Водородная энергетика

Федеральное агентство  по образованию

Государственное образовательное учреждения

Высшего профессионального  образования

Бирская государственная  социально-педагогическая академия

Кафедра химии

Курсовая работа на тему:

Водородная  энергетика

Выполнила: студентка 2 курса 2 группы

Факультета  биологии и химии

Янбаева Э. М.

Проверила:

Бирск, 2010

СОДЕРЖАНИЕ

Введение……………………………………………………………………………3

Глава 1. Перспективы применения водорода……………………………………9

Глава 2. Свойства водорода………………………………………………………12

Глава 3. Концепция энергоаккумулирующих веществ…………………………14

Глава 4. Производство водорода…………………………………………………17

Глава 5. Потенциал применения водорода………………………………………22

Заключение…………………………………………………………………………30

Литература………………………………………………………………………….33

Введение

Современная энергетика, как зарубежных стран, так и нашей  страны, основана преимущественно на потреблении углеводородных энергоресурсов. Электростанции сжигают природный  газ, мазут и уголь. Двигатели  автомобилей, самолетов и других массово применяемых машин используют также топливо на основе невозобновляемых углеводородных природных ресурсов. В общем балансе потребляемой энергии только атомная и гидроэнергия составляют крупную долю — где-то около одной четверти в нашей стране. Доля солнечной, геотермальной энергии, энергии ветра, морских волн увеличивается значительными темпами, но продолжает составлять очень небольшую величину. Рассчитывать на существенные прорывы в этой области пока не приходится, хотя в целом ряде стран наметился большой прогресс. Так, Франция около 80% электроэнергии получает на АЭС, Исландия и Дания значительную долю электричества вырабатывают с помощью ветра и т. д.

Дальнейшее  интенсивное развитие современной  энергетики и транспорта ведет человечество к крупномасштабному энергетическому и экологическому кризису.

Стремительное сокращение запасов ископаемого  топлива принуждает развитые страны принимать серьезные усилия по поиску альтернативных возобновляемых экологически чистых источников энергии.

Но в последние  годы наметился инновационный поворот к использованию более эффективного энергоресурса — водорода.

Современные авиационные, ракетные и автомобильные двигатели, топливные элементы все чаще начинают возвращаться к частичному или полному  использованию водорода. Водород  обладает целым набором качеств, делающих сегодня его употребление выгодным: он имеет большую энергоэффективность и химическую активность, в результате его сгорания образуется вода, не обладающая токсичностью и не наносящая ущерба окружающей среде. Правда, есть и недостатки; главные из них — дороговизна производства и пожароопасность.

Водородная  энергетика сформировалась как одно из направлений развития научно-технического прогресса более 30 лет назад. Работы по водородной энергетике во многих странах  относятся к приоритетным направлениям социально-экономического развития и находят все большую поддержку со стороны как государства, так и частного бизнеса. Ведется активный поиск путей перевода большинства энергоемких отраслей промышленности, включая транспорт, на водородное топливо и электрохимические генераторы на основе использования топливных элементов (ТЭ).

Водородные  топливные элементы считаются будущим  мировой энергетики благодаря своей  эффективности и экологической  безопасности.

Использование водорода в качестве основного энергоносителя приведет к созданию принципиально новой водородной экономики, станет научно-техническим прорывом, сравнимым по своим социально-экономическим последствиям с тем революционным воздействием на развитие цивилизации, которое оказали электричество, двигатель внутреннего сгорания, химия и нефтехимия, информатика и связь.

Около 1000 фирм, компаний, концернов, университетских  лабораторий, государственных и  научно-технических объединений  Запада уже много лет усиленно работают в различных направлениях водородной энергетики.

Учитывая существенный рост цен на энергоресурсы и серьезные  экологические проблемы, некоторые  страны уже приняли законы и государственные  программы по изучению водородных технологий и широкому их применению. В их числе  Исландия, США, Япония, ЕЭС.

В работы по ТЭ и энергетическим установкам на их базе ежегодно инвестируется свыше 500 млн.долл. США.

Наиболее динамично  развиваются эти работы в США, Канаде и Японии, где наряду с  большим объемом НИОКР, ведутся  активные работы по коммерциализации водородной энергетики. Создано большое количество энергетических установок на топливных элементах мощностью от единиц ватт до мегаватт, уже сейчас конкурентоспособных с аналогичными установками, основанными на традиционных технологиях сгорания углеводородного топлива.

С прогрессом в  области разработки энергоустановок  на основе ТЭ связывается надежда  на решение проблемы обеспечения  человечества возобновляемыми экологически чистыми энергоресурсами, а также  возможность изменения и совершенствования системы энергоснабжения (электро- и теплоснабжения) различных объектов - от сотовых телефонов, компьютеров и автомобилей до жилых домов, крупных промышленных предприятий и в целом городов.

Состояние работ  по водородной энергетике в России

В России водородная проблематика давно и активно изучалась, правда, в основном для военного применения, достаточно вспомнить, что топливные элементы летали в космос на "Буране".

Россия имеет  уникальные достижения в области  разработки ТЭ. Однако пока что свои возможности мы не используем в достаточной мере, обрекая себя не только на отставание в перспективной области энергетики, но в будущем ставим себя в зависимость от мировой экономической и политической конъюнктуры.

Основные причины, препятствующие работам в России по ТЭ и водородной энергетике:

- отсутствие  национальной программы по разработке  и производству ТЭ и энергетических  установок на их основе;

- отсутствие  целевого государственного финансирования  фундаментальных и прикладных  исследований и разработок в области ТЭ. (Ранее они финансировались в рамках ракетно-космических программ);

- неразвитость  и неготовность промышленной  базы для производства ТЭ и  энергетических установок на  их базе;

- неготовность  частного бизнеса по–настоящему  субсидировать фундаментальные и прикладные исследования;

- отсутствие  четкой и ясной государственной  политики и реальной поддержки  работ по экологически чистым  ресурсо- и энергосберегающим  технологиям.

ГМК "Норильский никель", крупнейшая в России и  одна из крупнейших в мире компаний по производству драгоценных и цветных металлов, произвел значительные инвестиции в отечественную академическую науку, купил крупный пакет акций американской инновационной компании, ориентированной на разработку топливных элементов. Интерес "Норникеля" понятен: он — крупнейший производитель палладия и всех других платиноидов, без которых невозможно производство топливных элементов, существенно увеличивающих КПД производства энергии без нанесения вреда окружающей среде.

В целях сокращения допущенного отставания в исследованиях и разработках по водородной энергетике и топливным элементам и осознавая исключительное значение водородной энергетики для экономики России, ОАО "ГМК "Норильский никель" и Российская академия наук договорились о совместных работах по развертыванию и финансированию наиболее важных фундаментальных, научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по основным направлениям и элементам топливных элементов и энергетических устройств на их базе, предусмотрев в том числе:

• создание научно-технического, технологического и конструкторского задела по ключевым агрегатам, устройствам и системам водородной энергетики и ТЭ;
• формирование базовой кооперации академических институтов и промышленных предприятий по созданию систем и устройств водородной энергетики на основе ТЭ различных типов;
• отработку механизма финансирования работ по водородной энергетике и ТЭ с использованием частного капитала;
• изучение конъюнктуры рынка ТЭ и энергетических устройств на их базе;
• отбор наиболее привлекательных коммерческих (конкурентоспособных) проектов для освоения их серийного производства и продвижения на рынок;
• создание предприятий по производству ТЭ и энергетических установок на их основе;
• подготовку предложений по вариантам водородной инфраструктуры России и структуры автономной энергетики с использованием систем на базе ТЭ; 
• формирование национальной программы России по водородной энергетике, создание руководящих и координирующих органов по ее реализации;
• подготовка предложений по формированию федеральной бюджетной политики финансирования работ по водородной экономике и ТЭ;
• разработка законодательной базы, нормативных документов, системы национальных стандартов, регламентов и требований к инфраструктуре водородной энергетики и ее ключевым элементам;
• пропаганда среди населения достоинств и преимуществ водородной энергетики, перехода страны к водородной экономике и др.

Предусматривается создать Совет по водородной энергетике и топливным элементам Российской академии наук, а также учредить всероссийский журнал по водородной энергетике.

За годы пристального внимания науки к водороду и его  практического использования накопился  опыт, на основе которого можно сформулировать несколько стратегических задач  для отечественного нефтегазового  комплекса.

Первая — энергетическая безопасность, провозглашенная нашим президентом как стратегическая программа, для реализации которой у России есть неоспоримые преимущества, она может получить серьезное усиление за счет принятия программных долгосрочных документов по водородной энергетике, конкретизирующих инновационность сформулированной задачи, но при обязательном регулировании этих процессов государством.

Вторая задача связана с тем, что существенный прогресс водородной энергетики, особенно в больших мегаполисах, возможен только за счет реального получения больших объемов водорода. Производство его методом электролиза воды в больших масштабах пока не получается, но есть метод риформинга — каталитического разделения природного и попутного нефтяного газа, который на начальном этапе поможет получить промышленные потоки водорода и практически отработать остальные элементы водородной концепции. Но эти вопросы нельзя решить без заинтересованности нефтяников и газовиков. Нужна активная позиция менеджмента нефтегазовой отрасли. Водородные автозаправки уже работают в Японии и США, пора открывать их и в Москве.

Третья задача определяется тем, что новые коммерческие продукты переработки углеводородов  с получением промышленных объемов  водорода очень важны для инновационного развития нашей страны. Как в свое время план ГОЭЛРО, массовое использование водорода вызовет синергетический эффект во всех сферах жизнедеятельности России, и поэтому инициаторы вправе рассчитывать на льготы в форме государственной поддержки, налоговых каникул и других преференций. Прибыльность отрасли и ее общественная значимость возрастет.

И наконец, четвертая  задача: комплексный подход к использованию  минерально-сырьевых и особенно энергетических ресурсов не может мириться с современными параметрами эффективности использования отечественных возможностей. Государственные компании могут и должны активнее демонстрировать динамику опережающего развития, выступать фирмами-операторами, объединяющими корпоративные возможности совершенствования всего воспроизводственного энергетического цикла с выдачей инновационных продуктов, создающих основу для устойчивого развития России. "Роснефть" имеет лидирующие позиции для инициатив в этом направлении.

Глава 1. Перспективы применения водорода

Решение проблем  энергетики и энергоснабжения — ключ к решению очень многих экономических и хозяйственных проблем.

Прежде всего, рассмотрим источники, из которых человечество в настоящее время черпает  энергию для своей хозяйственной  деятельности:

Приведем данные нескольких исследователей.

По данным организации "Гринпис", структура мирового энергопотребления в начале 90-х годов выглядела следующим образом:

рис. 1. Структура мирового энергопотребления

По данным "Центра Кургиняна", на начало 1997г. доли различных источников в совокупном мировом энергопотреблении составляли: нефть — 38%, газ — 29%, уголь — 22%, и лишь около 10% приходилось на все остальные источники энергии вместе взятые

Российский журнал "Фактор" в №5 за 2001 год со ссылкой на World Energy Council представляет следующие данные на 2000 год: на ископаемые виды топлива приходится 90% мирового потребления энергоресурсов, в том числе на нефть — 40,1%, уголь — 27,8%, природный газ — 22,9%.

Итак, около 90% энергии мир получает, сжигая ископаемое топливо: нефть, газ, каменный уголь. Перед тем, как остановиться на водородном источнике энергии подробно, необходимо обсудить атомную энергию. Её апологеты утверждают, что она дешевая и (несколько неуверенно после апреля 1996 года) безопасная. Признаем, что обеспечить безопасность АЭС можно. А вот с дешевизной много сложнее. Скажем прямо: главным мотивом отказа от АЭС во всем мире является не вопрос безопасности, а вопрос стоимости.

Многие деятели атомной  индустрии утверждают, что "стоимость электроэнергии АЭС уже сейчас меньше на 15% - 20% стоимости электроэнергии тепловых станций" (Инвестиционная программа атомной энергетики на 2002-2005 годы и на период до 2010 гoдa). Это не так. Методику расчета экономической эффективности "мирного атома" иначе как нечестной назвать трудно. "Расходы на реабилитацию мест радиоактивного загрязнения идут в России по другим статьям, нежели развертывание ядерных программ, — отмечает академик Яблоков — Если же подсчитать их все вместе, то эффективность развития ядерного комплекса окажется мизерной. Отходы приходится остекловывать или каким-то другим способом организовывать их длительное хранение. При этом стоимость проекта резко возрастает. В будущем нам надо находить средства на разборку отслуживших АЭС, на очистку больших территорий и акваторий от радиоактивного загрязнения".

Теперь рассмотрим менее  очевидный вопрос: зачем искать альтернативы нефтегазовой энергетике?

Начнем с того, что  нефть и газ не вечны. Существуют много оценок запасов нефти, которые колеблются от 30 до 100 лет использования.

Не удержусь и от повторения расхожей цитаты Дмитрия Ивановича  Менделеева о том, что топить печь нефтью — это все равно, что  топить ее ассигнациями: ведь нефть  является уникальным, ценнейшим химическим сырьем, из которого делают даже чёрную икру.

Сжигание углеводородов  создают заметные экологические  проблемы, особенно при использовании  для нужд транспорта. Но если совершенствованием технологий можно решить проблемы токсичных  выбросов, то выбросы углекислоты, приводящие к изменению глобального климата, являются неизбежными спутниками использования ископаемого топлива.

И тогда встает вопрос: если не углеводородное топливо и  не АЭС — тогда что же?

Ответ: возобновляемые источники  энергии.

На долю этого сегмента приходиться менее 10%. Эта цифра означает не скудость этих источников, а низкий уровень внедрения технологий их использования.

Что же это за источники? Это в первую очередь Солнце: в  среднем 1 киловатт/м² земной поверхности, что в сумме в 100 раз (!) превышает количество вырабатываемой человечеством энергии. Не следует забывать и производные энергии Солнца: гидроэнергия, энергия ветра, морских волн.

На втором месте по значимости и перспективности стоит  геотермальная энергия. Она практически  неисчерпаемая и вечная, но проблема ее стоимости стоит довольно остро. Отметим также энергию приливов и отливов, энергетическое использование биомассы.

Почему же такой богатейший потенциал дает менее 10% вырабатываемой энергии?

Потому что данные источники непостоянны во времени и неравномерно распределены пространстве. Поэтому прямое их использование целесообразно (на уровне сегодняшних технологий) только в децентрализованных малых источниках энергии. Например, гелиоустановки для нагрева воды. Так, в Крыму уже есть индустрия установки систем, за счет энергии Солнца нагревающих воду до 95 градусов Цельсия (хоть для этого мазут из Тюмени не надо везти…). Но для снабжения электричеством заводов (и других крупных предприятий народного хозяйства) прямое использование этих источников абсурдно.

Глава 2. Свойства водорода

В свободном состоянии  и при нормальных условиях водород  — бесцветный газ, без запаха и  вкуса. Относительно воздуха водород  имеет плотность 1/14. Он обычно и существует в комбинации с другими элементами, например, кислорода в воде, углерода в метане и в органических соединениях. Поскольку водород химически чрезвычайно активен, он редко присутствует как несвязанный элемент.

Охлажденный до жидкого  состояния водород занимает 1/700 объема газообразного состояния. Водород при соединении с кислородом имеет самое высокое содержание энергии на единицу массы: 120.7 ГДж/т. Это — одна из причин, почему жидкий водород используется как топливо для ракет и энергетики космического корабля, для которой малая молекулярная масса и высокое удельное энергосодержание водорода имеют первостепенное значение.

При сжигании в  чистом кислороде единственные продукты — высокотемпературное тепло  и вода. Таким образом, при использовании  водорода не образуются парниковые газы и не нарушается даже круговорот воды в природе.

Неисчерпаемость.

Отметим преимущества водорода как топлива.

В Мировом океане водорода содержится 1,2·10¹⁷ т, дейтерия - 2·10¹³ т. Суммарная масса водорода составляет 1% общей массы Земли, а число атомов - 16%. Особенно важен здесь тот фактор, что при сгорании водород превращается в воду и полностью возвращается в круговорот природы. В то же время, по самым оптимистическим прогнозам, ресурсы углеводородного топлива будут истощены примерно через 100 с лишним лет, в то время как угля — через многие столетия. Величина запасов угля важна и в контексте водородной энергетики: ближайшей промышленной перспективой производства водорода будет получение его при газификации углей.

Весовая теплотворная способность водорода (28630 ккал/кг) в 2.8 раза выше по сравнению с бензином.

Энергия воспламенения в 15 раз меньше, чем для углеводородного топлива.

Максимальная  скорость распространения фронта пламени  в 8 раз больше по сравнению с углеводородами.

Излучение пламени  в 10 раз меньше по сравнению с пламенем углеводородов.

Экологичность

При использовании водорода как топлива исключается возможность  усиления парникового эффекта, не выделяются вредные вещества (автомобильный  двигатель выбрасывает 45 токсичных  веществ, в том числе и канцерогены, нет опасности образования застойных зон водорода — он легко улетучивается.

Отметим и отрицательные  качества водорода. Это низкие плотность  и объемная теплотворная способность, более широкие пределы взрываемости и более высокая температура  воспламенения по сравнению с углеводородами. Применение концепции энергоаккумулирующих веществ (ЭАВ), описанной ниже, позволит снизить негативное влияние этих недостатков водорода как топлива, которые заметно перекрываются его достоинствами.

Глава 3. Концепция  энергоаккумулирующих веществ

Как получить водород  и как избежать его взрывов?

При применении ЭАВ эти  проблемы полностью решаются. При  этом схема процесса состоит из трех этапов:

1. Получение ЭАВ, используя один из названных источников энергии.
2. Получение с помощью ЭАВ водорода.
3. Использование водорода как топлива.

Вспомним школьный опыт: Вы бросаете в воду натрий, и  начинает выделяться водород. Представьте  себе, что это происходит в камере сгорания: водород в свободном  виде появляется только там, где ему  и положено взорваться. А на борту его нет - он связан в воде. В этом иллюстративном примере в качестве ЭАВ выступил натрий.

Конечно, это не промышленная технология — это иллюстрация. Но я представлю Вашему вниманию промышленную технологию, разработанную в свое время в СССР для покорения Луны.

Она базировалась на следующих  реакциях

1. Q + C + SiO₂ → Si + CO₂ ↑ + H₂O — восстановление кремния углеродом
2. Si + 2H₂O → SiO₂ + 2H₂↑ + Q — получение водорода
3. 2H₂ + O₂ → 2H₂O + Q — сжигание водорода

Используя источник тепла (например, солнечную печь) восстанавливается кремний из окисла (реакция 1). Кремний представляет собой прекрасное ЭАВ, не требующее специальных условий хранения. Он доставляется к месту необходимого получения энергии (в том числе на транспортный двигатель). В специальном реакторе происходит реакция вытеснения водорода (реакция 2). И наконец водород поступает в двигатель в качестве топлива. Образовавшийся в результате второй реакции оксид кремния можно использовать многократно.

Рис. 2. Схема реактора (1 - реактор, 2 - поршневой двигатель  внутреннего сгорания, 3 - конденсатор, 4 - радиатор охлаждения, 5 - побудитель расхода, 6 - Побудитель расхода, 7 - побудитель расхода, 8 - охладитель кремния)

Сероводород (H₂S) является, по сути, ископаемым "самородным" водородом в очень плотной упаковке: энергия образования сероводорода примерно в 14 раз меньше, чем энергия образования воды. Это означает, что, затратив один киловатт·час энергии на разложение сероводорода, мы получим от сжигания выделившегося водорода 14 киловатт·час энергии. То есть от реакции 1 (получение ЭАВ для получения водорода) мы в данном случае избавлены. Нам остаются только две реакции:

H₂S+ Q → H₂↑ + S

2H₂ + O₂ → 2H₂O+ 14Q

Эксплуатационно сероводород при вполне реальных давлениях (порядка 20 атм.) сжижается при нормальной температуре, что позволяет, помимо получения удельной плотности много большей, чем у сжатого и даже жидкого водорода вести процесс разложения H₂S в электролизерах. Возможно, правда, что электролиз сероводорода в связи с зашлакованием электрода элементарной серой окажется настолько затрудненным, что вести его придется через галогены.

Так, Варшавским, Максименко А.И. (Украина) и Терещуком  в 1997 году получено в Госпатенте РФ положительное решение на чрезвычайно перспективный способ получения и использования водорода посредством разложения сероводорода, добываемого оригинальным методом из глубинных слоев некоторых водоемов, в частности, Черного моря. Данный метод не обязательно требует затрат национального масштаба, и может применяться не только в общенациональной энергетической системе, но и автономно.

Глава 4. Производство водорода

Запасы водорода, связанного в органическом веществе и в воде, практически неисчерпаемы. Разрыв этих связей позволяет производить водород и затем использовать его как топливо. Разработаны многочисленные процессы по разложению воды на составные элементы.

При нагревании свыше 2500°С вода разлагается на водород  и кислород (прямой термолиз). Столь высокую температуру можно получить, например, с помощью концентраторов солнечной энергии. Проблема здесь состоит в том, чтобы предотвратить рекомбинацию водорода и кислорода.

В настоящее  время в мире большая часть  производимого в промышленном масштабе водорода получается в процессе паровой конверсии метана (ПКМ). Полученный таким путем водород используется как реагент для очистки нефти и как компонент азотных удобрений, а также для ракетной техники. Пар и тепловая энергия при температурах 750-850°С требуются, чтобы отделить водород от углеродной основы в метане, что и происходит в химических паровых реформерах на каталитических поверхностях. Первая ступень процесса ПКМ расщепляет метан и водяной пар на водород и моноксид углерода. Вслед за этим на второй ступени "реакция сдвига" превращает моноксид углерода и воду в диоксид углерода и водород. Эта реакция происходит при температурах 200-250°С.

Начиная с 70-х  годов прошлого века в стране были выполнены и получили необходимое научно-техническое обоснование и экспериментальное подтверждение проекты высокотемпературных гелиевых реакторов (ВТГР) атомных энерготехнологических станций (АЭТС) для химической промышленности и черной металлургии. Среди них АБТУ-50, а позднее — проект атомной энерготехнологической станции с реактором ВГ-400 мощностью 1060 МВт(т) для ядерно-химического комплекса по производству водорода и смесей на его основе, по выпуску аммиака и метанола, а также ряд последующих проектов этого направления.

Основой для проектов ВТГР послужили разработки ядерных ракетных двигателей на водороде. Созданные в нашей стране для этих целей испытательные высокотемпературные реакторы и демонстрационные ядерные ракетные двигатели продемонстрировали работоспособность при нагреве водорода до рекордной температуры 3000 К.

Высокотемпературные реакторы с гелиевым теплоносителем — это новый тип экологически чистых универсальных атомных энергоисточников, уникальные свойства которых — способность  вырабатывать тепло при температурах более 1000°С и высокий уровень безопасности — определяют широкие возможности их использования для производства в газотурбинном цикле электроэнергии с высоким КПД и для снабжения высокотемпературным теплом и электричеством процессов производства водорода, опреснения воды, технологических процессов химической, нефтеперерабатывающей, металлургической и др. отраслей промышленности.

Одним из наиболее продвинутых в этой области является международный проект ГТ-МГР, который  разрабатывается совместными усилиями российских институтов (ОКБМ, РНЦ "Курчатовский институт", ВНИИНМ, НПО "Луч") и американской кампании GA при управлении и финансировании со стороны Минатома РФ и DOE US. С проектом сотрудничают также кампании Фраматом и Фуджи электрик.

Рис.3. Модульный  гелиевый реактор с паровой конверсией метана

К настоящему времени  разработан проект модульного гелиевого  реактора для генерации электричества (с КПД ~ 50%) с использованием прямого газотурбинного цикла. Энергетическая установка ГТ-МГР состоит из двух связанных воедино блоков: модульного высокотемпературного гелиевого реактора (МГР) и газотурбинного преобразователя энергии прямого цикла (ГТ). Работы находятся на стадии технического проектирования с экспериментально-стендовой отработкой ключевых технологий: топливо и система преобразования энергии. В настоящее время проводится оценка технологического применения этого проекта для производства водорода с использованием термохимических циклов, в том числе и на базе ПКМ (см. рис. 3,4). Создание такого тандема (ВТГР-ПКМ) открывает путь широкому применению ядерной энергии в энергоемкой промышленности: крупнотоннажной химии, металлургии, а также позволяет путем выработки вторичного энергоносителя (чистого водорода или его смеси с СО) создавать ядерные энерго-технологические комплексы для регионального теплоэнергоснабжения с поставкой топлива для транспорта и низкопотенциального тепла для коммунально-бытовых нужд и коммерческого сектора.