Водородная энергетика

Элементы водородной экономики.

Водородная энергетика - это направление выработки и потребления энергии человеком, который базируется на использовании водорода в качестве средства для аккумулирования, транспортировки и потребления энергии населением, транспортом и различными производственными направлениями. Водород выбран как наиболее распространенный элемент на поверхности Земли и в космосе, он имеет наибольшую энергоемкость, а продуктом его сгорания является только вода, вновь вводится в оборот. Термин "водородная энергетика" был предложен Джоном Бокрисом во время лекции, которую он прочитал в 1970 году в Техническом центре General Motors (GM) [1]. Водород может быть использован как топливо для любых транспортных средств (в том числе легковых автомобилей и катеров), а также для удовлетворения энергетических потребностей зданий (приборы для непрерывного питания) и качестве питания для бытовой техники. Водорода в чистом виде в природе почти нет, поэтому его нужно производить в процессе электролиза воды или иным способом. Сокращение выбросов диоксида углерода, связано с использованием водородного топлива, достигается благодаря топливным элементам высокой эффективности. При условии обеспечения производства водорода энергией, полученной из невуглецевих источников, выбросов диоксида углерода нет совсем. Водород можно производить из возобновляемых ресурсов, а также можно использовать для хранения энергии из непостоянных источников.


1. Основы водородной энергетики

Водород - это энергоноситель (как, например, электричество), а не основной источник энергии (как, например, угля). Использование водорода в качестве топлива положительно повлияет на энергетическую безопасность, экологию и экономический рост. Водород поможет улучшить энергетическую безопасность (т.е. независимость от стран-поставщиков), так как его можно получать из многих первичных источников энергии, в том числе и возобновляемых. Таким образом, водород может стать полноценной альтернативой нефти. Водород можно получать используя самые разнообразные природные ресурсы: газ, угля, органические отходы, биотопливо, отходы сельского хозяйства. Основная часть водорода, производится промышленностью, добывается из природного газа, но предполагается увеличение роли других источников. Для получения водорода можно использовать различные источники энергии: ископаемые ископаемые, ядерную энергию и возобновляемые технологии, такие как солнечная, ветровая, гидро-, био- и геотермальная энергии. Благодаря такому многообразию ресурсов и технологий, водород можно будет производить во всех регионах страны и во всем мире. Сегодня из более 50 млн тонн водорода, вырабатываемого половина получается путем конверсии водяного пара с природным газом (48%). Также водород добывают из нефти (30%), угля (18%) и воды (4%). [2] В современной углеводородной энергетике транспортировки питается прежде нефтью. Результате сжигания углеводородного топлива выделяется диоксид углерода и другие загрязнители атмосферы. Фото экономически выгодных углеводородных ресурсов в мире ограничен, а спрос на углеводородное топливо растет, особенно в Китае, Индии и других развивающихся.

Сторонники будущего внедрения водородной энергетики в мировых масштабах утверждают, что водород может быть экологически чистым источником энергии для конечных потребителей, особенно в транспортной отрасли, в месте конечного использования выбросов загрязняющих веществ и твердых частиц или диоксида углерода не будет. В анализе, проведенном в 2004 году, утверждается, что "вся цепь водородного поставки высвобождает значительно меньше углекислого газа в атмосферу, чем бензин в гибридных автомобилях ", и значительное сокращение объема выбросов двуокиси углерода был бы возможен, если бы в местах производства энергии и водорода были использованы методы поглощения или изоляции углерода. [3]

Водород имеет высокую плотность энергии по весу. Цикл Отто в двигателе внутреннего сгорания, работающего на водороде, имеет максимальный КПД около 38%, что на 8% выше, чем в двигателе внутреннего сгорания на бензине [4]. Сочетание топливного элемента и электрического двигателя в 2-3 раза эффективнее, чем двигатель внутреннего сгорания. [5] Тем не менее, высокая цена топливного элемента - одно из главных препятствий его развития. [6] Сейчас ученые ищут средства уменьшения использования платины, или ее замены на более дешевые аналоги. Лучшие модели двигателей на топливных элементах содержат 30 г платины. [7] Этот фактор необходимо преодолеть до коммерциализации проекта. Другие технические препятствия, связанные с топливными элементами, - это обязательность чистоты водорода - в некоторых современных технологиях топливный элемент требует чистоты водорода не менее 99,999%. С другой стороны, использование водородных двигателей является экономически выгодным, чем применение топливных элементов. [8]


2. Современный рынок водорода

Производство водорода - большая отрасль быстро растет. В 2004 году во всем мире было произведено около 50 миллионов тонн водорода,, [9] что соответствует около 170 миллионам тонн нефтяного эквивалента. Темп роста отрасли составляет около 10% в год. В 2004 году в США объем производства составил около 11 миллионов метрических тонн (MMT) среднего потока мощности в 48 гигаватт. (Для сравнения, средний объем производства электричества в 2003 году составил около 442 гигаватт.) В 2005 году стоимость всего производимого в мире водорода составляла около $ 135 миллиардов в год. . [10]

Сегодня водород применяют в двух основных направлениях. Примерно половина используется для производства аммиака (NH3) через процесс Габера, который затем прямо или косвенно используется как удобрение. Поскольку и населения мира, и сельское хозяйство, которое обеспечивает его продовольствием, растут, спрос на аммиак также растет. Вторая половина производимого водорода используется для преобразования тяжелой нефтяного сырья в легкие фракции, пригодные для использования в качестве топлива. Далее происходит гидрокрекинг. Отрасль гидрокрекинга развивается еще быстрее, поскольку рост цен на нефть поощряет нефтяные компании использовать беднее исходные материалы, например, битуминозные пески и нефтеносные сланцы. Переработка нефти и производство удобрений в больших объемах выгоднее и позволяет производство в месте эксплуатации, а также промежуточное использования. Изготавливается и доставляется конечным пользователям также и меньшее количество "коммерческого" водорода.

Если бы энергия для производства водорода из неископаемого источников была доступна (энергия ветра, солнца и термоядерная энергия), использование этого вещества для производства углеводородного синтетического топлива могло бы увеличить использование водорода в 5, а то и 10 раз. На сегодняшний день использование водорода в США для гидрокрекинга составляет примерно 4 миллиона тонн в год (4 MMT / год). Считается, что 37,7 MMT / год водорода хватит, чтобы превратить достаточного угля США в жидкое топливо, положит конец зависимости США от импорта иностранной нефти,, [11], и менее половины этого количества хватит, чтобы прекратить импорт нефти с Ближнего Востока. Сжижения угля приведет к значительно большим выбросов двуокиси углерода, чем сжигание нефти, но оно устранит политическую и экономическую зависимость, связанными с импортом нефти.

Сегодня 48% мирового производства водорода базируется на использовании природного газа, 30% - нефти и 18% - угля, на электролиз воды приходится всего 4%. [12] Распределение производства отражает влияние термодинамических ограничений на экономический выбор: из четырех методов получения водорода, частичное сжигания природного газа в электростанции на NGCC (комбинированный цикл природного газа) является эффективным и дает больше тепловой энергии, можно использовать.

Большой рынок и резкий рост цен на ископаемое топливо и подогрели интерес к альтернативным, более дешевых средств производства водорода. [13] Сейчас большинство водорода производится в месте использования и его стоимость составляет около $ 0.32/lb, а стоимость жидкого водорода, производимых не в месте использования, составляет примерно $ 1.00 - 1.40/lb. [14]


3. Производство, хранение, инфраструктура

Сегодня водород получают главным образом (90%) из ископаемых источников [15]. Связь централизованного производства из депо малотоннажных автомобилей на топливных элементах потребует размещения и строительства распределительной инфраструктуры с большим вложением капитала. Одна из задач водородной энергетики - обеспечение компактного и безопасного хранения водорода на борту транспортного средства, с целью продлить интервал между заправками.

3.1. Методы производства

На Земле в обычных природных условиях молекулярный водород почти не встречается. Большинство водорода на Земле связана с кислородом в воде. Производство элементарного водорода требует переработки носителя водорода, например, ископаемого топлива и воды. Расходуются ископаемые ресурсы и выделяется углекислый газ, но чаще дальнейшее вклад энергии, кроме ископаемого топлива, уже не нужен. Разложение воды требует затрат электроэнергии или тепла, полученного из любого первичного источника энергии (сжигание ископаемого топлива, атомной энергии или видвлюваних источников энергии).


3.2. Современные методы производства

Завод Праксеир (Praxair) по производству водорода

В промышленности водород производится через превращение пары, с использованием ископаемых видов топлива, например, природного газа, нефти или угля. [16] Энергоемкость произведенного водорода меньше, чем энергия, содержащаяся в исходном топливе, но благодаря высокому КПД топливных элементов она может быть использована полнее, чем при непосредственном использованию исходного топлива. В результате преобразования исходного топлива, в атмосферу может викидаетися углекислый газ, так же, как в результате работы двигателя автомобиля. Но зявдякы высоком КПД топливных элементов его количество может быть меньше, чем при использовании топлива непосредственно.

Небольшая часть водорода (4% в 2006 году) получается путем электролиза воды. Для получения килограмма водорода таким путем необходимо потратить примерно 50 киловатт-часов электроэнергии.


3.2.1. Процесс Кварнера

Кварнер-процесс или Кварнер сажи и водорода (CB & H) [15] - это метод, разработанный в 1980-х годах одноименной норвежской компанией для производства водорода из углеводородов, например, из метана, природного газа и биогаза. Распределение энергии в веществе в процессе примерно такой: около 48% энергии содержится в атоме водорода, 40% - в карбоне и 10% - в перегретом паре [17].

3.2.2. Биологическое производство

Ферментативное производство водорода - это ферментативное превращение органического субстрата в биоводород, осуществляемой группой бактерий с помощью мультиферментативних систем в три шага, аналогично анаэробного преобразования. Темновая ферментация не требует световой энергии, поэтому возможно непрерывное производство водорода из органических соединений - днем ​​и ночью. Фотоферментация отличается от темновой ферментации тем, что она протекает лишь при наличии света. Например, фотоферментация с Rhodobacter sphaeroides SH2C может быть использована для преобразования низших жирных кислот в водород [18]. Електрогидрогенезис используется в микробных топливных элементах, где водород производится из органических веществ (например, из сточных вод или твердых веществ [19]) при напряжении 0,2 - 0,8 V.

Биоводород может производиться в биореакторе, содержащий водоросли. В конце 1990-х годов было обнаружено, что если из водорослей изъять серы, они будут производить водород вместо кислорода, как при обычной фотосинтеза.

Биоводород может производиться в биореакторах, которые используют другое сырье, зачастую этим сырьем являются отходы. Этот процесс осуществляется бактериями, поглощают углеводороды и выделяют водород и углекислый газ. Есть несколько способов дальнейшего изолирования CO2, в результате чего остается только водород. Прототип водородного биореакторе на отходах введено в эксплуатацию на заводе виноградных соков Уэлч в штате Пенсильвания.


3.2.3. Электролиз с биокатализаторами

Помимо обычного электролиза, возможен также электролиз с использованием микробов. При электролизе с биокатализаторами водород образуется в результате прохождения через микробный топливный элемент, также могут использоваться различные водные растения. К ним относятся семьи Glyceria, Spartina, рис, помидоры, люпин, водоросли. [20]

3.2.4. Электролиз воды

Водород может производиться электролизом высокого давления или электролизом воды низкого давления. В современных рыночных условиях 50 кВт / ч электроэнергии, затраченной на производство одного килограмма сжатого водорода, стоят примерно столько же, сколько водород, произведенный за 8 центов / kWh. Ценовой эквивалент объясняется тем, что большинство водорода производится из ископаемых видов топлива, которые эффективнее использовать для производства химического продукта непосредственно, чем для производства электроэнергии и дальнейшего электролиза. Так или иначе, главной задачей водородной энергетики является получение водорода из других источников, поэтому в будущем планируется не использовать ископаемое топливо как сырье. [21]


3.2.5. Электролиз при высоком давлении

Электролиз высокого давления - это электролиз воды, при котором вода (H2O) разлагается на кислород (O2) и водород (H2), вследствие пропускание электрического тока через воду. Разница между таким электролизером и обычным, заключается в том, что водород выводится под давлением около 120-200 бар. [22] При сжатии водорода в електролизатори потребность во внешнем компрессоре водорода исчезает, среднее потребление энергии внутренним компрессором составляет около 3%.

3.2.6. Электролиз при высоких температурах

Водород может быть получен в процессе высокотемпературного электролиза (HTE), что обеспечивается энергией в виде тепла и электроэнергии. Поскольку часть энергии в HTE - тепловая, меньшее количество энергии требует двойного преобразования (из тепла в электричество, а затем в химическую форму), поэтому на производство килограмма водорода расходуется гораздо меньше энергии.

В то время как атомная электроэнергия может быть использована для электролиза, тепловая ядерная энергия может применяться непосредственно для расщепления воды на кислород и водород. Разогретый до высоких температур (950-1000 ? С) газ в ядерном реакторе может разлагать воду на кислород и водород термохимическим путем через использование ядерной тепловой энергии. Исследование возможностей высокотемпературных ядерных реакторов могут в конечном итоге привести к организации производства водорода, которое будет конкурентоспособным с производством, основан на преобразовании природного газа. General Atomics предусматривает, что водород, произведенный в высокотемпературном газовом реакторе (ВТГР) будет стоить $ 1.53/кг. В 2003 году водород, полученный переработкой природного газа, стоил $ 1.40/кг. В пересчете на стоимость природного газа в 2005 году, водород стоит $ 2.70/кг.

Высокотемпературный электролиз проводился в лаборатории, с расходами 108 МДж тепловой энергии на килограмм водорода [23], но не в промышленных масштабах. Кроме того, в результате этих процессов получается низкокачественный "промышленный" водород, который является непригодным для использования в топливных элементах. [24]


3.2.7. Фотоэлектрохимические расщепления воды

Чистым способом получения водорода является то, что базируется на использовании электроэнергии, произведенной фотоэлектрическими системами. Вода разлагается на водород и кислород путем электролиза - фотоэлектрохимические (PEC) процесса, который также называют искусственным фотосинтезом. В фотоэлектрической промышленности ведутся научные исследования, направленные на развитие высокоэффективной технологии мультиперехидних элементов.

3.2.8. Концентрация тепловой солнечной энергии

Для разложения воды на кислород и водород необходимы очень высокие температуры. Чтобы процесс протекал при более низких температурах, необходим катализатор. Нагрев воды может происходить за счет концентрации солнечной энергии. Hydrosol-2 - это 100 киловаттный экспериментальный завод на Plataforma Solar de Almer?a в Испании, который нагревает воду до необходимых 800-1200 ? С с помощью солнечного света. Hydrosol II введен в эксплуатацию с 2008 года. Разработка этого 100 киловаттного экспериментального завода базируется на модульной концепции. Так что вполне возможно, что диапазон действия этой технологии будет расширен до мегаватт путем увеличения количества реакторных блоков и соединения завода по гелиостатнимы полями (поля зеркал, автоматически ориентируются на солнце) соответствующего размера. [25]


3.2.9. Фотоелектрокаталитичне производство

Метод, изучен Томасом Нанном и его командой в Университете Восточной Англии, состоит из золотого электрода, покрытого слоями наночастиц фосфида индия (InP). Они ввели железо-серный комплекс в слои покрытия, в результате чего после погружения в воду и облучения светом под небольшим электрическим током, производился водород с КПД 60% [26].

3.2.10. Термохимическое производство

Есть более чем 352 [27] термохимических цикла, которые могут использоваться для разложения воды. [28] Около десятка из них (например, цикл оксида железа, цикл церий (IV) - церий (III) оксид, цикл цинк - цинк-оксид, серы-йодный цикл, медно-хлорный и гибридный сульфурний цикл) сейчас исследуются и находятся на фазе испытания с целью получения водорода и кислорода из воды с помощью тепловой энергии и без использования электричества. [29] Эти процессы могут быть более эффективными, чем электролиз высоких температур, диапазоне эффективности от 35% - 49% LHV. Термохимическое производство водорода с использованием химической энергии угля или природного газа, как правило, не рассматривается, поскольку напрямую химический способ является более эффективным.

Ни один из термохимических процессов производства водорода был использован на промышленном уровне, хотя некоторые из них были продемонстрированы в лаборатории.


4. Хранение

Наиболее распространенным методом хранения водорода на борту современных демонстрационных автомобилей является хранение в виде сжатого газа при давлении примерно 350 и 700 бар (35 и 70 МПа). Иснуючи модели баков произведенных с углепластикового волокна легкие и надежные. Сохраненного в них водорода достаточно для 400-500 км пробега автомобиля.

Хотя молекулярный водород имеет очень большую плотность энергии по массе (частично из-за своей малой молекулярную массу), как газ при обычных условиях он имеет очень низкую плотностью энергии по объему. При использовании в качестве топлива, хранящегося на борту транспортного средства, чистый водород должен быть сжиженным или находиться под давлением, чтобы обеспечить достаточную дальность движения. С ростом давления повышается и плотность энергии по объему, что делает возможным изготовление меньших, но не легких баков (см. емкости высокого давления). Поддержка высокого давления требует больших затрат энергии. Кроме этого, для удобного хранения может использоваться жидкий или вязкий водород, его объемная плотность энергии также достаточно высока. Однако, жидкий водород - криогенный, и кипит при температуре 20,268 K (-252,882 ? С или -423,188 ? F). При криогенном хранении водород имеет меньший вес, но сжижения требует больших затрат энергии. Процесс сжижения является энергоемким, так как содержит стадии охлаждения и подданных давления. Плотность энергии сжиженного водорода по объему примерно в четыре раза ниже, чем плотность бензина, из-за малой плотности жидкого водорода - на самом деле водорода больше в литре бензина (116 граммов), чем в литре чистого жидкого водорода (71 грамм). Баки, предназначенные для хранения жидкого водорода, должны быть надежно изолированы, чтобы свести к минимуму возможность вскипания. Вокруг бака может образовываться лед и способствовать разъедание в случае, если изоляция бака с жидким водородом выйдет из строя.

В отличие от хранения молекулярного водорода, водород можно хранить в виде химического гидрида или в виде других водневовмисних соединений. С целью получения материала для хранения водорода, который можно будет относительно легко транспортировать, водород в виде газа реагирует с некоторыми другими веществами. Материал для хранения водорода можно заставить распадаться при использовании под действием водорода. Помимо проблем, связанных с плотностями при хранении молекулярного водорода, существуют другие препятствия введения схем хранения водорода в эксплуатацию. Эти проблемы - результат необходимости высокого давления и температуры для формирования гидридов и выпуска водорода. Для многих потенциальных систем хранения кинетика гидрирования и дегидрирования и теплоизоляция - также проблемы, которые необходимо решить.

Третий возможный подход - поглощение молекулярного водорода твердым материалом хранения. В отличие от упомянутых выше гидридов, водород не диссоциирует / рекомбинирует при наполнении / опустошении системы хранения, а значит, не страдает от кинетических ограничений, которые есть у многих гидридных системах хранения. Плотности водорода, близка к плотности сжиженного водорода, может быть достигнута при соответствующем уровне поглощения. Среди предложенных поглотителей были MOFs, наноструктурные угля (в том числе CNTs) и клатратного гидраты.

Подземное хранение водорода - это практика хранения водорода в подземных хранилищах с соляным куполом и в истощенных нефтяных и газовых месторождениях. Большое количество газообразного водорода хранятся в подземных хранилищах в ICI течение многих лет без каких-либо трудностей. [30] Большое количество хранилищ для хранения водорода под землей может стать разветвленной системой хранения энергии, что имеет большое значение для водородной энергетики.


5. Инфраструктура

Инфраструктура водородной энергетики состоит из промышленной трубопроводной системы, предназначенной для транспортировки водорода, и водородных заправочных станций, как, например, находящиеся на так называемом "водородном шоссе" (шоссе, вдоль которых размещается ряд водородных заправок). В водородных заправках, которые не расположены рядом с водородной трубопроводной системой, поставки водорода осуществляется через доставку цистерн со сжатым или сжиженным водородом грузовиками, или ведется производство водорода на месте.

Три типа водородных диспенсеров (заправочных колонок). Слева направо: на 700 бар, на 350 бар и для жидкого водорода.

Через скрихчення стали водородом, трубы, предназначенные для природного газа, должны быть покрыты внутри или заменены на новые (сегодня в США протяженность водородной трубопроводной системы для водорода составляет более 700 миль). Хотя установление дорогое, такие трубопроводы являются самым дешевым способом транспортировки водорода из пункта А в пункт Б. Поставка водорода трубопроводами - обычная составляющая производства в комплексах крекинга нефти, в которых водород необходим для промежуточного использования при гидрокрекинга для совершенствования производства топлива из сырой нефти.

Теоретически, транспортировки водорода трубопроводами можно избежать при разветвленной системе производства водорода, в которой водород производиться на месте с помощью генераторов средних и малых размеров, которые будут производить достаточно водорода для личного пользования, или, возможно, для поставок соседним пользователям. В конце концов, удачным может оказаться сочетание нескольких вариантов транспортировки и распространения водорода.

Миллионы тонн водорода ежегодно распространяются по всему миру разными способами, но поставки водорода отдельным потребителям требовать эволюции топливной инфраструктуры. Например, по данным GM, 70% населения США живет вблизи объекта, генерирующего водород, но открытый доступ потенциальных потребителей к этому водорода ограничен. Это же исследование, однако, показывает, что систематическая построение инфраструктуры гораздо здийсненниша и доступная, чем большинство людей думает. Например, в одной статье было указано, что водородные станции могли бы быть построены через каждые 10 миль на прилегающей к Лос-Анджелеса территории, а также на шоссе между Лос-Анджелесом и соседними городами, например, Палм-Спрингс, Лас-Вегасом, Сан -Диего и Санта-Барбарой, за ту же сумму, которую 15 милйонив жителей этой территории тратят на одну чашку латте в Starbuck's. [31]


5.1. За и против: централизованное или разветвленное производство

В будущем в водородной энергетике сырье и первичные источники энергии будут использоваться для получения водорода как резерва энергии для различных секторов экономики. Производство водорода из первичных источников энергии, кроме угля, нефти и природного газа, приведет к сокращению выбросов парниковых газов, которые образуются при горении этих ископаемых энергоресурсов.

Одним из основных свойств водородной энергетики является то, что в передвижных конструкциях (в основном в автомобильном транспорте) производство и использование энергии происходит отдельно. Теперь первичный источник энергии не должно путешествовать с автомобилем происходит при использовании углеводородного топлива. Можно избежать образования и рассеяния выхлопных выбросов, если энергия (вместе с загрязнителями окружающей среды) будет получена из точечных источников, то есть в больших, централизованных объектах с высокой эффективностью. Это даст возможность применять такие технологии, использование которых в подвижных механизмах невозможно (например, технология связывания углерода). Также могут быть применены системы распространения производимой энергии, связанные с водородными заправочными станциями.

Если не считать производство необходимой энергии, производство водорода может быть как централизованным, так и разветвленным, или тем и другим одновременно. Производство водорода на заводах, использующих первичную энергию, обещает быть высокоэффективным, но в то же время трудности, связанные с транспортировкой больших объемов водорода (в связи с диффузией водорода сквозь твердые материалы и последующим их скрихченням) делают выгодным для водородной энергетики транспортировку электрической энергии. При такой системе небольшие местные заводы или даже заправочные станции могут производить водород, используя энергию, предоставленную разветвленной электросетью. Хотя эффективность централизованного производства водорода, вероятно, выше, затраты энергии на транспортировку водорода делают такую ​​систему конце концов менее эффективной при разветвленную, если рассчитать затраты энергии на производство и предоставление конечному пользователю одного килограмма водорода.

Соблюдение баланса между транспортировкой водорода и передачей электроэнергии на дальние расстояния является чрезвычайно важным для водородной энергетики.

Но опять же, можно избежать сложного выбора источников производства и способа транспортировки водорода, если водород будет автономно производиться в местах использования (в зданиях, на промышленных объектах, или на заправочных станциях) из возобновляемых источников [2].


5.2. Разветвленное производство водорода

Такой подход позволит избежать транспортировки водорода, транспортируя вместо электроэнергию. Для транспортировки электроэнергии в расположенных на заправочных станциях електролизаторив локального значения будут использованы уже существующие сети. Однако, учитывая количество энергии, необходимой для производства электроэнергии, и ее потери при передаче, приходим к висноку, что общая эффективность снизится.

На долю электростанций на комбинированном цикле природного газа, которые вырабатывают электроэнергию с эффективностью 60%, приходится почти все строительство новых электростанций в Соединенных Штатах. Растущий спрос на электроэнергию, то за счет водородных автомобилей или иных потребностей, будет иметь незначительное влияние на появление новых электростанций комбинированного цикла. Эффективность системы разветвленного производства водорода будет составлять примерно 40%. Однако, учитывая, что эффективность сегодняшней энергосистемы составляет около 40%, из-за использования различных видов топлива и различных методов преобразования энергии, эффективность разветвленного производства водорода составит примерно 25%. [32]


6. Топливные элементы как альтернатива двигателям внутреннего сгорания

Основная статья: Топливный элемент Основная статья: Водородное авто

Благодаря водородной энергетике новый вид топлива придет на смену ископаемому топливу, которое сжигается в двигателях внутреннего сгорания и турбинах как основной метод преобразования химической энергии в кинетическую или электрическую энергию, таким образом выбросы парниковых газов и загрязнения окружающей среды, вызванные такими двигателями, прекратятся.

Хотя водород может быть использован в обычных двигателях внутреннего сгорания, в топливных элементах, ибо они электрохимические, является эффективнее тепловые двигатели. Изготовление топливных элементов дороже, чем изготовление широко используемых двигателей внутреннего сгорания, но оно дешевеет с развитием новых технологий и систем производства.

Некоторые виды топливных элементов работают на углеводородном топливе, но все они могут работать на чистом водороде. Если топливные элементы будут конкурентоспособную цену по сравнению с двигателями внутреннего сгорания и турбинами, крупные газовые электростанции смогут внедрить эту технологию.

Необходимо различать так называемый водород "технического класса" (чистотой от 99.999%), который подходит для использования в топливных элементах, и водород "промышленного класса", содержащий углеродные и сульфурни примеси, но может производиться значительно дешевле способом - методом парового преобразования. Для питания топливных элементов необходим водород высокой чистоты, ведь примеси быстро выведут его из строя.

Интерес к водородной энергетики сфокусирован главным образом на перспективе использования топливных элементов в автомобилях. Отношение мощности к весу в топливных элементах может быть лучшим [33], они гораздо эффективнее, чем двигатели внутреннего сгорания, к тому же не производят вредных отходов. Если будет введен практический метод хранения водорода, а стоимость топливных элементов снизится, они могут стать экономически конкурентоспособным по сравнению с автомобилями на гибридных топливных элементах / батареях или на обычных двигателях. Экономическая конкурентоспособность транспортных средств на топливных элементах расти с ростом цен на углеводородное топливо используется в двигателях внутреннего сгорания, ведь легкодоступные резервы этих ресурсов почти истощены, а также учитывая штрафы за загрязнение окружающей среды.


7. Эффективность водорода как автомобильного топлива

Исследование результирующей эффективности водородных транспортных средств по сравнению с другими показывают, что автомобили на водородных топливных элементах, как правило, примерно втрое эффективнее по сравнению с обычным двигателем внутреннего сгорания [34]. Всестороннее изучение перспектив внедрения водородных технологий в транспортную отрасль показало, что "на пути развития водородной энергетики до соответствующего уровня много препятствий, этот путь не будет простым и очевидным" [35]. Водородным технологиям необходимо преодолеть пробему "курицы и яйца": пока не будет разветвленной системы водородных заправок, никто не будет покупать водородные авто, никто не будет констрююваты заправки, пока не будет достаточного количества пользователей. Эту проблему можно решить сочетанием усилий государства и крупного и малого бизнеса.

Энергия, споживаееться при термодинамического процесса, может применяться для производства автомобильного топлива. Производство водорода с помощью современных технологий методом парового риформинга может осуществляться с тепловым КПД 75-80%. Для сжижения или подданных водорода давления необходима дополнительная энергия (которая может быть затем удалена), так же как и для его транспортировки в заправок грузовиками или трубопроводом. Энергия, необходимая для производства и транспорта килограмма водорода, в 2004 году составляла около 50 мегаджоулей. Если вычесть эту энергию от теплоемкости одного килограмма водорода (это 141 мегаджоуль), и разделить на теплоемкость, результирующая тепловая эффективность составит около 60%. [36] Для сравнения, вклад энергии для получения галлон бензина на нефтеперерабатывающем заводе меньше, и сравнительно мало энергии требуется для его транспортировки и хранения (ибо плотность энергии в галлоне при комнатной температуре высокая). Результирующая эффективность цепочки поставок бензина составляет примерно 80% (Wang, 2002). Но совершая подобное сравнение не следует забывать, что водород это не топливо, а энергетический вектор. Поэтому, эффективной, является доставка электроэнергии - как правило, эффективность около 95%. Электрические транспортные средства, как правило, в 3-4 раза эффективнее, чем водородные [37]. Но, в свою очередь, они имеют свои недостатки, которые не дают им возможности заместить автомобили на бензиновых двигателях.


8. Безопасность водородной энергетики

Большое препятствие для внедрения водородной энергетики составляет опасения населения что водород - очень легковоспламеняющийся газ из, вспыхивающие при смешении с воздухом. Водород действительно лимиты воспламенения от 4 до 75%. Но это не значит, что утечка водорода всегда приведет к взрыву. Благодаря очень малой молекулярному весу молекулы водорода, равная 2, водород очень быстро диффундирует в воздухе (средняя молекулярная масса воздуха 29). Поэтому, широкие лимиты спалхування водорода делают его использование в замкнутом пространстве, например, в туннелях или подземных паркингах, опасным чем использование природньго газа. [38] Эксперимент из сравнения взрыва водородного и бензинового авто был проведен в 2001 году во Флориде. Он показал, что водород безопаснее, чем бензин, потому что он горит вертикальным струей, в то время, как бензин разливается полом и сжигает все, на что он попадает. [39] Водород, как метан, не имеет запаха, поэтому утечка чистого водорода нельзя заметить при помощи обоняния.

Mercedes Benz Citaro на водородных топливных элементах в Лондоне

Нормы и стандарты водородного топлива является одновременно нормами и стандартами автомобилей и других стационарных и портативных механизмов на топливных элементах. Существуют определенные нормы безопасного обращения с водородом и его хранения, например, "Требования к установке стационарных систем энергообеспечения на топливных элементах" от Национальной ассоциации пожарной безопасности.

Нормы и стандарты водородной энергетики были неоднократно названы главным препятствием ее развития и распространения. Чтобы коммерциализация изделие водородным топливом, стала возможной, нужно, чтобы федеральный и местный правительства признали другой список требований к построению, оснащения и технических норм объектов водородной энергетики. [40]

Один из запланированных мероприятий - внедрить высокие стандарты безопасности через, в частности, установление детекторов водорода для быстрого обнаружения утечек. [41] По заключению Канадской программы водородной безопасности, водородное топливо мере столь же безопасно, даже безопаснее, чем природный газ. [42] Европейская комиссия подчеркивает исключительную важность соответствующего образования, а также совершенствования средств безопасности для развития водородной энергетики и начала первую в мире программу высшего образования по инженерии водородной безопасности. Ожидается, что общественность сможет использовать водородные технологии в повседневной жизни по крайней мере на таком же уровне удобства и безопасности, как современные технологии на ископаемом топливе.


9. Экологические аспекты производства водорода

Водород производится либо через электролиз воды, или преобразованием ископаемого топлива, в последнее время второй из этих методов распространенным (2008). Преобразование ископаемого топлива приводит к выбросам углекислого газа в атмосферу. Аналогично, при получении водорода путем электролиза в генераторах на ископаемом топливе, образуется углекислого газа, как и при прямом использования ископаемого топлива. В зависимости от метода производства водорода и вида топливных элементов, можно достичь значительной экономии выбросов углекислого газа зявдякы эффективности последних.

Хотя и использования возобновляемых ресурсов для получения водорода путем электролиза потребует больших затрат энергии, чем прямое использование этих ресурсов для питания электромобилей, через дополнительную стадию преобразования и потери при транспортировке, водород является пригодным для запасания электричества. Он не требует дорогостоящих материалов, как для изготовления батарей, и может быть запасенный в большом количестве на случай временного отсутствия солнца или ветра.

Как и любой двигатель внутреннего сгорания, ты, работающих на водороде, могут производить оксиды азота и другие загрязнители окружающей среды. Выбросы азотных соединений в результате работы двигателей внутреннего сгорания - первопричина образования смога. [43] Именно поэтому выгоднее использовать топливные элементы, которые не имеют никаких других викидив кроме воды.

Существуют также некоторые опасения по поводу возможных проблем, связанных с утечкой водорода. [44] Молекулярный водород медленно вытекает даже из найгерметичниших емкостей. Предполагают, что в результате утечки большого объема водорода (H2) через ультрафиолетовое излучение могут образоваться свободные радикалы (Н) в стратосфере. Эти свободные радикалы действовать как катализаторы истончение озонового слоя. При достаточно большом увеличении количества водорода в стратосфере из истоков H2 процесс утончения озонового слоя может быстрее. Однако, влияние этих истоков может быть незначительным. Количество водорода, что сегодня следует, намного меньше (где-то в 10-100 раз), чем предусмотренные некоторыми исследователями данные о возможных 10-20%. Например, в Германии утечка водорода составляет всего 0,1%. Вероятно, при использовании современных технологий такая утечка составит не более 1-2% даже при распространенного потребления водородных технологий. [44]


10. Расходы

При оценке затрат для сравнения часто используют ископаемые виды топлива как пример дешевого продукта. Поскольку содержание энергии в этих видах топлива не является продуктом человеческой деятельности, он не имеет стоимости. Рассматриваются только затраты на добычу, переработку, транспортировку и производство. С другой стороны, содержание энергии в единице водородного топлива должен производиться, и, следовательно, имеет значительную цену, которая превышает все расходы на переработку, транспорт и доставку. Системы, использующие электроэнергию непосредственно по назначению, например, в троллейбусах или в электромобилях, имеют значительные экономические преимущества, так как между первичным ресурсом и конечным местом использования менее необходимых процессов преобразования.

Тот факт, что для получения каждого килограмма водорода высокой чистоты необходимо использовать более 35 киловатт-часов электроэнергии, не позволяет быстро снизить цены на водород. На производство и сжатия килограму водорода расходуется 60 кВт / ч, и его цена составляет около $ 6,00 за кг, в расчете на стоимость электроэнергии 10 центов / кВт.ч. Производство и сжатия килограму водорода с прородньго газа стоит в среднем 3 $. Сверджують, что совершенствование электролизеров и технологии топливных элементов от ITM Power [45] внесли значительный вклад в снижение стоимости электролиза воды, делая производство водорода из автономных возобновляемых источников экономически эффективным (по сравнению с углеводородным топливом), удобным для стационарного использования и для заправки транспорта.

Трубопроводы для водорода дороже даже за междугородние линии электропередач. Водород примерно втрое объемнее за природный газ той же теплоемкости, водород ускоряет разрушение стали, что повышает эксплуатационные расходы и объемы утечек. Поэтому водород выгоднее производить непосредственно на месте использования.

Внедрение водородной энергетики потребует огромных инвестиций в инфраструктуру для хранения и распределения водорода. В противоположность водородных автомобилей, электромобили, которые уже являются общедоступными, не требуют немедленного расширения существующей инфраструктуры для передачи и распределения электроэнергии, ведь сегодня большая часть электроэнергии вырабатывается на электростанциях, ночью не используется, а именно в это время большинство электромобилей и будет перезаряжаться. Исследования, проведенные Тихоокеанской северо-западной национальной лабораторией для Министерства энергетики США в декабре 2006 года, показало, что мощность электросетей, которая используется только в час пик, а в остальное время не пользуется спросом, в США способна питать 84% всех автомобилей в США, если бы все они были немедленно заменены на электромобили. [46]

Различные методы производства по-разному связаны с финансированием и имеют разную предельную себестоимость. Энергия и сырье могут происходить из разных источников, например, природного газа, биомассы, угля и других ископаемых видов топлива, энергии ветра, солнечной, ядерной и геотермальной энергии. Единого идеального метода не существует. Поэтому прогнозируют, что в будущем будут использовать сочетание всех методов.


10.1. Природный газ в маломасштабном производстве

Используется паровой реформинга. Необходимо 15,9 млн. кубических футов (450 000 м3) газа, тогда производство 500 кг реформерах на сутки в точке распределения (например, на заправках) было бы эквивалентно 777,000 реформерах стоимостью $ 1 триллион долларов, и производило бы 150 миллионов тонн водорода в год . Очевидна необходимость разветвленной инфраструктуры водородной энергетики. Средняя цена $ 3.00 за ГБЕ (галлонов бензинового эквивалента)

10.2. Ядерная энергия

Обеспечивает энергию для электролиза воды. Потребует 240000 тонн необогащенном урана - то есть 2,000 электростанции мощностью 600 МВт, что $ 840 млрд, или около $ 2,50 за ГБЕ. [47]

10.3. Солнечная энергия

Обеспечивает энергию для электролиза воды. Потребует 2500 киловатт-часов солнечной энергии на квадратный метр, 113 миллионов 40 - киловаттных систем, стоить $ 22 трлн, или около $ 9,50 за ГБЕ.

10.4. Энергия ветра

Обеспечивает энергию для электролиза воды. При средней скорости ветра 7 метров в секунду требует 1 млн 2-мегаваттных ветровых турбин стоить $ 3 триллиона долларов, или около $ 3,00 в ГБЕ.

10.5. Использование биомассы

Газификация заводов, которые будут производить водород методом парового реформинга. Чтобы обеспечить 3,300 заводов необходимыми 1,5 млрд. тонн сухой биомассы, нужно 113,4 млн. акров (460,000 км ?) ферм, будет стоить около $ 565 миллиардов долларов, или около $ 1,90 за ГБЕ

10.6. Уголь

Своды FutureGen используют угольную газификации, а затем паровой реформинга. Такой подход требует 1 млрд тонн угля или около 1000 заводов мощностью 275 мегаватт, будет стоить около $ 500 млрд, или около $ 1 за ГБЕ. [48]

11. Примеры и экспериментальные проекты

Несколько внутренних автомобильных компаний США выделили ресурсы на разработку автомобилей на водородном топливе. Десрибюция водорода для транспорта сейчас испытывается во всем мире, в частности в США, Германии, Японии, Исландии, Португалии, Норвегии, Дании, Канаде и т.д..

В некоторых больницах были установлены комбинированные установки с электролизеров и топливных элементов для аварийного электропитания. Они выгодны для использования в чрезвычайных ситуациях, потому что почти не требуют технического обслуживания, удобно розташувуються по сравнению с генераторами внутреннего сгорания.

Исландия обязалась стать первой в мире страной, полностью обеспечит свои энергетические потребности за счет водородной энергетики до 2050 года. [49] Исландия в уникальном положении. Сегодня она импортирует все нефтепродукты, необходимые для питания автомобилей и рыболовецкого флота. Исландия имеет большие геотермальные ресурсы, столь велики, что местная цена на электроэнергию фактически ниже, чем цена на углеводороды, которые могут быть использованы для производства этой энергии. Исландия уже превращает излишки электроэнергии в экспортные товары и заменители углеводородов. В 2002 году она производила 2000 тонн водорода путем электролиза - главным образом для производства аммиака (NH 3) для удобрений.

В одной отрасли углеводороды заменены непосредственно. Рейкьявик, Исландия, имеет небольшой небольшой экспериментальный автобусный парк, в котором городские автобусы работали на сжатом водороде, [50] а разработка проектов питания национального рыболовного флота водородом продолжается и сейчас. Из практических соображений Исландия может обрабатывать импортируемую нефть водородом, но скорее чтобы продлить срок ее службы, чем чтобы полностью ее заменить.

Упомянутые выше автобусы Рейкьявика - часть большой программы, HyFLEET: Cute, [51], занимающейся водородными автобусами в восьми европейских городах. HyFLEET: Cute автобусы работают также в Пекине и Перте (см. ниже).

Экспериментальный проект, демонстрирующий возможности водородной энергетики, работает на норвежском острове Утсира. Сооружение производит энергию ветра и водородное топливо. В периоды, когда производится избыточная энергия ветра, эта избыточная энергия используется для получения водорода путем электролиза. Водород накапливается, чтобы быть использованным для выработки электроэнергии в периоды, когда ветер слабый.

Подобное сочетание энергии ветра и водородной энергетики действует в штате Колорадо на совместном предприятии NREL и Xcel Energy. [52]

Компания Newfoundland and Labrador Hydro превращает современные ветро-дизельные энергосистемы на изолированном острове раме в водородно-ветровые гибридные энергосистемы. [53]

Аналогичный экспериментальный проект на острове Стюарт использует солнечную энергию вместо энергии ветра для выработки электроэнергии. Если производится избыточная электроэнергия после полной зарядки аккумуляторов, начинает производиться водород путем электролиза, который сохраняется для дальнейшего производства электроэнергии топливными элементами. [54]

В январе 2004 года в Великобритании стартовала экспериментальная программа использования топливных элементов. Программа запустина на двадцать пятом маршрут в Лондоне два автобуса на топливных элементах, которые работали там до декабря 2005 года и были переведены на маршрут RV1 до января 2007. [55]

Сегодня Водородная Экспедиция работает над созданием корабля на водородных топливных элементах, чтобы осуществить на нем кругосветное путешествие как способ показать возможности водородных топливных элементов. [56]

Захидноавстралийський департамент планирования и развития инфраструктуры сегодня эксплуатирует три автобуса от Daimler Chrysler Citaro, работающих на топливных элементах. Это часть программы "Устойчивое питания для испытания Пертского автобусов на топливных элементах в Перте". [57] компанией Path Transit отвечает за работу этих автобусов на обычных маршрутах общественных автобусов в Перте. Испытания началось в сентябре 2004 года и завершилось в сентябре 2006 года. Топливные элементы этих автобусов использовали систему протонного обмена в мембране и питался необработанным водородом с BP рафинадного завода в Квинани, к югу от Перта. Водород - побочный продукт работы этого завода. Автобусы заправляются на станции в северном пригороде Перта, которое називаеться Малага.


12. Альтернативы сугубо разветвленной системе производства водорода в водородных технологиях

Водород - это просто метод хранения и передачи энергии. Другие варианты сохранения и передачи энергии из альтернативных источников могут быть экономичными. К ним относятся:

12.1. Аммиак

Альтернативой газообразном водорода в качестве энергоносителя является аммиак, который легко сжижается, транспортируется и используется (прямо или косвенно) в качестве чистого и возобновляемого топлива. Главных проблема, которая задерживает развитие энергетики аммиака, - его токсичность. [58] [59]

12.2. Водородное производство не парникового спирта

Энергетика метанола - это проект производства синтетического топлива, который может начинаться производством водорода. Источником СО2 в таком проекте должно будет воздух, биомасса, или выбросы CO2 в воздух электростанций, не имеющих очистных сооружений. Промежуточное использования водорода с целью производства топлива, которое легче транспортируется и хранится (например, спирт или метан), с введением CO2, может однако рассматриваться как искусственный аналог использования биомассы, биодизеля и растительного масла. Спирт, произведенный с помощью водорода, при использовании будет способом получения носителя энергии из водорода и CO2. Топливо, будет использовано для удовлетворения потребностей транспорта так же, как планировалось использовать биоэтанол. Вместо того, чтобы транспортироваться с места выработки, водород в таких проектах будет использован централизованно и сразу же для производства жидкого топлива, которое сможет быть внедрена в современную транспортную инфраструктуру, не требуя почти никаких ее изменений. Кроме того, топливные элементы на метаноле уже были продемонстрированы, следовательно, со временем метанол сможет стать прямым конкурентом водорода на рынке топливных элементов.


12.3. Сочетание использования сети и искусственных топливных элементов на метаноле

Описанные выше смешанные технологии с промежуточным использованием водорода для создания других, более удобных в использовании топлива, могут быть эффективнее, чем производство чисто водородного топлива. Кратковременное хранение энергии (имеется в виду, что энергия используется скоро после выработки) может быть лучше воплощена аккумулятором или даже суперконденсаторов. Долгосрочное хранение энергии (имеется в виду, что энергия используется через несколько недель или месяцев после выработки), может быть лучше воплощена с помощью синтетического метана или спирта, которые могут храниться в течение неопределенного срока за сравнительно низкую цену, и даже могут непосредственно использоваться в некоторых топливных элементах в электромобилях. Эти проекты связаны сегодняшним интересом к сетевых гибридных электромобилях или PHEVs, которые используют гибридную технологию хранения топлива и электричества для удовлетворения своих энергетических потребностей. Хранения водорода будет оптимальным в узком временном диапазоне, в пределах от нескольких дней до нескольких недель. Этот диапазон будет в дальнейшем сужаться с любыми улучшениями технологий аккумуляторов. Всегда есть возможность научного прорыва в хранении или производстве водорода, но это маловероятно, учитывая физические и химические ограничения технических решений.


12.4. Промежуточное производство искусственного метана с помощью водорода

Аналогично производства синтетического спирта, водород можно использовать для непосредственного (небиологического) производства газообразного топлива. Водород и двуокись углерода может использоваться на месте для синтеза метана, используя реакцию Сабатье. КПД этого процесса составляет около 80%, при обратном процессе эффективность снижается до примерно 20-30% в зависимости от метода использования топлива. Это менее эффективность водорода, но затраты на хранение меньше мере в 3 раза через высокую температуру кипения метана и большую плотность энергии. Жидкий метан имеет в 3,2 раза большую плотность энергии, чем жидкий водород и его легче хранить. Кроме того, инфраструктуры трубопроводов (газопроводов природного газа) уже существует. Транспортные средства на природном газе уже существуют, и, как известно, могут быть легче адаптированы к существующей технологии двигателей внутреннего сгорания, чем водородные авто. Опыт работы с авто на природном газе показывает, что хранение метана недорогое, если стоимость преобразования топлива считать приемлемой. Расходы на хранение спирта еще ниже. Ожидается, что технология использования спиртов позволит значительно сэкономить на развитии инфраструктуры по сравнению с прямым использованием водорода.


13. Водородная энергетика в Украине

Преимуществом водородной энергетики для Украины могла бы стать возможность значительного уменьшения энергетической зависимости страны за счет преобразования существующих собственных энергетических ресурсов (угля, торфа, сланцев, биомассы, сероводорода Черного моря, промышленных отходов и др..) В водород с его последующим использованием для удовлетворения энергетических потребностей страны. Перспективным для Украины способ получения водорода путем газификации угля, запасов которого в Украине достаточно. Продукт газификации (водород) может использоваться в топливных элементах для производства электрической и тепловой энергии на электростанциях как для децентрализованного, так и централизованного энергоснабжения. Широкие возможности для превращения угля непосредственно в недрах в горючий газ, содержащий водород, имеет подземная газификация угля. В Украине существует также возможность получения водорода в качестве побочного продукта при химических, коксохимических и нефтеперерабатывающих производствах, использования для получения водорода сбросных газов или различных органических соединений. Одно из таких производств существует на территории Казенного предприятия "Екоантилид" (г. Днепродзержинск Днепропетровской обл.), Мощности которого позволяют производить водород, тяжелую и легкую воду. Экологический эффект от использования побочных продуктов достигается тем, что полученная из них энергия замещает энергию, которая должна производиться с ископаемого топлива, в т.ч. импортированного. [60]
Очень перспективным является метод получения водорода из воды Черного моря. Количество сероводорода, растворенного в воде, оценивается в 4,5 млрд тонн.
В 2009 году было основано Объединение "Водородная Энергетика", с целью распространения водородных технологий и содействие развитию водородной энергетики в Украине. [61]


См.. также