Использование водорода для получения электроэнергии

Научный исследовательский  университет

(Московский  энергетический институт)

Институт  проблем энергетической эффективности. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

«Использование  водорода для получения  электроэнергии»

Реферат по энергосбережению в теплоэнергетике  и теплотехнологиях. 
 
 
 
 
 

                                                    Студент: Ноздрин И. М.

                                           Группа: ФП-02-08

                                                                     Преподаватель: Бобровский А.Ю. 
 
 
 
 
 
 
 

Москва 2011 г.

Оглавление. 
 

1. Введение 2

2. Топливные элементы 5

3. Типы топливных элементов 8

4. Гидродвигатель внутреннего сгорания 11

5. Свойства водорода 16

6. Производство водорода для ГДВС 18

7. Примеры использования водорода в качестве источника энергии 20

8. Перспективы развития водородной энергетики 22

9. Заключение 26

10. Список использованной  литературы 27 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     1. 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 не возобновляемых 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. ¹

     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, ЕС.

     В работы по топливным элементам 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 научно-исследовательские, опытно-конструкторские  и технологические работы, 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 топливных элементов 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. 

Рис. 1 Области применения топливных элементов.

2. Топливные элементы.

     Рис. 2 Ступени преобразования химической энергии традиционным и электрохимическими способами. 

     Топливные элементы – электрохимический источник тока, в котором осуществляется прямое превращение энергии топлива и окислителя, непрерывно подводимых к электродам, непосредственно в электрическую энергию, без необходимости сначала преобразовывать её в тепло или механическую работу вращения турбин. Так как преобразование тепла в работу у этих установок отсутствует, их энергетический КПД значительно выше, чем у традиционных энергоустановок и может составлять до 90%. Кроме того, топливом здесь служит водород, а значит, основной выхлоп таких систем – просто водяной пар.

     Ясно, что за топливными элементами –  будущее. Водород будет питать двигатели  автомобилей, небольшие топливные батареи будут обеспечивать теплом и светом частные домохозяйства, они же будут встроены в портативную электронику.

     Химические  реакции в ТЭ идут на специальных  пористых электродах (аноде и катоде), активированных палладием (или другими  металлами платиновой группы), где химическая энергия, запасенная в водороде и кислороде, эффективно преобразуется в электрическую энергию. Водород окисляется на аноде, а кислород (или воздух) восстанавливается на катоде. 

     Рис. 3 Ход химической реакции в топливном элементе.

     Катализатор на аноде ускоряет окисление водородных молекул в водородные ионы (Н+) и  электроны. Водородные ионы (протоны) через  мембрану мигрируют к катоду, где  катализатор катода вызывает образование  воды из комбинации протонов, электронов и кислорода. Поток электронов через внешний кругооборот производит электрический ток, который используется различными потребителями.

     Напряжение, возникающее на отдельном ТЭ, не превышает 1,1 вольта. Для получения необходимой величины напряжения ТЭ соединяются последовательно в батареи, а для получения необходимой мощности батареи ТЭ соединяются параллельно. Такие батареи ТЭ вместе с элементами газораспределения и терморегулирования монтируются в единый конструктивный блок, называемый электрохимическим генератором (ЭХГ).

     Однако  если бы всё было так просто, топливные  элементы уже давно превратились бы в основной источник энергии, сменив статус «перспективной разработки»  на место в разнообразных устройствах  и машинах в каждом доме. «Перспективные»  топливные элементы впервые использовались еще на советской орбитальной станции «Мир», однако были недолговечны и слишком дороги для внедрения в массовое хозяйство.

     Проблема  в том, что для их эффективной  работы нужны катализаторы.

     Сейчас  огромное количество институтов и частных компаний бьются над увеличением эффективности топливных элементов и снижением их себестоимости. В инновационных решениях нуждаются также и разделяющие электроды твердые электролиты (мембраны), и материалы электродов, которые должны обладать большой коррозионной стойкостью.

     В качестве катализаторов в топливных  элементах чаще всего применяют  платину и её сплавы с не менее  драгоценным палладием. Этот материал позволяет значительно облегчить  процесс ионизации водорода. В  реакции участвуют только атомы, находящиеся на поверхности, поэтому для каталитических целей применяют платину в виде наночастиц (так называемой платиновой черни). Однако в процессе нанесения дорогостоящей платины наиболее распространенным методом аэрографии её потери достаточно велики, что еще более удорожает конечный продукт.

     Техасские специалисты во главе с Питером  Страссером предлагают использовать сплав  платины с кобальтом и медью.

     Новый катализатор представляет собой  частицы сплава, содержание металла  в которых изменяется от поверхности к ядру: поверхность частиц обогащена платиной, а ядро состоит преимущественно из меди и кобальта. Первые испытания этого катализатора показали эффективность, превышающую аналогичный показатель современных катализаторов для топливных элементов в 4–5 раз.

     Вдобавок  нанокатализатор оказался существенно  дешевле.

     Для производства катализатора нанесенные на графитовый электрод частицы сплава помещаются в раствор кислоты  и подвергаются циклическому воздействию  переменного напряжения. Менее благородные  металлы, в особенности медь, растворяются с поверхности, оставляя её обогащенной платиной. Ядро же имеет тот же состав, что и исходный сплав.

     Более того, образовавшиеся в результате электрохимического травления меди и кобальта пустоты на поверхности  частиц приводят не только к обогащению поверхности платиной, но и к значительному увеличению площади поверхности катализатора. Тем не менее, увеличение эффективности катализатора в 4–5 раз по сравнению с чистой платиновой чернью, по мнению Страссера, не может быть объяснено исключительно увеличением площади поверхности.

     Компьютерные  расчеты показали, что расстояние между атомами платины в обогащенной  ей оболочке короче по сравнению с  этой дистанцией в чистой платине. Такое  «сжатое» состояние фиксируется  с помощью обогащенного кобальтом и медью ядра. Сокращенное межатомное расстояние платина–платина, по всей видимости, способствует более легкой адсорбции кислорода. Это же, судя по всему, изменяет электронную структуру оболочки так, что процесс переноса электрона с образованием отрицательно заряженной молекулы кислорода становится значительно упрощенным.

     3. Типы топливных элементов.

     Существуют  различные типы ТЭ. Их обычно классифицируют по используемому топливу, рабочему давлению и температуре, а также  по характеру применения.

     Наибольшее  распространение получила классификация  топливных элементов по типу электролита  как среды для внутреннего  переноса ионов (протонов). Электролит между электродами определяет операционную температуру и от этой температуры  зависит тип катализатора.

     Выбор топлива и окислителя, подаваемых в ТЭ, определяется, в первую очередь, их электрохимической активностью (то есть скоростью реакции на электродах), стоимостью, возможностью легкого подвода  топлива и окислителя в ТЭ и  отвода продуктов реакции из ТЭ.

     Водород считается основным источником топлива  для ТЭ, однако процесс преобразования топлива позволяет извлекать  водород и из других его видов, включая метанол, природный газ, нефть и др.

     В отличии от аккумулятора и батареек, ТЭ не истощается и не требует перезарядки; он работает, пока подается топливо. 

     Рис. 4 Электрохимические реакции в  различных типах топливных элементов. 

      4. Гидродвигатель внутреннего сгорания.

           Водородная энергетика пока не получила массового применения, несмотря на то, что водород по всем параметрам является идеальным топливом с учетом его неограниченных запасов, если в качестве сырья рассматривать воду. Основные проблемы это:

           -разработка экономичной производительной аппаратуры для получения водорода;

           -способы хранения; -транспортировка  с небольшими потерями.

           Ошибка заключалась в постановке  вопроса. Если допустить, что  получение водорода из воды  будет не дороже чем углеводородное  топливо, то и тогда это не решит проблем, потому что все существующие теплосиловые машины не могут работать на чистом водороде и кислороде и при этом выдавать положительный экономический эффект, отсюда вывод для имеющегося идеального топлива требуется идеальный двигатель. ГДВС в этом смысле есть идеальный двигатель по всем параметрам:

           - экологически совершенно чистый, так как, для его работы не требуется кислорода из атмосферы и нет выхлопа;

           - КПД 80-85% - это максимально возможный кпд для теплосиловых машин;

           -   ГДВС по сути искусственный источник неисчерпаемой энергии.

           Над созданием гидродвигателя (ГДВС) в настоящее время работают ряд мелких фирм и одиночек-энтузиастов в различных странах. Этот двигатель пытаются использовать в первую очередь на транспорте.                                                                         

    Рис. 5. Гидродвигатель внутреннего сгорания

 - жидкость (дистиллированная вода) в системе ГДВС;

 - раскаленные газы в камере  сгорания; 

 - конденсация образовывающихся паров в камере конденсации; 

 - барботаж через слой жидкости  кислородоводородной смеси.

1, 2 - рабочие цилиндры;

3 - внутренний цилиндр; 

4 - внешний цилиндр;

5 - основание рабочих  цилиндров; 

6 - теплоизолирующая  полость; 

7 - дозаторы топлива; 

8 - дозаторы кислорода; 

9 - системы зажигания; 

10 - система равномерного  распыления охлажденной  жидкости с форсунками;

11 - трубопровод подачи  охлажденной жидкости;

12, 13 - клапаны перетока  охлажденной жидкости;

14 - теплообменник; 

15 - дозатор подачи  и удаления жидкости  из системы двигателя; 

16 - трубопровод подачи  холодной жидкости  в теплообменник; 

17 - трубопровод удаления нагретой жидкости из теплообменника;

18 - система сброса  избыточного давления;

19 - выводящий трубопровод; 

20 - преобразователь; 

21, 22 - энергообразующие  магистрали;

23, 24 - автоматические запускные  клапаны энергообразующих  магистралей; 

25, 26, 27, 28 - перепускные клапаны энергообразующих магистралей;

36 - общий выходной  вал; 

39 - генератор электроэнергии;

40 - маховик; 

41, 42 - трубопроводы подачи  и забора жидкости  к дозатору от  энергообразующих  магистралей; 

43, 44 - трубопроводы подачи и забора жидкости к теплообменнику от энергообразующих магистралей;

45, 46 - клапаны перетока  жидкости. 

           Существует отрывочная информация  об установке таких двигателей  в автомобили, трактора, мотоциклы  и т.п. Сведений о том, что  такими двигателями занимаются крупные фирмы, пока нет.

           В такого рода двигателях роль  поршня выполняет вода, а в  качестве топлива используется  смесь водорода с кислородом. Естественно, что с точки зрения  экологии такой двигатель идеален.  Но перед создателями таких двигателей стоят две труднопреодолимые задачи.

           Первая задача – это организация  горения водорода в кислородной  среде без взрыва (подбор стехиометрического, а точнее оптимального состава  смеси водорода с кислородом).

           Вторая задача - это создание устройства для получения водорода и кислорода из воды.

           Эти две труднопреодолимые задачи решаются без особых проблем в ГДВС. В камере сгорания двигателя в избытке постоянно присутствует один из компонентов реакции, который смещает по закону действующих масс константу равновесия реакции горения - смеси водорода и кислорода вправо  . Этот фактор создает благоприятное условие горения водорода в кислородной среде. Изменение в камере сгорания количества, какого либо компонента топливной смеси дает возможность более полного использования сгорания водорода, содержащегося в топливе, регулировать процесс горения и полностью уйти от детонации. Использование экономичного устройства для получения водорода и кислорода одна из приоритетных задач ГДВС. Одним из таких устройств является разработка Кубанского Государственного аграрного университета. Затраты этого устройства на получение одного метра кубического водорода составляют от 1 кВтч и менее, в сравнении с существующими технологиями 4-5 кВтч.

           ГДВС как новый принцип работы теплосиловой машины решает проблем мировой энергетики и экологии. ГДВС по своим техническим и экономическим характеристикам продукта превосходит все мировые аналоги и практически не будет иметь конкуренции на рынке. Стоимость вырабатываемой электроэнергии будет по цене ниже, чем электроэнергия, вырабатываемая на ГЭС и в том числе отпадет необходимость строить высоковольтные ЛЭП. ГДВС абсолютно экологически чистый двигатель, потому что для него не нужен кислород из атмосферы и полностью отсутствует выхлоп. Разработка и внедрение этого проекта для любого государства это вопрос, прежде всего, его суверенитета.

           В пример АЭС и другим альтернативным  источникам энергии Гидродвигатель  внутреннего сгорания использует  в качестве топлива чистые водород и кислород. Стоимость вырабатываемой электроэнергии этим ГДВС по цене будет сопоставима с электроэнергией, вырабатываемой на существующих Гидро-электро станциях (ГЭС). ГДВС абсолютно экологически чистый потому, что имеет замкнутый цикл. Сравнение технических и экономических характеристик существующих на текущий момент двигателей и других устройств получения тепла и электроэнергии с предлагаемым ГДВС приведены в таблице 1. 
 
 

Таблица 1. Технические характеристики устройств, для выработки тепла и электроэнергии.

5. 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   т, дейтерия -   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.