Оглавление
Оглавление. 2
Введение. 3
1. Методы получения водорода и перспективы его использования в автомобилях 5
1.1 Получение водорода. 5
1.2. Водород в автотранспорте. 6
1.3. Автомобили на водородном топливе. 8
2. Водородная энергетика. 11
2.1. Водородный топливный элемент. 11
2.2. Характеристики водородных энергоустановок. 13
3. Перспективы использования водорода. 15
Заключение. 18
Список литературы.. 19
Введение
Водород (лат. hydrogenium), Н — химический элемент, первый по порядковому номеру в периодической системе Менделеева; атомная масса его составляет 1,00797. При обычных условиях водород — газ; не имеет цвета, запаха и вкуса. Водород — легчайшее из всех известных веществ (в 14,4 раза легче воздуха), плотность его составляет 0,0899 г/л при 0 °С и 1 атм. Водород кипит (сжижается) и плавится (затвердевает) соответственно при –252,6 °С и –259,1 °С (только гелий имеет более низкие температуры плавления и кипения). Удельная теплоемкость водорода при 0 °С и 1 атм равна 14,208 кДж/(кг · К). Водород малорастворим в воде (0,0182 мл/г при 20 °С и 1 атм), но хорошо — во многих металлах (Ni, Pt, Pd и др.), особенно в палладии (850 объемов Н на 1 объем Pd). Жидкий водород очень легок, его плотность при –253 °С равна 0,0708 г/см3.
Термин «водородная энергетика» стал употребляться в литературе в 1970-х годах, в период так называемого энергетического кризиса, когда со всей очевидностью проявилось, что запасы органического топлива (в первую очередь дешевых нефти и газа) на Земле ограничены, а активных поисков альтернативных систем энергообеспечения.
В пользу водорода как универсального топлива и энергоносителя говорят многие обстоятельства:
1. Водород самый простой и легкий из всех химических элементов. Он очень широко распространен в природе и входит в состав многих органических и неорганических соединений. Сырьем для получения водорода может быть обычная вода, запасы которой практически не ограничены. Однако для извлечения водорода в чистом виде из химических соединений первоначально требуется затратить энергию.
2. При сжигании водорода образуется, в основном, водяной пар. Следовательно, этот процесс не вызывает загрязнения окружающей среды. Более того, водяной пар является рабочим телом паротурбинных установок.
3. Водород обладает очень высокой теплотворной способностью: при сжигании 1 г водорода получается 120 Дж тепловой энергии (это в 3 раза больше, чем у нефти, и почти в 4 раза больше, чем у каменного угля).
4. Водород сравнительно легко транспортировать (по трубопроводам), а также хранить и аккумулировать (в газообразном или жидком виде). Это качество водорода чрезвычайно важно по сравнению с электроэнергией, которая после ее получения должна быть немедленно передана потребителю для использования.
5. Водород (и искусственные топлива па его основе) является универсальным энергоресурсом, так как может эффективно использоваться в качестве топлива не только для производства электроэнергии в тепловых циклах различных типов, но и в существующих автомобильных и авиационных двигателях после их относительно небольших переделок.
6. Кроме того, водород широко используется в современной химии, нефтехимии, металлургии и ряде других отраслей промышленности, и потребность в нем непрерывно возрастает. В современной экономике водород является скорее химическим, чем энергетическим сырьем.
Методы получения водорода и перспективы его использования в автомобилях
1.1 Получение водорода
В настоящее время существует много различных методов получения водорода:
· электрохимический метод (электролиз воды, каталитическая конверсия природного газа и др.);
· получение водорода в термохимических циклах (термохимическое разложение воды на водород и кислород, термохимическое разложение йодата калия);
· комбинированные методы;
· фотокаталитические методы;
· получение водорода из сероводорода;
· получение водорода из углеводородного сырья (метод паровой конверсии, метод каталитической конверсии легкого углеводородного сырья и газификации тяжелых нефтяных остатков, плазменный риформинг);
· одноступенчатые методы разложения воды на водород и кислород.
Для промышленного получения водорода основными видами сырья являются природные горючие газы, коксовый газ и газы нефтепереработки, а также продукты газификации твердых и жидких топлив (главным образом угля). Важнейшими способами производства водорода из природного газа являются каталитическое взаимодействие углеводородов, главным образом метана, с водяным паром (конверсия):
CH4+ H2O → CO + 3H2
и неполное окисление углеводородов кислородом:
CH4 + 0,5O2 → CO + 2H2.
Образующаяся окись углерода также подвергается конверсии:
CO + H2O → CO2 + H2.
Водород, добываемый из природного газа, самый дешевый. Очень распространен способ производства водорода из водяного и паровоздушного газов, получаемых газификацией угля.
Самым эффективным с точки зрения объёма полученного водорода на единицу затраченной энергии считается метод паровой конверсии природного газа. Метан соединяют с водяным паром при давлении 2 МПа (около 19 атмосфер, т. е. давление на глубине около 190 м) и температуре около 800 градусов, в результате чего получается конвертированный газ с содержанием водорода 55-75%. Для паровой конверсии необходимы огромные установки, которые могут быть применимы лишь на производстве.
Получение водорода электролизом воды в настоящее время — процесс чрезвычайно дорогой. Однако в этом направлении ведутся постоянные исследования. Например, процесс разложения воды, используемый при производстве водорода, может быть ускорен за счет уникальных каталитических свойств углеродных нанотрубок. Кроме того, следует учитывать способ получения электроэнергии, необходимой для электролиза воды. Если электроэнергия вырабатывается на электростанциях, использующих в качестве топлива природный газ или уголь, то экологичность применения водорода в качестве моторного топлива во многом теряет свои преимущества. Логичнее в качестве источника энергии для получения водорода использовать возобновляемый источник. Таким источником может быть энергия ветра, солнца и т.п.
Мощности по производству водорода в мире оцениваются в 40 млн т в год. Практически весь вырабатываемый в настоящее время водород используется в различных процессах нефтепереработки и нефтехимии.
1.2. Водород в автотранспорте
Один из путей постепенного внедрения водорода на автотранспорте — применение двухтопливного двигателя внутреннего сгорания (водород — бензин, водород — метан).
Перспективность применения водорода для автомобильных двигателей определяется прежде всего экологической чистотой, неограниченностью и возобновляемостью сырьевых запасов, относительно низкими затратами на транспортировку и, наконец, уникальными моторными свойствами, что открывает возможности его широкого применения как в современных автомобильных двигателях без их коренной перестройки, так и в принципиально новых транспортных энергоустановках с прямым преобразованием энергии типа электрохимических генераторов тока.
Использование водорода в качестве топлива для автомобильных двигателей связано с довольно обширным кругом вопросов:
· разработка наиболее эффективных способов преобразования химической энергии водорода в энергию движения автомобиля;
· разработка безопасных и эффективных способов хранения водорода на борту автомобиля;
· решение ряда самостоятельных вопросов, прямо не связанных с автомобилями, но без учета которых идея перехода на водород неосуществима. Это проблемы получения водорода в необходимых количествах, его транспортировки и хранения, создания инфраструктуры, обеспечивающей эксплуатацию автомобильного транспорта на водороде.
Использование водорода в качестве моторного топлива для автомобилей может осуществляться путем применения:
· самого водорода;
· водорода совместно с традиционными нефтяными топливами;
· водорода как топлива в топливных элементах.
Водородное топливо имеет ряд особенностей:
· Теплоотдача водорода на 250% выше, чем у топливно-воздушной смеси.
· После сжигания водородной смеси на выходе образуется только пар.
· Реакция воспламенения происходит быстрее, чем с другими видами топлива.
· Благодаря детонационной устойчивости, удается поднять степень сжатия.
· Хранение такого топлива происходит в жидкой или сжатой форме. В случае пробоя бака водород испаряется.
· Нижний уровень пропорции газа для вхождения в реакцию с кислородом составляет 4%. Благодаря этой особенности, удается настроить режимы работы двигателя путем дозирования консистенции.
· КПД водородного двигателя достигает 90 процентов. Для сравнения, дизельный мотор имеет коэффициент полезного действия на уровне 50%, а обычный ДВС — 35%.
· Водород — летучий газ, поэтому он попадает в мельчайшие зазоры и полости. По этой причине немногие металлы способны перенести его разрушительное влияние.
· Возникает меньший уровень шума при работе двигателя.
1.3. Автомобили на водородном топливе
Автомобили с двигателями, работающими на водороде, делятся на несколько групп:
· Транспортные средства, работающие на чистом водороде или топливно-воздушной смеси. Особенность таких двигателей заключается в чистом выхлопе и увеличении КПД до 90%.
· Машины с гибридным двигателем. Они обладают экономичным мотором, способным работать на чистом водороде или бензиновой смеси. Такие транспортные средства соответствуют стандарту Евро-4.
· Автомобили со встроенным электродвигателем, питающим водородный элемент на борту транспортного средства.
Концерн БМВ представил свой вариант автомобиля Hydrogen. Новая модель протестирована известными деятелями культуры, бизнесменами, политиками и другими популярными личностями. Испытания показали, что переход на новое топливо не влияет на комфортабельность, безопасность и динамику транспортного средства. При необходимости виды горючего можно переключать с одного на другой. Скорость Hydrogen7 — до 229 км/час.
Honda Clarity — автомобиль от концерна Хонда, который поражает запасом хода. Он составляет 589 км, чем не может похвастаться ни одно транспортное средство с низким уровнем выбросов. На дозаправку уходит от трех до пяти минут.
Home Energy Station III — это компактный блок, включающий в себя топливные элементы, баллон для хранения водорода и риформер природного газа, извлекающий H2 из газовой трубы.
Метан из бытовой сети превращается этим аппаратом в водород. А он - в электричество для дома (так же можно заправлять автомобили). Мощность топливных элементов в Home Energy Station составляет 5 киловатт. Кроме того, встроенные баллоны с газом служат своеобразными аккумуляторами энергии. Станция использует этот водород при пике нагрузки на домашнюю электросеть. Вырабатывает 5 кВт электроэнергии и до 2 м3 водорода в час.
Рис.1. Home Energy Station
К недостаткам водородомобилей можно отнести:
· громоздкость силовой установки при использовании топливных элементов, снижающей маневренность автомобиля;
· пока высокую стоимость самих водородных элементов из-за входящих в их состав палладия или платины;
· несовершенство конструкции и неопределённость в материале изготовления баков для топлива не позволяющих долго хранить водород;
· отсутствие заправок водородом, инфраструктура которых очень слабо развита во всём мире.
По мере серийного производства большинство этих конструктивных и технологических недостатков будут преодолены, а по мере развития добычи водорода, как полезного ископаемого, и сети заправок, существенно понизится его стоимость.
Водородная энергетика
2.1. Водородный топливный элемент
Первый водородный топливный элемент был сконструирован английским ученым Уильямом Гроувом в 30-х годах XIX века. Гроув пытался осадить медь из водного раствора сульфата меди на железную поверхность и заметил, что под действием электрического тока вода распадается на водород и кислород. После этого открытия Гроув и работавший параллельно с ним Кристиан Шенбейн продемонстрировали возможность производства энергии в водородно-кислородном топливном элементе с использованием кислотного электролита.
В 60-е годы ХХ в. были созданы топливные элементы мощностью до 1 кВт
для программ «Джемин» и «Аполлон», в 70–80-е годы — 10-киловаттные
топливные элементы для «Шаттла». У нас такие установки разрабатывались для программы «Буран» в НПО «Энергия», которое выступало координатором всей программы, но сами щелочные топливные элементы создавались в Новоуральске на электрохимическом комбинате. В те же годы построены электростанции мощностью порядка 100 кВт на фосфорнокислотных топливных элементах. В Японии и США имеются опытные 10-мегаваттные электростанции.
Топливный элемент — гальваническая ячейка, вырабатывающая электроэнергию за счет окислительно-восстановительных превращений реагентов, поступающих извне. При работе топливного элемента электролит и электроды не расходуются, не претерпевают каких-либо изменений.
В нем химическая энергия топлива непосредственно превращается в электроэнергию
Сейчас топливный элемент на водороде напоминает традиционный гальванический элемент с одной лишь разницей: вещество для реакции не хранится в элементе, а постоянно поставляется извне. Просачиваясь через пористый анод, водород теряет электроны, которые уходят в электрическую цепь, а сквозь мембрану проходят катионы водорода. Далее на катоде кислород ловит протон и внешний электрон, в результате чего образуется вода.
Принцип работы водородного топливного элемента.
Рис.2. Принцип работы водородного топливного элемента
С одной топливной ячейки снимается напряжение порядка 0,7 В, поэтому ячейки объединяют в массивные топливные элементы с приемлемым выходным напряжением и током. Теоретическое напряжение с водородного элемента может достигать 1,23 В, но часть энергии уходит в тепло.
С точки зрения «зеленой» энергетики у водородных топливных элементов крайне высокий КПД — 60%. Для сравнения: КПД лучших двигателей внутреннего сгорания составляет 35-40%. Для солнечных электростанций коэффициент составляет всего 15-20%, но сильно зависит от погодных условий. КПД лучших крыльчатых ветряных электростанций доходит до 40%, что сравнимо с парогенераторами, но ветряки также требуют подходящих погодных условий и дорогого обслуживания.
Как мы видим, по этому параметру водородная энергетика является наиболее привлекательным источником энергии, но все же существует ряд проблем, мешающих ее массовому применению. Самая главная из них — процесс добычи водорода.
2.2. Характеристики водородных энергоустановок
Создание топливных элементов высокой мощности наталкивается на множество препятствий, связанных с трудностью масштабирования технологии. Существует фундаментальное ограничение на рост мощности ТЭ, вызванное тем, что перенос энергии через электролит связано с процессами диффузии. Таким образом, рост мощности приводит к резкому увеличению площади поверхности электродов и мембран, что катастрофически увеличивает материалоемкость, сложность и снижает надежность энергоустановок. Таких ограничений не возникает при использовании водорода в паросиловом цикле. Получение пара в водородо-кислородных парогенераторах не только повышать компактность и маневренность энергоустановок, но и способствует росту КПД за счет использования высокотемпературного пара, в то время как КПД топливных элементов с ростом температуры падает.
В качестве базовых принципов для разработки водородо-кислородных парогенераторов и парогенераторов используются технологии ракетостроения и газотурбостроения, являющиеся хорошо развитыми на данный момент в ряде стран. В частности, экспериментальные образцы с использованием ракетных технологий созданы в России и Германии, а с использованием газотурбинных технологий в Японии.
Основными особенностями экспериментальных образцов являются:
– высокая удельная мощность, достигающая 100 МВт/м3;
– низкое содержание недогоревших компонентов водорода и кислорода на выходе (менее 2 % (об.);
– широкий диапазон мощности созданных экспериментальных моделей (от 20 кВт (т) до 40 МВт (т));
– минимальное время запуска и выхода на рабочий режим (менее 10 сек);
– использование в качестве охладителя и балластировочного компонента – воды;
– возможность работы как на газообразных, так и на жидких компонентах окислителя.
Преимущества водородо-кислородных парогенераторов перед традиционными представлены в таблице 1.
Таблица 4 - Сравнение характеристик водородо-кислородных и традиционных парогенераторов мегаваттного класса
| Водородо-кислородные | Традиционные (нефть, газ, уголь) | |
| Макс. температура | 1000-1700 °C | 500-600 °C |
| Теплообмен | смешиванием | через стенку |
| КПД | 98-99,5% | 90-94 % |
| Удельная мощность | > 2000 МВт/м | < 0.2 МВт/м3 |
| Материалоемкость | < 2 кг/МВт | > 2000 кг/МВт |
| Время старта | < 5 сек | часы |
| Загрязнение | Нет | CO2, NOx, SOx и т.д. |