Водородная энергетика

Лекции 13-14. Водородная энергетика

2

1973 год: нефтяное эмбарго

3

1974 год: экономический кризис, прогнозы истощения запасов нефти и создание Мировой водородной ассоциации

Темпы добычитрадиционных видов топлива

Водородная энергетика - система энергообеспечения, которая основана на применении водорода в качестве вторичного энергоносителя

4

Традиционная энергетика и экология

Распределение валового выбросапо отраслям промышленности (Воронеж)

Изменение средней температуры на Земле

Теплоэнергетика65,5%

Машиностроение9,6%

Химическая8,3%

Строительных материалов

3,1%

Пищевая2,8%

Транспортная2,6%

Другие отрасли8,1%

Выхлоп водородного автобуса в Лондоне –это водяной пар

Современное производство Н2

Сейчас в мире производится 400 миллиардов кубических метров водорода– Это соответствует 10 процентам производства

нефти– В основном этот водород идет в химическую и

пищевую промышленность

По прогнозам, к 2050 году треть производимой энергии должна быть покрыта водородом как источником топлива.

5

Задачи водородной энергетики

1. Производство водорода– традиционное направление — получение водорода

с помощью обычных процессов реформинга натурального газа или реформинга угля с последующим транспортом водорода и использование его в разной форме

– второе направление — получение водорода из воды с помощью электролиза

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 (видео – Исландия)

6

7

Способы получения водорода


2. Хранение водородаА) СжижениеПлюсы данного метода: он позволяет накапливать водород с наименьшим балластом (отношение массы ёмкости к массе запасённого водорода), не используется высокое давление. Есть возможность дозаправкиМинусы: сверхнизкая температура хранения, постоянная утечка водорода, необходимость использования специальных материалов. Кроме того, водород тяжело сжижается, так что процесс в целом получается очень затратным.

8


2. Хранение водородаБ) БаллоныПлюсы: высокая надёжность метода. Долговечность хранения. Возможность дозаправки.Минусы: большая балластная масса, высокое рабочее давление

– Балластная масса составляет порядка 100 г на каждый грамм водорода– Диффузия водорода и утечки через дефекты уплотнений

9


2. Хранение водородаВ) Гидриды d-элементовОдним из первых гидридов, использованных для хранения водорода, был FeTiH2. Это компактный материал, обратимо связывающий водород. При хранении этого гидрида не развивается высокого давления, и он способен храниться очень длительное время.Плюсы: высокая надёжность метода. Долговечность хранения. Низкое рабочее давлениеМинусы: большая балластная масса.

– балластная масса, которая составляет 52 грамма на грамм водорода

10


2. Хранение водородаГ) Активные металлыДля получения водорода можно использовать порошки активных металлов и воду. Плюсы: низкое рабочее давление, малая балластная масса, возможность длительного хранения, высокая надёжность метода.Минусы: - невозможность перезаправки данного элемента, высокая цена используемых металлов.

11


2. Хранение водородаД) Гидриды активных металловГидриды щелочных и щелочноземельных металлов активно реагируют с водой, выделяя водород. При этом водорода выделяется в два раза больше, чем просто из металла. Рекордсмен литий — для него балластная масса составит только 3,5 грамма. Плюсы: низкое рабочее давление, малая балластная масса, возможность длительного хранения, высокая надёжность метода.Минусы: невозможность перезаправки данного элемента, высокая цена используемых материалов.

12


2. Хранение водородаЕ) Органические накопителиМногие органические вещества способны вступать в реакцию дегидрирования, то есть реакцию с выделением водорода. Простой пример — дегидрирование циклогексана с образованием бензола. Реакция обратима, а это значит, что подобные вещества потенциально являются накопителями водородаПлюсы: возможность длительного хранения, возможность перезаправки данного элемента, низкое рабочее давление, малая балластная масса.Минусы: возможно, высокая цена используемых катализаторов.

13

Заправимся бензином?

рассчитаем массу ёмкостей или материалов, длительно запасающих 2 кг водорода. Это:

200 кг стальных баллонов 80 кг пластиковых баллонов сверхвысокого давления 106 кг смешанного гидрида титана 54 кг алюминия и воды 21 кг гидрида кальция (и 18 кг воды для реакции (!)) 8 кг гидрида лития (и 18 кг воды для реакции) порядка 40 кг органических накопителей. самым экономичным из вариантов является гидрид лития, но он необратимо

реагирует с водой и дорог. Второе место делят система из гидрида кальция с водой и органические накопители водорода. Из всех вышеописанных систем только органические накопители можно использовать повторно, то есть «перезаряжать» их водородом.

Итак, заправим водородный автомобиль бензином?!14


3. Использование водорода в качестве топлива

– Традиционное направление

15

16

1941 год, СССР: зарождение водородной энергетики (видео)

масштабное практическое применение водорода в качестве моторного топлива началось в Великую Отечественную войну

в блокадном Ленинграде техник-лейтенант Шелищ Борис Исаакович (1908-1980) предложил использовать водород, "отработавший" в аэростатах, как топливо для работы нескольких сотен автомобилей ГАЗ-АА


3. Использование водорода в качестве топлива

– Электрохимическое направление В будущем основным устройством для использования

водорода станут топливные элементы

17

Водород или бензин?

18

19

Очень дорого

Автомобиль– Мощность 50 кВт– Стоимость топливного

элемента

250 тыс.долл. Автобус

– Мощность 200 кВт– Стоимость топливного

элемента

1 млн.долл.

20

Современные проблемы водородных автомобилей на топливных элементах

проблемы коммерциализации– высокая стоимость– недостаточный срок службы

проблемы получения и хранения Н2 на борту автомобиля

отсутствие инфраструктуры

21

2009 год: Америка признала водород нерентабельным автомобильным топливом

Президент США Барак Обама ликвидировал “Фонд развития автомобилей с водородными двигателями”

Министр энергетики США Стивен Чу считает, что автомобили на водородных топливных элементах появятся на дорогах в большом количестве лет через 15-20, в отличие от гибридных автомобилей

22

Водородный автомобиль на топливных элементах

водород окисляется в топливном элементе (fuel cell, FC): его химическая энергия напрямую преобразуется в электрическую энергию

вместо бензинового двигателя внутреннего сгорания (д.в.с.) для приведения автомобиля в движение используется электродвигатель

23

Гибридный автомобиль

используются два двигателя: бензиновый д.в.с. и электродвигатель

д.в.с. приводит в движение электрогенератор, вырабатывающий электроэнергию для заряда аккумуляторов

аккумуляторы, разряжаясь, передают энергию на электродвигатели, приводящие автомобиль в движение

Водород + бензин

BMW и Mazda: нужно сохранить в водородном автомобиле возможность ездить на бензине

– активно разрабатываются системы хранения Н2, наиболее близкие к серийному производству:

баллоны с газообразным водородом, находящимся под высоким давлением (Mazda)

топливные баки с жидким водородом, находящимся при низкой (–253 С) температуре (BMW)

24

Водород + бензин

Национальная ассоциация водородной энергетики (Россия):

– нужно применять водород в качестве добавки к основному (бензиновому) топливу

это способствует улучшению топливной экономичности д.в.с. и снижению выброса вредных веществ

25

Водородная энергетика

Education

Transcript of Водородная энергетика