Способы производства водорода. Перспективы его использования в энергетике

МОСКОВСКИЙ  ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ) 
 

Кафедра Тепломассообменных Процессов и  Установок. 
 
 
 
 
 
 

Способы производства водорода.

Перспективы его использования  в энергетике. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Группа: ФП-01-07

Студент: Асташина Д.И.

Преподаватель: Горячева Е.М. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Москва 2010.

  Введение.

  Термин  «водородная энергетика» (ВЭ) в последние  десять лет приобрел огромную популярность в мире науки, экономики и политики в связи с проблемой истощения  невозобновляемых источников энергии — углеводородов. Анализ многочисленных публикаций на эту тему показывает, однако, что под этим термином часто понимается ряд различных программ. В статье сделана попытка эти программы разделить, выделить главные движущие идеи каждой программы и критически оценить их состояние в настоящий момент. Рассмотрены некоторые технологические достижения, которые могут оказать существенное влияние на дальнейшее развитие ВЭ, а также программы развития водородных технологий ведущих стан мира и крупнейших компаний.

  Иногда в популярной литературе ВЭ противопоставляется «углеводородной» энергетике. Сразу необходимо отметить, что сфера водородной энергетики — "downstream", т.е. транспортировка, переработка и использование энергии, но не "upstream" (добыча первичного энергетического сырья). ВЭ лишь дополняет нефтяную, атомную или «возобновляемую» энергетику, но сама по себе не является новым источником энергии. Другими словами, водородная энергетика – это способ наиболее эффективного применения имеющихся источников энергии, повышения КПД их использования или получения иных преимуществ.

  В свободном виде водород на Земле  практически не существует, поэтому  его надо производить. Из закона сохранения энергии следует, что потери на цикл «производство водорода — использование водорода» неизбежны. Поэтому одной из задач настоящей записки является выяснение, где эти потери оправданы.

  Остановимся на наиболее перспективных и широкомасштабных приложениях водородных технологий.

  Концепция экологически чистой водородной энергетики, часто называемая «водородной экономикой», включает:

• Производство водорода из воды с использованием невозобновляемых источников энергии (углеводороды, атомная энергия, термоядерная энергия);
• Производство водорода с использованием возобновляемых источников энергии (солнце, ветер, энергия морских приливов, биомасса и т.д.);
• Надежная транспортировка и хранение водорода;
• Широкое использование водорода в промышленности, на транспорте (наземном, воздушном, водном и подводном), в быту;
• Обеспечение надежности материалов и безопасности водородных энергетических систем.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

  Водородная  энергетика.

  Водородная  энергетика — развивающаяся отрасль энергетики, направление выработки и потребления энергии человечеством, основанное на использовании водорода в качестве средства для аккумулирования, транспортировки и потребления энергии людьми, транспортной инфраструктурой и различными производственными направлениями. Водород выбран как наиболее распространенный элемент на поверхности земли и в космосе, теплота сгорания водорода наиболее высока, а продуктом сгорания в кислороде является вода (которая вновь вводится в оборот водородной энергетики). Водородная энергетика относится к нетрадиционным видам энергетики.

  Выбор водорода как энергоносителя обусловлен рядом преимуществ, главные из которых: экологическая безопасность водорода, поскольку продуктом его сгорания является вода, исключительно высокая , равная – 143,06 МДж/кг (для условного углеводородного топлива — 29,3 МДж/кг); высокая теплопроводность, а также низкая вязкость, что очень важно при его транспортировании по трубопроводам; практически неограниченные запасы сырья, если в качестве исходного соединения для получения водорода рассматривать воду (содержание воды в гидросфере 1,39*10¹⁸т); возможность многостороннего применения водорода. Водород может быть использован как топливо во многих химических и металлургических процессах, а также в авиации и автотранспорте как самостоятельное топливо, так и в виде добавок к моторным топливам.

    

          Россия имеет  большой опыт в области освоения водородных энергетических технологий. В 80 годы 20 века был создан не имеющий аналогов ракетно-космический комплекс Буран-Энергия. В летающую лабораторию ЛЛ Ту-154 (позже Ту-155) был переоборудован серийный Ту-154 СССР-85035 (доработанный до стандарта Ту-154Б). Для обслуживания самолёта был разработан авиационный криогенный комплекс, позволяющий проводить различные виды испытаний с использованием больших количеств криогенной жидкости. 15 апреля 1988 года экипаж лётчика-испытателя В.А.Севанькаева впервые поднял его в небо. Выполнены испытания автотранспорта на водороде и бензоводородных топливных композициях. Главными своими приоритетами на ближайшие годы НАВЭ считает создание законодательной базы, необходимой для развития водородной энергетики и обеспечивающей благоприятные условия для формирования водородной экономики,  формирование и реализацию плотной программы применения водородных и смежных технологий для обеспечения Олимпиады-2014 и Большого Сочи, популяризацию водородных технологий, организацию водородного всеобуча.

 

  Перспективы использования водорода в энергетике.

  7 февраля в московском "Президент-отеле" открылся международный форум "Водородные технологии для производства энергии". Это мероприятие проводится в рамках председательства России в "Большой восьмерке" и при поддержке и участии международных организаций в рамках Международного партнерства по водородной экономике. Главной темой форума стали современное состояние, проблемы и перспективы водородной энергетики.

  Помимо  пленарных докладов на форуме будут  проходить заседания по семи секциям, отражающими наиболее важные отрасли водородной энергетики: производство, хранение и распределение водорода, нанотехнологии и материалы для водородной энергетики, топливные элементы, водородные энергоустановки, проблемы безопасности, образование. Кроме того, 6 февраля прошла конференция молодых ученых по теме Форума. В ней участвовали аспиранты, студенты и даже школьники из разных городов России и стран СНГ.

  Общее мнение участников конференции можно  свести к тому, что в будущем водород займет прочное место в мировом энергетическом балансе. Однако будущее это настанет завтра и даже не послезавтра. Совершенствование и широкомасштабное внедрение водородных технологий займет десятилетия. Согласно озвученным на форуме прогнозам, достаточно распространенными водородные технологии станут к 2025-2030 году, а по-настоящему массовыми - к 2050 году.

  Сейчас  водородные источники энергии используются в космической сфере и в  военной области. Например, водородные топливные элементы применяются в американских космических челноках и в новых немецких подводных лодках для бесшумного движения под водой. Что касается других направлений, в числе которых использование водорода на транспорте, создание топливных элементов для портативной электроники и др., то здесь дело пока не продвинулось дальше экспериментальных разработок. Их число постоянно растет, но до практического внедрения дело вряд ли дойдет скоро.

  Перед разработчиками водородных технологий стоит еще масса проблем. Во-первых, предстоит решить проблему производства дешевого водорода. В настоящее время хорошо освоены крупнотоннажные процессы, использующие в качестве сырья метан, а производство водорода в малых масштабах является чрезвычайно дорогим и энергозатратным. Внедрение водородных двигателей на транспорте сдерживается проблемой создания безопасных и компактных баков для водорода и необходимостью развития инфраструктуры заправочных станций нового типа. Отсутствует и нормативная база, регулирующая использование водородного топлива, требования к безопасности транспортных средств и т.д.

  В производстве топливных элементов  предстоит решить проблему низкого срока службы каталитических мембран, дороговизну материалов для их изготовления, создать эффективные системы очистки водорода и т.д. В случае портативных топливных элементов, работающих на метаноле, предстоит решить не меньше проблем: обеспечить безопасность использования ядовитого метанола, наладить каналы продажи запасных картриджей с топливом и т.д.

  Большинство секционных докладов посвящены путям  решения этих проблем. Приятно, что в разработке водородных технологий не последнее место занимают и российские разработки. Наша страна имеет неплохой задел в водородной области с 1970-х гг., а сейчас руководит двумя программами в рамках международного партнерства по водородной энергетике. Это создание систем хранения водорода и портативных топливных элементов.

Топливные элементы.   

  Впервые идею использовать топливные элементы в большой энергетике сформулировал  немецкий ученый Освальд в 1894 году. В 30-е годы прошлого века немецкий исследователь Бауэр создал лабораторный прототип топливного элемента с твердым электролитом для прямого анодного окисления угля. Одновременно разрабатывались кислородно-водородные топливные элементы. Общемировое признание получили результаты исследований советского ученого Оганеса Давтяна. После опубликования в 1947г. его монографии «Проблема непосредственного превращения химической энергии топлива в электрическую» страны — технологические лидеры активизировали работу по созданию топливных элементов и энергоустановок на их основе.

  В 1958 г. в Англии Ф.Бэкон создал первую кислородно-водородную установку мощностью 5 кВт. В США с 1955 г. К.Кордеш разрабатывал низкотемпературные кислородно-водородные топливные элементы, в которых  использовались угольные электроды с платиновыми катализаторами. В Германии Э. Юст работал над неплатиновыми катализаторами.

  В 60-е годы были созданы демонстрационные и рекламные образцы топливных  элементов. Разработки подобных водородных технологий проводили большинство развитых стран, в первую очередь США, Канада, Япония, а также Советский Союз — признанный технологический лидер в этой сфере в 60—70-е годы. В Соединенных Штатах работы в этом направлении связаны в основном с космосом. В космических аппаратах «Джемини», «Аполлон», «Шаттл» впервые применялось водородные щелочные топливные элементы (AFC). Однако в конце 60-х годов объем разработок и исследований по топливным элементам в США и Канаде существенно сократился.

  Всплеск интереса к ним был отмечен  лишь в 80-е годы. А в 90-е развитые страны активизировали работы по исследованиям, разработкам и созданию стационарных электрических станций большой мощности на базе топливных элементов. Эти исследования сделали экономически целесообразным использование в стационарных, передвижных и портативных энергоустановках водородных топливных элементов. 

  Топливный элемент — электрохимическое  устройство, подобное гальваническому  элементу, но отличающееся от него тем, что вещества для электрохимической  реакции подаются в него извне — в отличие от ограниченного количества энергии, запасенного в гальваническом элементе или аккумуляторе.

  Топливные элементы не имеют такого ограничения  на коэффициент полезного действия (КПД), как у тепловых машин. В связи  с этим они могут иметь очень  высокий коэффициент преобразования химической энергии в электрическую. Конструкция любого топливного элемента состоит из двух электродов (катода и анода) и находящегося между ними слоя электролита — среды, обеспечивающей перемещение ионов от одного электрода к другому и блокирующей движение электронов. Для того чтобы реакция протекала с более высокой скоростью, в электродах часто используют катализаторы.

  Работа  топливных элементов поддерживается путем подачи двух  применяемых  для поддержания реакции компонентов — топлива и окислителя. В зависимости от типа топливного элемента, в качестве топлива могут использоваться газообразный водород, природный газ (метан), а также жидкое углеводородное топливо (например, метиловый спирт). В роли окислителя обычно выступает содержащийся в воздухе кислород, а некоторые типы топливных элементов могут работать только с чистым кислородом.