В. В. Тюльпа водород в энергетике



Pdf просмотр
страница1/16
Дата22.05.2017
Размер6.06 Mb.
Просмотров2422
Скачиваний4
ТипУчебное пособие
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   16

Р. В. РАДЧЕНКО
А. С. МОКРУШИН
В. В. ТЮЛЬПА
ВОДОРОД В ЭНЕРГЕТИКЕ
Учебное пособие
Министерство образования и науки Российской Федерации
Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина
Р. В. Радченко
А. С. Мокрушин
В. В. Тюльпа
Водород
В энергетике
Рекомендовано методическим советом УрФУ в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по дисциплинам Теоретические основы нетрадиционной и возобновляемой энергетики и Проектирование АЭС»
для студентов всех форм обучения по направлениям
140400.62 — Электроэнергетика и электротехника,
140100.62 — Теплоэнергетика и теплотехника,
141403.65 — Атомные станции проектирование, эксплуатация и инжиниринг
Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2014

УДК 546.11:621.039(075.8)
ББК 24.121я73+31.4я73
Р15
Рецензенты:
д-р техн. наук В. С. Белоусов (проф. каф. Теплоэнергетика и теплотехника Уральского энергетического института УрФУ);
проф. АИ. Евпланов (каф. электротехники Уральского государственного горного университета)
Научный редактор — др техн. наук, проф. СЕ. Щеклеин
Радченко, Р. В.
Р15 Водород в энергетике : учеб. пособие / Р. В. Радченко, АС. Мокрушин, В. В. Тюльпа. — Екатеринбург : Изд-во Урал. унта, 2014. — 229, [3] с В данном пособии рассмотрен теоретический материал о способах получения, хранения водорода и основные направления научно-поисковых работ в области водородной энергетики. Проведено сравнение различных методов производства водорода и показаны перспективы развития водородной энергетики в России и за рубежом. Рекомендовано для студентов всех направлений Уральского энергетического института УрФУ.
Библиогр.: 48 назв. Рис. 60. Табл. 26. Прил. Подготовлено кафедрой Атомные станции и возобновляемые источники энергии
УДК 546.11:621.039(075.8)
ББК 24.121я73+31.4я73
ISBN 978-5-7996-1316-7
© Уральский федеральный университет, 2014

3
Оглавление
Введение..............................................................................................5 1. Ископаемые топлива ......................................................................8 2. Основные вехи в истории водородной энергетики .....................11 3. Водород и его свойства .................................................................17 4. Получение водорода 4.1. Производство водорода из природных топлив ......................25 4.2. Получение водорода методом электролиза ...........................30 4.3. Плазмохимия ..........................................................................42 5. Атомно-водородная энергетика ...................................................45 5.1. Использование ядерной энергетики для получения водорода ..................................................................................45 5.2. Реакторы для ядерного производства водорода ....................58 5.3. Концепция атомно-водородной энергетики ......................... 74 6. Термоядерная энергетика .............................................................78 6.1. Управляемый термоядерный синтез .........................................78 6.2. Холодный ядерный синтез .........................................................94 7. Получение водорода с помощью альтернативных источников энергии ....................109 8. Новые направления в получении водорода ...............................122 8.1. Усовершенствование методов электролиза воды ................122 8.2. Производство экологически чистых видов горючего для автомобильных топлив .................................................123 8.3. Фотогальванические процессы ............................................133 8.4. Способ использования вещества мантии Земли для получения водорода ......................................................136 8.5. Перспективы развития водородной энергетики на основе алюминия ............................................................141
Водород В энергетике. Сравнение различных методов производства водорода ............144 10. Хранение водорода ....................................................................148 10.1. Классификация методов хранения водорода ...................148 10.2. Хранение газообразного водорода ...................................149 10.3. Хранение жидкого водорода ............................................152 10.4. Хранение и транспортирование водорода в химически связанном состоянии ..................................153 10.5. Гидридная система хранения водорода ...........................155 10.6. Криоадсорбционное хранение водорода .........................157 10.7. Технико-экономическая оценка различных вариантов хранения водорода ......................158 11. Использование водорода .......................................................... 161 11.1. ДВС на водороде ................................................................ 161 11.2. Топливные элементы ........................................................ 161 11.3. Никель-водородный аккумулятор ....................................169 12. Современное состояние исследований и разработок в области водородных энерготехнологий ................................173 13. Основные направления научно-поисковых работ в области водородной энергетики Заключение Библиографический список Приложение. Глоссарий. Водородная энергетика и топливные элементы (ТЭ) ...........................................................211

5
Введение
И
дея использования водорода в энергетике не нова. Еще в е годы
ХХ в. были разработаны двигатели на водородном топливе. Сегодня в США, в странах ЕЭС, в Японии, Китае приняты и реализуются национальные и международные программы по разработке элементов водородной энергетики, в том числе на возобновляемых источниках энергии (ВИЭ), ведется активная пропагандистская кампания. В Мадриде, Риме, Амстердаме, Стокгольме и других европейских столицах ходят автобусы на водороде. Электромобиль с водородным двигателем приобрел премьер- министр Японии, а Исландия практически полностью переходит на водородную энергетику водородные двигатели устанавливаются на катера, автомобили, источниками тепла на водороде отапливаются дома.
Стремление Европы и США развивать альтернативную энергетику понятно в Европе своих нефтегазовых ресурсов нету США их немного. Переход на водородную энергетику с использованием ВИЭ позволит им перестать зависеть от поставщиков нефти и газа — России и стран OPEC (Организация стран экспортеров нефти, а также решить экологические проблемы.
В России с запасами нефти и угля ситуация другая нефть пока есть и угля достаточно много. Однако не стоит особо на это надеяться. Относительно мировых цен наша нефть дорогая, и запасы ее в недалеком будущем закончатся, бурить придется все глубже и глубже, соответственно добыча будет обходиться с каждым разом дороже.
В России, к тому же, в последние годы обострился процесс физического и морального старения электростанций и сетей, которые сооружались по проектам полувековой давности и уже не соответствуют современным требованиям к энергоустановкам в области экологии, эффективности использования топлива, надежности и безопасности.
Кроме того, российские города, как и западные, задыхаются от газовых выбросов. Поэтому в любом случае придется искать альтернативные источники для обеспечения собственных энергетических нужд. Возможности для разработки новых возобновляемых источников энергии у российской науки есть в предыдущие годы создан существенный задел, остались и специалисты, способные его развить и реализовать.
Водород В энергетике
Из всего спектра проблем, накопившихся в энергетике, можно выделить следующие проблема энергоресурсов, главным образом невозобновляемых, связанная с ситуацией, складывающейся в мире, и ведущая к тому, что к середине XXI века выработка электроэнергии с использованием нефтепродуктов и газа будет резко снижаться и потребуется замещение этих видов энергоресурсов для целей электроэнергетики проблема, связанная с выбросами и отходами при производстве электроэнергии работа ТЭС чревата возможностями глобальных климатических изменений, к которым в первую очередь относятся глобальное потепление, или парниковый эффект, связанный, главным образом, с выбросами оксида углерода, и кислотные дожди, вызываемые выбросами оксидов азота и серы АЭС производят электроэнергию без выбросов парниковых газов, однако перспектива дальнейшего развития этих электростанций зависит от успехов по удалению отходов проблема воздействия электрических и магнитных полей, создаваемых сетями высокого и сверхвысокого напряжения (значение этой проблемы в настоящее время полностью еще не выяснено проблема, касающаяся повышения коэффициента полезного действия электроэнергетики, начиная от стадии преобразования энергоресурсов в электроэнергию и кончая ее потреблением проблема организационной структуры объединенных и национальных энергосистем, которые до последнего десятилетия ХХ века во всех странах представляли вертикально интегрированные системы с жестким государственным регулированием их хозяйственной деятельности, что стало тормозить дальнейшее развитие электроэнергетики экономический эффект от концентрации производства электроэнергии и централизации ее распределения с ростом энергосистем проявляется все в меньшей степени, этим вызваны проходящие во многих странах процессы реструктуризации и дерегулирования электроэ- нергетики.
Единственный способ справиться сданными проблемами — перейти на новый технологический уровень, обеспечивающий существенно более высокие показатели эффективности, лучшую защиту окружающей среды и большую надежность.
К решению этих проблем есть много подходов. В первую очередь — развитие возобновляемых источников, таких как ветро-, гелио- и гидроэнергетика, а также атомной энергетики. Однако поскольку эти источники должны быть привязаны к конкретным местностями вполне специфически рассредоточены на этих территориях, то они не позволяют решить задачи обеспечения энергией крупных промышленных предприятий и транспорта.

7
Введение
Водородная энергетика также соответствует мировым тенденциям автономного и локального энергопотребления. В европейских энергетических программах фигурирует понятие домашняя электростанция. Такие мини-электростанции мощностью не более 5 кВт, использующие, например, высокотемпературные ТЭ, экологичны уже потому, что позволяют производить столько электроэнергии, сколько необходимо потребителю, и расходовать ее без потерь, неизбежных в большой энергетике с ее тысячекилометровыми линиями электропередач.
Распределенная энергетика очень удобна для удаленных регионов, куда трудно протянуть ЛЭП, и для дачных поселков, что характерно для России. Сейчас в такие районы завозят топливо или сжигают дерево для обогрева и используют дизель-генератор для получения электроэнергии. И то, и другое малоэффективно.
Децентрализованное энергоснабжение надежнее. Сегодня, чтобы лишить электроэнергии огромный городили даже регион, достаточно нарушить линию электропередач, идущую от большой электростанции. Так в свое время Грузия осталась без электричества, когда в горах были разрушены ЛЭП.
Возникает вопрос если энергоустановки на водороде обладают столькими преимуществами, почему же человечество до сих пор полностью на них не перешло?
Главная проблема — стоимость. Она сегодня непомерно высока — от 10 до 20 тыс. долл. за 1 кВт установленной мощности. Чтобы обогреть трехкомнатную квартиру, надо 10 кВт, плюс питание электроприборов около кВТ) — всего получается 12. Таким образом, потребуется установка стоимостью минимум 120 тыс. долл, а чтобы обеспечить электроэнергией коттедж площадью 200 м, нужно около 400 тыс. долл.
Именно задача существенного снижения стоимости (не менее чем враз) энергоустановок на водороде стоит перед учеными в рамках комплексной программы Водородная энергетика и топливные элементы, которую согласился финансировать Норильский никель и которая выполняется в основном институтами РАН.
Вероятнее всего, именно водородная энергетика закрывает вопросы как сделать всевозможные источники энергии более совместимыми между собой, как сделать их совокупное влияние на окружающую среду минимальным. Потому что этот источник энергии является более универсальным, более гибким в использовании и экологически более чистым.
Ситуация здесь подобна той, которая возникла в конце XIX века при переходе от века пара к веку электричества, когда более удобные и эффективные электрические системы вытеснили паровые машины.

8 1. Ископаемые топлива
С
уществуют три основных вида ископаемых энергоносителей уголь, нефть и природный газ. Примерные значения теплоты сгорания этих видов топлива, а также разведанные и промышленные (те. допускающие экономически рентабельную разработку приданном уровне техники) запасы нефти представлены в табл. 1.1 и 1.2.
Таблица 1.1
Теплотворная способность ископаемых топлив
Топливо
Теплотворная способность, ГДж
1 т каменного угля 1 т нефти 1000 мн) природного газа 1 т бензина
47,0
Таблица 1.2
Мировые запасы нефти (ориентировочные данные за 2013 г.)
Регион
Разведанные запасы, млрд т
Венесуэла
46,58
Ближний Восток, в т. ч. Саудовская Аравия 36,52
Канада
28,09
Россия
12,74
США
5,37
Казахстан
3,93
Китай
2,47
Европейский союз
0,91
Австралия
0,44
Великобритания
0,41
Узбекистан
0,081
Всего
238,20
Запасы нефти и природного газа
. Трудно точно рассчитать, насколько лет еще хватит запасов нефти. Если существующие тенденции сохранятся, то годовое потребление нефти в мире кг. достигнет 3 млрд т. Даже до-

9 1. Ископаемые топлива пуская, что промышленные запасы существенно возрастут, геологи приходят к выводу, что кг. будет исчерпано 80 % разведанных мировых запасов нефти.
Запасы угля
. Запасы угля оценить легче (см. табл. 1.3). Три четверти мировых его запасов, составляющих по приближенной оценке 10 трлн т, приходятся на страны бывшего СССР, США и КНР.
Хотя угля на Земле гораздо больше, чем нефти и природного газа, егоза- пасы не безграничны. В х годах мировое потребление угля составляло более 2,3 млрд т/год. В отличие от потребления нефти, потребление угля существенно увеличилось не только в развивающихся, но ив промышленно развитых странах. По существующим прогнозам, запасов угля должно хватить еще налет. Но если потребление будет расти нынешними темпами, то его запасов не хватит и на 200 лет.
Таблица 1.3
Мировые запасы угля (ориентировочные данные за 2013 г.)
Регион
Запасы каменного угля, млн т
Запасы всего угля, млн т
США
108501 Россия Китай Австралия Европейский союз Казахстан Канада Венесуэла Великобритания Всего В этой связи в последнее время во всем мире все больше внимания уделяется перспективам развития водородной энергетики.
Водород — это высокоэффективное и экологически чистое топливо. В наши дни крупномасштабное использование водорода освоено в промышленных химических процессах и ракетной технике. Производство водорода в мире превысило 50 млн т и быстро растет. При дальнейшем развитии этот энергоноситель мог бы служить источником энергии для локального производства электричества и тепла, бытового энергоснабжения, аккумулирования энергии, для транспорта, в том числе для заправки автомашин. Будучи произведенным из воды с помощью возобновляемых или ядерных ресурсов и технологий, водород становится возобновляемым топливом, способствующим устойчивому развитию мирового сообщества.
Водород В энергетике
Еще одним достоинством водорода как возобновляемого источника энергии является возможность прямого преобразования энергии химической реакции его соединения с кислородом в электрический ток в так называемых топливных элементах. Водородные источники тока часто воспринимают, как идеальное решение глобальных проблем энергетики — их использование полностью исключает возможность эмиссии веществ, загрязняющих окружающую среду. Такие топливные элементы можно применять для транспортировки и хранения энергии, генерируемой извоз- обновляемых источников, и водородная экономика представляет собой, казалось бы, оптимальный путь развития цивилизации. Однако существующие технологии (как производства самого водорода, таки получения из него электроэнергии) еще очень далеки от совершенства.

11 2. Основные вехи в истории водородной энергетики
И
дея широкомасштабного использования водорода как искусственного топлива, получаемого электролизом воды, появилась в науч- но-фантастическом романе Жюля Верна Таинственный остров
(1874 г. Первые попытки ее реализации относятся к 1920–1930 гг., когда в Канаде было освоено промышленное производство водородно-щелочных электролизёров и принята первая программа в области создания водородных энергосистем на основе первичной электроэнергии, вырабатываемой на ГЭС. Данная программа выполнялась дог, после чего была свернута по причине сдвига приоритета канадского рынка энергосистем в сторону потребления дешевого природного газа. В е годы XX века основная активность европейских ученых и инженеров в области водорода была направлена на адаптацию тепловых машин, в первую очередь двигателей внутреннего сгорания (ДВС), для работы на нетрадиционных топли- вах, в том числе водороде. Результаты, полученные, в основном, в Германии и Великобритании, показали принципиальную возможность такого подхода. Было показано, что использование водорода при соответствующей переделке топливной системы (переход к внутреннему смесеобразованию) позволяет увеличить мощность двигателя наиболее. Использование водорода в качестве добавки к традиционному моторному топливу позволило повысить экономичность двигателей при снижении вредных выбросов в атмосферу. Всего, за этот период на нетрадиционные топлива, включая водород, было конвертировано от 1 до 4 тысяч единиц автотранспортных средств, причем стоимость такой переделки, как было подсчитано позднее, не превышала нескольких сот долларов США за единицу (в ценах 1970 г. Указанные разработки, основной вклад в которые внес немецкий инженер Р. Эррен, стали важным заделом последующих работ по использованию водорода на автотранспорте, возобновленных в х гг.
Интересно отметить, что в годы Второй Мировой войны исследования и разработки в указанном и смежных направлениях даже интенсифицировались. Хорошо известно, что в Германии в годы войны широко использовались синтетическое моторное топливо, производимое путем гидрогенизации угля. В СССР в условиях блокадного Ленинграда грузовой автотранспорт был переоборудован на водородное топливо, бравшееся из отработавших
Водород В энергетике свой ресурс аэростатов войск ПВО. Указанные работы проводились под руководством техника-лейтенанта Б. И. Шелища.
С 1942 г. особый интерес к водородным разработкам (автономная энергосистема для дизельной подводной лодки, использующая в качестве топлива для подводного плавания сжатые водород и кислород, получаемые электролизом воды) проявляют военно-морские флоты разных стран.
В некоторых странах, отрезанных в годы войны от поставок нефти (например, Австралия, были начаты крупные программы по внедрению крупномасштабного производства водорода и его использованию как моторного топлива. С послевоенным возобновлением поставок дешевой нефти эти программы были приостановлены.
С 1950 г. интерес к водороду возобновился в связи с успехами в разработках топливных элементов (ТЭ). Хотя ТЭ были изобретены еще в XIX впервые пригодные к практическому использованию образцы появились вначале х гг. в Великобритании и ФРГ. Впоследствии (е гг.) данные разработки имели большое значение для реализации космических программ США и СССР и позднее (к середине х гг.) их развитие привело к коренному пересмотру концепции водородных энергосистем, поскольку использование ТЭ позволило существенно повысить эффективность генерации электроэнергии на стадии использования водорода потребителями.
Бурное развитие исследований и разработок, проводимых в мире вобла- сти водородной энергетики и технологии, пришлось на 1974–1983 гг. и являлось прямым следованием энергетического кризиса, охватившего в то время большое число промышленно развитых стран. С середины х гг. начинается интенсивный обмен информацией и международная кооперация деятельности занимающихся водородом групп, которые до этого большей частью работали независимо друг от друга. В конце 1974 г. создается Международная ассоциация по водородной энергетике (International
Association for Hydrogen Energy, IAHE) — сообщество ученых, инженеров и менеджеров, эффективно способствующих этому процессу. Основным направлением деятельности Ассоциации является информационное обеспечение исследований и разработок в области водородных технологий, атак- же ознакомление сними широкой общественности и правительственных кругов стран мира. С этой целью Ассоциацией разв два года организуются представительные Всемирные конференции по водородной энергетике
(World Hydrogen Energy Conferences) и издается Международный журнал по водородной энергетике (International Journal of Hydrogen Energy). Ассоциация активно способствовала учреждению в различных странах мира Национальных ассоциаций по водородной энергетике, которых к настоящему времени насчитывается несколько десятков.
Изменение конъюнктуры на мировом рынке энергоресурсов во второй половине х гг. привело к некоторому снижению темпов роста

13 2. Основные вехи в истории водородной энергетики интенсивности исследований и разработок в области водородной энергетики и технологии. Особенно это было характерно для США, где при администрации Рейгана бюджет программ по возобновляемым источникам энергии и водороду был урезанна. Основным фактором, сдерживающим интерес политиков и бизнесменов к работам по водородной энергетике, был экономический. В первую очередь это относилось к высокой себестоимости производства водорода (в особенности методом электролиза. Немалую роль также сыграло некоторое разочарование американских ученых, которые возлагали до этого слишком большие надежды на возведенную в ранг панацеи концепцию водородной энергетики и питали иллюзии в отношении ее быстрой реализации. Подход европейских ив особенности, японских научно-технических, деловых и правительственных кругов был более реалистичным. Здесь осознавали, что широкомасштабное внедрение водородных технологий будет требовать длительного периода интенсивной работы, исчисляемого многими десятилетиями. Так, в Японии уже в 1974 г. стартовал долгосрочный проект “Sunshine”, который выполнялся до 2000 года. Это была самая крупная программа по альтернативной энергетике, по размаху сравнимая с американской космической программой Аполлон. Всего было израсходовано около 15 млрд долл, из них
3,6 млрд составлял водородный бюджет. В 1976 г. Международное энергетическое агентство (International Energy Agency, IEA) со штаб-квартирой в Париже начало финансирование водородных работ. В 1978 г. бюджет водородной программы IEA составлял порядка 16 млн долл. США, распределенных на несколько лет. Вместе стем общие тенденции расширения применения водорода в энергетике и технологии, хотя и сохранились, но стали менее динамичными.
Важной вехой в развитии водородной энергетики и технологии явились результаты экономических исследований, проведенных в конце х гг. в НИИ чистой энергии при университете Майями (University of Miami’s Clean
Energy Research Institute), США. В них было проведено детальное обоснование подсчета экономического ущерба от загрязнения атмосферы промышленными и транспортными выбросами и предложена методика введения соответствующих поправок в экономические расчеты. С учетом данных поправок экологическая чистота водорода сделала его использование потенциально рентабельным в целом ряде производств.
В целом период с середины х до концах гг. характеризовался углубленными исследованиями и разработками, заложившими научно- технические основы современных водородных технологий. Значительные успехи были достигнуты в области производства водорода с использованием возобновляемых источников энергии. Были усовершенствованы и доведены до опытно-промышленных демонстрационных образцов базовые технические решения электролизёров различных типов с улучшенными характе-
Водород В энергетике ристиками. Параллельно развивались родственные разработки топливных элементов, имеющих более высокую эффективность, больший срок службы и надежность, чем существующие ранее образцы. Появились принципиально новые технические решения электрохимических систем (новое поколение электролизёров и топливных элементов с твердым полимерным или твердым оксидным электролитом, использующих водород и другие альтернативные топлива. Также были разработаны принципиально новые экологически чистые технологии производства водорода, например, биохимическая и фотокаталитическая.
Динамично развивались также методы использования водорода как топлива для тепловых двигателей и энергоустановок. В ряде стран (США, Германия, Япония, СССР) в 1970–1980 гг. были созданы демонстрационные образцы автомобилей и другого транспорта с ДВС на водородном топливе либо с добавками водорода. В х гг. появились первые образцы автомобилей и автобусов с электродвигателями, работающими от мобильных энергоустановок на топливных элементах.
В это же время был выполнен ряд крупных разработок по использованию водорода как авиационного или космического топлива. В США программа) и СССР («Буран-Энергия») были созданы крупные ракеты-носители, главные двигатели которых использовали жидкий водород в качестве топлива и жидкий кислород как окислитель. Первое успешное испытание самолета на водороде (экспериментальная модель Ту, выполненная на базе серийного самолета Ту, один из трех двигателей которого работал на жидководородном топливе) прошло в СССР в апреле
1988 г. Месяц спустя в США был испытан легкий (четырехместный) с одним двигателем, топливом для которого был только водород.
Существенный прогресс был достигнут ив области решения сложной технологической проблемы компактного хранения водорода. Было разработано новое поколение композитных газовых баллонов высокого давления, позволивших существенно увеличить весовую и объемную плотность хранения водорода в виде сжатого газа. Также были усовершенствованы технологии ожижения водорода и его хранения в жидком состоянии. Получили интенсивное развитие новые разработки по физико-химическим методам хранения водорода в связанном состоянии, включая металлоги- дридные технологии. Одним из важных результатов, полученных входе исследований и разработок по последнему направлению, явилось создание к началу х гг. высокоэффективных никель-металлогидридных аккумуляторов электроэнергии, которые в настоящее время занимают значительный сегмент мирового рынка компактных химических источников тока.
Большое число новых разработок, выполненных за рассматриваемый период, было посвящено использованию водорода в бытовых целях (отопление, горячее водоснабжение, приготовление пищи. Указанные разработки

15 2. Основные вехи в истории водородной энергетики в основном использовали каталитическое горение водорода в результате был создан (на уровне демонстрационных прототипов) целый ряд высокоэффективных, экономичных и удобных устройств. Кроме этого, была показана осуществимость и перспективность новых технических решений тепловых установок бытового и промышленного назначения (системы отопления, холодильники и кондиционеры, системы транспортировки низко- потенциального тепла и т. п, основанных на использовании водородных металлогидридных технологий.
Основным результатом работы международного сообщества ученных и инженеров в области водородных энергосистем в 1970–1990 гг. стало то, что данное направление к концу х гг. вышло за рамки исследований и опытных разработок и перешло к стадии коммерциализации. К работам в данной области подключились крупные коммерческие компании, впер- вую очередь, автомобильные (General Motors, Daimler-Benz, Toyota, BMW,
Ford, Volvo и др, нефтеперерабатывающие (Royal Dutch/Shell), энергетические. С 1989 г. начинается разработка стандартов в области водородной энергетики и технологии, для чего в Цюрихе по инициативе Международной организации по стандартам (ISO) создается постоянно действующий международный комитет. Успешно выполняется ряд крупных международных проектов по созданию демонстрационных образцов новой техники в области водородной энерготехнологии. Так в результате выполнения совместно Германо-Саудовского проекта
“HYSOLAR” в 1994 г. в районе Эр Рияда была запущена первая крупная установка по производству водорода с использованием солнечной энергии. В том же году в Европе появляются первые водородные автобусы на топливных элементах, созданные в рамках проекта Euro-Quebec Hydro-Hydrogen Канада — EC). Одним из результатов работ поуже упоминавшемуся Японскому проекту “Sunshine” (с 1993 г. преобразован в коммерческую международную программу WE-NET с бюджетом около 2 млрд долл. США дог) явилось создание на базе компании Tokyo Electric Utility одной из первых в мире электростанций (11 МВт) на топливных элементах.
Существенный вклад в развитие водородной энергетики и технологии в рассматриваемый период внесли многочисленные группы, работавшие в СССР. Их работы координировались Всесоюзной Комиссией по водородной энергетике, созданной по инициативе академика В. А. Легасова, и охватывали практически все направления данной проблемы.
По комплексной программе Водородная энергетика и топливные элементы, которая выполняется институтами РАН и финансируется Норильским никелем, работает и уральская команда из восьми институтов Институт электрофизики (головная организация, Институт высокотемпературной электрохимии, Институт химии твердого тела УрО РАН, Институт химии твердого тела и механохимии, Институт теплофизики, Институт
Водород В энергетике катализа и Институт сильноточной электроники СО РАН Институт физики твердого тела РАН.
В Институте высокотемпературной электрохимии разрабатывается вся гамма электрохимических устройств от электролизёров и конверторов для производства водорода до топливных элементов для получения электроэнергии и тепла. Созданием топливных элементов ИВТЭ занимается с момента его основания, то есть более 50 лет. Пока до внедрения разработок электрохимиков дело не дошло. Во-первых, не так легко найти производство, способное воспринять эти наукоемкие технологии, во-вторых, на это требуются большие средства. Зато сегодня у электрохимиков оказался серьезный задел.
Сотрудники Института химии твердого тела имеют многочисленные разработки функциональных материалов различного назначения, в том числе и представляющих интерес в связи с проблемами водородной энергетики и топливных элементов. Непосредственное использование в ТЭ наиболее широко распространенного в природе топлива — природного газа — довольно затруднительно по многим причинам. Более предпочтительно преобразование (риформинг) природного газа (метана) в так называемый синтез-газ (смесь CO и H
2
), который затем можно либо непосредственно использовать в высокотемпературных твердооксидных ТЭ, либо выделить из него водород для дальнейшего сжигания в низкотемпературных ТЭ.
Другой участник проекта — Институт электрофизики — имеет совсем другое направление исследований — создание нанопорошков. Казалось бы, как это связано с топливными элементами и водородной энергетикой Между тем оптимальный электролит для топливного элемента — это пленка из нанопорошка. Кстати, такие порошки умеют создавать только в России, и все эти проекты выполняются в ИЭФ.
Академические ученые работают по программе около года. По многим направлениям получены неплохие результаты. Руководство Норильского никеля считает, что пора переходить к стадии отбора оптимальных проектов. Сейчас еще трудно оценить, какие подходы перспективные, а какие нет.
Прорывные технологии не создаются за один день и даже за один год. На это нужно время, и попытки искусственно сократить его не дадут результата. Водород и его свойства
П
ервый элемент периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева. Относительная атомная масса 1,0079. Существуют два стабильных изотопа водорода —
1
H (протий) и
2
H (дейтерий, а также один радиоактивный —
3
H (тритий).
В свободном состоянии и при нормальных условиях водород — бесцветный газ, без запаха и вкуса. Обычно существует в комбинации с другими элементами, например, кислорода вводе, углерода в метане ив 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 присоединении 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 даже не нарушается круговорот воды в природе.
Водород — самый распространенный элемент во вселенной (92 %). Он преимущественно составляет межзвездное вещество, формирует основную массу звезд. Наше Солнце, по меньшей мере, наполовину состоит из водорода. Собственно, звезды светят благодаря непрерывному термоядерному сгоранию водорода в их недрах и превращению его в инертный гелий. Своим существованием мы обязаны энергии сгорания водорода на Солнце. И когда запасы солнечного водорода иссякнут, жизнь на Земле станет невозможной и потому, что погаснет наше светило, и потому, что не станет воды. Правда, иссякнут они, по заявлению ученых, лишь через 30 млрд лет.
Открыт водород, несмотря на то, что, можно сказать, является основой основ, был сравнительно недавно. Намного позже, чем, скажем, железо или углерод. Сделал это английский химик Г. Кавендиш в 1766 г. В 1787 г. А. Лавуазье доказал, что водород — химический элемент.
В природе водород встречается преимущественно в связанном виде (вода, минералы, уголь, нефть, живые существа, органические вещества. В свободном виде небольшие количества водорода иногда выбрасываются вул-
Водород В энергетике канами, в результате диффузии рассеиваясь в атмосфере. Атак как средняя скорость теплового движения молекул водорода из-за их малой массы близка ко второй космической, то из слоев атмосферы эти молекулы улетают в космическое пространство.
При обычных условиях водород — газ без цвета и запаха, почтив раз легче воздуха. Обладает очень высокой теплопроводностью, сравнимой с теплопроводностью металлов. Это происходит из-за легкости молекул водорода и, следовательно, большой скорости их движения. Водород хорошо растворяется в некоторых металлах водном объеме палладия, например, растворяется до 900 объемов водорода. В соотношении 2:1 с кислородом образует взрывчатый гремучий газ. Температура сгорания водорода чрезвычайно высока — 2800 о
С. Водород является великолепным восстановителем.
Разнообразны области применения водорода в современной промышленности и народном хозяйстве от производства аммиака, карбамида и метанола до использования в качестве весьма эффективного топлива для ракетных двигателей. С развитием техники и промышленного производства возникают новые области практического использования водорода, и потребность в нем сильно возрастает. Ежегодно она увеличивается во всем мире на 8–10 Быстрый рост производства водорода объясняется в основном развитием таких крупных областей его потребления, как производства аммиака, карбамида и метанола, а также широким применением водорода в нефтехимической промышленности в процессах гидрокрекинга, гидроочистки нефтепродуктов от сернистых загрязнений в связи с необходимостью снижения уровня загрязнения атмосферы оксидами серы и получения различных нефтехимических продуктов. В больших количествах применяется водород в химической промышленности при синтезе аммиака, изготовления соляной и метиловой кислот, получения метилового спирта. В пищевой промышленности его используют для превращения жидких жиров в твердые (их гидрогенизации).
Очень широки возможности использования водорода в металлургии для прямого восстановления железных руда также для интенсификации доменного процесса и снижения расхода кокса в доменных печах. Высказываются предположения, что к концу текущего столетия по потреблению водорода металлургия может сравниться с синтезом аммиака и даже превзойти его. Крупным потребителем водорода может стать микробиологическая промышленность (синтез кормовых белков на основе штаммов бактерий, ассимилирующих водород).
Учитывая невесомость водорода, им заполняли и заполняют оболочки летательных аппаратов легче воздуха. Сначала это были воздушные шары, позднее — аэростаты и дирижабли, сегодня (вместе с гелием) — метеорологические зонды. Высокая температура горения, а в сочетании с электри-

19 3. Водород и его свойства ческой дугой она достигает 4000 о
С, обеспечивает плавление даже самых тугоплавких металлов. Поэтому кислородно-водородные горелки используют для сварки и резки металлов. В цветной металлургии восстановлением водородом получают особо чистые металлы из оксидов. В космической технике как топливо для самых мощных ракет-носителей.
В связи с истощением запасов нефти особое внимание привлекают процессы глубокой переработки тяжелых фракций нефтепродуктов с целью увеличения выхода моторных топлив и нефтехимических продуктов. П этой же причине вероятно развитие процессов переработки углей и сланцев, на что потребуются большие количества водорода.
Интерес к водороду как моторному топливу обусловлен следующими обстоятельствами при сгорании водорода в двигателе образуется практически только вода, ив этом отношении двигатель на водородном топливе является наиболее экологически чистым высокие энергетические свойства водорода — низшая теплота сгорания водорода составляет 120 МДж/кг, что более чем в 4 раза выше по сравнению с бензином (около 25 МДж/кг), те кг водорода эквивалентен почти 4,5 кг бензина практически неограниченная сырьевая база при условии получения водорода из воды.
Использование водорода в качестве моторного топлива для автомобилей может осуществляться по нескольким вариантам применение самого водорода применение водорода совместно с традиционными нефтяными то- пливами;
— использование водорода как топлива в топливных элементах.
В настоящее время мощности по производству водорода в мире оцениваются в 40 млн т/год, при этом более 90 % водорода получают в процессах риформинга и других нефтеперерабатывающих и нефтехимических процессах. Водород вырабатывается также при конверсии природного газа в синтез-газ. Получение водорода электролизом воды в настоящее время — процесс чрезвычайно дорогой, по затратам энергии он практически равен количеству энергии, получаемой при сгорании водорода в двигателе.
Кроме того, следует учитывать способ получения электроэнергии, необходимой для электролиза воды. Если электроэнергия вырабатывается на электростанциях, использующих в качестве топлива природный газ минимальная токсичность дымовых газов) или уголь (максимальная токсичность дымовых газов, то экологичность применения водорода в качестве моторного топлива во многом теряет свои преимущества. Доля электростанций, использующих энергию воды, атомные станции, солнечные батареи в большинстве стран мира не очень велика.
Водород В энергетике
Практически весь вырабатываемый в настоящее время водород используется в различных процессах нефтепереработки (гидроочистка, ги- дроформинг, гидроизомеризация и т. пи нефтехимии (процессы гидри- рования).
При высокой массовой энергоплотности объемная энергоплотность водорода на 15–20 % ниже по сравнению с бензинам. С воздухом водород устойчиво воспламеняется в широком диапазоне концентраций вплоть до
α = 10, что обеспечивает устойчивую работу двигателя на всех скоростных режимах в широком диапазоне изменения состава смеси от
α = 0,2 до α = 5. Критическая степень сжатия при стехиометрическом водородо-воздушном составе смеси не превышает 4,7, что соответствует октановому числу по исследовательскому методу 46 единицам, в то время как при
α = 3,5 степень сжатия достигает 9,4 и октановое число равно 114. Таким образом, при достаточном обеднении смеси возможна бездетонационная работа водородного двигателя в широком диапазоне степеней сжатия.
Высокая температура самовоспламенения водородо-воздушных смесей затрудняет использование этого топлива в дизельных двигателях. Устойчивое воспламенение может быть обеспечено принудительным поджигом от свечи или организацией работы по газодизельному режиму, аналогичному рассмотренному ранее для газового топлива.
Технические трудности при использовании и высокая стоимость водорода привели к тому, что уделяется внимание разработке комбинированного топлива бензин-водород. Высокая активность водорода позволяет обеспечить работу двигателя на обедненных смесях, степень обеднения зависит от количества водорода в смеси Содержание водорода, % масс
0 10 20 40 100
a
1,12 1,67 2,5 3,34 Проведенные испытания показали, что использование бензино-во- дородных смесей позволяет вдвое снизить расход бензина при скорости
90–120 км/ч и на 28 % приезде в городе.
Определенные сложности использования водорода в качестве моторного топлива создает его высокая взрыво-и пожароопасность. Водородо-воздуш- ные смеси имеют широкие диапазоны воспламенения 14–75 % об. и взры- ваемости 18,3–74 %. Однако высокая температура воспламенения (590 °C) и быстрое рассеивание в атмосфере позволяют приравнивать водород по показателям пожаро- и взрывоопасности к природному газу.
В последние годы все большее внимание уделяется разработке и использованию на автомобильном транспорте топливных элементов, топливом для которых служит водород или продукты, способные при переработке выделять водород.

21 3. Водород и его свойства
Еще одна существенная особенность применения водорода связана с возможностью прямого преобразования энергии химической реакции в электричество при его соединении с кислородом в электрохимическом генераторе (ЭХГ) с высоким коэффициентом полезного действия.
Водород применяется также в качестве теплоносителя в системах охлаждения мощных электрических генераторов, в производстве искусственных драгоценных камней и оптического кварца, редких металлов, твердых сплавов, в порошковой металлургии и во многих других отраслях народного хозяйства.

22 4. Получение водорода
В
одород практически не встречается в природе в чистой форме идол- жен извлекаться из других соединений с помощью различных химических методов. Разнообразие способов получения водорода является одним из главных преимуществ водородной энергетики, так как повышает энергетическую безопасность и снижает зависимость от отдельных видов сырья.
К ним относятся паровая конверсия метана и природного газа, газификация угля, электролиз воды, пиролиз, частичное окисление, биотехнологии.
Все методы получения водорода можно разделить на лабораторные и про- мышленные.
В лабораторных условиях
в настоящее время применяется взаимодействие активных металлов с кислотами — неокислителями:
Zn + 2HCl = ZnCl
2
+ H
2
;
— взаимодействие алюминия (или цинка) сводными растворами щелочей+ В промышленности электролиз воды и водных растворов щелочей и солей = 2H
2
+ O
2
, 2NaCl + 2H
2
O = H
2
+ Cl
2
+ 2NaOH;
— пропускание паров воды над раскаленным углем при 1000 о + H
2
O = CO + H
2
;
— паровая и парокислородная конверсия метана + H
2
O = CO + 3H
2
CO + H
2
О=СО
2

2
СН
4

2
=2 СОН. Получение водорода газификация угля + O
2

CO
2
C + 2H
2
O

CO
2
+2H
2
C+H
2
O

CO+H
2
C+CO
2

2CO;
— использование ядерной энергетики использование альтернативных источников энергии.
С развитием производства водорода в крупных масштабах претерпели изменение и методы его получения. Так, железо-паровой процесс, газификация твердого топлива и выделение водорода из образующегося коксового газа уступили место более экономичным новым способам, однако старые методы ив настоящее время продолжают еще применяться в промышленности в небольших масштабах.
К настоящему времени технологии крупномасштабного производства и переработки водорода являются хорошо освоенными (риса) и составляет млн т (увеличивается ежегодно на 10 %). Следует отметить, что только
62 % водорода производят как целевой продукт, остальные
38 % являются побочным продуктом других производств нефтепереработка, коксохимия и т п. К последним также относится почти весь водород, получаемый в настоящее время электролизом производство хлора, хлоратов, перекиси водорода и каустической соды
).
При мировом производстве хлора около 25 млн т в год в качестве побочного продукта получают
0,7 млн т водорода (
7 млрд м 3
) в год. Попутный водород от производства хлора и других электрохимических производств частично используется в промышленности, а частично сжигается в котельных или выбрасывается в атмосферу.
Рассматривается возможность использования полученного таким образом водорода не только в качестве химического сырья для удовлетворения нужд традиционных потребителей водорода, но и для замены природного газа или нефтяных фракций, используемых как энергетическое сырье.
Еще одним источником водорода может явиться его эмиссия из земных недр. По мнению геологов в области так называемого Байкальского рифто- генеза (Тункинская впадина, где земная кора тоньше, кремний-магний-же- лезистые слои, насыщенные водородом, залегают на глубинах всего 4–6 км. На этой глубине электромагнитное зондирование выявило огромную зону с аномально высокой проводимостью. Поэтому предлагалось осуществить глубокое бурение с целью оценить и проверить наличие экологически чистого энергоресурса для получения газообразного водорода.
По мнению автора теории В. Н. Ларина срединные океанские хребты активно «газят» водородом. В Исландии водород в некоторых местах вырыва-
Водород В энергетике ется из-под земли просто со свистом, еще одна из зон близкого залегания слоев металлогидратов — в Израиле, и еще одна — штат Невада в США. То есть, по мнению геологов, в атмосферу Земли непрерывно выделяется огромное количество газообразного водорода без всякого антропогенного вмешательства.
При использовании в дальнейшем водорода-энергоносителя, получение энергии было бы связано с окислением водорода доводы без выделения экологически вредных веществ.
Структура потребления водорода показана на рис,
б
Как видно изданных рисунка, основными потребителями водорода
(95 %) являются химическая промышленность и нефтепереработка
Водород является ключевым элементом в производстве минеральных удобрений получение аммиака. Определяющее значение имеет использование водорода в многочисленных процессах органического синтеза, как в виде метанола, таки непосредственного реагента
Особое место водород занимает в нефтепереработке гидрокрекинг, гидроочистка, способствуя увеличению глубины переработки сырой нефти и повышению качества конечных продуктов углеводородных топлив с повышенной теплотворной способностью и уменьшенными вредными выбросами от их сжигания
Нефть
7 Уголь Электролиз Метанол Космос Другие Нефтепереработка Природный газ %
а
б
Аммиак
50 Рис. 4.1. Структура мирового производства (а) и потребления (б) водорода
Более половины потребляемого в мире водорода на сегодняшний день используется в качестве химического сырья
Косвенное использование остальной части в энергетических целях главным образом относится к обеспечению нагрева для проведения технологических процессов, как правило, с одновременным участием водорода в химических реакциях гидрирование, раскисление и т п. Раскисляющее действие водорода широко применяют в порошковой металлургии, металлообработке, производстве стекла, синтетических рубинов и т п. (в сумме примерно
2 % от общего потребле-

25 4. Получение водорода ния водорода. Применение водорода в микроэлектронике главным образом связано с получением кремния путем восстановления Основным потребителем водорода как топлива является космонавтика Комбинация жидкий водород топливо) — жидкий кислород окислитель обеспечивает максимальное выделение энергии на единицу веса, что является определяющим критерием для аэрокосмических приложений
Следует отметить, что из значительного объема производимого водорода только
5 % в настоящее время является коммерческим продуктом, продаваемым от производителей потребителям
Как правило, крупные потребители водорода сами производят его для собственных нужд, что вызвано экономическими факторами высокие цены на товарный водорода также техническими трудностями обеспечения хранения и транспортировки больших количеств водорода
Мировая торговля водородом ведется в ограниченных масштабах. Она наиболее активна в Западной Европе, где имеется небольшая, но развитая сеть трубопроводов по перекачке водорода между предприятиями по его производству и потреблению. Водород не является биржевым товаром, и говорить о его мировых ценах трудно, поскольку цены при поставках являются контрактными и зависят от многих условий, в том числе — от требуемой чистоты водорода как продукта.
Совершенствование водородных технологий сопряжено с решением трех групп проблем, связанных с разработкой эффективных, экономически выгодных и безопасных процессов и оборудования, обеспечивающих производство водорода, его использование, а также компактное хранение Соответственно, работы в области водородных технологий развиваются преимущественно потрем направлениям производство водорода, хранение и транспортировка водорода, использование водорода
Рассмотрим подробнее основные методы промышленного получения водорода. Для производства водорода необходимо разорвать его химические связи в углеводородах или воде и выделить его из реакционной смеси. Производство водорода из природных топлив
Получение водорода из природных органических топлив в настоящее время является наиболее широко освоенным методом
Основной технологией является паровая конверсия метана
Как видно изданных риса, по указанной технологии получают около
85 % производимого в мире водорода, что обусловлено достаточно высокой более
80 %) эффективностью процесса, его реализацией на уровне крупномасштабного производства, сравнительно невысокой на настоящий момент) стоимостью и отлаженной инфраструктурой транспортировки исходного сырья
В результате стоимость
Водород В энергетике водорода для данной технологии оказывается самой низкой по сравнению со стоимостью водорода, получаемого другими методами
При этом она существенно снижается по мере увеличения производительности. Согласно данным Минэнерго США, в 1995 году стоимость водорода для условий большого завода составляла 7 долл. за гигаджоуль. Это эквивалентно стоимости долл./л бензина при стоимости природного газа 2,30 долл./ги- гаджоуль (80 долл нм 3
).
Паровая конверсия метана (ПКМ)


Поделитесь с Вашими друзьями:
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   16


База данных защищена авторским правом ©nethash.ru 2017
обратиться к администрации

войти | регистрация
    Главная страница


загрузить материал