Водородная энергетика, ее плюсы и минусы

Сокращенно. Более подробную информацию читайте в журнале «ВіР» №3 2012.

В статье приведено мнение специалиста, проработавшего много лет в энергетике, отличающееся от мнения автора блога, но неординарность его заслуживает уважения и публикации.

Рост цен на традиционные источники энергии, их дефицит, а так же очевидные экологические проблемы, связанные с их использованием, заставляют нас заниматься поисками альтернативных источников. Трезво оценив ситуацию, постараемся оценить альтернативную энергетику, ее плюсы и минусы.

По моему, только ленивый сегодня не рассуждает об альтернативной энергетике и возобновляемых источниках энергии, об энергонезависимости, в том числе и в нашей стране, импортирующей углеводородное топливо. Но насколько реальны эти «альтернативы»? Качество альтернативной электроэнергии с использованием энергии солнца и ветра еще низкое.

Дело в том, что электроэнергия – такой продукт, которую хранить в масштабах, необходимых для энергосистемы целой страны, невозможно. Ее нужно потреблять сразу же после «изготовления». И это создает для энергетиков большие сложности, поскольку электропотребление в течение суток, дней недели и времени года, существенно колеблется, а энергосистема очень инерционна.

Вывод энергоблока в «режим» на ТЭС, ТЭЦ требует по времени несколько часов, столько же и на остановку. Запуск реактора на АЭС длится сутками. Поэтому энергетики стимулируют потребителей электрической энергии переходить на дифференцированные тарифы, когда в течение суток ее стоимость может существенно отличаться.

Что больше, затрат или выгоды?

Выработка электроэнергии при помощи ветряков никаким планам не поддается, поскольку она зависит от силы ветра, управлять которым человечество еще не научилось.

Поэтому в комплекте с ветроэлектростанциями должны быть источники на традиционных энергоносителях, но с малой инерционностью (с коротким периодом запуска и остановки).

Такими являются газовые турбины, но стоимость их высока и кпд ниже, чем у традиционных котловых установок.

Не в оптимальном режиме в течение суток работают и солнечные батареи. Ведь пиковые нагрузки в энергосистемах утром и вечером, когда освещенность невелика. А среди дня у энергетиков возникают проблемы «лишних» киловатт. Да и в штатное время в течение дня производительность солнцепанелей зависит от погодных условий (облачность).

Снабдить солнечные панели поворотными устройствами, следящими за движением солнца, весьма проблематично, потому, что 1кВт мощности занимает площадь около 20 кв. м и весит около 300 кг., а решение этой проблемы еще больше удорожит энергоустановку.

Учитывая стоимость, расчеты показывают, что сроки окупаемости таких энергоустановок 15 и более лет. Другими словами, заинтересованная окупаемость достигается за счет прямого дотирования (до 50%) со стороны государства из кармана потребителей, поскольку «зеленый» тариф закладывается в себестоимость электрической энергии.

Все, о чем говорилось выше, касается и ветроэнергетики. Здесь так же низкая экономическая эффективность (при даровом источнике ветра), обусловленная высокой стоимостью ветроустановок и требующая государственных дотаций.

К слову сказать, я не совсем согласен с автором, и считаю, что в частном секторе комплексные системы энергоснабжения, построенные на солнечных панелях с ветроустановками вполне могут конкурировать с системами централизованного монопольного энергоснабжения. И этому есть подтверждения на территории Украины.

Дело в том, что самый затратный элемент – алюминий, который идет на изготовление лопастей. А при изготовлении алюминия применяется электрическая энергия, которая в себестоимости составляет 50%. Потому-то все алюминиевоплавиьные заводы располагают вблизи дешевой энергии ГЭС, невзирая на транспортные затраты.

Говоря об энергосбережении и альтернативных источниках энергии на транспорте, специалисты энергетическую проблему разделяют на тепловую и транспортную.

В первом случае, для непосредственного получения тепловой энергии (для приготовления пищи и обогрева) или электрической энергии, можно использовать в буквальном смысле все, что горит – уголь, природный газ, мазут, дрова. Во втором, все что можно сжигать в ДВС.

Бензин и водородное топливо

В последние несколько лет заметно интенсивное движение вокруг так называемой водородной энергетики и на общедоступном уровне вынашивается мысль о том, что водород – светлое энергетическое будущее человечества, поскольку это самый распространенный элемент на земле и в космосе.

Если говорить с точки зрения химии, то горение – это процесс соединения того или иного вещества с кислородом, с выделением энергии.

Соответственно почти весь водород на земле сгорел и в соответствии с законом о сохранении энергии, чтобы получить чистый водород, выделив его из воды (разделить на составные части водород и кислород) нужно потратить не меньше, а возможно больше энергии, чем будет получено при его повторном сгорании.

Поэтому специалисты считают, что говорить сегодня о водороде, как источнике энергии некорректно. Можно говорить об использовании водорода в качестве средств для аккумулирования и транспортировки энергии.

В упрощенной схеме это выглядит примерно следующим образом. На стационарной установке с использованием значительных объемов электрической энергии получают химически чистый водород. Затем «заливают» его в бак автомобиля. Следовательно, массовая «водородизация» автотранспорта приведет к значительному производству электроэнергии (специалисты считают до 30%).

А где ее взять, разве что в топочных устройствах электростанций использовать ту же самую нефть, что высвободится при переводе автотранспорта на водород. Но это колоссальные затраты, переоборудование и реконструкция электростанций и инфраструктуры связанной с хранением водорода и его заправкой в автомобили. Вряд ли это под силу нашему государству.

Остается одно преимущество водорода перед природным газом, что его запасы практически неисчерпаемы. Но в том и парадокс, что весь чистый водород для производства и других нужд (включая и автотранспорт) на сегодня водород получают из природного газа (метана), а не из воды. Эта технология энергозатратна, но гораздо экономичней электролиза воды.

Подытоживая можно сказать, что для нас пока альтернативная энергетика имеет больше минусов, чем плюсов.

Но технологии развиваются, совершенствуются, дешевеют и прогресс не стоит на месте.

Другое дело, что любое дело необходимо делать с трезвой головой, заботясь о конкретном содержании, конкретных результатах, а не о форме, показухе, рассчитанной на малокомпетентного обывателя.

Источник: http://old.savenergy.info/page/alternativnaja-energetika-pljusy-i-minusy

Водородная энергетика

Водород – самый распространенный элемент на Земле. На его применении в качестве топлива базируется водородная энергетика – нетрадиционный способ получения энергии, который пока не так широко применяется на практике как альтернатива традиционным способам, или по сравнению с некоторыми другими нетрадиционными источниками энергии.

Составной частью водородной энергетики является процесс получения водорода из воды и другого сырья природного характера, а также хранение водорода в газообразном и сжиженном состояниях (или же в виде искусственно полученных химических соединений).

Важным компонентом выступает транспортировка водорода к потребителю, осуществляемая с небольшими потерями.

Водородная энергетика пока не получила широкого применения, поскольку не отработана четкая методика технологических процессов получения, хранения и транспортировки водорода, хотя разнообразные разработки и лабораторные исследования находятся в перспективной стадии.

К преимуществам выбора водорода относится, прежде всего, его экологическая безопасность, так как продукт его сгорания вода, а также такие качества как исключительно высокая энтальпия (термодинамический потенциал 143,06 МДж/кг), высокая теплопроводность и низкая вязкость, что играет положительную роль при транспортировании по трубопроводам.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Способы получения водорода

Выделяют три способа получения водорода традиционными методами: химический, электролиз, термохимический. При каждом способе необходимо затрачивать природные ископаемые, поэтому все три способа экономически и экологически нецелесообразны, поскольку природные ресурсы истощимы (в настоящее время стремительно).

Водородная энергетика: недостатки и преимущества

1. Главны проблем водородной энергетики две:

• Это трата других энергоносителей (нефть, электричество, газ) для получения вещества и высокая угроза образования взрывов.
• Кроме того, нет четко прописанного и экономически выгодного механизма получения водородной энергии, хотя специалистами активно разрабатываются варианты добычи водородного топлива. Но пока есть трудности в его добыче.

Стремясь найти возможности устранить недостатки, все большее внимание обращается на получение водорода из воды. В этом плане источник получения водородной энергетики неисчерпаем, учитывая водный потенциал (миллионы тонн воды в мировом океане).

1. Преимущества:

   • Транспортировка по трубам без проблем, так как у водорода низкий показатель вязкости. Водород хранится в сжиженном, газообразном состоянии. У водорода продолжительный срок хранения, он достаточно легок.
   • Современные технологии водородной энергетики дают возможность иметь качественный топливный материал с высоким коэффициентом теплоотдачи. Этот энергоноситель имеет практическую сферу применения: в промышленном хозяйстве, в ЖКХ (для отопления жилых зданий).
   • Водородная энергетика безопасна для окружающей среды, не обладает токсичными свойствами, негативно влияющими на человека и животный мир природы.

Водород может быть применим в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания (у него большая эффективность по сравнению с бензином или дизельным топливом), при нагреве он не выделяет диоксид углерода, то есть в меньшей степени негативно влияет на атмосферу. Сегодня многие промышленные компании работают над созданием дешевых водородных топливных элементов, но пока это только перспектива.

Перспективы водородной энергетики

Водородная энергетика имеет, по сути, равное количество плюсов и минусов.

Одни ученые специалисты видят перспективный путь ее развития, указывая на то, что проблемы и недостатки могут быть сглажены или даже преодолены.

На этом пути выделяют две насущные задачи: изобрести новейшее оборудование для добычи водорода и удешевить процесс получения энергоносителя, снизив затраты газа. Но идеи должны быть превращены в реальность.

Замечание 2

Отметим и мнение ученых-пессимистов, считающих, что водородная энергетика не имеет перспективы, прежде всего, из-за возможной техногенной катастрофы всеобъемлющего масштаба.

Однако их мнение не имеет четкой аргументации и остается на уровне гипотез.

Скорее всего, верна «золотая середина»: водород – уникальный энергоноситель, но нуждаются в практической разработке технически совершенные способы его добычи.

Источник: https://spravochnick.ru/ekologiya/netradicionnye_istochniki_energii/vodorodnaya_energetika/

Основные преимущества водородной энергетики

Вопросы альтернативной энергетики, поисков экологически чистого и высокоэффективного дешевого энергоносителя, легкодоступного и практически неисчерпаемого источника энергии давно и прочно заняли ведущее место в перечне проблем, влияющих на перспективу дальнейшего не только развития, но и существования всего человечества.

Один из энергоносителей, отвечающий многим этим требованиям, давно известен — водород. Водородная энергетика обладает огромным потенциалом и на это есть множество причин.

Запасы водорода неисчерпаемы и легкодоступны и автоматически возобновляемы, что устраняет затраты на поиск и разработку месторождений, а также на восполнение заменителями изъятых объемов при подземных разработках и на использование или восстановление отработанных пород:

• во-первых, основное «месторождение» — вода, разложение молекул которой дает чистый водород. Источниками водорода могут быть уголь, газ, биомасса — как отходов, так и живых растений. У некоторых представителей группы зелёных водорослей, например, Chlamydomonas reinhardtii, при нехватке кислорода и серы резко ослабевают процессы фотосинтеза, и начинается бурная выработка водорода. Этот эффект обнаружил в конце 90-х годов прошлого столетия исследователь из Беркли, Анастасиос Мелис.
• во-вторых, в результате сгорания водорода с доступом кислорода образуется снова вода, побочных продуктов сгорание не дает, нет не сгоревших частиц пепла, запыляющих атмосферу, нет выбросов вредных газообразных соединений типа углекислого газа (парниковых газов).

Не последнее слово среди преимуществ водородной энергетики играют и энергетические показатели водорода. Теплота сгорания водорода наиболее высока, энергоотдача водорода при соединении с кислородом составляет 120,7 ГДж на тонну.

Эффективность сгорания, в частности в двигателе внутреннего сгорания, у водорода на 30-40% выше, чем у используемых сейчас углеводородов (производные нефти, природный газ). Водород в топливных элементах при использовании на транспорте имеет эффективность на 100-200% выше, чем бензин.

Применение в двигателях внутреннего сгорания благодаря уникальным свойствам водорода, дает возможность повысить по сравнению с бензиновыми двигателями КПД двигателя на 50-70%.

При использовании в качестве топлива водородометановых смесей резко снижается токсичность выбросов: при сгорании смеси с содержанием водорода 20-40% по объёму (5-10% по весу) токсичность выбросов в 2-4 раза меньше, чем при сгорании безводородного топлива, при этом на 35-40% уменьшается эксплуатационный расход топлива и на 20-25% увеличивается эксплуатационная экономичность. При работе двигателей, использующих смеси с долей водорода 20%, выполняются нормы Евро-4, а с долей 44-48% — Евро-5. Правда, ради объективности, стоит упомянуть о том, что современные технологии промышленного производства водорода не отличаются высокой экологичностью, но в общем от внедрения водородной энергетики природа все-таки будет в выиграше.

Взяв к вниманию только эти преимущества водорода можно без доли сомнения констатировать, что у водорода огромное будущее, и в первую очередь — в качестве источника энергии. Мировая промышленность живо отреагировала: производство водорода ведется уже достаточно давно.

Водород используют не только для потребностей отдельных производств (аммиака, метанола, мыла и пластмасс, маргарина из жидких растительных масел, упаковочного газа, для атомно-водородной сварки), но и в качестве энергоносителя — и в виде топливных элементов и как непосредственного топлива, в частности, ракетного, а в последние десятилетия — топлива для легкового, грузового и пассажирского транспорта.

США, Япония, страны Евросоюза уже более 30 лет постепенно переводят на водород все: крупные предприятия, автомобили, автобусы. В Лондоне в настоящее время эксплуатируется более 8000 автобусов с двигателями внутреннего сгорания, работающими на водороде.

Не останавливают своих исследований в области использования водорода для двигателей и ведущие автомобилестроительные компании, из года в год демонстрирующие на автомобильных выставках свои достижения. На данном этапе большинство уважающих себя автомобильных компаний могут похвастаться общественности прототипами автомобилей на водороде.

До повсеместного внедрения водородной энергетики на транспорте дело еще не дошло, но эти времена уже на за горами.

Мир осознал, что водород — один из лучших источников энергии, и рано или поздно бал в энергетике будет править именно водород.

Источник: https://energokeeper.com/osnovnyie-preimushhestva-vodorodnoj-energetiki.html

Водородная энергетика

Перспективным направлением в решении проблем энергообеспечения при минимальных воздействиях на окружающую среду в последние годы признана водородная энергетика, базирующаяся на водороде как топливе.

Следует иметь в виду, что для его производства, как и для производства электрической и тепловой энергии, необходимы внешние источники энергии, поскольку в свободном состоянии в природе водорода практически нет.

По этому признаку его следует относить к энергоносителям, а не к энергоресурсам.

Важным преимуществами водорода являются высокая теплотворная способность и экологическая чистота и технологичность получения из него электрической энергии с помощью топливного элемента (ТЭ).

Последний представляет собой электрохимический генератор, осуществляющий прямое преобразование химической энергии в электрическую.

При этом единственным продуктом реакции (кроме электрической энергии и теплоты) является вода.

При другом способе получения энергии из водорода — его сжигании — единственным побочным продуктом также является вода, а основным — тепло.

Наметившиеся и частично апробированные технологии и сферы применения водорода (кроме энергетики) настолько широки (транспорт, химическая и пищевая промышленность, металлургия и др.

), что речь идет фактически о переходе не только к водородной энергетике, но и к водородной экономике [34].

В конце прошедшего столетия в промышленно развитых странах работы в области водородной энергетики отнесены к приоритетным направлениям развития науки и техники и сегодня находят всё большую поддержку со стороны как государственных структур, так и частного бизнеса.

В перспективе это приведет к существенным изменениям ТЭБ и формированию нового крупного международного рынка водородных технологий и энергоносителей, что будет иметь значительные социально-экономические и политические последствия для всего мира.

Основным инициатором всплеска интереса к водороду как энергоносителю является автомобильная промышленность.

Достоинства водорода здесь настолько очевидны, что автомобилестроители ведущих стран вкладывают огромные средства в исследования и разработки в области водородных технологий. Разработаны и появились на рынке автомобили, оснащённые водородным двигателем.

В ряде крупных городов Западной Европы прошли испытания городских автобусов на топливных элементах. В России широкомасштабное использование водородного топлива ожидается к середине столетия.

Стационарная энергетика (в первую очередь автономная, а в последние годы и системная) стала проявлять интерес к водородной энергетике и к топливным элементам (ТЭ) как к ее технологической основе в связи с быстрым ростом мощности ТЭ и наметившейся тенденцией к снижению стоимости производства водорода. Привлекательной для энергетики является также возможность передачи водорода от централизованного производителя к удалённым потребителям по холодным трубопроводам. При этом потери энергии существенно ниже в сравнении с трубопроводными системами теплоснабжения.

В настоящее время большую часть производимого в промышленных масштабах водорода получают в процессе паровой конверсии метана.

Пар с температурой 750-850 °С необходим для отделения водорода от углеродной основы в метане, что и происходит в химических паровых реформерах на каталитических поверхностях.

Этот способ на сегодня наиболее хорошо освоен и широко распространен, хотя и имеет ряд недостатков:

• • исходное сырье — природный газ — представляет собой ценный невозобновляемый ресурс;
• • около 50 % газа расходуется на проведение эндотермической реакции паровой конверсии;
• • производство сопровождается вредными выбросами.

Для частичного устранения первого недостатка есть реальный путь — вместо природного газа использовать угольный метан, синтез- газ, биосинтезгаз. В долгосрочной перспективе лидерство в данной триаде может захватить синтез-газ, поскольку запасы угля огромны, и технология получения из него синтез-газа (для последующей конверсии в электричество) отработана достаточно хороню.

Более перспективным, но пока и более дорогим способом производства водорода как моторного топлива является электролитическое разложение воды — электролиз — с помощью электроэнергии, получаемой традиционными способами или на основе использования НВИЭ.

КПД промышленных и опытно-промышленных электролизеров составляет 70-80 %. Японские ученые разработали электролизер с твердополимерным электролитом и мембранными электродами, обеспечивающий КПД более 90 %.

Широким фронтом ведутся исследования и разработки по уменьшению основных недостатков существующих электролизеров: высокая цена вследствие их сложной конструкции и стоимости используемых материалов (платина, палладий, кадмий и др.) и электроэнергии, используемой для электролиза.

Стоимость водорода можно уменьшить, если электролиз воды осуществлять с помощью электричества, вырабатываемого электрогенераторами на НВИЭ в периоды временного избытка электроэнергии. Опытная эксплуатация таких систем показывает их высокую эффективность.

Третьим способом получения водорода из воды является прямой термолиз — разложение воды на водород и кислород при температуре выше 2500 °С.

Такая температура может быть получена с помощью концентрации солнечных лучей, а примерно в два раза меньшая — в атомном высокотемпературном гелиевом реакторе.

Предотвращение рекомбинации водорода и кислорода является основной достаточно сложной проблемой такой технологии.

Во всех схемах получения водорода и утилизации его в топливных элементах особое внимание должно быть уделено чистоте водорода (чтобы предотвратить отравление катализаторов в ТЭ), а также надежности и безопасности работы соответствующей арматуры, хранилищ, баков, трубопроводов, систем управления и регулирования, поскольку он значительно опаснее ставшего уже привычным природного газа, который продолжает оставаться причиной чрезвычайных происшествий.

Переход на водородную энергетику представляет собой сложнейшую комплексную проблему, и вполне естественно, что с момента распространения концепции водородной энергетики на гражданские отрасли экономики большое внимание уделяется международной кооперации как в деле производства водорода, так и в разработке технологий его использования.

Программу «Водородные технологии и топливные элементы» называют «стратегическим выбором Европы».

В «дорожной карте» для перехода стран ЕС к водородной экономике на ближайшее десятилетие запланированы следующие шаги:

• • перевод на водородное топливо к 2020 г. не менее 5 % транспортных средств (в основном легковых автомобилей и автобусов);
• • использование водорода в качестве энергетического топлива;
• • создание водородной инфраструктуры.

Для того чтобы реализовать планы и довести долю водорода в энергетическом балансе до 2 % к 2015 г. и до 5 % — к 2020 г., общие инвестиции должны составить 4-15 млрд евро.

США на разработку проблем водородной энергетики в ближайшие 10 лет планируют направить из федерального бюджета 5 млрд долл, и 50-60 млрд долл, инвестиций ожидается от частных компаний.

В Японии планируется почти пятикратное увеличение водородных электростанций (на основе ТЭ) в течение ближайших 10 лет (от 2,2 ГВт в 2010 г. до 10 ГВт в 2020 г.).

Некоторые специалисты прогнозируют, что к 2050 г. 70 % автомобилей будут оснащены водородными двигателями. В большой энергетике водород может занять лидирующее положение (38 % генерации на основе ТЭ) только к концу нынешнего столетия.

У водородной энергетики есть и противники со своими, достаточно вескими, аргументами. Так, американский журнал «Скептик» (весьма символичное название) «развенчивает» водород как топливо из-за проблем как на стадии получения, так и на стадии использования.

Проблемы при получении:

• • при электролизе — низкий КПД;
• • при получении из газа в атмосферу попадают окислы азота, которые много опаснее С02;
• • водородное топливо в 4-5 раз дороже бензина.

Проблемы при использовании:

• очень высокая цена топливных элементов;

• • при атмосферном давлении 300 л водорода содержит энергии столько же, сколько 1 л бензина, при сжатии или сжижении приходится затрачивать 15^40 % энергии, содержащейся в водороде;
• • для транспортировки водорода необходимы специальные трубопроводы, т. к. обычные становятся хрупкими.

Источник: https://studref.com/543743/prochie/vodorodnaya_energetika

Проблемы водородной энергетики

Действительно ли водородные двигатели чище, чем двигатели внутреннего сгорания? Как безопасно производить и транспортировать водород? Как дешево получать электроэнергию? Рассказывает доктор химических наук Юрий Добровольский.

В последнее время все больше разговоров ведется о водородной энергетике или даже водородной экономике — использовании водорода как основного энергоносителя для различных устройств. Основные проблемы, которые возникают сейчас при производстве электроэнергии, тепла, транспорта, — это проблемы экологии.

Мы попытаемся поспорить с противниками и сторонниками водородной энергетики. Во-первых, кажется, водород хорош тем, что единственным продуктом его сгорания является вода, и, что бы вы ни делали, вы получите чистую среду. На самом деле это не совсем так.

Во-вторых, считается, что водород сам по себе — чистое топливо, которое удобно применять, и это тоже не вполне верно. В-третьих, считается, что водород может быть дешевым, и может быть экономически обоснована схема, в которой единственным энергоносителем является водород.

Действительно ли водород — чистый источник энергии? Он может быть чистым источником энергии, а может и не очень. Это зависит от того, в каком устройстве мы будем перерабатывать водород. Если мы заставляем водород гореть, то, казалось бы, что такого? Взяли воздух, взяли водород, получили только воду.

На самом деле это не так, потому что воздух всегда содержит азот. Основные выбросы от обычного автомобиля, с которыми мы боремся, — это оксиды азота. При повышенной температуре молекулы азота и кислорода воздуха начинают реагировать между собой, образуя токсичные вещества, которые вызывают кислотные дожди и сильное загрязнение, — оксиды азота.

Это не зависит от того, что именно вы будете сжигать. Если температура выше 600 градусов, азот будет реагировать с кислородом. Можно ли от этого избавиться? Да, безусловно. Существует устройство, которое может работать при низких температурах, — топливный элемент.

Это устройство перерабатывает химическую энергию водорода в электрическую энергию напрямую, минуя стадию нагрева. Достоинства — высокий КПД и абсолютное отсутствие выбросов.

Мы можем использовать водород по-разному. В зависимости от использования мы можем получить огромные экологические выгоды, а можем не очень большие. При горении водорода все равно гораздо меньше выбросов, чем при горении углеводородного топлива, но все-таки они есть. В случае его использования в электрохимическом устройстве, а именно в топливном элементе, их просто нет.

Если мы из тепловой энергии получаем электроэнергию, мы последовательно проходим достаточно много стадий, которые сопровождаются не только загрязнением окружающей среды, но и резким усложнением конструкции, — это движущиеся части, высокие температуры, разнообразная смазка.

Топливный элемент, как и любое электрохимическое устройство, достаточно простая конструкция. В нем нет ни одной движущейся части. Все части неподвижные и легко заменяемые. Пока они дорогие, но это связано в большей степени с тем, что их мало продается, рынок только начал развиваться.

Есть шанс, что они удешевятся и стоимость электроэнергии, вырабатываемой топливным элементом, выиграет по сравнению с электроэнергией, вырабатываемой обычным способом.

Действительно ли водород — самое чистое топливо? На самом деле недостатков много, и этим часто пользуются противники водородной энергетики. Давайте сравним электрические источники энергии с двигателями внутреннего сгорания.

Почему электроэнергетика может быть хуже, чем энергетика, основанная на сгорании? Если мы используем электроэнергию, мы сначала ее откуда-то получаем. Все, о чем мы говорим, — это не первичные источники энергии, а вторичные накопители, генераторы энергии.

Получая электроэнергию, мы точно так же, а то и хуже, загрязняем окружающую среду, чем когда непосредственно используем в автомобиле углеводородное сырье.

То же самое с водородом: чтобы получить водород, надо затратить электроэнергию. Если мы затрачиваем грязную электроэнергию, то получаем грязный водород. Он чистый там, где мы его используем, но грязный там, где мы его получаем.

Верно ли это? На самом деле это зависит от того, как устроены электросети страны.

Если основная часть энергии экологически чистая — с гидроэлектростанций или атомных электростанций, — то и при производстве и электроэнергии, и водорода не загрязняем окружающую среду.

Бывает ли водород грязным и что с этим делать? Надо вспомнить основные способы производства водорода. Способов очень много, но дешевых всего два. Металл с кислотой реагируют, выделяя водород, многие соединения, растворяясь в воде, выделяют водород. Но это дорогие способы производства, ни экологически, ни экономически не оправданные.

Впервые в истории водород был получен в больших количествах пропусканием нагретой воды через жерло железной пушки. Сейчас водород получают взаимодействием угля или любого углеводородного сырья с водяным паром — реформинг или парогазовая конверсия. Здесь мы встречаем все прелести обычной углеводородной энергетики.

Водород как электроноситель должен быть неуглеродным, не загрязнять окружающую среду не только оксидами азота, но и другими способами. Говоря об экологичности применения водорода, мы имеем в виду не только прямое загрязнение химическими веществами, но и загрязнение парниковыми газами — углекислым газом или метаном.

Если мы производим конверсию из углерода, углерод все равно выбросится в виде углекислого газа.

КПД процесса перехода метана в СО и водород очень велик. Если водород с большим КПД перерабатывать в электроэнергию, а это можно осуществлять с КПД 80-90%, то суммарный КПД от начала до конца будет выше 60%.

Отсюда возникает уменьшение выбросов углекислого газа как минимум в два раза.

Есть другие способы избавления от углекислого газа и CO — это превращение их в жидкое топливо. На самом деле CO — это хороший химический продукт, который можно использовать для производства метанола и других полезных веществ. Его можно не выбрасывать, а вторично использовать.

Вещества, которые можно получить в дальнейшем из CO, тоже могут являться источниками энергии. Метан можно разложить на чистый водород и жидкие топлива, которые можно использовать в других применениях. Это уменьшает выбросы парниковых газов и дает возможность дешево получать другие продукты.

С углем ситуация сложнее, потому что природный уголь сам по себе достаточно загрязнен. Придется улавливать загрязняющие вещества, которые были в исходном угле.

Еще один из способов получения водорода — электролиз. Это гораздо более дорогой способ, чем получение из углеводородного сырья, но абсолютно экологически чистый. Разлагая воду, мы получаем отдельно водород, отдельно кислород.

Минус в том, что мы тратим много электроэнергии на получение водорода. Закон сохранения энергии говорит, что мы больше энергии вложим в разложение воды, чем потом получим при его сжигании. Но большинство установок в городских условиях — это установки электролиза.

Они оправданны, когда у вас есть излишки электроэнергии. В первую очередь если вы получаете электроэнергию из возобновляемых альтернативных источников энергии. Солнце светит только половину дня, зато светит сильно.

Электроэнергию на ночь можно зарядить в аккумулятор, а из этих избытков получить водород.

Генерирующие электростанции, включая атомные, работают на постоянной мощности, и мощность выше, чем нужна потребителям, она рассчитана на максимальные нагрузки. Днем мы потребляем электроэнергии гораздо больше, чем ночью. Ночью мы спим, а станция продолжает вырабатывать то же количество энергии. Избытки надо куда-то утилизировать.

На самом деле водород может быть условно бесплатным, потому что у нас бывает условно бесплатная электроэнергия, когда она избыточна и ее некуда девать.

Итак, может ли водород быть экологически чистым? Может быть, если получать его методом электролиза, используя избытки электроэнергии. Может ли быть дешевым водород, если у нас нет избытков электроэнергии? Он может получаться из углеводородных источников, но надо утилизировать продукты, которые одновременно с этим образуются.

Сейчас ученые вспомнили о еще одной технологии. Глядя на формулу метана (CH4), можно понять, что, если очень сильно нагреть это вещество, оно разложится на уголь, или графит, или любую модификацию углерода и водород, никакого загрязнения CO2 мы не получим. Крекинг, то есть температурное разложение, сейчас активно используется.

Полученный углерод можно использовать в различных производствах — в зависимости от того, в какой форме углерод образуется. Это может быть сажа — шинная промышленность; углерод высокой удельной поверхности другого типа — носитель для катализаторов. Главное, мы не выбросили углекислый газ в окружающую среду.

Технология новая и не самая оптимальная, но отвечает на вопрос, можно ли, получая водород из углеводородов, избавиться от парниковых газов: можно.

Водород уже сейчас не очень дорогой продукт, его производят в крупнотоннажных масштабах. Водород используется, например, при получении маргарина. Маргарин — это обычное растительное масло, которое гидрируется, то есть обрабатывается водородом.

Крупнотоннажное производство водорода — вещества для сельского хозяйства, в первую очередь азотные удобрения. Мы массово получаем аммиак (NH3) — соединение азота с водородом.

Без азотных удобрений почва быстро становится бесплодной, и азотных удобрений нет в природе, поэтому миллионы тонн аммиака ежегодно получают из водорода и азота.

Хорошо, когда мы произвели водород и здесь же его используем: не надо транспортировать или хранить. Если мы говорим о водородном транспорте, водород надо донести до пользователя. Возникает основная проблема использования водорода сейчас: водород — это очень легкий и плохо сжижаемый газ.

Сейчас приходится перевозить водород либо в химически связанном виде, либо в баллонах высокого давления, либо в жидком состоянии. Самый простой способ — это перевозка в баллоне высокого давления.

Существуют легкие и надежные углепластиковые баллоны, которые не умеют сами по себе взрываться, а просто раскрываются, и они достаточно безопасны. В таких баллонах можно перевозить водород при давлении выше 700 атмосфер. Газ нужно сжать, и мы дополнительно тратим энергию, чтобы перевести его в сжатое состояние.

Если правильно считать, сколько энергии мы получаем из водорода, надо вычитать эту энергию, а она достаточно большая. Зато можно хранить в таких баллонах бесконечно и использовать достаточно быстро.

Второй способ — хранение и транспортировка в жидком состоянии. В жидком состоянии ненамного больше водорода в баллоне, чем в газообразном, но возникают другие проблемы. Температура сжижения водорода очень низкая, она всего на несколько градусов отличается от абсолютного нуля.

Водород испаряется при этих температурах, и нужно куда-то девать его избытки. По технологии это похоже на перевозку сжиженного природного газа: температура отличается на несколько десятков градусов, но технология одна и та же.

На сжижение водорода мы будем тратить больше энергии, чем на сжижение природного газа.

На газовой заправке или станции, где употребляется сжиженный природный газ, ставите конвертор, который этот природный газ будет переводить в водород.

Это не очень хорошее решение, поскольку локальное производство трудно поставить очищающее от примесей сооружение.

Есть химически связанные вещества, которые могут при разных условиях обратимо поглощать и выделять водород. Толуол — бензольное кольцо, к которому присоединена группа CH3.

Если вы добавите туда несколько молекул водорода, оно превращается в соединение, в котором все двойные связи оказываются насыщены водородом, — циклогексан. Этот процесс может быть обратимым.

Количество водорода соизмеримо с тем, которое мы перевозим баллоном, но это вещество жидкое, и вы можете в обычном нефтегрузе перевозить не нефть, а водород, связанный в органическом соединении.

Мы массово синтезируем аммиак. Аммиак — это соединение азота с водородом, и, если сильно его нагреть, он разложится обратно на водород и азот. Если использовать водород в качестве источника для топливного элемента, чтобы экология была абсолютно чистая, мы должны иметь очень чистый водород.

Загрязнения по органическим соединениям нужны меньше 5 ppm — меньше 5 миллионных долей органического загрязнителя или CO в водороде. Основной частью вашей установки для производства водорода будет установка для очистки водорода. Это резко ухудшает экономические основы получения водорода в таком цикле.

Легко очистить в большом производстве водород, но сложно в локальном месте, где производство небольшое.

Они переходят на природный газ, и транспортировка сжиженного природного газа — хороший путь. Активно в ближайшие пять лет будет развиваться водородная инфраструктура.

Лет через десять на примере Японии мы узнаем, насколько это может быть экологично и экономично.

Источник: http://www.EnergoVector.com/video-problemy-vodorodnoy-energetiki.html

Водородная энергетика

В последние десятилетие стало очевидным фактом, что дальнейшее интенсивное развитие современной энергетики и транспорта ведет человечество к крупномасштабному экологическому кризису.

Стремительное сокращение запасов ископаемого топлива будет принуждать индустриально развитые страны расширять сеть атомных энергоустановок, которые во все возрастающей степени станут повышать опасность их эксплуатации. Резко обострится проблема утилизации радиоактивных отходов.

Учитывая эту тревожную тенденцию, многие ученые и практики определенно высказываются в пользу ускоренного поиска альтернативных нетрадиционных источников энергии. В частности, их взоры обращаются к водороду, запасы которого водах Мирового океана неисчерпаемы.

Неоспоримым достоинством водородного топлива являются относительная экологическая безопасность его использования, приемлемость для тепловых двигателей без существенного изменения их конструкции, высокая калорийность, возможность долговременного хранения, транспортировки по существующей транспортной сети, нетоксичность и т.д. Однако существенной непреодолимой проблемой до сегодняшнего дня остается неэкономичность его промышленного производства.

В широком смысле водородная энергетика основана на использовании в качестве топлива водорода. Водородная энергетика также включает: получение водорода из воды и др. природного сырья; хранение водорода в газообразном и сжиженном состояниях или в виде искусственно полученных химических соединений, например гидридов интерметаллических соединений; а также транспортировку водорода к потребителю с небольшими потерями. Однако, водородная энергетика пока не получила широкого применения. Методы получения водорода, способы его хранения и транспортировки, которые рассматриваются как перспективные для водородной энергетики, находятся на стадии опытных разработок и лабораторных исследований.

Выбор водорода в качестве энергоносителя обусловлен рядом преимуществ, главные из которых являются экологическая безопасность водорода, поскольку продуктом его сгорания является вода, исключительно высокая энтальпия , равная — 143,06 МДж/кг (для обычного углеводородного топлива — 29,3 МДж/кг); высокая теплопроводность водорода, а также его низкая вязкость, что очень важно при его транспортировании по трубопроводам.

Запасы водородного сырья для водородной энергетики неограниченны, если в качестве исходного соединения для получения водорода рассматривать воду (содержание воды в гидросфере 1,39 1018т).

Это способствует возможности многостороннего использования водорода.

Водород может быть использован в качестве топлива во многих химических и металлургических процессах, а также как топливо в авиации и автотранспорте, так и в виде добавок к моторным топливам.

• Для получения и передачи энергии также перспективно получение и использование водорода химическими способами. По одному из них смесь водорода с монооксидом углерода (СО), полученная на первой ступени каталитической конверсии метана, передается к потребителю по трубопроводу и поступает в аппарат — метанатор, в котором осуществляется обратная экзотермическая реакция:
• ЗН2 + СО -> СН4 + Н2О
• Выделяемое при этом тепло может быть использовано для бытового и промышленного теплоснабжения, а паро-газовая смесь возвращается обратно в цикл для конверсии метана.

Следует отметить, что традиционные способы получения водорода для водородной энергетики экономически не выгодны. Есть целый ряд известных способов разложения воды: химический, термохимический, электролиз и др.

, но все они обладают одним и тем же крупным недостатком — в технологическом процессе получения водорода используется высокопотенциальная энергия, на получение которой в свою очередь затрачивается дефицитное ископаемое топливо (уголь, природный газ, нефтепродукты) или электроэнергия, вырабатываемая на электростанциях.

Такое производство водорода, естественно, всегда будет оставаться неэкономичным и экологически опасным, а, следовательно, бесперспективным.

Для нужд водородной энергетики в будущем предполагается усовершенствовать традиционные методы и разработать новые, нетрадиционные, используя ядерную и солнечную энергию.

Предлагаемое усовершенствование основного метода получения водорода– каталитической конверсии природного газа заключается в том, что процесс проводят в кипящем слое катализатора, а тепло в свою очередь подводят от высокотемпературного ядерного газоохлаждаемого реактора (ВТГР). Применение этого метода позволит более чем в 10 раз увеличить объемную скорость процесса, снизить температуру в химическом реакторе на 150 °С, а также уменьшить затраты на производство водорода на 20-25%. Однако такие реакторы, обеспечивающие высокие температуры теплоносителя (ок. 1000°С), пока находятся в стадии разработок.

Другой вариант получения водородаводно-щелочной электролиз под давлением с использованием дешевой электроэнергии, вырабатываемой в ночное время атомной электростанцией.

При этом расход электроэнергии на получение 1 м3 Н2 составляет 4,3-4,7 кВт ч (по обычному способу 5,1-5,6 кВт ч), напряжение на ячейке 1,7-2,0 В при плотности тока 3-5 кА/м2 и давлении в электролизёре до 3 МПа.

Полученный таким способом водород может направляться на нужды промышленности либо использоваться как топливо на электростанции для выработки дополнительной электроэнергии в дневное время.

Электролитический метод требует затрат электроэнергии на 30-40% меньше, чем традиционные способы получения водорода.

Использование твёрдых электролитов позволяет значительно сократить расстояние между электродами в ячейке (до 250 мкм), в результате чего в несколько раз повышается плотность тока без увеличения напряжения на ячейке электролизёра.

В качестве электролита при твёрдополимерном электролизе можно использовать пленку из сульфированного фторопласта-4. При этом температура процесса составляет 150°С, достижимый кпд электролизёра 90%, расход электроэнергии на получение 1 м3 Н2 3,5 кВт ч.

Наиболее перспективен высокотемпературный электролиз с использованием тепла от реактора: при этом электролитом служит керамика из оксида циркония ZrO2 с добавками оксидов других металлов (например, Va2O3, CaO, Sc2O3). При этом температура процесса существенно повышается до 800-1000 °С, а достижимый уровень расхода электроэнергии на получение 1 м3 Н2 при плотностях тока 3-10 кА/м2 составляет 2,5 кВт ч.

Из плазмохимических методов получения водорода наиболее перспективен двухстадийный углекислотный цикл, включающий: 1) диссоциацию углекислоты (2СО2 -> 2СО + О2), осуществляемую в плазмотроне с эффективностью до 75-80%; 2) последующую конверсию СО с водяным паром (СО + Н2О -> Н2 + СО2), после которой образовавшийся СО2 возвращается в плазмотрон.

Термохимические способы получения водорода представляют собой совокупность последовательных химических реакций, приводящих к разложению исходного водородсодержащего сырья – воды при более низкой температуре, чем та, которая требуется для термической диссоциации. Так, степень термической диссоциации воды при 2483°С составляет 11,1%. В этих циклах все компоненты системы, кроме водородсодержащего сырья, регенерируются. Ниже приводятся примеры термохимических циклов разложения воды.

1. Сернокислотный:
3. Также представляют интерес сероводородные термохимические циклы, например:

При использовании сероводорода (H2S) вместо воды снижаются затраты энергии на получение водорода, т.к. энергия связи Н—S в сероводороде значительно меньше энергии связи Н—О в воде, и кроме водорода образуется сера — важное химическое сырье.

К другим перспективным методам получения водорода относится радиолиз воды и водных растворов СО2, H2SO4, HC1, HBr, H2S, AgCl и др. под действием ядерного излучения (жесткого, нейтронного). Наиболее мощные источники такого излучения — ядерные реакторы.

Однако, для развития этого метода необходимо создать источники ядерного излучения с высокой энергонапряженностью, разработать системы, способные поглощать реагирующей средой более 50% энергии излучения и использовать ее с радиационным выходом более 10 молекул водорода на 100 эВ.

Исследуются также и фотохимические методы получения водорода с использованием солнечной энергии. Осуществлен фотоэлектролиз воды (с раздельным получением Н2 и О2); метод будет представлять практический интерес, если его кпд достигнет 10-12% (пока он составляет ок. 3%).

Другим интересным способом получения водорода является биофотолиз воды. Биофотолиз воды основан на том, что некоторые микроорганизмы и микроводоросли (например, хлорелла), поглощающие солнечную энергию, способны разлагать воду с выделением водорода. Однако кпд трансформации солнечной энергии такими микроорганизмами очень низок – примерно 8%.

• В последнее время как альтернативу водородной энергетики предлагается использовать тяжёлую воду. В ходе ядерной реакции двух атомов дейтерия образуется водород и гелий:
• D + D = H + He
• В такой реакции неприменим закон сохранения массы, каким пользуется обычная химия; в результате реакции получается недостача:
• (2×2,014-1,008-3,016)г=0,004г
• Она означает, что если бы удалось найти условия, при которых может протекать реакция между двумя молями тяжелого водорода, то, согласно уравнению Эйнштейна:
• E=mc2
• можно было бы получить энергию:
• 0,00433х(3,0х1010)2 эрг=3,9х1018 эрг=3,9х1011 Дж.
• В наше время, чтобы получить такую энергию, приходится сжигать 14 т угля.
• Между тем в соответствии с уравнением ядерной реакции такую энергию можно получить при затрате всего лишь двух молей дейтерия, которые содержатся в одном моле тяжелой воды. Следовательно, простой воды для этого потребуется:
• 6700×18/1000 кг = 120,6 кг

или 120 л. Значит, из одного литра обычной воды можно добыть больше энергии, чем можно получить ее из ста килограммов высококачественного угля. А запасы воды на нашей Земле огромны.

Однако, некоторые учёные считают, что решение энергетических проблем за счёт водородного топлива — это тупиковый и опасный путь. Поскольку, освобождаясь от загрязнения среды обитания продуктами горения углеводородного топлива, человечество приобретает достаточно мощный и непредсказуемый «продукт», который может послужить источником глобальной катастрофы.

К.х.н. О. В. Мосин

Исп. литература:«Водородная энергетика»: Легасов В. А. 1980, Атомно-водородная энергетика и технология, М., 1978, с. 11-36; Мищенко А. И., Применение водорода для автомобильных двигателей, К., 1984; McAul—iffeCh. A., Hydrogenandenergy, Ц., 1980.

Источник: http://www.o8ode.ru/article/energy/energy.htm