Водородная энергетика

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

УО «БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ЭКОНОМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

 

 

Кафедра технологий важнейших отраслей промышленности

 

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

 

 

по дисциплине: Основы энергосбережения

на тему: Водородная энергетика

 

 

 

 

 

 

 

Студент                                    

ФФБД, 1-й курс, ДФУ-1                                                                  А.Л. Петров

 

 

 

Проверил                                                                                             М.В. Михадюк

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

МИНСК 2013

СОДЕРЖАНИЕ Введение………………………………………………………………………………3 1. Перспективы применения  водорода……………………………………………...4 2. Свойства водорода……………………………………………………………...…6 3. Производство водорода………………………………………………………...…8 4. Потенциал применения водорода…………………………………………….…12 Заключение…………………………………………………………………………..19 Список использованных источников…………………...………………………….22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Сегодня многие передовые  в экономическом отношении страны все более пристально рассматривают  водород не только в упомянутых сферах его традиционного применения, но и как основу энергетики завтрашнего  дня. На фоне катастрофического ухудшения  экологического состояния планеты  и истощения ресурсов углеводородного  сырья, заманчиво использовать водород  как абсолютно безвредное топливо  для средств транспорта, обогрева жилищ в удаленных регионах, в автономных и стационарных источниках вторичной энергии. При этом наиболее заманчивым методом получения водорода является электролиз воды. Ведь сгорая, водород опять даст ту же воду. Поистине неисчерпаемый источник горючего! Но здесь встает другая проблема: для электролиза требуется электричество, а его получение из возобновляемых источников составляет сегодня ничтожную долю от общих объемов производства электроэнергии. И здесь вспомним про наше Солнце и другие звезды. Термоядерная реакция и вновь водород. Человек уже создал термоядерную (водородную) бомбу. Но в ней чудовищная по масштабам Земли энергия высвобождается в доли секунды, принося разрушения и смерть. На Солнце реакция идет миллиарды лет медленно и стабильно, принося жизнь и тепло. Ученые бьются над проблемой обуздания термояда, и не за горами то время, когда управляемая термоядерная энергия вкупе с экологически безопасным топливом навсегда избавит нас от опасений о конечности энергетических ресурсов нашей планеты и гибели окружающей среды.

 

 

 

 

 

 

 

1. Перспективы  применения водорода

Решение проблем энергетики и энергоснабжения - ключ к решению очень многих экономических и хозяйственных проблем. Прежде всего, рассмотрим источники, из которых человечество сегодня черпает энергию для своей хозяйственной деятельности. Приведем данные нескольких исследователей.

По данным "Центра Кургиняна", на начало 1997г. доли различных источников в совокупном мировом энергопотреблении составляли: нефть - 38%, газ - 29%, уголь - 22%, и лишь около 10% приходилось на все остальные источники энергии вместе взятые

  Российский журнал "Фактор" в №5 за 2001 год со ссылкой на World Energy Council представляет следующие данные на 2000 год: на ископаемые виды топлива приходится 90% мирового потребления энергоресурсов, в том числе на нефть -- 40,1%, уголь -- 27,8%, природный газ -- 22,9%.

Итак, около 90% энергии мир  получает, сжигая ископаемое топливо: нефть, газ, каменный уголь. Перед тем, как остановиться на водородном источнике  энергии подробно, необходимо обсудить атомную энергию. Её апологеты утверждают, что она дешевая и (несколько  неуверенно после апреля 1996 года) безопасная. Признаем, что обеспечить безопасность АЭС можно. А вот с дешевизной много сложнее. Скажем прямо: главным мотивом отказа от АЭС во всем мире является не вопрос безопасности, а вопрос стоимости.

Многие деятели атомной  индустрии утверждают, что "стоимость  электроэнергии АЭС уже сейчас меньше на 15% - 20% стоимости электроэнергии тепловых станций" (Инвестиционная программа атомной энергетики на 2002-2005 годы и на период до 2010 гoдa). Это не так. Методику расчета экономической эффективности "мирного атома" иначе как нечестной назвать трудно.

Начнем с того, что нефть  и газ не вечны. Существует много оценок запасов нефти, которые колеблются от 30 до 100 лет использования.

Сжигание углеводородов  создают заметные экологические  проблемы, особенно при использовании  для нужд транспорта. Но если совершенствованием технологий можно решить проблемы токсичных выбросов, то выбросы углекислоты, приводящие к изменению глобального климата, являются неизбежными спутниками использования ископаемого топлива. На долю этого сегмента приходиться менее 10%. Эта цифра означает не скудость этих источников, а низкий уровень внедрения технологий их использования.

Это в первую очередь Солнце: в среднем 1 киловатт/м² земной поверхности, что в сумме в 100 раз (!) превышает количество вырабатываемой человечеством энергии. Не следует забывать и производные энергии Солнца: гидроэнергия, энергия ветра, морских волн.

На втором месте по значимости и перспективности стоит геотермальная  энергия. Она практически неисчерпаемая  и вечная, но проблема ее стоимости  стоит довольно остро. Можно отметить также энергию приливов и отливов, энергетическое использование биомассы.

Почему же такой богатейший потенциал дает менее 10% вырабатываемой энергии?

Потому что данные источники  непостоянны во времени и неравномерно распределены пространстве. Поэтому  прямое их использование целесообразно (на уровне сегодняшних технологий) только в децентрализованных малых  источниках энергии.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Свойства водорода

В свободном состоянии  и при нормальных условиях водород - бесцветный газ, без запаха и вкуса. Относительно воздуха водород имеет плотность 1/14. Он обычно и существует в комбинации с другими элементами, например, кислорода в воде, углерода в метане и в органических соединениях. Поскольку водород химически чрезвычайно активен, он редко присутствует как несвязанный элемент.

Охлажденный до жидкого состояния  водород занимает 1/700 объема газообразного  состояния. Водород при соединении с кислородом имеет самое высокое  содержание энергии на единицу массы: 120.7 ГДж/т. Это - одна из причин, почему жидкий водород используется как топливо для ракет и энергетики космического корабля, для которой малая молекулярная масса и высокое удельное энергосодержание водорода имеют первостепенное значение.

При сжигании в чистом кислороде единственные продукты - высокотемпературное тепло и вода. Таким образом, при использовании водорода не образуются парниковые газы и не нарушается даже круговорот воды в природе.

В Мировом океане водорода содержится 1,2•1017 т, дейтерия - 2•1013 т. Суммарная масса водорода составляет 1% общей массы Земли, а число атомов - 16%. Особенно важен здесь тот фактор, что при сгорании водород превращается в воду и полностью возвращается в круговорот природы. В то же время, по самым оптимистическим прогнозам, ресурсы углеводородного топлива будут истощены примерно через 100 с лишним лет, в то время как угля - через многие столетия. Величина запасов угля важна и в контексте водородной энергетики: ближайшей промышленной перспективой производства водорода будет получение его при газификации углей.

Весовая теплотворная способность  водорода (28630 ккал/кг) в 2.8 раза выше по сравнению с бензином.

Энергия воспламенения в 15 раз меньше, чем для углеводородного топлива.

Максимальная скорость распространения  фронта пламени в 8 раз больше по сравнению с углеводородами.

Излучение пламени в 10 раз  меньше по сравнению с пламенем углеводородов.

При использовании водорода как топлива исключается возможность  усиления парникового эффекта, не выделяются вредные вещества (автомобильный  двигатель выбрасывает 45 токсичных  веществ, в том числе и канцерогены, нет опасности образования застойных  зон водорода -- он легко улетучивается.

Отметим и отрицательные  качества водорода. Это низкие плотность  и объемная теплотворная способность, более широкие пределы взрываемости и более высокая температура воспламенения по сравнению с углеводородами. Применение концепции энергоаккумулирующих веществ (ЭАВ), описанной ниже, позволит снизить негативное влияние этих недостатков водорода как топлива, которые заметно перекрываются его достоинствами.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Производство водорода

Запасы водорода, связанного в органическом веществе и в воде, практически неисчерпаемы. Разрыв этих связей позволяет производить водород  и затем использовать его как  топливо. Разработаны многочисленные процессы по разложению воды на составные элементы.

При нагревании свыше 2500°С вода разлагается на водород и кислород (прямой термолиз). Столь высокую температуру можно получить, например, с помощью концентраторов солнечной энергии. Проблема здесь состоит в том, чтобы предотвратить рекомбинацию водорода и кислорода.

В настоящее время в  мире большая часть производимого  в промышленном масштабе водорода получается в процессе паровой конверсии  метана (ПКМ). Полученный таким путем  водород используется как реагент  для очистки нефти и как  компонент азотных удобрений, а  также для ракетной техники. Пар  и тепловая энергия при температурах 750-850°С требуются, чтобы отделить водород от углеродной основы в метане, что и происходит в химических паровых реформерах на каталитических поверхностях. Первая ступень процесса ПКМ расщепляет метан и водяной пар на водород и моноксид углерода. Вслед за этим на второй ступени "реакция сдвига" превращает моноксид углерода и воду в диоксид углерода и водород. Эта реакция происходит при температурах 200-250°С.

Начиная с 70-х годов прошлого века в стране были выполнены и получили необходимое научно-техническое обоснование и экспериментальное подтверждение проекты высокотемпературных гелиевых реакторов (ВТГР) атомных энерготехнологических станций (АЭТС) для химической промышленности и черной металлургии. Среди них АБТУ-50, а позднее -- проект атомной энерготехнологической станции с реактором ВГ-400 мощностью 1060 МВт(т) для ядерно-химического комплекса по производству водорода и смесей на его основе, по выпуску аммиака и метанола, а также ряд последующих проектов этого направления.

Основой для проектов ВТГР послужили разработки ядерных ракетных двигателей на водороде. Для этих целей испытательные высокотемпературные реакторы и демонстрационные ядерные ракетные двигатели продемонстрировали работоспособность при нагреве водорода до рекордной температуры 3000 К.

Высокотемпературные реакторы с гелиевым теплоносителем - это новый тип экологически чистых универсальных атомных энергоисточников, уникальные свойства которых - способность вырабатывать тепло при температурах более 1000°С и высокий уровень безопасности - определяют широкие возможности их использования для производства в газотурбинном цикле электроэнергии с высоким КПД и для снабжения высокотемпературным теплом и электричеством процессов производства водорода, опреснения воды, технологических процессов химической, нефтеперерабатывающей, металлургической и др. отраслей промышленности.

К настоящему времени разработан проект модульного гелиевого реактора для генерации электричества (с  КПД ~ 50%) с использованием прямого  газотурбинного цикла. Энергетическая установка ГТ-МГР состоит из двух связанных воедино блоков: модульного высокотемпературного гелиевого реактора (МГР) и газотурбинного преобразователя  энергии прямого цикла (ГТ). Работы находятся на стадии технического проектирования с экспериментально-стендовой отработкой ключевых технологий: топливо и система  преобразования энергии. В настоящее  время проводится оценка технологического применения этого проекта для  производства водорода с использованием термохимических циклов, в том  числе и на базе ПКМ. Создание такого тандема (ВТГР-ПКМ) открывает путь широкому применению ядерной энергии в энергоемкой промышленности: крупнотоннажной химии, металлургии, а также позволяет путем выработки вторичного энергоносителя (чистого водорода или его смеси с СО) создавать ядерные энерго-технологические комплексы для регионального теплоэнергоснабжения с поставкой топлива для транспорта и низкопотенциального тепла для коммунально-бытовых нужд и коммерческого сектора.

Термохимический процесс  получения водорода из воды использует цикл реакций с химически активными  соединениями, например, соединениями брома или йода, и проводится при  высокой температуре. Требуется несколько стадий - обычно три, чтобы выполнить полный процесс. Предложено и рассматривается несколько сотен возможных циклов. В ведущих странах мира этому процессу уделяется особое внимание как потенциально наиболее эффективной технологии производства водорода из воды с помощью ВТГР. Такой цикл может быть построен и на базе ПКМ, поскольку при паровой конверсии метана половина водорода производится не из метана, а из воды. Довести в этом цикле долю водорода, получаемого расщеплением воды, до 100% и, тем самым, полностью избежать расхода метана можно, если получать в качестве промежуточного продукта метанол с последующим электрохимическим восстановлением метана, возвращаемого в голову процесса. Подобное развитие технологии по отношению к связке "ВТГР-ПКМ" может стать рентабельным при росте цен на природный газ свыше 120-150 долл./1000 нм³.