что такое водородная энергетика определение

Водородная энергетика

Водородная энергетика относится к альтернативной энергетике и рассматривается как часть низкоуглеродной экономики. Переход к водородной энергетике позволяет отказаться от традиционных источников ископаемого топлива и сократить влияние производства энергии на глобальное потепление.

Содержание

Производство водорода

Существует четыре основных источника промышленного производства водорода: природный газ, нефть, уголь и электролиз; на долю которых приходилось 48%, 30%, 18% и 4% мирового производства водорода соответственно в 2010-х годах.

Диоксид углерода может быть отделен от природного газа с эффективностью 70-85% для производства водорода и от других углеводородов с различной степенью эффективности.

Паровая конверсия природного газа

Наиболее распространенный метод производства водорода, основывается на паровой конверсии природного газа. Процесс заключается в нагревании газа до температуры 700-1100 °С в присутствии пара и никелевого катализатора. В результате эндотермической реакции молекулы метана распадаются и образуется монооксид углерода СО и водород Н2. Затем газообразный угарный газ может быть пропущен с паром над оксидом железа или другими оксидами и подвергнут реакции сдвига водяного газа для получения дополнительных количеств Н2.

Для этого процесса высокотемпературный (700-1100 °C) пар (H2O) реагирует с метаном (CH4) в эндотермической реакции с получением синтез-газа:

На второй стадии дополнительный водород образуется в результате низкотемпературной экзотермической реакции сдвига водяного газа, протекающей при температуре около 360 °C:

По существу, атом кислорода (O) отделяется от дополнительной воды (пара) для окисления CO до CO2. Это окисление также обеспечивает энергию для поддержания реакции. Дополнительное тепло, необходимое для запуска процесса, обычно подается за счет сжигания некоторой части метана.

Недостатком этого процесса является то, что его основными побочными продуктами являются CO, CO2 и другие парниковые газы. В зависимости от качества исходного сырья, одна тонна произведенного водорода также произведет от 9 до 12 тонн CO2.

В настоящее время этот метод является самым дешевым способом производства водорода.

Электролиз воды

Водород может быть получен посредством электролиза под высоким или низким давлением. Кроме того, альтернативой может быть ряд других возникающих электрохимических процессов, таких как высокотемпературный электролиз или электролиз с использованием углерода. Тем не менее, в настоящее время лучшие процессы электролиза воды имеют эффективный электрический КПД 70-80%, так что получается 1 кг водорода (который имеет удельную энергию около 40 кВтч/кг) требуется 50–55 кВтч электроэнергии.

В некоторых частях мира паровая конверсия метана составляет в среднем от 1 до 3 долл./кг. Это делает производство водорода с помощью электролиза уже конкурентоспособным во многих регионах.

Водород из биомассы

Производство водорода с помощью водорослей

Ферментативное производство водорода представляет собой ферментативное превращение органического субстрата в биоводород, проявляемое разнообразной группой бактерий с использованием многоферментных систем, включающих три этапа, аналогичных анаэробному превращению. Реакции ферментации не требует световой энергии, поэтому они способны постоянно производить водород из органических соединений в течение дня и ночи.

Фотоферментация отличается от «темной» ферментации, потому что она происходит только при наличии света. Например, фотоферментация с помощью бактерии Rhodobacter sphaeroides происходит по средствам превращения низкомолекулярных жирных кислот в водород.

Электрогидрогенез используется в микробных топливных элементах, где водород вырабатывается из органического вещества.

Биокатализированный электролиз

Помимо стандартного электролиза, существует электролиз с использованием бактерий. При биокатализированном электролизе водород образуется после прохождения различных растений через микробный топливный элемент (Microbial fuel cell). К ним относятся тростниковая сладкая трава, кордграсс, рис, помидоры, люпин и водоросли.

Термохимическое производство

Есть более чем 350 термохимических процесса, которые могут быть использованы для расщепления воды на кислород и водород. Около дюжины таких процессов исследуются и находятся на стадии испытаний с целью получения водорода и кислорода из воды и тепла без использования электричества. Эти процессы потенциально могут быть более эффективными, чем высокотемпературный электролиз.

Термохимическое производство водорода с использованием химической энергии из угля или природного газа обычно не рассматривается, поскольку прямой химический путь более эффективен.

Инфраструктура производства и доставки

Водородная инфраструктура будет состоять в основном из промышленного водородного трубопроводного транспорта и оснащенных водородом заправочных станций, подобных тем, которые находятся на магистрали. Водородные станции, не расположенные вблизи водородного трубопровода, будут снабжаться через водородные резервуары, прицепы для сжатого водорода, прицепы для жидкого водорода, автоцистерны для жидкого водорода или специальное производство на месте.

Хранение

Сжатый водородный газ

Увеличение давления водорода позволяет увеличить его плотность и сократить необходимый объем резервуаров. Такими резервуарами могут стать цистерны из углеродного и стеклопластикового армирующего пластика.

Немногие материалы подходят для водородных резервуаров, поскольку водород имеет свойство диффундировать через многие материалы и вызывает ослабление в некоторых типов металлических контейнеров.

Жидкий водород

Первый терминал с хранилищем для жидкого водорода был сделан в Кобе (Япония).

Хранение в виде гидрида

В отличие от хранения молекулярного водорода, водород может храниться в виде химического гидрида [3] или в каком-нибудь другом водородсодержащем соединении. Газообразный водород реагирует с некоторыми другими материалами для получения материала для хранения водорода, который может быть транспортирован относительно легко. В месте использования материал для хранения водорода может разлагаться, образуя газообразный водород.

Наряду с проблемами массы и объемной плотности, связанными с хранением молекулярного водорода, существующие барьеры для практических схем хранения обусловлены высоким давлением и температурными условиями, необходимыми для образования гидридов и выделения водорода.

Адсорбция

Третий подход заключается в адсорбции молекулярного водорода на поверхности твердого материала для хранения. В отличие от гидридов, упомянутых выше, водород не диссоциирует/рекомбинирует при зарядке/разрядке системы хранения и, следовательно, не страдает от кинетических ограничений многих систем хранения гидридов.

Плотность водорода, аналогичная сжиженному водороду, может быть достигнута с помощью соответствующих адсорбирующих материалов. Некоторые предлагаемые адсорбенты включают активированный уголь, наноструктурированные угли, металл-органические каркасные структуры и гидрат клатрата водорода.

Транспортирование

В исходном газообразном состоянии предполагается перекачивать водород по трубопроводу. В сжатом виде водород сохраняется в баллонах, это известная технология. Основная трудность – в обеспечении высокого давления. Но металлические баллоны с толстыми стенками очень тяжелые и дорогие. В качестве альтернативы ученые рассматривают переход на углеродное волокно.

Транспортировка водорода в сжиженном виде на корабле

В сжиженном состоянии газ хранится и транспортируется более компактно. Специалисты по сжижению водорода из южнокорейской компании MetaVista создали водородный топливный бак с рекордной плотностью энергии. В 2019 году появился прототип бака, в котором водород будет упакован и транспортирован в три раза плотнее по сравнению с сжатым газом. Таким способом планируется транспортировать водород и в СПГ-танкерах. О планах производить водород в Австралии на местных залежах бурого угля путем газификации объявила Япония. Оставшийся уголь планируется захоронить обратно, а водород доставят в Японию в СПГ-танкерах.

Еще одно направление – хранить водород в твердом виде в составе гидридов разных элементов. Способ не предполагает особых температурных условий или особого давления, а основан на абсорбировании молекул водорода твердым веществом. При этом объем поглощенного водорода в несколько сот раз превышает объем твердого вещества.

Технология пока развита слабо, но одним из перспективных соединений называют борогидрид натрия. Например, в австралийском городке Манилла проводятся такие испытания. Соединение впитывает водород, как губка, а затем с такой же легкостью отдает его. Существующую технологию усовершенствовал профессор Кондо-Франсуа Агуэй-Зинсоу в Школе химического инжиниринга Университета Нового Южного Уэльса (UNSW). Исследования проводятся на базе стартапа H2Store. Транспортировать «твердый» водород можно в стандартных контейнерах.

Для хранения больших объемов водорода – от 50 тысяч до миллиона кубометров – начали использовать подземные газохранилища. Реализуются пилотные проекты по заполнению водородом соляных пещер в ЕС и США. Создатели «Водородной долины» в Нидерландах планируют хранить выработанный водород в таких подземных «аккумуляторах». Пригодные для хранения водорода газохранилища есть и в России.

Кроме хранения, важен вопрос транспортировки, который напрямую зависит от агрегатного состояния водорода. В виде газа – по газопроводу в чистом виде или в виде метано-водородной смеси, в твердом – в контейнерах, в сжатом – в баллонах и под давлением, в сжиженном – в СПГ-танкерах.

Водородные автозаправочные станции и обслуживание

Недостаточно произвести водород, сделать его удобным для транспортировки и переправить в район потребления. Для создания полноценной водородной экосистемы необходимо выстроить всю инфраструктуру от производства до топливной заправки.

Водородная заправочная станция

Водородных заправок нужно много, особенно если речь идет о развитии водородного транспорта. И если даже появляются экспериментальные станции, то область поездок все равно ограничена.

Но заправки – еще не все. Необходимо развивать качественное техобслуживание автомобилей с водородными и гибридными двигателями, обучать и сертифицировать кадры не только в крупных центрах, но и по всей стране. Обычные «знакомые из гаража», скорее всего, откажутся работать с технологичной моделью после завершения срока гарантии, и в случае поломки клиент останется без автомобиля.

Возможно выстраивание сети заправочных станций на автомагистралях, подобно бензиновым, дизельным и метановым автозаправочным станциям. Создание подобной инфраструктуры (или трансформация имеющейся) вдоль дороги или шоссе, позволяет свободно передвигаться транспортным средствам, работающим на водороде.

Применение

Основным катализатором для производства водородного топлива является транспортная сеть и объекты энергетики (особенно там, где традиционные по каким-то причинам невыгодны или нежелательны). Активно водородное топливо применяется в следующих сферах.

Автотранспорт

Самая быстроразвивающаяся «водородная» отрасль. По данным Международного энергетического агентства, на конец 2018 года в мире насчитывалось 11 200 водородных автомобилей, и их продажи в тот год возросли на 80 % в сравнении с 2017 годом. Ежегодно спрос растет.

В Германии концерн BMW с 2001 года производит несколько моделей автомобилей на водородном топливе, а сеть заправок – с 2002 года. В Японии, Южной Корее тысячи автомобилей и сотни городских автобусов работают на водородном топливе. Даже в России есть первая экспериментальная водородная заправка при Институте проблем химической физики РАН в Черноголовке Московской области.

Китай продвигается семимильными шагами в своей водородной программе. Уже сейчас в КНР на водород переведено 50 тысяч единиц автотранспорта, включая фуры, в стране более 200 заправок. Но уже в 2026-2035 годы, согласно программе «Белая книга», анонсированной в 2019 году, количество автотранспорта на водороде возрастет до 15 миллионов, а заправок – до 1,5 тысяч. Разумеется, программа была создана до и без учета влияния пандемии и мирового кризиса. Останутся ли цели настолько амбициозными – под вопросом.

Но таких примеров в общемировом масштабе немного. Чисто водородный двигатель – практически безотходный, но сама идея массового использования в настоящий момент утопична. Легче всего пока удается совместить идею гибридного генератора на метане или метаноле или гибрида с бензином. Такой гибрид на электрохимическом генераторе (ЭХГ) используется в некоторых автомобилях Toyota, например, Toyota Mirai, обновленная версия которого выйдет уже в 2020 году.

Железнодорожный транспорт

Железная дорога – один из самых энергоемких видов транспорта, а значит, и один из самых «грязных». Первый поезд на водородных топливных элементах появился в Германии в 2018 году. Годом позже в Великобритании разработали прототип водородного поезда HydroFlex. Новинку показали на выставке Rail Live 2019 и в конце того же года запустили на железные дороги Соединенного Королевства.

Предполагается, что на Сахалине поезда на водородных элементах заменят устаревшие и загрязняющие воздух составы, работающие на мазуте. В истории России это случится впервые. Соглашение о совместной работе РЖД и «Росатом» подписали в 2019 году на V Восточном экономическом форуме. Использование водородного топлива местного производства способно удешевить перевозки.

Генераторы на водороде испытывают и на других видах транспорта: морском и речном, воздушном, городском, производственном. Флагманы разработки водородного транспорта – Германия и Япония.

Энергетика

К водородной энергетике подключились мировые производители энергетического оборудования: Mitsubishi Hitachi Power Systems (MHPS), Siemens Energy, Ansaldo Energia и GE Power. Они разрабатывают газовые водородные турбины для массового производства электроэнергии из водорода.

Строятся маломощные водородные электростанции в Китае и Южной Корее. А еще в 2010 году итальянская Enel запустила такой проект стоимостью в 63 миллиона долларов и мощностью 16 мегаватт. Вырабатываемой водородной энергии достаточно для энергоснабжения 20 тысяч частных домов. Этот пригород Венеции перестал выбрасывать в атмосферу до 17 тысяч тонн загрязняющих веществ в год. В 2017 году Enel Green Power Сhile запустила в Чили первую экологически чистую электросеть, которая представляет собой комплекс гибридных накопителей. Это стабильный источник электричества, который питается от солнечных, водородных и литиевых батарей.

Исследования в области водородной энергетики – пример того, как научные сообщества и бизнес объединяются ради достижения цели. Однако есть риск, что многие «пилоты», даже очень успешные на стадии испытаний, могут не выйти на промышленный уровень из-за дороговизны производства и внедрения.

Источник

Плюсы и минусы водородной энергетики — когда наступит будущее?

Что представляет собой водород?

Водород – это легкий газ, который при сжигании дает тепло, в несколько раз превышающее тепло от газа.

Главным его преимуществом при использовании в отопительной системе является относительно небольшая температура горения (всего 300°С). Это позволяет использовать газ в котле, выполненном из традиционных недорогих видов металла.

Сам по себе газ не имеет цвета и запаха, а при соединении с другими химическими компонентами он не образует опасных токсинов, вредных для здоровья человека. Поэтому его использование в быту крайне безопасно. Единственной опасностью является его повышенный уровень взрывоопасности.

Чем хорош водород и как его добывать

При окислении водорода, приводящем к выработке электроэнергии, образуется экологически чистая и во всех смыслах безопасная вода. Из неё снова можно добывать водород, и так без конца. К тому же КПД водородных элементов превышает аналогичный показатель всех остальных экологически чистых источников — он достигает 60 %, в то время как у солнечных электростанций едва дотягивает до 20 %, а у ветряных — до 40 %. И это при том, что и те и другие сильно зависят от погодных условий.

Несмотря на все эти достоинства водородная энергетика не торопится спускаться из космоса на землю. Причины этого заключаются, как ни странно, в сложности добычи самого распространённого в мире элемента. Точнее — в энергии, необходимой для выделения водорода из веществ, в которые он входит.

А вот простейший электролиз воды, знакомый каждому ученику средней школы, требует немало дополнительной энергии. В конечном итоге остаток получается не таким большим, как хотелось бы. Тем не менее, установки полного цикла на основе обычной воды уже существуют и успешно применяются на практике.

Работающие решения

Пример работающей компактной установки, использующей водород, — мобильная электростанция H2One, разработанная компанией Toshiba. Необходимую для электролиза энергию в ней вырабатывают солнечные батареи, причём избыток электричества накапливается в аккумуляторе на случай неблагоприятных погодных условий.

Вырабатываемый водород направляется либо непосредственно на производство энергии, либо на хранение в специальный бак. В результате станция всегда имеет запас как электроэнергии, так и водорода. Общие показатели станции H2One соответствует её относительно небольшим размерам. За час установка производит до 2 куб. м водорода, для чего потребляет 5 куб. м воды. Мощность установки составляет 55 кВт.

Невысокая мощность с лихвой компенсируется автономностью. Например, на основе станций H2One можно построить эффективную и экологически чистую систему энергоснабжения дома или даже небольшого района. В настоящее время она уже применяется на железнодорожной станции японского города Кавасаки, обеспечивая её электричеством и горячей водой.

Если пожертвовать автономностью, то при помощи водородных станций можно решать серьёзные экологические проблемы — например, утилизировать продукт переработки бытовых отходов. Для этого в 2018 году во всё том же городе Кавасаки была создана установка H2Rex, обеспечивающая электроэнергией гостиницу King SkyFront. Водород она получает не посредством электролиза, а по километровому трубопроводу с мусороперерабатывающего завода Showa Denko. Там он вырабатывается из пластиковых отходов, поступающих, в том числе, из самого отеля.

Кислород, необходимый для генерации электроэнергии, станция H2Rex берёт из атмосферного воздуха. Таким образом, коэффициент использования водорода достигает 96 %, а на выходе образуется обычная вода. Мощности такой установки достаточно для обеспечения электричеством около 100 домовладений.

Наконец, весной 2020 года в городе Фукусима была запущена самая крупная в мире экспериментальная электростанция, работающая на водороде. Для питания электролизных установок на ней используются солнечные батареи общей мощностью 20 МВт, занимающие площадь 180 тыс. кв. м. Всего станция вырабатывает 1,2 тыс. куб. м водорода в час.

Глобальные перспективы

Безусловно, пока доля водородной энергетики относительно невелика. Да и сам водород сегодня не столько топливо, сколько сырьё для производства аммиака и метанола. Однако существующее положение вещей меняется и не исключено, что уже в среднесрочной перспективе водород сможет заменить природный газ.

В частности, в Японии уже началось создание глобальной сети производства водорода для энергетических установок. Причём для его транспортировки в жидком виде стране потребуется около 80 танкеров.

В 2019 году в австралийском городе Гастингсе начато строительство специального водородного терминала. Сжиженный водород оттуда будет отправляться, в том числе и в Японию.

Все эти факты говорят о том, что о высоком потенциале водородной энергетики свидетельствуют не только прогнозы аналитиков, но и инвестиции крупных корпораций. А это означает, что традиционным энергоносителям рано или поздно придётся уступить своё место на пьедестале.

Водород в отопительной системе

Рассмотрим более детально, как преобразовать водород в энергоресурс. Как было сказано выше, этот газ получают путем электролиза воды, поэтому для его синтеза потребуется специальное оборудование, представляющее собой контейнер, в который погружены металлические пластины с водой. По пластинам подается ток определенной частоты, после воздействия которого выделяется водород и кислород, но не в чистом виде, а смешанные с водяным паром (он образуется в качестве побочного продукта электролиза). Чтобы отделить пар и вычленить водород, газовую смесь пропускают через химический сепаратор, способный отделить водород от других примесей.

Единственно, что нужно делать собственноручно – это периодически подливать воду в систему. На этом особенности эксплуатации водородного отопления завершаются.

Что такое водородная энергетика?

Само понятие «водородная энергетика» было сформировано в середине 1970-х годов.

Хотя впервые водород в качестве топлива для ДВС был применён в 1806 году. В СССР во время Великой Отечественной Войны, при блокаде Ленинграда, водород использовался на транспорте как альтернатива дефицитному бензину.

Направление водородной энергетики изучает полный жизненный цикл водородной отрасли, которая включает в себя: получение, хранение, транспортировку, полезное использование водорода, а также все сопутствующие проблемы каждого этапа в отдельности.

Однако, раньше 70-х годов особо никто не задумывался над водородной энергетикой. Тут можно проследить связь появления серьёзных работ по научным изысканиям применения водорода в энергетике и транспорте с мерами, принятыми в США и Европе (в середине 70-х) по экономии энергетических ресурсов и созданию первых стратегических нефтехранилищ. В это же время получили научный резонанс работы по изменению климата в связи с глобальным отеплением.

Фактически, бурное развитие исследований и разработок, проводимых в мире в области водородной энергетики и технологии, пришлось на период с 1974 по 1983годы и являлось прямым следствием энергетического кризиса, охватившего в то время большое число промышленно-развитых стран.

Важной вехой в развитии водородной энергетики и технологии явились результаты экономических исследований, проведённых в конце 1980-х годов в американском НИИ чистой энергии при университете Майями. В них было проведено детальное обоснование подсчёта экономического ущерба от загрязнения атмосферы промышленными и транспортными выбросами, и предложена методика введения соответствующих поправок в экономические расчёты. С учётом данных поправок, экологическая чистота водорода сделала его использование потенциально рентабельным в целом ряде производств.

В целом, период с середины 1970-х до конца 1990-х годов характеризовался углублёнными исследованиями и разработками, заложившими научно-технические основы современных водородных технологий.

Развитие водородной энергетики является одним из способов снижения антропогенных факторов на окружающую среду.

Да, именно так: водородная энергетика – это дорогая альтернатива традиционной энергетике, но более экологически чистая. Однако, этот факт почему-то упускается из виду даже адептами водородной энергетики.

Говорить, что водородная энергетика заменит все другие виды энергии, и что это наше энергетическое будущее – несколько опрометчиво. Правильнее будет сказать: водородная энергетика – это наше экологически чистое будущее.

Водородные топливные элементы

Первый водородный топливный элемент был сконструирован английским ученым Уильямом Гроувом в 30-х годах XIX века. Гроув пытался осадить медь из водного раствора сульфата меди на железную поверхность и заметил, что под действием электрического тока вода распадается на водород и кислород. После этого открытия Гроув и работавший параллельно с ним Кристиан Шенбейн продемонстрировали возможность производства энергии в водородно-кислородном топливном элементе с использованием кислотного электролита.

Позже, в 1959 году, Фрэнсис Т. Бэкон из Кембриджа добавил в водородный топливный элемент ионообменную мембрану для облегчения транспорта гидроксид-ионов. Изобретением Бэкона сразу заинтересовалось правительство США и NASA, обновленный топливный элемент стал использоваться на космических аппаратах «Аполлон» в качестве главного источника энергии во время их полетов.
Водородный топливный элемент из сервисного модуля «Аполлонов», вырабатывающий электричество, тепло и воду для астронавтов.

Сейчас топливный элемент на водороде напоминает традиционный гальванический элемент с одной лишь разницей: вещество для реакции не хранится в элементе, а постоянно поставляется извне. Просачиваясь через пористый анод, водород теряет электроны, которые уходят в электрическую цепь, а сквозь мембрану проходят катионы водорода. Далее на катоде кислород ловит протон и внешний электрон, в результате чего образуется вода.

С одной топливной ячейки снимается напряжение порядка 0,7 В, поэтому ячейки объединяют в массивные топливные элементы с приемлемым выходным напряжением и током. Теоретическое напряжение с водородного элемента может достигать 1,23 В, но часть энергии уходит в тепло.

С точки зрения «зеленой» энергетики у водородных топливных элементов крайне высокий КПД — 60%. Для сравнения: КПД лучших двигателей внутреннего сгорания составляет 35-40%. Для солнечных электростанций коэффициент составляет всего 15-20%, но сильно зависит от погодных условий. КПД лучших крыльчатых ветряных электростанций доходит до 40%, что сравнимо с парогенераторами, но ветряки также требуют подходящих погодных условий и дорогого обслуживания.

Как мы видим, по этому параметру водородная энергетика является наиболее привлекательным источником энергии, но все же существует ряд проблем, мешающих ее массовому применению. Самая главная из них — процесс добычи водорода.

Проблемы добычи

Водородная энергетика экологична, но не автономна. Для работы топливному элементу нужен водород, который не встречается на Земле в чистом виде. Водород нужно получать, но все существующие сейчас способы либо очень затратны, либо малоэффективны.

Более удобный и простой метод — электролиз воды. При прохождении электрического тока через обрабатываемую воду происходит серия электрохимических реакций, в результате которых образуется водород. Существенный недостаток этого способа — большие энергозатраты, необходимые для проведения реакции. То есть получается несколько странная ситуация: для получения водородной энергии нужна… энергия. Во избежание возникновения при электролизе ненужных затрат и сохранения ценных ресурсов некоторые компании стремятся разработать системы полного цикла «электричество — водород— электричество», в которых получение энергии становится возможным без внешней подпитки. Примером такой системы является разработка Toshiba H2One.

Мы разработали мобильную мини-электростанцию H2One, преобразующую воду в водород, а водород в энергию. Для поддержания электролиза в ней используются солнечные батареи, а излишки энергии накапливаются в аккумуляторах и обеспечивают работу системы в отсутствие солнечного света. Полученный водород либо напрямую подается на топливные ячейки, либо отправляется на хранение во встроенный бак. За час электролизер H2One генерирует до 2 м3 водорода, а на выходе обеспечивает мощность до 55 кВт. Для производства 1 м3 водорода станции требуется до 2,5 м3 воды.

Пока станция H2One не способна обеспечить электричеством крупное предприятие или целый город, но для функционирования небольших районов или организаций ее энергии будет вполне достаточно. Благодаря своей мобильности она может использоваться также как и временное решение в условиях стихийных бедствий или экстренного отключения электричества. К тому же, в отличие от дизельного генератора, которому для нормального функционирования необходимо топливо, водородной электростанции достаточно лишь воды.

Водородное будущее

Сейчас водородные топливные элементы обеспечивают энергией и портативные пауэр-банки, и городские автобусы с автомобилями, и железнодорожный транспорт (более подробно об использовании водорода в автоиндустрии мы расскажем в нашем следующем посте). Водородные топливные элементы неожиданно оказались отличным решением для квадрокоптеров — при аналогичной с аккумулятором массе запас водорода обеспечивает до пяти раз большее время полета. При этом мороз никак не влияет на эффективность. Экспериментальные дроны на топливных элементах производства российской компании AT Energy применялись для съемок на Олимпиаде в Сочи.

Стало известно, что на грядущих Олимпийских играх в Токио водород будет использоваться в автомобилях, при производстве электричества и тепла, а также станет главным источником энергии для олимпийской деревни. Для этого по заказу Toshiba Energy Systems & Solutions Corp. в японском городе Намиэ строится одна из крупнейших в мире станций по производству водорода. Станция будет потреблять до 10 МВт энергии, полученной из «зеленых» источников, генерируя электролизом до 900 тонн водорода в год.

Но в ближайшем будущем массовое внедрение технологии вряд ли произойдет, необходимо еще решить ряд проблем, связанных с производством и эксплуатацией специальных энергоустановок, снизить их стоимость. Когда технологические барьеры будут преодолены, водородная энергетика выйдет на новый уровень и, возможно, будет так же распространена, как сегодня традиционная или гидроэнергетика. опубликовано econet.ru

Плюсы и минусы отопления

Среди преимуществ, позволяющих использовать этот вид отопления в быту, служат следующие показатели:

Из недостатков можно выделить всего три показателя:

Технические характеристики водородных установок

Схема электролизной установки получения водорода­­

Процесс начинается с подготовки воды. Для процесса электролиза требуется так называемая деионизованная вода (также называемая обессоленная, деминерализованная). Это совершенно чистая вода, очищенная от механических и химических загрязнений. Обычная водопроводная вода поступает в «Блок водоподготовки» по трубопроводу «Тр-4». Вода последовательно проходит несколько стадий очистки: механический фильтр, ионообменные смолы, обратный осмос. Насосный блок «Н-1» подаёт готовую деионизованную воду в блок сепарации, через который вода попадает в «Блок электролиза».»Блок электропитания» понижает сетевое напряжение и преобразует переменный ток в постоянный, который необходим для электролизера. Кроме того, блок обеспечивает электропитание для остального оборудования водородной установки.
Схема электролизера для получения водорода­­ из воды В «Блоке электролиза» вода под действием постоянного электрического тока распадается в электролизере «Элз-1» на составляющие ее водород и кислород. Деионизованная вода практически не проводит электрический ток. Поэтому для придания воде проводящих свойств в неё добавляют гидроксид калия (KOH). То есть в электролизере циркулирует не чистая вода, а электролит в виде 30%-го раствора KOH в воде. Выделяющиеся газы (водород и кислород) далее идут по отдельным трактам.

Далее рассматривается водородный тракт, кислородный тракт аналогичен водородному.Водород из электролизера поступает в «Блок сепарации» по трубопроводу «Тр-1» в виде смеси с электролитом. Для выделения водорода от жидкости служит газожидкостный сепаратор «С-1». Сепаратор представляет собой сосуд, в который снизу подаётся электролит. Пузырьки газа выделяются из электролита, газ собирается в верхней части сосуда и уходит в трубопровод. Электролит сливается из сосуда и возвращается в блок электролиза по отдельному трубопроводу (на схеме не показан).

Водород на этом этапе содержит примеси щелочи. Для очистки от щелочи служит скруббер (промыватель) «Ск-1». Промыватель – это сосуд, в который снизу подаётся газ, а сверху из разбрызгивателя подаётся деионизованная вода. Капли воды падают вниз, очищая (промывая) встречный поток газа от капель щелочи. В верхней части сосуда установлен коалесцентный фильтр (пакет из мелкой металлической сетки). Мельчайшие капельки щелочи (туман) конденсируются в этом пакете и стекают вниз. Таким образом водород практически полностью очищается от следов щелочи.

Далее вода по отдельному трубопроводу (на схеме не показан) поступает в сепаратор «С-1», а оттуда – в блок электролиза.На данном этапе водород насыщен водяным паром и имеет довольно высокую температуру (порядка 50°С. Для его удаления служит конденсатор «К-1». Конденсатор – это теплообменник, в котором газ охлаждается хладоносителем поступающим от «Рефрижератора». Рефрижератор может быть часть оборудования водородной станции, но возможен вариант, когда хладоноситель подаётся от внешней системы охлаждения. Водяной пар конденсируется в конденсаторе после чего отводится из системы с помощью конденсатоотводчика «Ко-1». Водород, полученный на этом этапе называется «сырой», так он все еще содержит примеси воды (точка росы не ниже +3°С) и кислорода (на уровне 0,1-0,5%). Для дальнейшей очистки водород по трубопроводу «Тр-2» подаётся в «Блок очистки». Заметим, что кислород, в случае, если он не нужен потребителю, на аналогичном этапе по трубопроводу «Тр-5» сбрасывается в атмосферу.

В «Блоке очистки» водород сначала поступает в реактор каталитической очистки «Кт-1». Реактор представляет собой сосуд, заполненный мелкими гранулами катализатора на основе благородных металлов (платина, палладий). В присутствии катализатора примеси кислорода активно реагируют с водородом, обращаясь в воду. Таким образом водород практически полностью очищается от кислорода (содержание кислорода порядка 1-5 ppmv).

В отечественной традиции используется термин «установка по производству водорода». Наравне с этим используется термин «генератор водорода», который является калькой с английского языка. Под генератором водорода обычно понимают установку, в состав которой входят: электролизер, блок сепарации, блок очистки водорода. Термином «водородная станция» обычно обозначают здание или автономный блок-контейнер, в котором размещены генератор водорода и вспомогательные агрегаты, такие как блок водоподготовки, блок электропитания, система охлаждения и прочее.

Описание и принцип работы водородного генератора

Есть несколько методик выделения водорода и из других веществ, перечислим наиболее распространенные:

Из перечисленных вариантов последний наименее затратный, а первый наиболее доступный, именно он положен в основу большинства генераторов водорода, в том числе и бытовых. Их принцип действия заключается в том, что в процессе пропускания тока через раствор, положительный электрод притягивает отрицательные ионы, а электрод с противоположным зарядом – положительные, в результате происходит расщепление вещества.

Конструктивные особенности и устройство генератора водорода

Если с получением водорода проблем сейчас практически нет, то его транспортировка и хранение до сих пор остается актуальной задачей. Молекулы этого вещества настолько малы, что могут проникать даже сквозь металл, что несет определенную угрозу безопасности. Хранение в абсорбированном виде пока не отличается высокой рентабельностью. Поэтому наиболее оптимальный вариант – генерация водорода непосредственно перед его использованием в производственном цикле.

Для этой цели изготавливаются промышленные установки для генерации водорода. Как правило, это электролизеры мембранного типа. Упрощенная конструкция такого устройства и принцип работы приведен ниже.

Упрощенная схема водородного генератора мембранного типа

Обозначения:

Конструкция бытовых генераторов значительно проще, поскольку в большинстве своем они не вырабатывают чистый водород, а производят газ Брауна. Так принято называть смесь кислорода и водорода. Этот вариант наиболее практичен, не требуется разделять водород и кислород, то можно значительно упростить конструкцию, а значит и сделать ее дешевле. Помимо этого полученный газ сжигается по мере его выработки. Хранить и накапливать его в домашних условиях не только проблематично, но и небезопасно.

Обозначения:

Характерная особенность таких устройств – использование блоков электродов, поскольку не требуется сепарирование водорода и кислорода. Это позволяет сделать генераторы довольно компактными.

Метод электролиза

Как уже упоминалось выше, в мире практически нет таких же неиссякаемых энергоисточников, как водород. Не следует забывать, что Мировой океан на 2/3 состоит из этого элемента, а во всей Вселенной H2 на пару с гелием занимает наибольший объем. Но чтобы получить чистый водород, нужно расщепить воду на частицы, а сделать это не очень просто.

Ученые после многолетних ухищрений изобрели метод электролиза. Этот метод основывается на помещении в воду на близком расстоянии друг от друга двух пластин из металла, которые подсоединены к источнику большого напряжения. Далее подается питание – и большой электропотенциал фактически разрывает молекулу воды на компоненты, в результате чего высвобождается 2 атома водорода (HH) и 1 — кислорода (O).

Топливная ячейка Стенли Мейера

Ученый из США Стенли Мейер изобрел такую установку, которая использовала не сильный электропотенциал, а токи определенной частоты. Молекула воды раскачивается в такт изменяющимся электрическим импульсам и входит в резонанс. Постепенно он набирает мощность, которой хватает для разделения молекулы на составляющие. Для такого воздействия нужны в десятки раз меньшие токи, чем для функционирования стандартного электролизного агрегата.

Преимущества газа Брауна как источника энергии

Сферы применения водородного генератора

Ввиду проблем, связанных с транспортировкой и хранением водорода, такие устройства востребованы в производствах, где наличие этого газа требует технологический цикл. Перечислим основные направления:

Несмотря на то, что производство водорода в процессе переработки нефти дешевле, чем его получение путем электролиза, как уже указывалось выше, возникают сложности с транспортировкой газа. Строить опасные химические производства, непосредственно, рядом с перерабатывающими нефть заводами не всегда позволяет экологическая обстановка. Помимо этого водород, полученный путем электролиза, значительно чище, чем при крекинге нефти. В связи с этим на промышленные водородные генераторы всегда высокий спрос.

Бытовое применение

В быту также есть применение водороду. В первую очередь это автономные отопительные системы. Но здесь некоторые особенности. Установки по производству чистого водорода стоят значительно дороже, чем генераторы газа Брауна, последние даже можно собрать самостоятельно. Но при организации отопления дома необходимо учитывать, что температура горения газа Брауна значительно выше, чем у метана, поэтому потребуется специальный котел, который несколько дороже обычного.

В интернете можно встретить немало статей, в которых написано, что для гремучего газа можно использовать обычные котлы, это делать категорически нельзя. В лучшем случае они быстро выйдут из строя, а в худшем могут стать причиной печальных или даже трагических последствий. Для смеси Брауна предусмотрены специальные конструкции с более термостойким соплом.

Необходимо заметить, что рентабельность отопительных систем на основе водородных генераторов вызывает большое сомнение ввиду низкого КПД. В таких системах имеются двойные потери, во-первых, в процессе генерации газа, во-вторых, при нагреве воды в котле. Дешевле для отопления сразу нагревать воду в электрическом бойлере.

Не менее спорная реализация для бытового использования, при которой газом Брауна обогащают бензин в топливной системе двигателя автомобиля с целью экономии.

Обозначения:

Нужно заметить, что в некоторых случаях такая система даже работает (если ее собрать правильно). Но точные параметры, коэффициент прироста мощности, процент экономии вы не найдете. Эти данные сильно размыты, и достоверность их вызывает сомнения. Опять же не ясен вопрос, насколько уменьшится ресурс двигателя.

Но спрос порождает предложения, в интернетах можно найти подробные чертежи таких приспособлений и инструкцию по их подключению. Есть и готовые модели, сделанные в стране Восходящего Солнца.

Отдельные моменты использования

Прежде всего, хотелось бы отметить, что традиционный метод сжигания природного газа или пропана в нашем случае не подойдёт, поскольку температура горения HHO превышает аналогичные показатели углеводородов в три с лишним раза. Как вы сами понимаете, такую температуру конструкционная сталь долго не выдержит. Сам Стенли Мейер рекомендовал использовать горелку необычной конструкции, схему которой мы приводим ниже.

Вся хитрость этого устройства заключается в том, что HHO (на схеме обозначено цифрой 72) проходит в камеру сжигания через вентиль 35. Горящая водородная смесь поднимается по каналу 63 и одновременно осуществляет процесс эжекции, увлекая за собой наружный воздух через регулируемые отверстия 13 и 70. Под колпаком 40 задерживается некоторое количество продуктов горения (водяного пара), которое по каналу 45 попадает в колонку горения и смешивается с горящим газом. Это позволяет снизить температуру горения в несколько раз.

Второй момент, на который хотелось бы обратить ваше внимание — жидкость, которую следует заливать в установку. Лучше всего использовать подготовленную воду, в которой не содержатся соли тяжёлых металлов. Идеальным вариантом является дистиллят, который можно приобрести в любом автомагазине или аптеке. Для успешной работы электролизёра в воду добавляют гидроксид калия KOH, из расчёта примерно одна столовая ложка порошка на ведро воды.

В процессе работы установки важно не перегревать генератор. При повышении температуры до 65 градусов Цельсия и более электроды аппарата будут загрязняться побочными продуктами реакции, из-за чего производительность электролизёра уменьшится. Если же это всё-таки произошло, то водородную ячейку придётся разобрать и удалить налёт при помощи наждачной бумаги.

И третье, на чём мы делаем особое ударение — безопасность. Помните о том, что смесь водорода и кислорода не случайно назвали гремучей. HHO представляет собой опасное химическое соединение, которое при небрежном обращении может привести к взрыву. Соблюдайте правила безопасности и будьте особенно аккуратны, экспериментируя с водородом. Только в этом случае «кирпичик», из которого состоит наша Вселенная, принесёт тепло и комфорт вашему дому.

Надеемся, статья стала для вас источником вдохновения, и вы, засучив рукава, приступите к изготовлению водородной топливной ячейки. Разумеется, все наши выкладки не являются истиной в последней инстанции, однако, их вполне можно использовать для создания действующей модели водородного генератора. Если же вы хотите полностью перейти на этот вид отопления, то вопрос придётся изучить более детально. Возможно, именно ваша установка станет краеугольным камнем, благодаря которому закончится передел энергетических рынков, а дешёвое и экологичное тепло войдёт в каждый дом.

Как сделать генератор водорода в домашних условиях

Удорожание энергоносителей стимулирует поиск более эффективных и дешевых видов топлива, в том числе на бытовом уровне. Более всего умельцев–энтузиастов привлекает водород, чья теплотворная способность втрое превышает показатели метана (38.8 кВт против 13.8 с 1 кг вещества). Способ добычи в домашних условиях, казалось бы, известен – расщепление воды путем электролиза. В действительности проблема гораздо сложнее. Наша статья преследует 2 цели:

Краткая теоретическая часть

Водород, он же hydrogen, – первый элемент таблицы Менделеева – представляет собой легчайшее газообразное вещество, обладающее высокой химической активностью. При окислении (то бишь, горении) выделяет огромное количество теплоты, образуя обычную воду. Охарактеризуем свойства элемента, оформив их в виде тезисов

Для справки. Ученые, впервые разделившие молекулу воды на hydrogen и oxygen, назвали смесь гремучим газом из-за склонности к взрыву. Впоследствии она получила название газа Брауна (по фамилии изобретателя) и стала обозначаться гипотетической формулой ННО.

Из вышесказанного напрашивается следующий вывод: 2 атома водорода легко соединяются с 1 атомом кислорода, а вот расстаются весьма неохотно. Химическая реакция окисления протекает с прямым выделением тепловой энергии в соответствии с формулой:

2H2 + O2 → 2H2O + Q (энергия)

Здесь кроется важный момент, который пригодится нам в дальнейшем разборе полетов: hydrogen вступает в реакцию самопроизвольно от возгорания, а теплота выделяется напрямую. Чтобы разделить молекулу воды, энергию придется затратить:

Это формула электролитической реакции, характеризующая процесс расщепления воды путем подведения электричества. Как это реализовать на практике и сделать генератор водорода своими руками, рассмотрим далее.

Инструменты, которые потребуются в процессе работы

Прежде чем приступить к постройке топливной ячейки, подготовьте такие инструменты:

Кроме того, если вы будете самостоятельно заниматься постройкой ШИМ-генератора, то для его наладки потребуется осциллограф и частотомер. В рамках данной статьи мы этот вопрос поднимать не будем, поскольку изготовление и настройка импульсного блока питания лучше всего рассматривается специалистами на профильных форумах.

Проектирование водородного генератора: схемы и чертежи

Устройство состоит из реактора с установленными электродами, ШИМ-генератора для питания, водяного затвора, проводов и шлангов, соединяющих конструкцию. На сегодняшний день известны несколько схем электролизеров, где в качестве электродов применяются пластины или трубки.

Также популярностью пользуются аппараты сухого электролиза. В отличие от классического варианта, в этом агрегате не пластины помещаются в ёмкость с жидкостью, а сама вода направляется в щель между плоскими электродами.

Создание опытного образца

Чтобы вы поняли, с чем имеете дело, для начала предлагаем собрать простейший генератор по производству водорода с минимальными затратами. Конструкция самодельной установки изображена на схеме.

Из чего состоит примитивный электролизер:

Важный момент. Электролитическая водородная установка работает только от постоянного тока. Поэтому в качестве источника питания применяйте сетевой адаптер, автомобильное зарядное устройство или аккумулятор. Электрогенератор переменного тока не подойдет.

Принцип работы электролизера следующий:

Чтобы своими руками сделать показанную на схеме конструкцию генератора, потребуется 2 стеклянных бутылки с широкими горлышками и крышками, медицинская капельница и 2 десятка саморезов. Полный набор материалов продемонстрирован на фото.

Для запуска генератора водорода налейте в реактор подсоленную воду и включите источник питания. Начало реакции ознаменуется появлением пузырьков газа в обеих емкостях. Отрегулируйте напряжение до оптимального значения и подожгите газ Брауна, выходящий из иглы капельницы.

Второй важный момент. Слишком высокое напряжение подавать нельзя — электролит, нагревшийся до 65 °С и более, начнет интенсивно испаряться. Из-за большого количества водяного пара разжечь горелку не удастся. Подробности сборки и запуска импровизированного водородного генератора смотрите на видео:

О водородной ячейке Мейера

Если вы сделали и испытали вышеописанную конструкцию, то по горению пламени на конце иглы наверняка заметили, что производительность установки чрезвычайно низкая. Чтобы получить больше гремучего газа, нужно изготовить более серьезное устройство, называемое ячейкой Стэнли Мейера в честь изобретателя.

Принцип действия ячейки тоже основан на электролизе, только анод и катод выполнены в виде трубок, вставляющихся одна в другую. Напряжение подается от генератора импульсов через две резонансные катушки, что позволяет снизить потребляемый ток и увеличить производительность водородного генератора. Электронная схема устройства представлена на рисунке:

Для изготовления ячейки Мейера потребуется:

Нержавеющие трубки крепятся к основанию из диэлектрика, к ним припаиваются провода, подключаемые к генератору. Ячейка состоит из 9 или 11 трубок, помещенных в пластиковый либо плексигласовый корпус, как показано на фото.

Соединение элементов производится по всем известной в интернете схеме, куда входит электронный блок, ячейка Мейера и гидрозатвор (техническое название – бабблер). В целях безопасности система снабжена датчиками критического давления и уровня воды. По отзывам домашних умельцев, подобная водородная установка потребляет ток порядка 1 ампера при напряжении 12 В и обладает достаточной производительностью, хотя точные цифры отсутствуют.

Реактор из пластин

Высокопроизводительный генератор водорода, способный обеспечить работу газовой горелки, выполняется из нержавеющих пластин размером 15 х 10 см, количество – от 30 до 70 шт. В них просверливаются отверстия под стягивающие шпильки, а в углу выпиливается клемма для присоединения провода.

Кроме листовой нержавейки марки 316 понадобится купить:

Пластины нужно собрать в единый блок, изолировав друг от друга резиновыми прокладками с вырезанной серединой, как показано на чертеже. Получившийся реактор плотно стянуть шпильками и подключить к патрубкам с электролитом. Последний поступает из отдельной емкости, снабженной крышкой и запорной арматурой.

Примечание. Мы рассказываем, как сделать электролизер проточного (сухого) типа. Реактор с погружными пластинами изготовить проще – резиновые прокладки ставить не нужно, а собранный блок опускается в герметичную емкость с электролитом.

Последующая сборка генератора, производящего водород, выполняется по той же схеме, но с отличиями:

Для питания реактора проще всего задействовать сварочный инвертор, электронные схемы собирать не нужно. Как устроен самодельный генератор газа Брауна, расскажет домашний мастер в своем видео:

Водород в домашних условиях: есть ли выгода

Сразу отметим: использовать водородный генератор для отопления дома невыгодно. Вы потратите больше электричества на выделение чистого H2, чем получите энергии после его сжигания. Так, на 1 кВт теплоты затрачивается 2 кВт электроэнергии, то есть, выгоды никакой. Проще установить дома любой из электрических котлов.

Чтобы заменить 1 литр бензина для автомобиля, потребуется 4766 литров чистого водорода или 7150 л гремучего газа, 1/3 которого — это кислород. Пока что даже лучшие умы мира не разработали агрегат, способный выдать подобную производительность.

Обслуживание генераторов водорода

Оборудование подлежит тщательному уходу. Специалисты советуют придерживаться следующих советов:

Самодельный генератор позволяет получить водород, но применяется он в основном для экспериментов и газосварки. Чтобы обогреть немалое строение, КПД аппарата попросту не хватит. И при этом не стоит забывать о низком КПД устройства, а также хлопотах и затратах при его сборке.

Источник