В 2020 году правительство утвердило энергетическую стратегию РФ на период до 2035 года и ключевые меры по развитию водородной энергетики. Негласная «заморозка» продлилась до середины лета, а затем Минэнерго неожиданно представило стратегию развития водородной энергетики в России до 2035 года. ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА, использует водород как носитель энергии. Полный цикл водородной энергетики состоит из четырёх этапов: производство, хранение, транспортировка и использование водорода в качестве энергоносителя.
Водородная энергетика: начало большого пути
Термин «водородная энергетика» иногда заменяют более общим — «водородная экономика». Оба понятия предполагают широкое использование водорода в энергетических системах и. Введение в ядерно-водородную энергетику. Учебное пособие. Первый элемент Водородная энергетика: преимущества и недостатки Гонка.
Водородная энергетика: ждать ли революции в технологиях?
Заметим, 2024 год — это не где-то там уж сильно далеко. Но насколько эти планы реальны? Эксперты поясняют: водородная энергетика — не современное ноу-хау, водород в России производится со времен СССР. Сейчас «Газпром» с «Роснефтью» выдают его более миллиона тонн в год. Так что речь скорее идет об «углубить и расширить», а также «озеленить» - пока у нас большей частью производится «серый», то есть «грязный» водород. Не будем приводить цитаты российских чиновников, они плохого о наших перспективах не скажут.
Вот что ответил на вопрос «КП» президент группы Бош в России и СНГ Штеффен Хоффманн: - Что касается самого производства, то в России довольно много атомных и гидроэлектростанций, которые могут быть использованы для низкоуглеродного производства водородного топлива именно с помощью электролиза «желтый» и «зеленый» водород — ред. Дополнить их может энергия ветра, поскольку размеры страны открывают возможности, которых нет в Западной Европе. Более того, водород потенциально может заменить природный газ в эксплуатации, что позволит России высвободить свои газовые ресурсы для производства "грязного" водорода и даст стране конкурентное преимущество перед другими странами, не имеющими таких газовых ресурсов. Природный газ может стать временным решением в производстве водорода до тех пор, пока возобновляемые источники энергии не станут доступны в России в достаточном количестве. Что касается конкурентных преимуществ в транспортировке водорода, в том числе на экспорт, то Россия может использовать собственную инфраструктуру наряду с газотранспортной системой и трубопроводами.
Газпром уже рассматривает возможности размещения водородно-метановых смесей в своих трубопроводах. Если суммировать по-простому, то получается, что стартовые условия у нас и правда не самые плохие: 1 научная база существует с советских времен — только применяй, 2 есть возможности для производства водорода самыми разными путями, 3 трубы для транспортировки на большие расстояния тоже есть существуют вопросы, связанные с влиянием чистого водорода на сталь, из которой сделаны трубопроводы, но «Газпром» ими уже занимается. В частности, это удачное географическое расположение, - добавляет руководитель департамента развития новых направлений бизнеса «Тошиба Рус» Владимир Максимов.
Развитие водородной энергетики в мире В настоящее время многие страны активно развивают водородную энергетику. Например, Япония уже давно является лидером в этой области благодаря своим крупным корпорациям, таким как Toyota и Honda, которые инвестируют значительные средства в исследования и разработки водородных технологий. В США уже создана целая сеть заправочных станций для водородных автомобилей, а Европейский союз объявил о своих планах наращивания производства водородной энергии в ближайшие годы.
Помимо отдельных стран, такие международные организации, как Международная агентство по возобновляемым источникам энергии IRENA и Международное агентство по энергетике IEA , также активно поддерживают развитие водородной энергетики. Например, IRENA создала Глобальный альянс по водородной энергии для координирования международных инициатив и привлечения инвестиций. Выводы Основными преимуществами использования водорода в качестве источника энергии являются: отсутствие выбросов углекислого газа при производстве электроэнергии; возможность хранения водорода в больших количествах и его транспортировки на большие расстояния; использование водородной энергии может снизить зависимость от нефтепродуктов и угля. Однако использование водорода также имеет свои недостатки, такие как высокая стоимость производства и ограниченная доступность заправочных станций. В ближайшие годы можно ожидать дальнейшего развития водородной энергетики в мире. Страны будут продолжать инвестировать в исследования и разработки в этой области.
Кроме того, можно ожидать роста числа заправочных станций и расширения использования водородных технологий в различных отраслях экономики. Заключение Водородная энергетика имеет большой потенциал для решения многих проблем, связанных с изменением климата и ограниченными запасами нефти и газа.
Водород как энергоноситель Достоинством водорода как топлива является способность производить не только высокопотенциальное тепло при его сжигании в кислороде, но и электрическую энергию при соединении с кислородом в топливном элементе — электрохимическом генераторе. Водород как топливо эффективно используется в ракетных двигателях. Водородно-кислородные ракетные двигатели обеспечивают наиболее высокие значения удельной тяги. Космическая техника стимулировала использование технологии прямого преобразования химической энергии водорода в электричество в электрохимическом генераторе. Широкое использование технологии электрохимического генератора ожидается в автотранспорте. Электрохимические генераторы найдут также применение в коммунально-бытовом секторе и в специальной энергетике, например, для подводных аппаратов. Автотранспорт на водороде Работы по применению водорода направлены как на улучшение углеводородного топлива для сжигания в двигателях внутреннего сгорания, так и на использование электрохимических генераторов.
Автомобильная промышленность проводит комплексные испытания широкого ряда автомобилей на водороде. В недалекой перспективе в результате ужесточения стандартов на выбросы, повышения цен на бензин и снижения стоимости топливных элементов ожидается изменение конъюнктуры в пользу автомобилей с водородными двигателями. Этим вариантом воспользовалась фирма «Мазда», которая проводила испытания автомобиля на топливных элементах. На борту установлен реформер, вырабатывающий водород из метанола. Фирма «Хонда» применила второй вариант питания топливных элементов, который показан на рис. И представила автомобиль на топливных элементах FCX-V3, который заправляется водородом. Время запуска энергетической установки — всего 10 секунд. Мощность — 70 кВт. Российская фирма «АвтоВАЗ» не осталась в стороне и вместе с корпорацией «Энергия» выпустила автомобиль «Нива» на водородном топливном элементе.
Применение водорода в ракетно-космической технике Наибольший опыт использования водорода как энергоносителя накоплен в ракетно-космической технике. Примером такой системы являются ракеты комплекса «Энергия», в жидкостных ракетных двигателях которых водород используется как топливо. В России и США также накоплен опыт использования водорода в ядерных ракетных двигателях. Принципиальным преимуществом ядерных ракетных двигателей по сравнению с жидкостными ракетными двигателями является возможность использования однокомпонентного рабочего тела с минимальным молекулярным весом, а этими свойствами обладает водород, что обеспечивает наиболее высокую удельную тягу двигателя. В 1980-е гг. В настоящее время эксперименты с водородом в авиации продолжаются. Проводятся также поисковые работы по гиперзвуковым авиационно-космическим системам, использующим прямоточные двигатели на водороде. Водородная экономика В настоящее время появился и получил широкое распространение термин «водородная экономика». Под этим понимается экономика, построенная путем частичной или полной замены углеводородного топлива водородным, позволяющим уменьшить выброс парниковых газов в окружающую среду.
Насколько же реальна замена ископаемых источников энергии водородом? Ответ на этот вопрос будет зависеть от результатов широких исследований, которые ведутся в настоящее время в большинстве развитых стран мира. Энергетические затраты на различных этапах жизненного цикла водорода При переходе на водородное топливо неизбежно появление новых проблем. Водород представляет собой искусственный энергоноситель, который получают из существующих в природе веществ. Поэтому прежде всего нужно провести анализ затрат энергии, требуемых для этой цели на всех стадиях жизненного цикла водорода как энергоносителя — от его производства до использования рис. При этом оказывается, что высококачественная электрическая энергия из возобновляемых или ядерных источников необходима не только для того, чтобы генерировать водород, но также и для осуществления всех других этапов стадий цикла. Из-за молекулярной структуры и фазового состояния водорода при нормальных условиях требуется намного более энергоемкая инфраструктура, чем в экономике природного газа и нефти. Элементы водородной экономики В водородной экономике водород, подобно любому другому коммерческому продукту, проходит несколько стадий между получением и использованием. После получения он должен быть упакован путем сжатия или сжижения, транспортирован наземными или морскими транспортными средствами и оставлен в системах хранения до передачи потребителю.
Строго говоря, жизненный цикл водорода заканчивается после его полного использования потребителем, но мы ограничимся стадиями получения, первичного хранения и транспортировки. Водород, централизованно полученный или электролизом, или химическим путем, или произведенный непосредственно на автозаправочных станциях, газообразный или жидкий, должен подвергнуться всем рыночным процессам, прежде чем может использоваться потребителем. Водород также может быть получен химически по относительно низкой цене из природного газа или других углеводородов. Фактическое потребление электрической энергии, необходимой для того, чтобы получить, упаковать и транспортировать водород, может легко превысить полезную энергию, получаемую за счет его использования. Однако полезная энергия может быть сохранена и в водороде, упакованном в синтетическом жидком углеводороде, например метаноле или этаноле. При этом можно избежать использования ископаемого топлива, применяя биомассу. Процесс электролиза может быть частично заменен менее энергоемким химическим преобразованием воды и углекислого газа в естественные углеводороды — биометанол или биоэтанол. Следовательно, могут использоваться замкнутые естественные циклы воды и углекислого газа. Водород — один из самых распространенных химических элементов на планете, не существующий в природе в элементной свободной форме.
Он может быть получен электролизом из воды или химическим путем из углеводородов либо других водородосодержащих веществ. Электричество для электролиза может использоваться, в конечном счете, от чистых возобновляемых источников типа солнечной радиации, кинетической энергии ветра, энергии гидроэлектростанций, геотермальных источников или атомной энергии. В настоящее время максимальное внимание уделяется стадиям хранения и использования водорода, которые справедливо считаются критическими для развития водородной энергетики. Значительно меньшее внимание уделяется энергетическому, экологическому и экономическому анализу всех остальных звеньев цепочки получение — использование водорода. Водород, как уже отмечалось, должен быть получен, упакован, транспортирован и передан пользователю. Реализация этих процессов требует затрат энергии. Очевидно, что необходимо оценить эти потери и для вариантов использования водорода в качестве горючего. Фактически значительное количество водорода уже производится, обрабатывается, транспортируется и используется в химической промышленности. Но этот водород — химическое вещество, а не товар-энергоноситель.
В химической промышленности затраты на производство водорода, затраты на транспортировку и другие входят в цену синтезируемых химических продуктов. Стоимость водорода является приемлемой, пока конечные продукты находят сбыт на рынке. Таким образом, сегодня использование водорода управляется экономическими законами, а не энергетическими и экологическими соображениями.
Эксперты считают, что уже в недалеком будущем это позволит достичь экологически чистого производства и транспортировки. На сегодняшний день водородные стратегии утверждены уже в 26 странах мира.
Развивающиеся и развитые государства заинтересованы во внедрении водорода как основного инновационного вида топлива. Поэтому уже сейчас создано большое количество пилотных проектов для масштабного производства водорода во многих странах мира. Так, существует ряд способов получения водорода для нужд энергетики, основными из которых являются: электролиз воды; газификация угля; пиролиз. Из данного списка самым экологичным способом получения водорода является электролиз воды. Единственным минусом данного способа является то, что для получения водорода необходимо использовать электроэнергию, для выработки которой, собственно, и получают водород.
Глобальный рынок водородной энергетики Ускорению возможности развития и внедрения водородной энергетики способствовало Парижское соглашение, принятое 12 декабря 2015 г. В нем можно выделить два обязательства, касающихся всех стран, подписавших данное соглашение: Страны обязаны в период с 2050 г. Развитые страны обязаны выделять деньги в специальный климатический фонд для помощи бедным странам в борьбе с последствиями климатических изменений, а также во внедрении возобновляемой энергетики на территории бедных стран для улучшения экологической ситуации на данных территориях. В начале XXI века начал формироваться и глобальный водородный рынок. Так, по итогам 2022 года портфель водородных проектов в мире превысил 71 млн тонн в год, что уже сопоставимо с текущим годовым потреблением водорода в мире.
В 2022 г. Основные потребители водорода В 2022 г. Потребление водорода на энергетические нужды и транспорт составило примерно 40 тыс. Губкина Нужно сказать, что основные процессы формирования рынка низкоуглеродного водорода в мире связаны в первую очередь с замещением кэптивного водорода с высоким углеродным следом на низкоуглеродный водород, а также с формированием инфраструктуры водородного транспорта и с началом применения низкоуглеродного водорода в отраслях, где этот газ ранее массово не использовался. С 2018 по 2022 гг.
Производство водорода в России в 2018-2022 гг. Основными потребителями водорода в России являются предприятия химической отрасли, которые используют водород для получения аммиака, метанола, пластмасс, хлороводорода, соляной кислоты, а также нефтеперерабатывающие заводы водород применяется для получения топлива стандарта «Евро 5». Потребление водорода в металлургии является незначительным, тем не менее, водород участвует в процессе восстановления некоторых металлов. В энергетике водород выступает альтернативным источником топлива, в медицине задействован при производстве водного раствора перекиси водорода, в пищевой промышленности водород необходим для проверки герметичности при упаковке пищевых продуктов. Губкина Характерной чертой отечественного рынка водорода является то, что крупнейшие производители данной продукции являются одновременно и ее основными потребителями.
Использование водорода в большинстве случаев интегрировано в единые цепочки с производством конечной продукции аммиака, метанола, полиамидов , что обусловлено дороговизной его хранения и транспортировки. Водород как энергоноситель является оптимальным решением для снижения выбросов в целом ряде секторов экономики. Стратегические документы развития водородной энергетики в России В рамках развития отечественной водородной энергетики принят ряд основополагающих документов, которые структурируют всю работу в данной сфере. В частности, 09. Впервые газомоторное топливо и водородная энергетика были упомянуты наравне с традиционными источниками.
В октябре 2020 г. В документе прописаны основные мероприятия, реализация которых должна позволить достичь паритета в развитии водородной энергетики с ведущими в этой области зарубежными странами. Затем последовало Распоряжение Правительства РФ от 05. Параллельно с этим документом вышло Распоряжения Правительства РФ от 23. Концепция развития электротранспорта включает в себя и развитие водородных технологий.
Отдельно прописано применение водорода для транспорта. В феврале 2023 г.
Подводные камни водородной революции
Водородная энергетика в основном относится к вторичной энергетике, и ключ заключается. Первый элемент Водородная энергетика: преимущества и недостатки Гонка. По заявлению генерального директора Центра водородной энергетики АФК «Система» Ю.А. Добровольского испытания водородного речного трамвайчика начнутся уже в апреле 2023 г. Водородные технологии Росатома: низкоуглеродные решения от производства до поставки. Водород – новый безуглеродный вектор для транспорта, энергетики и промышленности. Водородная энергетика — отрасль энергетики, основанная на использовании водорода в качестве средства для аккумулирования, транспортировки, производства и потребления.
Водородная энергетика: задачи, проблемы и сферы применения
- Подводные камни водородной революции | Октагон.Медиа
- Другие аналитические статьи
- Подводные камни водородной революции | Октагон.Медиа
- Хранение и транспортировка водорода
- Водородная энергетика и технологии | Атомная энергия 2.0
Развитие водородной энергетики — принципы и перспективы
Благодаря этому они могут не просто работать на внутренний рынок, но и могут помочь поддержать технологический суверенитет дружественных стран», — советник генерального директора — руководитель центра компетенций технологического развития ТЭК Российского энергетического агентства РЭА Минэнерго России Олег Жданеев. ПРОБЛЕМЫ Высокая стоимость производства водорода по сравнению с традиционными видами энергетики «Нам необходимо больше фокусироваться на внутреннем рынке, который в этом сегменте не может быть столь же емким, как экспортный. При этом любое использование водорода намного дороже традиционных источников энергии. Это означает, что необходимо серьезное субсидирование, что не очень рационально сейчас», — Первый заместитель Министра энергетики Российской Федерации Павел Сорокин. Потому что производить водород для конкретного потребителя в конкретной точке — это одна история. Если его надо перемещать за тысячи километров, то мы понимаем, что технологии сжижения, трансформации водорода, перевозки — они достаточно дорогостоящие и сопоставимы с самой стоимостью производства водорода», — президент АО «Русатом Оверсиз» Евгений Пакерманов. Нехватка потребителей водородной энергетики и нестабильность внешних сырьевых рынков «С учетом последних десяти лет надежды на разумную энергетическую и климатическую политику со стороны многих стран просто нет.
Низкая плотность газообразного водорода затрудняет возможность его применения в сжатом виде из-за очень большой массы баллонов для хранения. Использование же жидкого водорода связано с необходимостью установки дорогостоящих криогенных резервуаров со специальной термоизоляцией. Современный уровень техники позволяет обойти эти трудности, если использовать аккумулирование водорода в составе некоторых металлогидридов. Для зарядки гидридного аккумулятора через восстановленный металлический компонент пропускается водород под небольшим давлением и одновременно отводится образующееся тепло. Перспективы развития водородной энергетики Водородная энергетика сформировалась как одно из направлений развития научно-технического прогресса в середине 70-х гг. XX столетия. По мере того как расширялась область исследований, связанных с получением, хранением, транспортировкой и использованием водорода, становились все более очевидными экологические преимущества водородных технологий. Успехи в развитии ряда водородных технологий таких как топливные элементы, транспортные системы на водороде, системы хранения и др. Поэтому работы по водородной энергетике во многих промышленно развитых странах относятся к приоритетным направлениям развития науки и техники и находят все большую финансовую поддержку как со стороны государства, так и со стороны частного капитала. Направления разрабатываемых новых водородных технологий гражданского назначения в разных странах различаются. Это связано и с неодинаковой обеспеченностью природными энергоресурсами, и с особенностями технологического развития тех или иных государств. Например, в проектах новых водородных технологий, осуществляемых в США, Германии и России, используется опыт ракетной техники, атомной и химической промышленности, специальной металлургии, криогенной и оборонной промышленности, в Японии — опыт высоких технологий электронной, электротехнической, металлургической и металлообрабатывающей промышленности и зарубежный опыт криогенной и авиационно-космической техники. Наблюдаемое в мире в последние десятилетия резкое увеличение интереса к водороду как к горючему и энергоносителю определяется следующими его основными особенностями: запасы водорода практически неограниченны; водород — универсальный вид энергоресурса, так как может использоваться в качестве горючего для производства электричества в рабочих циклах различного типа и в качестве энергоносителя для транспортировки в газообразном, жидком и связанном состояниях; при помощи водорода возможна аккумуляция энергии; среди прочих видов органического топлива водород отличается наибольшей теплотворной способностью на единицу массы и наименьшим отрицательным воздействием на окружающую среду. Энергосодержание 1 г водорода эквивалентно энергосодержанию 2,8 г бензина при расчете по низшей теплоте сгорания. Если же в расчете принять для водорода высшую теплоту сгорания, а для бензина — низшую, как это имеет место в действительности, то эта величина составит 3,3. При использовании водорода в топливных элементах вследствие большого КПД топливного элемента в 1,5—3 раза большего, чем у двигателя внутреннего сгорания эффективность водорода как топлива оказывается еще выше. Ключевым звеном в энергоустановках на водородном топливе является топливный элемент. Топливные элементы относятся к химическим источникам тока. Они не подчиняются закону Карно и осуществляют прямое превращение энергии топлива в электрическую энергию, минуя малоэффективные, идущие с большими потерями обычные процессы горения. Топливные элементы с твердополимерным электролитом имеют ряд достоинств, в том числе: большую удельную мощность и компактность; сравнительно простое управление; высокие динамические показатели; сравнительно простую систему удаления продуктов реакции. Использование водорода для автономных электрохимических энергетических установок получило наибольшее развитие в космической технике, где накоплен определенный опыт эксплуатации. В последнее время резко возрос интерес к использованию таких установок в наземном и морском транспорте. Твердополимерные топливные элементы РЕМFC по своему техническому уровню находятся на пороге коммерциализации. Многие компании прогнозируют снижение стоимости энергоустановок с РЕМFС на порядок и более при их массовом производстве. В недалекой перспективе в результате ужесточения стандартов на выбросы, повышения стоимости бензина и снижения стоимости ТЭ ожидается изменение конъюнктуры рынка в пользу автомобилей и автономных энергоустановок мощностью до 100—300 кВт с РЕМРС. Дальнейшее развитие водородной энергетики, особенно транспортной, зависит от решения трех научно-технических проблем, связанных: с появлением экономичной и экологически безопасной технологии получения водорода, с разработкой методов его безопасного и компактного хранения и с развитием собственно электрохимических генераторов. Создание компактных, надежных и недорогих систем хранения и транспортировки водорода является одной из важнейших проблем транспортной водородной энергетики. Сложность этой задачи связана с тем, что в свободном состоянии водород — самый легкий и один из самых низкокипящих газов. В настоящее время наиболее активно исследуются 3 способа хранения водорода — это баллонный, криогенный и способ химически связанного хранения водорода, в том числе с использованием для этого углеродных нанотрубок. Наиболее известный способ хранения водорода — баллонный, когда водород хранится в сжатом газообразном состоянии, — по своим массогабаритным параметрам и по характеристикам взрывопожаробезопасности не вполне удовлетворяет условиям безопасности в наземном транспорте и на кораблях, хотя и продолжает активно исследоваться и совершенствоваться. Еще более взрывопожароопасным в условиях эксплуатации автомобилей, подводных лодок и надводных кораблей представляется применяемый в космических установках способ хранения водорода в криогенном состоянии — из-за постоянного испарения этого газа. Поскольку параметры взрывопожаробезопасности определяются в значительной степени объемом хранимого водорода и временем хранения, этот метод малопригоден для морского и наземного транспорта. Способ хранения водорода, основанный на применении углеродных нанотрубок длинных цилиндров, стенки которых состоят из одного или нескольких молекулярных графитовых слоев , интенсивные исследования которого начаты в 1998 г. Применение водорода Исключительные свойства водорода обеспечивают ему широкую перспективу применения в различных областях энергетики, на транспорте и промышленности. Возможно применение водорода в жидком и газообразном состоянии, причем в газообразном состоянии водород используется шире. На рисунке 1. Водород необходим в больших количествах для нефтепереработки, в химической, металлургической, строительной, топливной и пищевой промышленности. Транспорт, промышленность и коммунально-бытовой сектор в развитых странах используют водород в течение многих лет. Освоено применение водорода в ракетной технике. Применение водорода как топлива не только полезно с экологической точки зрения, но и вполне экономически оправдано. Возьмем к примеру, загрязнение атмосферы автомобильными выхлопными газами. Замена всех бензиновых двигателей на водородные нереальна, так как она связана с огромными материальными затратами. Однако, почти без всяких изменений в двигателе, можно использовать бензин с 10-процентной водородной добавкой. Даже этот небольшой шаг резко улучшит экологическую обстановку в крупных городах. Водород в энергетике Водород — аккумулятор энергии. Очевидным становится и то, что водород способен помочь в решении некоторых проблем атомной энергетики. Разрушительные аварии атомных электростанций АЭС показали, что наиболее опасны «маневры» мощностью реактора, то есть изменение интенсивности ядерной реакции. Следовательно, для обеспечения безопасности желательно ограничиваться стационарным режимом работы АЭС. Эта стабильность ограничивает возможности энергосистем в части выравнивания нагрузок, когда, например, в рабочее время потребление энергии резко возрастает, а по ночам и в выходные дни падает. Пока не существует удовлетворительного способа аккумулировать электроэнергию, но на помощь может прийти водород. При масштабном освоении технологий производства, транспорта и хранения водород может быть использован для решения ряда проблем большой энергетики. Среди них следует выделить такие: аккумулирование энергии в энергосистемах с неравномерным графиком нагрузок, энергоснабжение локальных потребителей и дальнее теплоснабжение. В настоящее время переменный график нагрузок энергосистем, особенно ночной провал электрической нагрузки, — одна из важнейших проблем энергетики. Эта проблема является острой для ядерной энергетики. Характерное для АЭС высокое значение капитальной составляющей стоимости производимой энергии, а также соображения повышения эксплуатационной надежности основного оборудования и, главным образом, топлива делает желательным их функционирование в базовом режиме нагрузки.
На данный момент проект проходит стадию научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ. По завершении их и полного цикла опытно-промышленных испытаний предполагается организовать мелкосерийное производство водородных станций для оценки эффективности в реальных условиях. План-график создания технологии и вывода продукта на рынок составлен до 2028 года, но по условиям получения субсидии Минпромторга «Гиредмет» уже в 2025 году должен начать продавать водородные среднетемпературные твердооксидные топливные элементы собственной разработки. Теплота его сгорания на единицу массы в 2,5 раза превосходит калорийность природного газа, а продуктом сгорания являются пары воды. Водородная энергетика может рассматриваться как безуглеродная, если для производства водорода использована атомная генерация или энергия возобновляемых источников.
Высокое содержание водорода до 64 объемных процентов было обнаружено Г. Сигвалдассоном в термальных газах Исландии, которые приурочены к районам современного вулканизма. Другим практически неисчерпаемым ресурсом для получения водорода благодаря непрерывному и обильному «газовому дыханию Земли являются природные газы литосферы и недр нашей планеты. Содержание свободного водорода в метановых газах угольных бассейнов СНГ не превышает девяти процентов в среднем 2-4 процента. Высокая концентрация водорода установлена в вулканических камерах и трубках взрыва до 50 процентов от общей суммы газов. Повышенные содержания и струи дегазации водорода наблюдаются в рифтовых зонах океанов. По данным Виктора Гаврилова, в рифте острова Исландия вынос водорода составляет до 1 тыс. В кимберлитовой трубке «Удачная» в скважине 42 , дебит водорода достигал 100 тыс. Ряд геологов полагает, что очаги сейсмической и вулканической активности формируются над локальными зонами и каналами просачивания и скопления глубинного, первичного водорода, «складированного» в гидридном ядре Земли. Появилась даже фантастическая идея опережающего бурения скважин для «разгрузки» потенциальных зон критического накопления водорода с целью предотвращения землетрясений и вулканических взрывов. Существующий комплекс современных геофизических методов гравиметрия, сейсморазведка, магниторазведка и электроразведка позволяет получать детальную объемную модель вулкана и даже определить место размещения питающей вулкан подземного газового солитона «газовой трубы». Что касается последующих работ по организации бурения скважин для отбора водорода, то они представляются технически осуществимыми, но чрезвычайно опасными. Вместе с тем, весь практически используемый сегодня водород производится только производственным искусственным способом. Расширение энергетического использования водорода и организация поисков природных залежей этого газа требуют государственной поддержки. Первой страной, сформировавшей в 2017 году свою национальную водородную стратегию, стала Япония. В 2019 году здесь была принята «Стратегическая дорожная карта для водорода и топливных элементов». В 2019 году стратегические планы по развитию водорода раскрыла Республика Корея. В июле 2020 года еврокомиссар по энергетике Кадри Симсон заявила: «Цель ЕС — к 2050 году стать климатически нейтральным. К этому времени мы выведем из употребления все ископаемые энергоносители. Альтернативой углю, нефти и нефтепродуктам, природному газу должны стать возобновляемые источники энергии 0 ВИА и водород». На таком решении больше всех настаивала Германия, где согласно национальной программе водородной энергетики к 2030 году должны быть построены электростанции мощностью в 20 ГВт, предназначенные для производства, так называемого, «зелёного» водорода на базе энергии ВИА , при сжигании которого не образуется углекислый газ. По расчетам ученых, этот «зеленый водород», получаемый на базе энергии солнечных батарей может конкурировать с «голубым водородом», который производится из воды на базе использования других, не возобновляемых источников электрической энергии. По мнению ученых из Массачусетского технологического института США , производство водорода с помощью энергии от солнечных панелей может стать рентабельным в течение ближайших десяти лет. Стратегические перспективы использования водорода для развитых стран в значительной мере связаны именно с внедрением технологий низкоуглеродной водородной энергетики, позволяющей сократить выбросы парниковых газов. Температура газов на выходе была около 1600 градусов.
Водородная энергетика, ее плюсы и минусы
Место и роль водородной энергетики в обеспечении энергетической безопасности Российской Федерации. В Италии министерство промышленности в рамках национальной стратегии развития водородной энергетики отмечает необходимость инвестирования 12 млрд долл. В широком смысле водородная энергетика основана на использовании в качестве топлива водорода. ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ И ВОДОРОД В ЭНЕРГОСИСТЕМЕ: ПРОБЛЕМЫ И ПРЕИМУЩЕСТВА Монография Электронное текстовое издание. Водородная энергетика экологична, но не автономна. Для работы топливному элементу нужен водород, который не встречается на Земле в чистом виде.
Водородная энергетика, ее плюсы и минусы
Статья Водородная энергетика, Виды водорода, Производство водорода, Производство водорода в России, Водородные топливные ячейки, Водородный транспорт, История. С помощью ветро, гидро аппаратов ООО "Деалан Энерго" можно получать относительно дешевый водород и давать его на рынок водородной энергетики. Электрическая энергия полученная с помощью водородных топливных элементов может использоваться непосредственно для питания. ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА, область энергетики, основанная на использовании водорода в Вырабатываемая в ТЭ электрич. энергия используется в электродвигателях транспортных. Широким фронтом исследования и разработки в области водорода и водородных технологий велись в 1970‑е годы в рамках государственной программы «Водородная энергетика».
Водородная энергетика: что это такое и почему за ней будущее
Крупнейшие производители автомобилей все чаще задумываются об альтернативных источниках топлива. Работа в этом направлении ведется уже давно. Как правило, наиболее перспективными видами топлива считаются природный газ и водород. Близко к серийному производству таких двигателей подошла американская компания Ford. По утверждению разработчиков, это первый в мире генератор, основанный на традиционном двигателе внутреннего сгорания, в котором в качестве топлива используется водород. Дальше всех на сегодняшний день в использовании водорода в двигателе внутреннего сгорания продвинулась немецкая компания BMW, создав автомобиль для США, который может работать и на водороде, и на бензине. В больших городах для автомобилей, использующих водород в качестве топлива, появятся специальные автозаправки. Таким образом, удастся избежать нехватки трубопроводов и машин по перевозке сжиженного водорода, обеспечив плавный переход с дизельных и бензиновых двигателей на водородные, а также достижение конечной цели: перехода на экологически чистые топливные элементы. Даже традиционные энергетические компании находят будущее водорода привлекательным.
Разведка и эксплуатация новых залежей требует вложения колоссальнейших средств. Климат нашей планеты испытывает всё большую и большую нагрузку. Экологические проблемы, с каждым днём всё больше влияющие на здоровье населения, уже никого не оставляют безучастными. Под влиянием столь убедительных факторов, ведущим мировым экономическим державам волей-неволей приходится заниматься вопросами производства, хранения и применения водорода с целью получения тепловой и электрической энергии. Проблемы, возникающие при его использовании в качестве топлива Водород — это газ, не обладающий вкусом, цветом и запахом. Химическое двухатомное соединение — H2, отличающееся в смеси с кислородом или воздухом крайней степенью взрыво- и пожароопасности. Он также взрывоопасен и в присутствии окисляющих газов. Несмотря на то, что это самый лёгкий химический элемент и самое распространённое вещество во Вселенной, на Земле в чистом виде он практически не встречается. Так как активно взаимодействует с неметаллами, образую воду и ряд органических соединений.
Большинство этих уникальных свойств создают целый набор проблем, требующих решения на уровне самых современных технологий при оптимальных с точки зрения экономики затратах. Необходимость хранения и транспортировки самого лёгкого вида топлива, занимающего самый большой объём из всех известных на сегодня горючих веществ. Решение вопроса ведёт к необходимости создания дополнительных технологических мощностей, направленных на сжатие в 700 атмосфер! Пока что такое возможно лишь на уровне самолётных и ракетных двигателей. Угроза загрязнения атмосферы, воды и почвы, оксидами азота химический механизм Якова Борисовича Зельдовича, впервые описанный им в 1946 году — токсичными веществами, приводящими к возникновению кислотных дождей и представляющими серьёзную угрозу для здоровья населения. Это развенчивает миф об экологической безопасности водородного топлива, так широко распространяемый его сторонниками. И порождает необходимость разработки, сравнительно приемлемого в плане защиты окружающей среды, механизма сжигания газообразной смеси.
Водородная автомобильная инфраструктура К концу 2006 года во всём мире функционировало более 140 водородных автомобильных заправочных станций. General Motors заявлял о возможных планах строительства 12000 водородных заправочных станций в городах США и вдоль главных автострад. Отсутствие водородной инфраструктуры является одним из основных препятствий развития водородного транспорта.
Зачем строить инфраструктуру, если нет автомобилей, потребляющих водород? Зачем производить автомобили на водородных топливных элементах, если нет инфраструктуры? Решением проблемы может стать применение водорода в качестве топлива для двигателя внутреннего сгорания, или смесей топлива с водородом, например, HCNG. В январе 2006 года Mazda начала продажи битопливного автомобиля Mazda RX-8 с роторным двигателем, который может потреблять и бензин, и водород. В 2006 году Ford Motor Company начал выпуск автобусов с двигателями внутреннего сгорания, работающими на водороде. В 2006 году было запущено в эксплуатацию около 100 новых автомобилей, автобусов, мотоциклов и т. К концу 2007 году в мире будет эксплуатироваться около 900 транспортных средств. Воздушный транспорт Корпорация Boeing прогнозирует, что топливные элементы постепенно заменят в авиации вспомогательные энергетические установки. Они смогут генерировать электроэнергию, когда самолет находится на земле, и быть источниками бесперебойного питания в воздухе. Топливные элементы будут постепенно устанавливаться на новое поколение Боингов 7E7, начиная с 2008 года.
Железнодорожный транспорт Для данных приложений требуется большая мощность, а размеры силовой установки имеют малое значение. Железно-Дорожный исследовательский технологический институт Япония планирует запустить поезд на водородных топливных элементах в эксплуатацию к 2010 году. Прототип был испытан в феврале 2005 года. В США с 2003 года разрабатывается локомотив массой 109 тонн с водородным топливным элементом мощностью 1 МВт. Водный транспорт В Германии производятся подводные лодки класса U-212 с топливными элементами производства Siemens AG. Под водой лодка работает на водороде и практически не производит шумов. Компания FuelCell Energy разрабатывает 625 кВт топливные элементы для военных кораблей. Складские погрузчики Чуть менее половины новых топливных элементов, установленных в 2006 году на транспортные средства, были установлены на складские погрузчики. Замена аккумуляторных батарей на топливные элементы позволит значительно сократить площади, занимаемые аккумуляторными цехами. Wal-Mart в январе 2007 года завершил вторую серию испытаний складских погрузчиков на топливных элементах.
Презентация национальной стратегии развития водородной энергетики ФРГ, 10 июня 2020 года. Помимо всего прочего, уже сегодня в странах ЕС действует «углеродный налог», который должны уплачивать все производители за выбросы СО2 в атмосферу при производстве своей продукции. Учитывая среднюю стоимость квоты за выброс 1 тонны СО2 54 доллара на 2020 год , уже к 2030 году Россия будет вынуждена заплатить данный налог в размере 40 млрд долларов в год, поставляя при этом углеводороды Европе. То есть критически зависимая от импорта энергоресурсов Европа диктует России правила, по которым она будет у нас эти энергоресурсы покупать. Комичность ситуации ещё и в том, что в водородных стратегиях различных стран мира сильно размыт вопрос самообеспечения водородом. Судите сами: Базовая водородная стратегия Японии предусматривает импорт водорода. Основа водородной экономики Южной Кореи тоже предполагает импорт водорода.
Водородная стратегия для климатически нейтральной Европы — тут вообще даже нет определённости насчёт того, как обеспечить себе необходимый объём водорода производить у себя, либо импортировать…. Национальная стратегия развития водородной энергетики Франции предусматривает не только импорт водорода, но и его производство на АЭС. Государственная стратегия Голландии по водороду включает в себя, помимо безусловного импорта водорода в огромных количествах, создание "водородной биржи". Водородная стратегия Норвегии предусматривает производство водорода либо из природного газа, либо с помощью электролиза, а может быть ещё каким-то неведомым способом… Такое впечатление, что в мире существуют страны-производители энергетического водорода, которые занимаются исключительно его экспортом. Да вот только проблема в том, что нет никакого рынка энергетического водорода. Тогда на какие экспортные мощности ориентируются вышеперечисленные страны, закладывая импорт водорода в свои национальные стратегии? Получается, что Россия теперь выступает в роли страны-поставщика энергетического водорода.
Может быть, они будут сами производить водород? Особых проблем ведь нет? Водород — это же возобновляемый ресурс: расщепляй себе воду на водород и кислород, и радуйся… В теории всё хорошо. Но есть одна проблема. Производство «зелёного» водорода требует существенных затрат электрической энергии. Германия планирует водородом заменить всё: даже нефтехимические производства будут переведены на водородное обеспечение. Вся остальная потребляемая человечеством энергия приходится на тепловую и механическую и химическую работу.
Из истории водородной энергетики
Оптимисты устанавливают другой срок — 2020 год. Не лучше обстоят дела с газом и углем. Необходимость уже сейчас задуматься о скором сокращении возможностей Земли в обеспечении нас топливом — не единственная причина перехода к водороду как стратегическому топливу. Выступая на открытии водородной заправочной станции в Гамбурге, мэр города сказал: «Улицы в будущем будут тихими. Только шум шин и ветер будут сопровождать проходящие автомобили. Города будут чистыми, так как эмиссия будет по существу нулевой. Пешеходы не будут зажимать носы, а гости города будут по нему гулять, а не прятаться в кафе». Сейчас в мире производится 400 миллиардов кубических метров водорода — это по энергетике соответствует 10 процентам производства нефти. В основном этот водород идет в химическую и пищевую промышленность. Интерес к водороду как к топливу обострился в 1990 году в связи с осознанием опасности СО2 эмиссии. Япония в 1993 году выделила 2 миллиарда долларов; США, Канада уже сейчас сделали экстраводородные программы приоритетными.
По прогнозам многих специалистов, к 2050 году треть производимой энергии должна быть покрыта водородом как источником топлива. Президент нефтяной компании «Шелл» Филл Ваттс заявил о подготовке к концу «углеводородной эры»; уголь, нефть, газ, заявил он, должны уступить дорогу новой энергетике, основанной на водороде. Он сообщил о том, что фирма «Шелл» вкладывает миллиард долларов в развитие методов генерации и использования водорода. Фирмы «Дженерал Моторс», «Дженерал Электрик», «Форд», «Сименс» уже вкладывают миллиарды долларов в работы по переводу автомобилей на водородное топливо. Решение проблем водородной энергетики упирается в две задачи: производство водорода и его использование в качестве топлива. В производстве водорода сейчас два главных направления: традиционное — получение водорода с помощью обычных процессов реформинга натурального газа или реформинга угля с последующим транспортом водорода и использование его в разной форме; и второе направление — получение водорода из воды с помощью электролиза. Естественно, при электролизе для получения водорода необходима электроэнергия. Ветер, солнце, геотермальное тепло могут обеспечить электроэнергией производство необходимого количества водорода в мире с помощью обычного электролиза. При таких методах получения водорода минимизируется использование углеродосодержащего сырья, но главный вопрос — о методе использования водорода в энергетике. Нет сомнения, что основным устройством для использования водорода будут топливные элементы.
В топливном элементе происходит процесс, обратный электролизу.
А поскольку стоимость ветровой и солнечной энергии продолжает падать, а экономия от масштаба производства «зелёного» водорода возрастает, он может подешеветь ещё сильнее. Если это произойдёт, «зелёный» водород может стать основным топливом будущего, пишет MIT Technology Review. Если ли место для России в водородном будущем К 2050 году почти четверть мировой потребности в энергии будет покрываться за счёт водорода, а его цена сравняется со стоимостью природного газа, следует из доклада Bloomberg. Ключом к их удешевлению является глобальное масштабирование технологий — в сотни, тысячи раз — и здесь важна роль мер поддержки со стороны государств». Многие страны разработали национальные водородные стратегии — в частности, они появились в Германии, Нидерландах, Франции, Норвегии, Португалии, Испании. Осенью 2020 года такой документ появился и в России. Согласно ему, экспорт водорода из России к 2024 году должен достичь 200 000 тонн, а к 2035 году вырасти уже до 2 млн тонн. Сейчас в стране производят 5 млн тонн водорода в год, но весь используют во внутреннем промышленном секторе.
Вообще водород можно производить почти везде. Надежды на экспорт связаны с ожиданиями, что производимый в стране «безуглеродный» водород будет настолько дёшев, что его будет выгодно продавать в другой стране за сотни и тысячи километров от места производства, объяснил Юрий Мельников. У России есть развитая сеть трубопроводов, у Германии — технологии. Объединив эти возможности, можно получить совместные перспективы, — говорит доцент кафедры национальной экономики экономфака РУДН Максим Черняев. РФ своими действиями даёт понять, что готова к подобному развитию событий. Готовы ли партнёры? Германия изучает этот вопрос». Вместе с тем существует опасность стать сырьевым придатком, только на более высокотехнологичном уровне. Риск в том, что начнут отправлять весь произведённый водород в Европу без дальнейшего использования в производстве или для энергетических нужд граждан», — считает руководитель направления «Промышленность» Института технологий нефти и газа Ольга Орлова.
Первыми крупными производителями «зелёного» водорода, вероятнее всего, станут «Росатом» и «Газпром». Пилотные установки компании запустят к 2024 году на базе атомных электростанций, объектах добычи газа и перерабатывающих предприятиях.
Рассказы любителей водородной энергетики о каких-то «огромных запасах водорода на планете Земля» — это чистая ложь. Но эти источники находятся вне досягаемости лиц, эксплуатирующих идеи водородной энергетики. В результате в тех случаях, когда потребителям на Земле нужен свободный водород, например, для использования в химической промышленности, приходится заниматься его производством. Мировое производство водорода в настоящее время составляет около 100 млн.
Цифра весьма значительная, но совершенно недостаточная для удовлетворения нужд промышленности и населения в тепле и энергии. Существует четыре основных варианта технологии производства водорода. Наиболее чистым с точки зрения экологии является электролиз воды.
Принцип работы водородной энергетики заключается в процессе электролиза воды, в результате которого выделяется водород и кислород. Водород затем может быть использован в топливных элементах, которые конвертируют химическую энергию в электрическую.
Преимущества водородной энергетики включают высокую эффективность процесса, низкую стоимость топлива и отсутствие выбросов вредных веществ в атмосферу. Однако, существуют также некоторые недостатки, которые могут ограничить распространение этой технологии, такие как высокая стоимость инфраструктуры и необходимость использования редких материалов для производства топливных элементов. Использование водорода в различных отраслях Транспорт является одной из наиболее перспективных отраслей, где можно использовать водород в качестве топлива. На данный момент уже существуют автомобили на водороде, поезда на водороде и летательные аппараты на водороде. Промышленность также может использовать водород для производства электричества, хранения энергии и производства удобрений.
В жилых зданиях водород может быть использован для отопления и горячего водоснабжения. Это позволит значительно уменьшить выбросы вредных веществ и зависимость от нефти и газа. Использование водорода имеет также экологические преимущества. Оно позволяет сокращать выбросы углекислого газа, снижать загрязнение воздуха в городах и уменьшать зависимость от нефти и газа.
Развитие водородной энергетики — принципы и перспективы
Суммарная установленная мощность ветрогенераторов в Китае на 2014 год составила 114763 МВт. Что же заставило правительство так активно развивать ветроэнергетику? Китай является лидером по выбросам в атмосферу СО2 Планируется использовать в первую очередь геотермальную, ветряную, солнечную энергию. Согласно государственному плану, к 2020 г. В США активно развивают альтернативную энергетику. Например, суммарная мощность американских ветрогенераторов США в 2014 г.
США является мировым лидером по развитию геотермальной энергетики - направлению, использующему для получения энергии разницу температур между ядром Земли и ее корой. Один из методов использования горячих геотермальных ресурсов - УГС усовершенствованные геотермальные системы , в которые вкладывает средства Министерство энергетики США. Их поддерживают также научные центры и венчурные компании в частности, Google , но пока УГС остаются коммерчески неконкурентоспособными. Водородная энергетика Понятие водородная энергетика возникло относительно недавно. Оно появилось во времена энергетического кризиса, когда специалисты утвердили, что запасы органического и дешевого топлива ограничены, и темпы их расходования невероятно высоки.
Ядерная энергетика деления и синтеза стала источников нескончаемой энергии которая совместно с возобновляемыми источниками энергии позволяет обеспечивать энергией людей на ближайшее будущее. Концепция водородной энергетики предполагает получение водорода путём разложения воды с затратой ядерной энергии, транспорт водорода к центрам его потребления и распределение с последующим использованием его в качестве топлива в случаях, где используется газ, жидкое или твердое топливо. Водород в свободном состоянии при нормальных условиях является газом без цвета, запаха и вкуса. Последние 3 молекулы нестабильны. Молекулярный водород, как и его изотопы тритий и дейтерий, в зависимости от относительной ориентации ядерных спинов атомов существует в двух основных модификациях: параводород pH2 , который имеет антипараллельную ориентацию ядерных спинов в четные ротационные квантовые числа и ортоводород oH2 , имеющий параллельные ядерные спины и нечетные ротационные квантовые числа.
Относительно водорода можно выделить несколько положительных факторов:. Сырьем для получения водорода может быть вода, а для получения искусственных углеродов - уголь, углекислый газ или природные карбонаты, то есть запасы практически неограниченные. При сжигании водорода или искусственного топлива, полученного на его основе, образуется значительно меньшие затраты на мероприятия по охране окружающей среды, чем при сжигании природных жидких и газообразных элементов топлива. Полученное топливо сравнительно легко транспортировать, хранить и аккумулировать. Водород является одной из перспективных составляющих нашей планеты, правда, в природе он не встречается в чистом виде.
Его необходимо извлекать или из углеводорода, или из воды. Вместе с тем, запасы водорода, связанного в органическом веществе и в воде, практически неисчерпаемы. Энергосодержание 1 г водорода эквивалентно энергосодержанию около 3 г бензина. При использовании водорода в топливных элементах вследствие высокого КПД топливного элемента в 1,5-3 раза больше, чем у двигателя внутреннего сгорания эффективность водорода как топлива оказывается еще выше примерно в 4-10 раз. На данный момент известно несколько способов получения водорода.
Сначала это были воздушные шары, позднее — аэростаты и дирижабли, сегодня, вместе с гелием — метеорологические зонды. Нефтепереработка Основными промышленными потребителями синтез-газа являются нефтепереработка и нефтехимия. Большая часть энергии, потребляемой нефтеперегонными заводами, расходуется на получение водорода из низкокалорийных углеводородов и природного газа. Водород используется для производства светлых нефтепродуктов, снижения токсичности, удаления серы и других загрязняющих примесей. По мере истощения запасов легкой нефти с высоким водород-углеродным коэффициентом и увеличения добычи имеющейся в больших количествах тяжелой нефти возрастает спрос на водород. Если в этом процессе использовать водород, производимый с помощью ядерных реакторов, то не только увеличивается выход бензина на тонну исходной нефти, но и уменьшается выброс парниковых газов, образующихся при традиционном производстве водорода. Водород как энергоноситель Достоинством водорода как топлива является способность производить не только высокопотенциальное тепло при его сжигании в кислороде, но и электрическую энергию при соединении с кислородом в топливном элементе — электрохимическом генераторе. Водород как топливо эффективно используется в ракетных двигателях.
Водородно-кислородные ракетные двигатели обеспечивают наиболее высокие значения удельной тяги. Космическая техника стимулировала использование технологии прямого преобразования химической энергии водорода в электричество в электрохимическом генераторе. Широкое использование технологии электрохимического генератора ожидается в автотранспорте. Электрохимические генераторы найдут также применение в коммунально-бытовом секторе и в специальной энергетике, например, для подводных аппаратов. Автотранспорт на водороде Работы по применению водорода направлены как на улучшение углеводородного топлива для сжигания в двигателях внутреннего сгорания, так и на использование электрохимических генераторов. Автомобильная промышленность проводит комплексные испытания широкого ряда автомобилей на водороде. В недалекой перспективе в результате ужесточения стандартов на выбросы, повышения цен на бензин и снижения стоимости топливных элементов ожидается изменение конъюнктуры в пользу автомобилей с водородными двигателями. Этим вариантом воспользовалась фирма «Мазда», которая проводила испытания автомобиля на топливных элементах.
На борту установлен реформер, вырабатывающий водород из метанола. Фирма «Хонда» применила второй вариант питания топливных элементов, который показан на рис. И представила автомобиль на топливных элементах FCX-V3, который заправляется водородом. Время запуска энергетической установки — всего 10 секунд. Мощность — 70 кВт. Российская фирма «АвтоВАЗ» не осталась в стороне и вместе с корпорацией «Энергия» выпустила автомобиль «Нива» на водородном топливном элементе. Применение водорода в ракетно-космической технике Наибольший опыт использования водорода как энергоносителя накоплен в ракетно-космической технике. Примером такой системы являются ракеты комплекса «Энергия», в жидкостных ракетных двигателях которых водород используется как топливо.
В России и США также накоплен опыт использования водорода в ядерных ракетных двигателях. Принципиальным преимуществом ядерных ракетных двигателей по сравнению с жидкостными ракетными двигателями является возможность использования однокомпонентного рабочего тела с минимальным молекулярным весом, а этими свойствами обладает водород, что обеспечивает наиболее высокую удельную тягу двигателя. В 1980-е гг. В настоящее время эксперименты с водородом в авиации продолжаются. Проводятся также поисковые работы по гиперзвуковым авиационно-космическим системам, использующим прямоточные двигатели на водороде. Водородная экономика В настоящее время появился и получил широкое распространение термин «водородная экономика». Под этим понимается экономика, построенная путем частичной или полной замены углеводородного топлива водородным, позволяющим уменьшить выброс парниковых газов в окружающую среду. Насколько же реальна замена ископаемых источников энергии водородом?
Ответ на этот вопрос будет зависеть от результатов широких исследований, которые ведутся в настоящее время в большинстве развитых стран мира. Энергетические затраты на различных этапах жизненного цикла водорода При переходе на водородное топливо неизбежно появление новых проблем. Водород представляет собой искусственный энергоноситель, который получают из существующих в природе веществ. Поэтому прежде всего нужно провести анализ затрат энергии, требуемых для этой цели на всех стадиях жизненного цикла водорода как энергоносителя — от его производства до использования рис. При этом оказывается, что высококачественная электрическая энергия из возобновляемых или ядерных источников необходима не только для того, чтобы генерировать водород, но также и для осуществления всех других этапов стадий цикла. Из-за молекулярной структуры и фазового состояния водорода при нормальных условиях требуется намного более энергоемкая инфраструктура, чем в экономике природного газа и нефти. Элементы водородной экономики В водородной экономике водород, подобно любому другому коммерческому продукту, проходит несколько стадий между получением и использованием. После получения он должен быть упакован путем сжатия или сжижения, транспортирован наземными или морскими транспортными средствами и оставлен в системах хранения до передачи потребителю.
Строго говоря, жизненный цикл водорода заканчивается после его полного использования потребителем, но мы ограничимся стадиями получения, первичного хранения и транспортировки. Водород, централизованно полученный или электролизом, или химическим путем, или произведенный непосредственно на автозаправочных станциях, газообразный или жидкий, должен подвергнуться всем рыночным процессам, прежде чем может использоваться потребителем. Водород также может быть получен химически по относительно низкой цене из природного газа или других углеводородов. Фактическое потребление электрической энергии, необходимой для того, чтобы получить, упаковать и транспортировать водород, может легко превысить полезную энергию, получаемую за счет его использования. Однако полезная энергия может быть сохранена и в водороде, упакованном в синтетическом жидком углеводороде, например метаноле или этаноле. При этом можно избежать использования ископаемого топлива, применяя биомассу. Процесс электролиза может быть частично заменен менее энергоемким химическим преобразованием воды и углекислого газа в естественные углеводороды — биометанол или биоэтанол. Следовательно, могут использоваться замкнутые естественные циклы воды и углекислого газа.
Водород — один из самых распространенных химических элементов на планете, не существующий в природе в элементной свободной форме. Он может быть получен электролизом из воды или химическим путем из углеводородов либо других водородосодержащих веществ. Электричество для электролиза может использоваться, в конечном счете, от чистых возобновляемых источников типа солнечной радиации, кинетической энергии ветра, энергии гидроэлектростанций, геотермальных источников или атомной энергии. В настоящее время максимальное внимание уделяется стадиям хранения и использования водорода, которые справедливо считаются критическими для развития водородной энергетики. Значительно меньшее внимание уделяется энергетическому, экологическому и экономическому анализу всех остальных звеньев цепочки получение — использование водорода. Водород, как уже отмечалось, должен быть получен, упакован, транспортирован и передан пользователю.
Рассмотрим один из наиболее распространенных способов получения водорода - из воды путем электролиза.
Под электролизом понимается некоторый электронный проводник, погруженный в ионный проводник раствор электролита, расплав или соприкасающийся с ним. На межфазной границе раздела электрод - раствор протекают электродные процессы, в результате которых между электродом и раствором устанавливается разность потенциалов - электродный потенциал, значение которого зависит от природы, протекающей на поверхности электрода электрохимической реакции. В данном случае можно измерить лишь разность электродных потенциалов нескольких электродов. Таким образом, в обратимой реакции при электролизе воды наряду с затратами электроэнергии принципиально возможно непосредственное преобразование теплоты, подводимой к ячейке, в химическую энергию топливно-окислительной композиции водорода и кислорода. Многочисленные прогнозируемые оценки показывают, что в соответствии с ростом цен на природное жидкое и газообразное топливо в перспективе, а также совершенствование существующих и развитие новых типов электролизеров в будущем может оказаться дешевле, чем получение его из природного топлива. При образовании молекулы два электрона, которые до этого времени принадлежали к двум различным атомам водорода, начинают вращаться в плоскости, перпендикулярной к оси, соединяющей ядра. При образовании ковалентной химической связи за счет перехода электронов от одного атома к внешней оболочке другого происходит выделение энергии.
Данное выделение энергии можно объяснить сродством атомов водорода по отношению к электрону. Одновременно при образовании новой связи и электроны, и ядра приближаются друг к другу, что приводит к потере энергии. Согласно опытным данным, межъядерное расстояние в молекуле водорода составляет 0. Соответственно, потеря энергии, происходящая за счет взаимного отталкивания ядер, составляет около 9 эВ. Согласно этой модели рис. Силы притяжения электронов к ядрам направлены перпендикулярно к плоскости круга, в котором электроны вращаются и где они взаимно уравновешивают друг друга. Их взаимное действие, таким образом, равно нулю.
Задача о вычислении энергии молекулы водорода сводится к вопросу об определении энергии гелиеподобного атома атома с двумя электронами. Электроны притягиваются к этой точке за счет сил F11, которые являются проекциями сил F1 на оси DC. Данные силы идентичны тем силам, которые удерживают электроны на орбите гелиеподобного атома с зарядом Z. В данном случае используется система, предложенная Бором для расчета атомарных систем. Энергия системы и линейные параметры в этих расчетах определяются посредством сравнения зарядов и расстояний радиусов с энергией электрона и радиусом орбиты в атоме водорода. Заряд электрона принят за единицу заряда, а радиус атома водорода 0,529 А выступает в качестве единицы длины. Единичная сила в данном случае есть сила взаимодействия протона с электроном в атоме водорода, расстояние между которыми составляет 0,529 А.
Таким образом, ядерный заряд может иметь сходство с зарядом Ze, поскольку заряд протона равен заряду электрона. С учетом всех принятых обозначений, определим эффективный заряд Z в точке E молекулы водорода рис. Здесь электроны расположены в точках C и D, а ядра протоны - в точках А и В. Точка Е находится в центре, вокруг которого вращаются электроны в плоскости, перпендикулярной по отношению к нему, как это изображено на рис.
При масштабном освоении технологий производства, транспорта и хранения водород может быть использован для решения ряда проблем большой энергетики. Среди них следует выделить такие: аккумулирование энергии в энергосистемах с неравномерным графиком нагрузок, энергоснабжение локальных потребителей и дальнее теплоснабжение. В настоящее время переменный график нагрузок энергосистем, особенно ночной провал электрической нагрузки, — одна из важнейших проблем энергетики. Эта проблема является острой для ядерной энергетики. Характерное для АЭС высокое значение капитальной составляющей стоимости производимой энергии, а также соображения повышения эксплуатационной надежности основного оборудования и, главным образом, топлива делает желательным их функционирование в базовом режиме нагрузки. Для реакторов-размножителей функционирование в базовом режиме повышает темп воспроизводства топлива. Эта задача может быть решена с применением водородных технологий по схеме: производство и накопление водорода во время ночного провала и его использование при пиковых нагрузках. Для покрытия пиковых нагрузок может быть использован парогенератор со срабатыванием дополнительного пара на турбине. В Германии, России, Японии и других странах проведены экспериментальные исследования процессов горения водорода в кислороде и воздухе, теплопередачи при пленочном и испарительном охлаждении стенок при высоких тепловых потоках. Институт высоких технологий Российской Академии наук и Исследовательский центр им. Келдыша разработали и испытали демонстрационный образец такого парогенератора мощностью 25 МВт. Поэтому кислородно-водородные горелки используют для сварки и резки металлов. В цветной металлургии восстановлением водородом получают особо чистые металлы из оксидов. Широкое применение водород нашел в химической промышленности — при синтезе аммиака, изготовления соляной и метиловой кислот, метилового спирта. В пищевой промышленности водород используют для превращения жидких жиров в твердые, их гидрогенизации. Учитывая невесомость водорода, им заполняли и заполняют оболочки летательных аппаратов. Сначала это были воздушные шары, позднее — аэростаты и дирижабли, сегодня, вместе с гелием — метеорологические зонды. Нефтепереработка Основными промышленными потребителями синтез-газа являются нефтепереработка и нефтехимия. Большая часть энергии, потребляемой нефтеперегонными заводами, расходуется на получение водорода из низкокалорийных углеводородов и природного газа. Водород используется для производства светлых нефтепродуктов, снижения токсичности, удаления серы и других загрязняющих примесей. По мере истощения запасов легкой нефти с высоким водород-углеродным коэффициентом и увеличения добычи имеющейся в больших количествах тяжелой нефти возрастает спрос на водород. Если в этом процессе использовать водород, производимый с помощью ядерных реакторов, то не только увеличивается выход бензина на тонну исходной нефти, но и уменьшается выброс парниковых газов, образующихся при традиционном производстве водорода. Водород как энергоноситель Достоинством водорода как топлива является способность производить не только высокопотенциальное тепло при его сжигании в кислороде, но и электрическую энергию при соединении с кислородом в топливном элементе — электрохимическом генераторе. Водород как топливо эффективно используется в ракетных двигателях. Водородно-кислородные ракетные двигатели обеспечивают наиболее высокие значения удельной тяги. Космическая техника стимулировала использование технологии прямого преобразования химической энергии водорода в электричество в электрохимическом генераторе. Широкое использование технологии электрохимического генератора ожидается в автотранспорте. Электрохимические генераторы найдут также применение в коммунально-бытовом секторе и в специальной энергетике, например, для подводных аппаратов. Автотранспорт на водороде Работы по применению водорода направлены как на улучшение углеводородного топлива для сжигания в двигателях внутреннего сгорания, так и на использование электрохимических генераторов. Автомобильная промышленность проводит комплексные испытания широкого ряда автомобилей на водороде. В недалекой перспективе в результате ужесточения стандартов на выбросы, повышения цен на бензин и снижения стоимости топливных элементов ожидается изменение конъюнктуры в пользу автомобилей с водородными двигателями. Этим вариантом воспользовалась фирма «Мазда», которая проводила испытания автомобиля на топливных элементах. На борту установлен реформер, вырабатывающий водород из метанола. Фирма «Хонда» применила второй вариант питания топливных элементов, который показан на рис. И представила автомобиль на топливных элементах FCX-V3, который заправляется водородом. Время запуска энергетической установки — всего 10 секунд. Мощность — 70 кВт. Российская фирма «АвтоВАЗ» не осталась в стороне и вместе с корпорацией «Энергия» выпустила автомобиль «Нива» на водородном топливном элементе. Применение водорода в ракетно-космической технике Наибольший опыт использования водорода как энергоносителя накоплен в ракетно-космической технике. Примером такой системы являются ракеты комплекса «Энергия», в жидкостных ракетных двигателях которых водород используется как топливо. В России и США также накоплен опыт использования водорода в ядерных ракетных двигателях. Принципиальным преимуществом ядерных ракетных двигателей по сравнению с жидкостными ракетными двигателями является возможность использования однокомпонентного рабочего тела с минимальным молекулярным весом, а этими свойствами обладает водород, что обеспечивает наиболее высокую удельную тягу двигателя. В 1980-е гг. В настоящее время эксперименты с водородом в авиации продолжаются. Проводятся также поисковые работы по гиперзвуковым авиационно-космическим системам, использующим прямоточные двигатели на водороде. Водородная экономика В настоящее время появился и получил широкое распространение термин «водородная экономика». Под этим понимается экономика, построенная путем частичной или полной замены углеводородного топлива водородным, позволяющим уменьшить выброс парниковых газов в окружающую среду. Насколько же реальна замена ископаемых источников энергии водородом? Ответ на этот вопрос будет зависеть от результатов широких исследований, которые ведутся в настоящее время в большинстве развитых стран мира. Энергетические затраты на различных этапах жизненного цикла водорода При переходе на водородное топливо неизбежно появление новых проблем. Водород представляет собой искусственный энергоноситель, который получают из существующих в природе веществ. Поэтому прежде всего нужно провести анализ затрат энергии, требуемых для этой цели на всех стадиях жизненного цикла водорода как энергоносителя — от его производства до использования рис. При этом оказывается, что высококачественная электрическая энергия из возобновляемых или ядерных источников необходима не только для того, чтобы генерировать водород, но также и для осуществления всех других этапов стадий цикла. Из-за молекулярной структуры и фазового состояния водорода при нормальных условиях требуется намного более энергоемкая инфраструктура, чем в экономике природного газа и нефти.