторые из них можно употреблять в пищу? А как насчёт построить из водорослей самолёт или автомобиль? На первый взгляд, безумная идея! Профессор Томас Брюк из Технического университета Мюнхена так не считает.
Он и его команда разработали процесс, который использует масло из водорослей для создания углеродных волокон и материала из них, которые тверды, как сталь, но только очень легкие.
Производство этих углеродных волокон потребляет гораздо меньше энергии и производит намного меньше углеродного загрязнения, чем производство бетона или стали. Но это не единственное экологическое преимущество.
Водоросли поглощают CO2 по мере роста, поэтому, когда масло водорослей используется в качестве сырья для углеродных волокон, CO2 блокируется внутри этих волокон. Когда придет время утилизации углеродных волокон, их достаточно будет просто измельчать и закопать в землю.
«Таким образом, у вас есть совершенно новый материал, в котором вы можете хранить углерод, собранный в атмосфере в течение неограниченного времени», — говорит Брюк.
Профессор утверждает, что созданное на основе водорослей углеродное волокно имеет тот же химический состав и те же физические свойства. что и современные углеродные волокна, полученные из нефтяных ресурсов.
По словам учёного, расширение технологии потребует больших инвестиций в выращивание водорослей. Но как только это будет сделано, новая технология создаст экологически чистые и очень прочные промышленные материалы.
Проект создания углеродных волокон из водорослей при отрицательном балансе CO2 носит название «Зелёный углерод» и финансируется министерством образования и исследований Германии (Bundesministerium für Bildung und Forschung, BMBF).
Пока Федеральное министерство выделило средства на сумму около 6,5 млн. евро для финансирования исследований в Университете Мюнхена.
В четверг 16 января корпорация Microsoft объявила о намерении стать «углеродно отрицательной» к 2030 году. К этой дате компания планирует ежегодно удалять из атмосферы больший объем углерода, чем выбрасывают все ее предприятия. К 2050 году Microsoft планирует очистить воздух в объемах, сопоставимых с выбросами за всю историю работы компании с 1975 года.
В качестве дополнительного инструмента корпорация представила Microsoft Sustainability Calculator, который анализирует объем выбросов от использования облачной платформы Azure. Также компания задействует свое медийное влияние и пропаганду для стимуляции государственной политики борьбы с загрязнением атмосферы.
Миллиардная инициатива Microsoft способствует развитию отрасли GreenTech — технологий, снижающих негативное влияние на окружающую среду и природные ресурсы. Какие GreenTech-проекты могут заинтересовать Microsoft?
Технологии, сокращающие углеродный след
Углеродным следом называют объем парниковых газов, которые выделяются в процессе работы предприятий: производства, использования и утилизации продуктов. В поле зрения Microsoft точно попадут технологии экодизайна, eGain-прогнозирования, а также возобновляемые источники энергии.
Экодизайн — упаковки из возобновляемого сырья: органических отходов сельского и лесного хозяйства, растительной биомассы. Это направление дизайна использует шведско-швейцарская корпорация Tetra Pak. Компания создала упаковку, которая на 75% состоит из древесины. Также при производстве упаковок Tetra Pak применяет растительные полимеры на основе сахарного тростника. При их переработке объем выбросов парниковых газов ниже, чем при утилизации пластика.
eGain-прогнозирование — концепция, в которой IT-система автоматически регулирует отопление здания в соответствии с прогнозом погоды. Технологии устраняют избыточное потребление электроэнергии и, таким образом, сокращают выбросы парниковых газов. Системы контроля обогрева зданий в зависимости от погодных условий предлагает шведская компания Egain. Она внедрила свою платформу на основе искусственного интеллекта и интернета вещей в 300 000 апартаментов по всей Европе. Согласно информации на сайте Egain, компания снизила выбросы углекислого газа на 22,4 млн кг в 2018 году.
Возобновляемые источники энергии: вода, ветер, солнечный свет, геотермальное отопление. Выработка электричества на ГЭС оставляет меньший углеродный след, чем электроэнергия от сжигания ископаемого топлива: угля, газа или мазута. Примерами технологий для возобновляемых источников энергии служат: солнечные батареи, ветровые турбины, водородные генераторы. В 2010 году дизайнерское и архитектурное бюро HOK совместно с энергетической консалтинговой компанией The Weidt Group представило прототип офисного здания с нулевым выбросом углерода. Проект предусматривает солнечные батареи на крыше здания и на парковке.
Новый фонд Microsoft — отнюдь не благотворительная организация. Корпорация предусмотрительно инвестирует в перспективную нишу. Согласно прогнозу Мирового энергетического агентства (МЭА), доля зеленой генерации энергии в мировом производстве вырастет к 2024 году с 26% до 30%. К слову, доля возобновляемой энергетики в России, по данным рейтингового агентства Moody’s, к этому же времени достигнет 1%.
Технология «зелёного» углерода
Древесный уголь известен человечеству с незапамятных времён, однако в последние годы интерес к карбонизации древесины существенно возрос, в том числе в связи с тенденцией к снижению количества выбросов в атмосферу. Современные технологии позволяют производить биоуголь с содержанием углерода более 97% и при этом генерировать энергию с отрицательным углеродным балансом.
Подробнее о преимуществах биоугля по сравнению с другими видами древесного экологичного топлива и перспективах этого продукта на российском и международном рынках рассказывает исполнительный директор компании Polytechnik Мария Королёва.
— Мария, на ваш взгляд, с чем связан рост интереса к карбонизации древесного сырья? Насколько это направление сегодня актуально для европейского рынка?
— Полагаю, повышенное внимание к этой теме обусловлено, с одной стороны, пресыщением рынка пеллетной продукцией, с другой — противодействием изменению климата, нарастающим в мировых масштабах. Карбонизацию называют технологией «зелёного» углерода, интерес к ней проявляют компании, которые придерживаются принципов энергетической эффективности в сочетании с бережным обращением с ресурсами и охраной окружающей среды.
Можно сказать, что популярность биоугля растёт по всему миру, однако наибольшую активность проявляют азиатские рынки. К странам-импортёрам первой пятёрки можно отнести Японию, Южную Корею, Китай, ОАЭ, из стран ЕС это Германия. В Евросоюзе на законодательном уровне ограничено потребление минерального топлива, поэтому интерес к топливу из возобновляемых источников энергии, в том числе к биоуглю, со стороны странучастников определённо будет расти.
— Чем биоуголь, получаемый в результате карбонизации, отличается от обычного древесного угля?
— Условно углеродсодержащий материал, производимый путём пиролиза биомассы, можно подразделить на три формы.
Во-первых, это древесный уголь, который получают в результате термохимической обработки и применяют преимущественно для приготовления пищи или в системах отопления.
Во-вторых, тот самый биоуголь — его производят также способом термохимической обработки, но в условиях пониженного содержания кислорода. Это прекрасный почвенный субстрат, который обладает адсорбционными свойствами. Его можно использовать в качестве кормовой добавки или при производстве высококачественной угольной продукции для промышленности.
Третья форма — активированный уголь, который широко применяют для абсорбции в фармакологии. По сути, это тот же биоуголь, но химически или физически обработанный.
Наиболее простой и понятный пример отличия биоугля от древесного — это использование его в приготовлении еды на мангале: он не дымит и дольше сохраняет свою теплотворную способность.
— А если сравнивать биоуголь с популярными древесными пеллетами, в чём его преимущества?
— В числе самых очевидных можно назвать более высокую энергопроизводительность и обширную область применения. При этом затраты на перевозку и хранение биоугля ниже, чем для других видов биотоплива. А его способность переводить углерод в накопительную фазу ведёт к сокращению содержания углекислого газа в атмосфере, что способствует уменьшению парникового эффекта на планете.
— Несколько лет назад в Европе набирала популярность технология торрефикации древесной массы, теперь её сменила карбонизация…
— В целом данные технологические процессы похожи, основное отличие в температуре, при которой происходит нагрев древесной биомассы. В ходе торрефикации её подвергают мягкому пиролизу — обжигают при температуре до 300 °С, тогда как при карбонизации температура достигает 600 °C.
Продукт, полученный в результате карбонизации, имеет более высокую теплотворную способность, а содержание углерода в нём может достигать 97%, тогда как в процессе торрефикации этот показатель не выше 60%.
Разница между древесным углём, полученным в процессе торрефикации, и биоуглём, выработанным в результате карбонизации, заключается в качественных характеристиках. Биоуголь не только более энергоёмкий, но и более универсальный — из него можно получить активированный уголь, высококачественную угольную продукцию для промышленности, субстраты для улучшения почвы, кормовые добавки и т. п.
— Неудивительно, что спрос на этот продукт растёт из года в год. Насколько он может расшириться в ближайшее время?
— По прогнозам специалистов, к 2025 году мировой рынок биоугля достигнет 3,1 млрд долларов США. Способствовать этому будет, с одной стороны, стремление крупнейших мировых держав снизить выбросы парниковых газов в атмосферу, и для замены каменного угля им понадобится возобновляемое топливо.
С другой стороны, в последние годы значительно выросла доля использования биоугля в сельском хозяйстве и животноводстве. Многие эксперты считают, что мир стоит на пороге активного развития биоугольной отрасли.
— А какова роль отечественных лесоперерабатывающих предприятий в этом процессе? Ведь для них проблема утилизации и переработки древесных отходов очень актуальна.
— На сегодняшний день наша компания ведёт ряд переговоров по поставкам в Россию оборудования для карбонизации биомассы. В рамках Санкт-Петербургского экономического форума–2018 мы заключили соглашение о намерениях по строительству завода для карбонизации древесных отходов в Тульской области.
К сожалению, до сих пор проект находится на подготовительной стадии в связи с задержками со стороны покупателя. Однако работа над ним не прекращена, и мы надеемся, что в ближайшее время сможем вплотную приступить к его реализации.
Если говорить в целом, то интерес со стороны российского клиента к данной технологии определённо присутствует. У нас есть все основания полагать, что в недалёком будущем мы сможем презентовать первые заводы по карбонизации древесины и на территории Российской Федерации.
— Какие экономические преимущества они получат в результате внедрения технологии карбонизации, и какие есть сдерживающие факторы для её развития на российском рынке?
— Приобретая котельную установку, компания одновременно убивает двух зайцев: решает проблему утилизации древесных отходов и обеспечивает энергетические потребности производства. Оборудование для карбонизации интересно, как правило, тем предприятиям, у которых количество древесных отходов превосходит объём, необходимый для топливоснабжения котельных.
В то же время к нам нередко обращаются клиенты, заинтересованные в развитии бизнеса и производстве относительно нового на рынке продукта.
Сдерживающим фактором на сегодняшний день можно назвать немалую стоимость инвестиций в оборудование и недостаточно хорошо изученный рынок сбыта продукции. К примеру, в начале текущего года АО «Роснано» заказало оценку рынка биоугля в Евросоюзе.
А, как известно, одно из ключевых направлений деятельности данной корпорации — мониторинг и развитие технологий использования возобновляемых источников энергии. Так что интерес к технологии карбонизации достаточно высокий и сулит ей большие перспективы.
Для справки:
Установки для карбонизации древесины позволяют использовать большой диапазон сырья, в том числе не подходящего для переработки в пеллеты и брикеты. При этом на выходе получается высококачественный продукт с отличными топливными, агрономическими и экологическими свойствами и высокой маржинальностью.
Что такое «зелёный водород» и какой водород бывает вообще?
Почему водород?
Несмотря на ряд преимуществ альтернативной возобновляемой энергетики, главным её минусом является зависимость от конкретных погодных условий. В результате, делать точные прогнозы по выработке электроэнергии для коррекции графика нагрузок энергосистемы и менять режим работы электростанций, работающих в базовой части графика нагрузок, достаточно проблематично. Электроэнергию, полученную в результате преобразования энергии ветра или солнца, эффективнее было бы где-то накапливать.
Современные энергосистемы работают по принципу постоянного баланса генерации и потребления. Для снижения влияния неравномерности графика нагрузок энергосистемы ряд станций переводится в режим работы по «пиковой» части графика нагрузок. Там где мощности «пиковых» электростанций не хватает, строятся электростанции, способные накапливать излишки этой самой мощности. Широкое распространение из станций этого типа получили гидроаккумулирующие станции (ГАЭС). Однако, предпринимаются попытки строительство аккумулирующих станций, действие которых основано на совершенно различных принципах работы.
Достаточно мощным ВИЭ трудно встроиться в этот баланс.
Использование аккумуляторов для целей накопления электроэнергии ВИЭ не идёт ни в какое сравнение с водородом.
Термин «Зелёный водород»
При переходе на зелёную энергетику и на водород, как на топливо будущего, важно, каким образом этот водород получен. Согласитесь, какая польза для экологии будет, если для производства водорода использовать мощности угольных электростанций?
Применение зелёного водорода
Изначально, применение водорода предполагалось в первую очередь на транспорте, как замена классического топлива для двигателей внутреннего сгорания, получаемого из нефти.
Однако, переход на безуглеродную экономику предполагает его более широкого применение, начиная от транспортной инфраструктуры, заканчивая тяжёлой промышленностью и энергетикой.
Современные разработки в области безопасного использования водорода в топливных элементах на транспорте позволяют, при должном подходе и дальнейшем развитии технической базы, полностью отказаться от классического ископаемого топлива без потери удобства от использования, в отличии от тех же электромобилей, где помимо существующих проблем с временем заправки и стоимостью батарей, есть ещё ряд проблем экологического характера, связанных как раз с аккумуляторами.
Водород может применяться в качестве основного топлива в тяжёлой промышленности, например, металлургии и машиностроении.
Применение водорода возможно на тепловых электростанциях как в качестве самостоятельного топлива, так и в качестве «добавки» к топливу ископаемому, для уменьшения углеродного следа.
Существует ряд технологий, которые позволяют смешивать природный газ с водородом, благодаря чему использовать ископаемое топливо можно более экономично, при этом, нет необходимости в замене основной газораспределительной инфраструктуры или даже частичной модернизации газового оборудования на стороне потребителей.
Виды водорода по общепринятой классификации
Так как потребности в водородном топливе будут расти с некоторым опережением его производства при помощи возобновляемых источников энергии, на ранних этапах водородного перехода, существует необходимость в восполнении дефицита водорода с применением классических технологий.
Не вся классическая энергетика одинаково вредна для экологии. Так, например, гидроэлектростанции так же относятся к возобновляемым источникам электроэнергии, поэтому произведённый с применением их энергии водород будет считаться зелёным. Водород, произведённый с применением энергии угольных электростанций самый вредный, у электростанций на природном газе влияние на экологию меньше, ещё меньше на экологию (доказано!) влияет атомная энергетика.
Однако, водород классифицируют не по типам электростанций, чьей энергией был произведен электролиз.
Многими экспертами в области водородной энергетики была принята так называемая цветовая классификация водорода по типам производства.
Зелёный водород
Собственно, это тот самый водород, который произведён при помощи электролиза воды, с использованием электроэнергии от любых возобновляемых источников энергии. Характеризуется в первую очередь тем, что при его производстве отсутствует так называемый углеродный след, а остальные экологические издержки сведены до минимума.
Оранжевый (или желтый) водород
Этот водород тоже получается методом электролиза воды, однако, в качестве источника электроэнергии для обеспечения процесса выступает атомная электростанция. Общепринято, что атомная энергетика не оставляет углеродного следа, но, при этом, создаёт тепловое загрязнение окружающей среди и требует утилизации радиоактивных отходов. Плюс ко всему, существует риск техногенной аварии, которая может привести к серьёзным последствиям для экологии.
Бирюзовый водород
Водород, получаемый разложением метана на водород и твердый углерод методом пиролиза. Производство бирюзового водорода дает относительно низкий уровень выброса углерода. Сам углерод получается не в виде СО2, а в практически чистом виде, и может быть либо захоронен, либо использован как сырьё для промышленности. Выбросов в атмосферу нет.
Серый водород
Этот водород производят при помощи паровой конверсии метана, где исходным сырьем является природный газ. Этот процесс можно легко организовать на практике, но в ходе химической реакции выделяется углекислый газ в тех же объемах, что и при сгорании природного газа, плюс расходы энергии на конверсию.
Голубой водород
При получении голубого водорода применяется метод паровой конверсии метана, однако, при условии что углерод улавливается. Данный метод дает примерно двукратное сокращение выбросов углерода.
Коричневый водород
Европейская классификация водорода по способу производства
Электролизный водород
Возобновляемый водород
Этот термин равнозначен термину «зелёный водород», который использовался в энергетическом сообществе Европы ранее.
Чистый водород
Так же в документах фигурирует термин Clean hydrogen, который является равнозначным термину «Возобновляемый водород».
Ископаемый водород
Fossil-based hydrogen – это водород, произведенный из ископаемого топлива по классической технологии.
Ископаемый водород с улавливанием углерода
Низкоуглеродный водород
В публикации могут быть некоторые неточности в части описания процесса производства для конкретного типа водорода. Однако, надо учитывать тот факт, что сам текст энергетической стратегии Европейского Союза содержит подобные неточности, и с точки зрения научного подхода требует уточнений. В процессе поступления новых материалов по данной теме публикация будет дополнена или изменена должным образом. Надо понимать, что многие описываемые в публикации данные имеют отношение к устоявшейся терминологии в европейском энергетическом сообществе и, в некотором смысле, носят скорее оценочный характер.
Что такое графен и как он изменит нашу жизнь?
Впервые о графене заговорили в 2004 году, когда Андрей Гейм и Константин Новоселов — британские ученые российского происхождения — опубликовали статью в журнале Science [1]. В ней говорилось о новом материале, который получили с помощью обычного карандаша и скотча. Ученые просто снимали клейкой лентой слой за слоем, пока не дошли до самого тонкого — в один атом. В 2010-м за это их наградили Нобелевской премией. С тех прошло уже десять лет.
Что такое графен и чем он так уникален?
Углерод — это материал, состоящий из кристаллической решетки, которую образуют шестиугольники атомов. Графен — это один слой решетки толщиной в 1 атом.
Отсюда — его первое уникальное свойство: самый тонкий.
Такую структуру графен приобретает за счет sp2-гибридизации. Дело в том, что на внешней оболочке атома углерода расположены четыре электрона. При sp2-гибридизации три из них вступают в связь с соседними атомами, а четвертый находится в состоянии, которое образовывает энергетические зоны. В результате графен еще и прекрасно проводит электрический ток.
Уникальность графена в том, что он обладает такой же структурой, как и полупроводники, при этом он сам проводит электричество — как проводники. А еще у него высокая подвижность носителей заряда внутри материала. Поэтому графен в фото- и видеотехнике обнаруживает сигналы намного быстрее, чем другие материалы.
Графен обладает хорошей теплопроводностью, гибкостью и упругостью, он на 97% прозрачный. При этом, графен — самый прочный из известных материалов: прочнее стали и алмаза.
Миф о токсичности графена
Однако сейчас в биоэлектронике используют другой способ получения графена — путем химического осаждения из газовой фазы. Частицы получаются достаточно крупными. Потом их закрепляют на подложке, и проникнуть сквозь клеточную мембрану они уже не могут.
Где уже используют графен?
Сейчас графен успешно применяют в электронике. Самый массовый продукт — это пауэрбанк [3]: производители обещают, что сам он заряжается за 20 минут, а топовый смартфон заряжает наполовину за полчаса.
Существуют также графеновые куртки и платья. Последние, в частности, оснащены светодиодами [4], которые реагируют на дыхание и температуру тела, меняя цвет.
Теннисные ракетки с графеном весят до 300 грамм меньше, чем обычные, при той же силе удара.
Наконец, машинное масло с графеном призвано снизить износ двигателя.
Где можно применять графен в будущем?
Есть и еще одно свойство графена: он биосовместим, то есть взаимодействует с живыми клетками. Ученые обещают, что материал поможет диагностировать и лечить рак [5]. Это делают с помощью чипа с графеном, который придает повышенную чувствительность. На поверхность чипа высаживают раковые клетки и тестируют на них различные лекарства.
Такие чипы можно использовать и для тестирования других лекарств, а также — определения биомаркеров: иммуноглобулина, ДНК, нейрональных биорецепторов.
Из графена также планируют делать дешевые солнечные батареи, опресняющие устройства для морской воды, гибкие дисплеи, сверхпрочные бронежилеты, сверхчувствительные микропроцессоры, элементы для беспилотников и космических ракет, телефоны с бесконечной зарядкой и умную одежду.
Для России самым перспективным применением графена могут стать нефте- и газодобыча. На основе графена делают жидкости, которые позволят управлять толщиной и свойствами фильтрационной корки буровых растворов. А еще можно делать полимерные трубы и покрытия для нефте- и газопроводов с применением графена.
Графеновый бум
За 7 лет после вручения премии вышло больше 130 тыс. научных работ, посвященных графену и его свойствам. Доля таких исследований среди всех остальных выросла с 0,2% в 2010 году до 1% в 2016-м.
В научном сообществе тестирование свойств графена стало почти мемом. Доходит до того, что в графен добавляют куриный помет, чтобы проверить, как это отразится на его качествах [6].
Всего в мире зарегистрировано более 50 тыс. патентных заявок с упоминанием графена. Больше половины из них принадлежит Китаю, следом идут Южная Корея, США, Япония и Тайвань.
В Китае исследованиями занимаются государственные вузы. В 2013 году здесь создали Инновационный альянс графеновой промышленности, который пророчит Китаю в этой сфере долю в 80% от общемировой.
В остальных странах в графен активно вкладываются коммерческие компании. В Евросоюзе за это отвечает проект Graphene Flagship с инвестициями в €1 млрд [7]. В США — Национальная графеновая ассоциация, в консультативный совет которой входят представители Apple, IBM и Cisco.
В графене заинтересованы гиганты аэрокосмической отрасли: Boeing, Lockheed Martin, Airbus и Thales. Они рассчитывают, что новые материалы позволят им в разы снизить расход топлива — как композиты, которые экономят до 30% горючего в Boeing 787. Электронные корпорации включились в графеновую гонку в надежде, что это принесет им лидерство на рынке смартфонов и аксессуаров к ним.
Среди них — Samsung [8]: компания уже скупила десятки патентов, которых хватит на целую линейку продуктов с графеном. В частности, она представила новый тип аккумуляторов, которые можно будет заряжать за рекордные 12 минут. Такие появятся в новых смартфонах бренда не позднее 2021-го года. Их главный конкурент — Apple — запатентовала акустические диафрагмы с графеном для использования в устройствах следующих поколений. И это, судя по всему — только начало.
В России тоже занимаются изучением графена и даже патентуют электронные устройства на его основе — на базе в Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ. Двое ученых-выпускников этого вуза — гендиректор ведущего производителя Graphene 3D Lab Inc. Елена Полякова и профессор Свободного университета Берлина Кирилл Болотин — входят в ту самую американскую ассоциацию.
Почему же графен до сих пор не изменил нашу жизнь?
Во-первых, он все еще очень дорогой. При этом пока нельзя однозначно посчитать, сколько его нужно и для каких целей. Для этого материала нет единой шкалы измерения, так как он может иметь разную структуру — в зависимости от способа получения.
Во-вторых, массовое производство графена пока не налажено, потому что нет технологий, которые бы позволили бы это: например, сложные электронные устройства с графеном делают вручную. Для графена нужна какая-то подложка — например, кварцевая — которая и определяет свойства конечного продукта. При этом пока еще не совсем понятно, какие именно это должны быть свойства.