Стартовая >> Архив >> Генерация >> Возобновляемые источники энергии

Водород - Возобновляемые источники энергии

Оглавление
Возобновляемые источники энергии
Солнечная энергия
Использование пассивной солнечной энергии
Активное использование солнечной энергии
Солнечное электричество
Солнечный дом
Солнечное электричество в сельском хозяйстве
Солнечный пруд
Производство солнечных установок
Геотермальная энергия
Энергия ветра
Гидроэнергия
Энергия океанов
Энергия тепловых перепадов океанов
Биомасса
Анаэробное разложение биомассы
Газовые гидраты
Биотопливо
Водород
Водомазутные эмульсии
Сжатый и сжиженный природный газ
Топливо из угля
Заключение

Запасы водорода на Земле практически безграничны, так как в Мировом океане водорода содержится 1,2·1017 т, а суммарная масса водорода составит 1 % общей массы Земли.
Теплотворная способность водорода (119870 кДж/КГ) в 2,8 раза выше чем бензина, а энергия воспламенения в 15 раз меньше, чем для углеводородного топлива. Максимальная скорость распространения фронта пламени в 8 раз больше по сравнению с углеводородами, а излучение пламени в 10 раз меньше по сравнению с пламенем углеводородов.
При его сжигании в атмосферу выбрасываются только водяной пар и оксиды азота, поэтому это экологически самое чистое топливо. Но у водорода есть и недостатки - он является взрывоопасным веществом и требует особых условий при производстве, транспортировке, хранении и использовании (в жидком виде водород необходимо хранить при температуре примерно минус 253 °С, так как при более высоких температурах он закипает в превращается в газ).
Для получения водорода термическим разложением газообразных углевозородов  используется природный или попутные газы, газы нефтепереработки и пр.
Электрохимический способ производства водорода заключается в разложении воды (водных растворов электролитов) с помощью электрического тока. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования показывают, что источником дешевого водорода, получаемого из воды, может стать её плазменный электролиз.
При использовании физических методов производят выделение водорода из газовых смесей (коксовый газ, отходящие побочные газы установок каталитического реформинга, метан-водородные фракции) ступенчатым охлаждением до низких температур, когда происходит сжижение компонентов газовой смеси (кроме водорода).
Ближайшей промышленной перспективой производства водорода может стать получение его при газификации углей.
Перспективным является способ получения водорода путем разложения сероводорода, растворённого в глубинных слоях ряда морей, в частности в водах Черного моря. Следует учесть, ЧТО образующаяся при разложении H2S сера является одним из основных походных материалов химической промышленности, а отбор сероводорода из глубинных слоев Черного моря приведет к улучшению экологической ситуации.
В настоящее время разработаны и применяются следующие способы хранения водорода:

  1. в газообразном состоянии под высоким давлением;
  2. в жидком состоянии;
  3. в интерметаллических соединениях;
  4. в химических соединениях.

Наиболее безопасными являются способы хранения водорода в интерметаллических и химических соединениях. Некоторые гидриды содержат намного больше водорода на единицу объема, чем жидкий водород. Примерами систем хранения в химических соединениях мoгут быть СН4, С2Н6, C3H6 и другие газы.
Многие специалисты предрекают большое будущее, жидкому водороду как практически идеальному с. экологической точки зрения моторному топливу. Ещё несколько десятилетий назад применение жидкого водорода в качестве топлива казалось достаточно отдаленным. К тому же трагическая гибель дирижабля "Гинденбург", наполненного водородом, настолько испортила общественную репутацию "топлива будущего", что надолго вычеркнуло его из каких- либо серьезных проектов.
Быстрое развитие космической техники вновь заставило обратиться к водороду, но на этот раз уже жидкому как к почти идеальному топливу для исследования и освоения космического пространстве. Сегодня члены мирового космического клуба - США, Россия, западноевропейские страны, Япония и Китай являются главными потребителями жидкого водорода. Помимо серии американских программ "Шаттл", а также советской ракеты "Энергия" и программы "Буран", следует отметить также такие перспективные западноевропейские космические проекты, как “Ариан-5”, "Гермес" и "Зингер", использующие жидководородное топливо. Тем не менее, по-прежнему не исчезли сложные инженерные проблемы, связанные как со свойствами самою водорода, так и с его производством.
Как топливо для транспорта водород удобнее и безопаснее применять в жидком виде, где в пересчете на один килограмм он превосходит по теплотворной способности керосин в 6,7 раза, а жидкий метан - в 1,7 раза В то же время плотность жидкого водорода значительно меньше, чем у керосина, поэтому требуется больший объем топливных баков, которые к тому же должны иметь высококачественную изоляцию.
Для успешного внедрения водородной энергетики должны быть разработаны эффективные методы и процессы широкомасштабного получения дешевого водорода из метана, природного таза и на основе разложения воды, а также технологии хранения, транспортировки и использования водорода в электроэнергетике, промышленности и на транспорте.
Известны две концепции, которые уже сегодня поставлены на практические рельсы. По поручению комиссии экономического сотрудничества Германским фондом "Людвиг-Белков Систем-техник" (Оттобрун) поддерживается программа "Евро-Квебек гидроводород". Программа предусматривает следующую последовательность работ. Избыточные гидроэнергетические ресурсы Канады на первой стадии направлены на получение электроэнергии, которая используется для разложения воды на кислород и водород. Полученный водород сжижается и специальными танкерами доставляется через Атлантический океан в Европу. С этой целью в местечке Финкенвердер в районе Гамбурга будет сооружен первый в Европе терминал по приему с моря жидкого водорода. В дальнейшем предполагается развозить водород потребителям в жидком виде в специальных автоцистернах емкостью до 42 м3.

Другая возможность транспортировки уже газообразного водорода - специально приспособленные для этого обычные газовые сети
Уже сейчас такие всемирно известные немецкие фирмы, как "Линде" и "Мессергрисхейм" производят все необходимое оборудование для получения сжижения и транспортировки жидкого водорода, за исключением насосов. Огромный опыт по использованию жидкого водорода в ракетно-космической  технике накоплен фирмой МББ, расположенной в Мюнхене и прижимающей участие практически во всех престижных программах Западной Европы по освоению космоса.
Широко известная немецкая авиакомпания "Дейче Эрбас" разрабатывает первый в мире аэробус, двигатели которого работают на жидком водороде.
По оценкам экспертов фирмы МВБ производство жидкого водорода в ближайшие годы в Германии резко возрастет, при этом ракетно-космический комплекс перестанет быть главным потребителем этого топлива. Значительно увеличится потребление водорода в гражданской авиации и на автотранспорте.
Водород можно использовать не только как энергоноситель, но и как средство аккумулирования энергии.
Получение водорода из волы возможно с помощью нового типа электролизеров на базе катионопроводящей мембраны МФ-4СК; выпускаемой в России и обеспечивающей получение водорода с удельными энергозатратами в 1,5 раза меньшими, чем у традиционных систем. В настоящее время в России создан ряд демонстрационных установок, использующих новые высокоэффективные технологии получения водороде из метана и природных серосодержащих газов с помощью плазменно-мембранной технологии.
Есть три варианта хранения водорода на борту транспортного средства: в баллонах под давлением, в сжиженном состоянии и в сплавах металлов.
Исследователи проводят эксперименты с металлгидридными баками, в которых водород хранится в межатомных промежутках кристаллической структуры металла. Для выделения водорода металл нужно нагреть до невысокой температуры.
Недавно открыты так называемые "нанохранилища", в которых водород впитывается в губку из мельчайших волокон композитного материала.
Немецкие фирмы "Даймлер-Бенц" и BMW усиленно работают над созданием водородного автомобильного двигателя и над эффективной технологией хранения жидкого водорода, причем фирма BMW намерена начать продажи автомобилей, работающих на водороде, уже в 2005 году.
Экспериментальный автомобиль "Zafira" снабжен криогенным баком, в который под небольшим давлением закачал сжиженный водород, которого хватает на 400 км пробега. Бак снабжен качественной теплоизоляцией, эквивалентной девятиметровому слою пенополистирола. Но даже при такой тепловой развязке температура водорода поднимается на несколько градусов в сутки, а это приводит к повышению давления. Поэтому часть водорода приходится стравливать из бака и сжигать с помощью специального приспособления. Ведь в закрытом помещении водород, смешиваясь с воздухом в определенной пропорции, образует крайне взрывоопасный гремучий газ.

Один из возможных способов использования водорода - применять eго как топливо в топливных элементах. Первый экспериментальный автомобиль с двигателем на топливных элементах - результат совместной деятельности компаний "Ballard" и "DaimlerChrysler" - появился в 1994 году под кодовым названием "Necar".                   Топливный элемент - это химический источник тока, его простейший аналог - обычная батарейка. Устройство топливного элемента достаточно просто: внутри элемента расположены два электрода (анод и катод), между которыми находятся мембрана и катализатор с платиновым покрытием. На анод подается водород, а на катод - воздух. Принципиальным отличием топливного элемента (ТЭ) является то, что электрическая энергия генерируется в нем до тех пор, пока на анод поступает топливо, я на катод - окислитель. Главными "побочными" продуктами ТЭ являются теплота и вода. На базе топливных элементов можно создавать энергетические установки различной мощности и различного назначения - от нескольких ватт до десятков мегаватт.
У топливных элементов, без которых уже сейчас сложно представить энергетикy будущего, есть несколько основных преимуществ по сравнению с традиционными источниками энергии.
Первое - чрезвычайно высокий КПД, доходящий до 75 %, одновременно ТЭ вырабатывает еще и теплоту, которая может быть полезно использована.
Второе -ТЭ является "всеядным", так как работает при поступлении на анод после соответствующей обработки любого водородосодержащего топлива (природною газа, биогаза, метанола, дизельного топлива, продуктов газификации угля).
Третье -ТЭ бесшумен, в нем нет движущихся деталей.
Четвертое - экологическая чистота, так как при работе ТЭ нет практически никаких вредных выбросов. Все ныне существующие энергоустановки уступают установкам на ТЭ по экологической чистоте в сотни раз.
Практическое использование ТЭ началось в 60-х годах прошлого пека на космических кораблях, а уже в 80-х годах в США была создана электростанция мощностью 4,5 МВ г.
Производство электроэнергии можно осуществлять на основе следующих типов ТЭ:

  1. низкотемпературные ТЭ с щелочным электролитом или твердополимерной ионообменной мембраной;
  2. среднетемпературные ТЭ с фосфорнокислым электролитом, высокотемпературные ТЭ с расплавленным карбонатным электролитом или твердооксидным электролитом.

Принципиальная схема электростанции на основе ТЭ показана на рисунке.
Топливные элементы позволяют с высокой энергетической и экологической эффективностью осуществлять непосредственное превращение химической энергии топлива и окислителя в электрическую энергию.

Электрический КПД топливных элементов достигает 40-60 %, а с учетом утилизации теплоты - 80-85 %. Энергетические установки с топливными элементами практически бесшумны, их КПД относительно мало зависит от установленной мощности, а выбросы врезных веществ по сравнению с тепловыми двигателями на 2-3 порядка ниже.
Задача заключается в создании энергетических установок на основе ТЭ, в первую очередь для малой энергетики, децентрализованного энергоснабжения и транспортных средств.
схема электростанции на ТЭ
Принципиальная схема электростанции на ТЭ

В России накоплен большой опыт создания энергетических установок со щелочными топливными элементами мощностью до 300 кВт для космических и подводных аппаратов. Эти топливные элементы не уступают лучшим зарубежным образцам. Некоторое время назад Минатомом разработана комплексная целевая программа "Топливный элемент".
За последние 20 лет в США на разработку ТЭ было израсходовано около $2 млрд долларов. Суммарная мощность всех построенных в мире энергоустановок на ТЭ составляет около 40 тыс. кВт. В мировой практике в гражданских -елях наибольшее развитие получили фосфорнокислые ТЭ.
Выставка "Водород + Топливный Элемент" ежегодно проводится в Германии начиная с 1995 г. На этой выставке в 2002 г. демонстрировала свои разработки фирмы Vaillant GmbH, сообщившая, что она готовится к началу массового производства ТЭ — генераторов.
Одни из ведущих разработчиков водородных ТЭ в США "DCH Technology" и японская компания "Daido Metal" объявили о завершении совместных работ по созданию коммерческих ТЭ и образовании компания ''NeWave". Первым коммерческим продуктом "NeWave" станет компактный топливный элемент на основе протонообменных мембран (РЕМ), обеспечивающий получение до 50 Вт электроэнергии.
С помощью ТЭ можно аккумулировать электроэнергию. Такая технология, впервые разработанная в Великобритании· будет применена на практике в США для стабилизации энергоснабжения в западном секторе электросети компании "Tennessee Valley Authority".
Недавно совет директоров TVA утвердил строительство в северной части штата Миссисипи установки по аккумулированию электроэнергии мощностью 12 МВт на регенеративных топливных элементах. Первая установка мощностью 14,75 МВт, содержащая 96 топливных элементов, которые будут размещаться в рядом с действующей электростанцией, строится в Литл-Барфорде близ Кембриджа (Великобритания). Фирма "AGRA Birwetco Ltd." начала строительство завода в августе 2000 года и рассчитывает завершить его в сентябре 2001 года. Стоимость строительства оценивается в $20 млн.
Такая система позволяет создавать запас электроэнергии при низком уровне спроса и тарифов и высвобождать ее при пиковых нагрузках, снижая потребность в резервных генерирующих мощностях.
Компания ''Motorola" сейчас разрабатывает миниатюрный ТЭ, который можно будет использовать и качестве батареи питания для ПК-блокнотов, сотовых телефонов и других электронных устройств. Над этим проектом "Motorola" работает вместе со специалистами Лос-Аламосской Национальной Лаборатории.
Сейчас создан только прототип топливного элемента. Его площадь составляет 6,45 см2, а толщина - около 2,5 мм. В нем используется жидкий метиловый спирт. Уже разработана схема преобразования низкого напряжения, вырабатываемою ТО, в более високос напряжение, необходимое для питания электронных устройств. По замыслу разработчиков ТЭ смогут обеспечивать питание сотовых телефонов более месяца, а весить они будут значительно меньше обычных батареек.
В феврале 2002 года администрации США выступила с новым подходом к проблеме глобального потепления климата. Рассматриваемый как альтерната Киотскому соглашению 1997 года, новый план предусматривает стимулирование частной инициативы по развитию экологически чистых энергосберегающих технологий, в качестве важного элемента которых называются топливные элементы.
На реализацию выдвигаемых предложений а проекте бюджета США на 2003 год закладывается $4,5 млрд. Еще 4,6 млрд предполагается выделить в последующие 5 лет для перевода энергетики и транспорта на альтернативные виды топлива и технологии их использования.
США в Индия подписали в марте 2002 года соглашение о двухстороннем научно-техническом сотрудничестве по развитию водородной энергетики. Разработка и внедрение альтернативных источников энергии, включая топливные элементы, призваны снизить зависимость обеих стран от импорта нефти.
К 2010 году японское правительство планирует довести число автомобилей с двигателями на топливных элементах до 10 млн.
В апреле 2002 года китайское правительство выделило 106 млн. на разработку и внедрение национальных автомобилей на топливных элементах. Реализация данной программы улучшит экологическую ситуацию в китайских городах и снизит потребление нефти в целом по стране.



 
« Возможность эксплуатации котла ТП-170 на пониженных параметрах перегретого пара   Восстановление работоспособности металла котлотурбинного оборудования методом сварки »
электрические сети