Главная » Реферат » Водородная энергетика реферат

Водородная энергетика. Водородная энергетика реферат


Реферат Технология Водородная энергетика

Министерство образования Российской Федерации Южно-Российский государственный технический Университет (Новочеркасский политехнический институт) Волгодонский институт Специальность: Котло-и реакторостроение Кафедра: ТЭТиО Факультет: Энергетических технологий РЕФЕРАТ по «Введение в специальность» На тему Водородная энергетика Выполнил студент: гр. КР-02-Д2 Савочкин А.С. Проверил преподаватель: Бубликов И. А. Волгодонск 2004 Водородная энергетика. В последние десятилетие стало совершенно очевидным, что дальнейшее интенсивное развитие современной энергетики и транспорта ведет человечество к крупномасштабному экологическому кризису. Стремительное сокращение запасов ископаемого топлива будет принуждать индустриально развитые страны расширять сеть атомных энергоустановок, которые во все возрастающей степени станут повышать опасность их эксплуатации. Резко обострится проблема утилизации радиоактивных отходов. Учитывая эту тревожную тенденцию, многие ученые и практики определенно высказываются в пользу ускоренного поиска альтернативных нетрадиционных источников энергии. В частности, их взоры обращаются к водороду, запасы которого водах Мирового океана неисчерпаемы. К тому же неоспоримым достоинством этого топлива являются относительная экологическая безопасность его использования, приемлемость для тепловых двигателей без существенного изменения их конструкции, высокая калорийность, возможность долговременного хранения, транспортировки по существующей транспортной сети, нетоксичность и т.д. Однако существенной непреодоленной проблемой до сегодняшнего дня остается неэкономичность его промышленного производства. Более 600 фирм, компаний, концернов, университетских лабораторий и общественных научно-технических объединений Западной Европы, США, Австралии, Канады и Японии усиленно работают над удешевлением водорода. Успешное решение этой важнейшей задачи революционным образом изменит всю мировую экономику и оздоровит окружающую среду. Есть целый ряд известных способов разложения воды: химический, термохимический, электролиз и др., но все они обладают одним и тем же крупным недостатком - в технологическом процессе получения водорода используется высокопотенциальная энергия, на получение которой в свою очередь затрачивается дефицитное ископаемое топливо (уголь, природный газ, нефтепродукты) или электроэнергия, вырабатываемая на электростанциях. Такое производство водорода, естественно, всегда будет оставаться неэкономичным и экологически опасным, а, следовательно, бесперспективным. Вместе с тем наша планета в буквальном смысле слова купается в потоке тепловой энергии, поступающей от Солнца, из земных недр и от хозяйственной деятельности человека. Вся проблема сводится лишь к тому как “вписать” этот неиссякаемый источник низкопотенциального тепла в промышленную технологию получения водорода из воды. Поэтому встает вопрос о концентрации низкопотенциальной энергии до необходимых термодинамических параметров. Традиционно он решается применением оптических концентраторов инфракрасного излучения Солнца (собирающие линзы, зеркала и т.п.) или использованием тепловых насосов, обычно, когда термический потенциал весьма незначителен, например, в случае отбора тепла из окружающей воздушной или водной среды. Первое из названных технических решений очень сильно зависит от климатических и масштабных факторов, нестабильно во времени, а поэтому не нашло широкого применения. Второе решение в меньшей степени подвержено влиянию этих факторов, но не обеспечивает достаточно высокой степени концентрации (обычно не более 7-10 раз), что на практике не позволяет сконцентрированное таким способом рассеянное тепло непосредственно с успехом использовать в процессе разложения воды. Казалось бы, перспективное на первый взгляд направление развития энергетики просто неосуществимо. Однако это не так. Такая возможность существует. Решение проблемы становится очевидным, если процесс электролиза водного раствора электролита и последующее сжигание полученных водорода и кислорода рассматривать как единый замкнутый термодинамический цикл теплового насоса. Как известно причина расточительной затраты электроэнергии при классическом электролизе кроется в том, что она используется на преодоление сил гидратных связей ионов с молекулами воды и компенсацию эндотермического эффекта реакции ее разложения. Поэтому для обеспечения восстановления ионов на соответствующих электродах необходимо приложить большее напряжение, чем в случае, когда не проявлялась бы это физическое явление. По этой и другим причинам затраты электроэнергии на выработку одного кубометра водорода с учетом перенапряжения при традиционном электролизе в промышленных условиях составляют 18-21,6 МДж, а общий расход энергии (с учетом производства самой электроэнергии) превышает 50 МДж, что делает водород недопустимо дорогим. Электроводородный генератор (ЭВГ) В результате проведенных работ изобретено и патентуется по системе РСТ (международная заявка RU98/00190 от 07.10.97 г.) простое высокопроизводительное устройство для разложения воды и производства из нее беспрецедентно дешевого водорода методом гравитационного электролиза раствора электролита, получившее название “электроводородный генератор (ЭВГ)”. Он приводится в действие механическим приводом и работает при обычной температуре в режиме теплового насоса, поглощая через свой теплообменник необходимое при этом тепло из окружающей среды или утилизируя теплопотери промышленных или транспортных энергоустановок. В процессе разложения воды подведенная к приводу ЭВГ избыточная механическая энергия может быть на 80 % преобразована в электроэнергию, которая затем используется любым потребителем на нужды полезной внешней нагрузки. При этом на каждую единицу затраченный мощности привода генератором в зависимости от заданного режима работы поглощается от 20 до 88 энергетических единиц низкопотенциального тепла, что собственно и компенсирует отрицательный термический эффект химической реакции разложения воды. Один кубический метр условного рабочего объема генератора, работающего в оптимальном режиме с КПД 86-98 %, способен за секунду произвести 3,5 м 3 водорода и одновременно около 2,2 МДж постоянного электрического тока. Единичная тепловая мощность ЭВГ в зависимости от решаемой технической задачи может варьироваться от нескольких десятков ватт до 1000 МВт. Расчетный удельный расход энергии на производство газообразного водорода составляет 14,42 МДж?м-3. Стоимость его производства (0,0038 $/ м3) становится в 1,5-2 раза ниже суммарной стоимости добычи и транспортировки природного газа. Широкий диапазон регулирования и неординарные удельные показатели процесса позволяют с гарантированным успехом применить изобретение в большой и малой энергетике, на всех видах транспорта, в сельском и коммунальном хозяйствах, в химической, цементной, целлюлозно-бумажной, холодильной, атомной и космической промышленности, цветной и черной металлургии, при опреснении морской воды, проведении сварочных работ и т. д.. Физическая сущность рабочего процесса ЭВГ весьма проста и является логическим развитием известных физических опытов Толмена и Стюарта, осуществленных ими в 1916 году. Известно, что электролит при растворении диссоциирует на ионы, которые гидратируются молекулами воды. В результате вокруг них образуются гидратные оболочки различной прочности. Энергия взаимодействия гидратированных разноименных ионов друг с другом резко уменьшается и становится близкой энергии броуновского движения молекул воды. Если концентрированный раствор диссоциированного электролита, имеющего значительную разницу масс аниона и катиона, поместить в сильное искусственное гравитационное (инерционное) поле, например, вращать его в емкости ЭВГ (расчетная частота вращения для различных электролитов и параметров устройства 1500-25000 об/мин), то ионы будут отчасти сепарироваться/ Тяжелые ионы, воздействуя друг на друга своим электрическим полем, сместятся к периферии емкости. Крайние прижмутся к ее внутренней поверхности и создадут пространственный концентрационный электрический потенциал. При этом результирующая центробежная сила, действующая на прижатые к аноду ионы (анионы) разрушит их гидратные оболочки, как наиболее слабые. Легкие ионы менее отзывчивы к гравитации и окружены более прочными оболочками, поэтому не могут отдать тяжелым ионам свои молекулы гидратной воды. В силу этих обстоятельств они сосредоточатся над тяжелыми ионами и в области оси вращения (у катода), образуя электрический потенциал противоположного знака. Свободные электроны в аноде под действием пространственного (объемного) заряда анионов переместятся на катод (свойство цилиндра Фарадея). При достижении необходимой минимальной (пороговой) частоты вращения емкости с данным электролитом и принятыми конструктивными параметрами устройства, т.е. критической величины электрических потенциалов на электродах, равновесие зарядов нарушится. Электроны выйдут из катода и ионизируют молекулы гидратных оболочек, а те передадут заряды катионам. Иначе. говоря, как бы произойдет пробой своеобразного электролитического конденсатора и начнется разряд ионов с образованием на катоде свободного водорода, а на аноде кислорода и анодных газов (осадка). Напряжение электрического тока будет зависеть от разности скоростей химических реакций на катоде и аноде. Таким образом, вследствие действия физического принципа обратимости энергии гравитационное поле породит энергетически адекватное ему электрическое поле, которое преодолеет энергию гидратации и осуществит электролиз. Этот процесс протекает с поглощением раствором через теплообменник теплоты и требует постоянного разбавления его водой до начальной концентрации. Его принципиальная энергетическая схема во многом схожа со схемой традиционного электролиза, но в ней не применяется внешний дорогостоящий электрический ток, а используется более дешевая теплота окружающей среды или иных источников. Здесь следует отметить четыре весьма существенные особенности гравитационного электролиза. Во-первых, работа механического инерционного поля, затрачиваемая им на осаждение молекул воды, легких и особенно тяжелых ионов, практически полностью восполняется кинетической энергией всплывающих к оси емкости водорода, кислорода и анодных газов, поскольку их плотность меньше, чем плотность раствора. В результате сумма моментов количества движения начальных и конечных продуктов электролиза становится близкой нулю, т.е. механическая работа в растворе почти не производится. Она в ЭВГ затрачивается в основном только на его приводе против сил трения. Анодный осадок и всплывшие газы вступают во вторичные химические реакции с водой и кислородом, образуя исходный состав раствора. Во-вторых, интенсивное самоохлаждение раствора обеспечивает условия для поглощения им тепла из окружающей среды или от других источников на компенсацию эндотермического эффекта реакции разложения воды, т.е. работу в режиме высокоэффективного теплового насоса. В-третьих, он способен вырабатывать постоянный электрический ток на внешней нагрузке в том случае, если частота вращения емкости будет больше минимально необходимой (пороговой). Тогда ЭВГ проявляет свойства электрогенератора с вольтамперной характеристикой конденсаторного типа (напряжение на зажимах прямо пропорционально внешней нагрузке). В-четвертых, ЭВГ одновременно в одном аппарате совмещает и выполняет функции сразу двух устройств - электрогенератора постоянного тока и электролизера. Все эти особенности обеспечивают гравитационному электролизу несравненно более высокую эффективность преобразования теплоты в химическую энергию восстановленных из воды водорода и кислорода, а, следовательно, большую экономичность. Перспективы ЭВГ Электроводородный генератор конструктивно прост, органично вписывается в компоновку различных силовых двигательных установок транспортных средств, например, автомобиля, автобуса, сельхозмашины или трактора и хорошо с ними агрегатируется, особенно с тепловыми турбинами. При этом наряду с решением основной технико-экономической задачи, обусловленной двукратным повышением топливной экономичности за счет полезного использования теплопотерь ДВС, а в результате снижения его токсичности и увеличения общего КПД до 68-70 % , создается предпосылка для создания уже в ближайшем будущем принципиально нового, более совершенного транспортного средства - массового электромобиля с большим запасом хода, работающим на тепломеханическом источнике тока. Внедрение ЭВГ в качестве утилизатора тепла на многочисленных компрессорных станциях магистральных газопроводов позволит повысить в 2-2,5 раза топливную экономичность турбоагрегатов за счет использования их теплопотерь и выделяющейся теплоты при компрессии природного газа на выработку водорода, которым можно на 60 % восполнить расход углеводородного топлива и тем самым обеспечить его ощутимую экономию, т.е. увеличить объем продажи без приращения добычи. Многообещающей представляется идея охлаждения с помощью ЭВГ транспортируемого природного газа до минусовой температуры. Это позволит применить элеваторный (газостати-ческий) принцип создания дополнительного избыточного давления в магистрали (приблизительно на 6-8 %), а также увеличить пропускную способность и срок службы трубопровода. Извлеченная из природного газа теплота может быть преобразована и использована на нужды хозяйственных объектов, расположенных вдоль трассы газопровода. Энергетические преимущества такого способа очевидны, особенно в горных условиях прокладки газопровода. Оснащение приводов буровой и дорожно-строительной техники, различных самоходных машин ЭВГ снизит в 1,7-2 раза потребление дизельного или газообразного топлива, что повлечет за собой уменьшение себестоимости газодобычи. Перевод железнодорожного транспорта на тепловозную тягу с применением ЭВГ сулит резкое снижение эксплуатационных издержек на техническом обслуживании электрических сетей и существенную экономию электроэнергии. ЭВГ на морских и речных судах может использовать тепло забортной воды, что даст возможность заменить атомные энергоустановки, многократно сократить запасы перевозимого углеводородного топлива, а тем самым повысить полезную грузоподъемность и экологическую безопасность эксплуатации судов при фактически неограниченной автономности плавания. Наряду с этим вместо традиционного винта может осуществляться непосредственное прямое преобразование химической энергии сжигаемых водорода и кислорода в механическую кинетическую энергию в прямоточных реактивных водометных движителях, что упростит конструкцию главного двигателя судна. Плавающие мобильные электрогазогенераторные станции смогут снабжать фактически даровой тепловой и электрической энергией крупные прибрежные населенные пункты, промышленные или сельскохозяйственные объекты. Расчетная стоимость производства МДж тепла в российских условиях при этом составит 0,027-0,04 цента США, а электроэнергии 0,08-0,11 цента. Схема применения ЭВГ на воздушных судах вместе с теплообменниками, осуществляющими энергетическую связь между ними и турбинными двигателями, дополнительно должна содержать бортовой конденсатор водяного пара вспомогательных газовых турбовинтовых ДВС, работающих на чистой водородно- кислородной смеси, что даст возможность многократно использовать минимальный запас оборотной воды в замкнутом цикле, а также в достатке обеспечить транспортное средство электроэнергией. Такое конструктивное решение повлечет за собой снижение полетного веса за счет уменьшения запаса топлива, а, следовательно, увеличит грузоподъемность самолета в зависимости от его класса и дальности полета на несколько десятков тонн, что резко сократит себестоимость перевозок. На космических станциях ЭВГ может заменить гироскопы и традиционные солнечные батареи, а также обеспечить ориентационные двигатели эффективным, многократно более дешевым и безопасным топливом. Утилизация избыточного тепла в угольных шахтах ликвидирует острую проблему безопасности угледобычи, а подземное выжигание остатков угля неперспективных шахт и использование полученного тепла на производство водородного топлива и электроэнергии решит социальные проблемы угледобывающих регионов. Различные модификации мощностного ряда ЭВГ могут найти свое применение в малой стационарной и мобильной энергетике, особенно в сфере энергообеспечения удаленных поселений, промышленных объектов, экспедиций, фермерских хозяйств, сушилок, тепличных комплексов и т.д. В последнем случае станет возможным круглогодичное валовое производство дешевой растениеводческой продукции в районах с холодным климатом. Энергетическим источником для ЭВГ при этом может служить теплота любых водоемов, промышленных и бытовых стоков, от сжигания мусора и органических отходов, наружного или внутреннего воздуха (например, метрополитена, шахт, жилых и общественных зданий), различных промышленных паров и газов, в том числе в металлургии, химии и теплоэнергетике, компостных ям в сельском хозяйстве, а также солнечная, ветровая и геотермальная энергия. Применение изобретения на действующих тепловых и атомных электростанциях существенно повысит их рентабельность за счет полезного использования теплопотерь. Существует реальная возможность перевода тепловых станций на использование в качестве топлива водорода, полученного при преобразовании теплоты близлежащих водоемов. В этом случае себестоимость производства электроэнергии снизится в 1,5 раза. В черной металлургии водород заменит дорогостоящий и дефицитный кокс, позволит вести более эффективный внедоменный процесс получения стали, отапливать печи и применять в конвекторах побочно выделяющийся при разложении воды кислород, а не производить его для этой цели специально. При этом трубы металлургических заводов прекратят выбрасывать в атмосферу сотни тысяч тонн углекислоты. Особый интерес изобретение представляет для специалистов, занимающихся проблемами сепарации различных неорганических веществ, например, обогащением урана. Предлагаемый способ позволяет просто и эффективно непрерывно разделять изотопы U235 и U238 , одновременно выделяя их из водного раствора в виде металлического порошка, то есть объединить эти два различных процесса в одном высокопроизводительном малогабаритном аппарате. Простота конструкции ЭВГ для промышленных предприятий дает возможность в течение нескольких месяцев освоить серийный выпуск некоторых наиболее простых модификаций генератора для нужд малой энергетики без особых организационно- технических усилий и значительных капиталовложений. Модернизация действующего грузового автомобильного и автобусного парков в стране может являться первым этапом широкомасштабного внедрения изобретения на транспорте. Несколько больших затрат средств и времени потребуется на разработку ЭВГ для других видов транспорта и мощных энергетических комплексов, но и конечные качественные результаты будут здесь несопоставимо выше. При серийном выпуске генератора в специфичных российских условиях себестоимость производства этого изделия оценивается порядка 15-25 $/кВт тепловой мощности. Расчетная рентабельность капиталовложений в освоение новации составляет более 60 % при сроке окупаемости менее 1,5 лет. Годовой экономический эффект применения генератора в среднем порядка 40-60 долл. на киловатт его тепловой мощности. Кроме того, промышленная продукция, включающая в себя ЭВГ, повышает экспортные возможности предприятий-производителей. Первоначальные затраты на изготовление действующего макета ЭВГ даже при накладных расходах предприятия 1200-1500 % не превышают 6000$. *** 1) Q + C + SiO2 → Si + CO2 ↑ + H 2O — восстановление кремния углеродом 2) Si + 2h3O → SiO2 + 2h3↑ + Q — получение водорода 3) 2h3 + O2 → 2h3O + 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. Использование кремния в качестве топлива для транспортных двигателей 1. Реактор 2. Поршневой двигатель внутреннего сгорания 3. Конденсатор 4. Радиатор охлаждения 5. Побудитель расхода 6. Побудитель расхода 7. Побудитель расхода 8. Охладитель кремния

works.tarefer.ru

Водородная энергетика

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Глава 1. Перспективы применения водорода

Глава 2. Свойства водорода

Глава 3. Концепция энергоаккумулирующих веществ

Глава 4. Производство водорода

Глава 5. Потенциал применения водорода

Заключение

Литература

Введение

Сегодня многие передовые в экономическом отношении страны все более пристально рассматривают водород не только в упомянутых сферах его традиционного применения, но и как основу энергетики завтрашнего дня. На фоне катастрофического ухудшения экологического состояния планеты и истощения ресурсов углеводородного сырья, заманчиво использовать водород как абсолютно безвредное топливо для средств транспорта, обогрева жилищ в удаленных регионах, в автономных и стационарных источниках вторичной энергии. При этом наиболее заманчивым методом получения водорода является электролиз воды. Ведь сгорая, водород опять даст ту же воду. Поистине неисчерпаемый источник горючего! Но здесь встает другая проблема: для электролиза требуется электричество, а его получение из возобновляемых источников составляет сегодня ничтожную долю от общих объемов производства электроэнергии. И здесь вспомним про наше Солнце и другие звезды. Термоядерная реакция и вновь водород. Человек уже создал термоядерную (водородную) бомбу. Но в ней чудовищная по масштабам Земли энергия высвобождается в доли секунды, принося разрушения и смерть. На Солнце реакция идет миллиарды лет медленно и стабильно, принося жизнь и тепло. Ученые бьются над проблемой обуздания термояда, и не за горами то время, когда управляемая термоядерная энергия вкупе с экологически безопасным топливом навсегда избавит нас от опасений о конечности энергетических ресурсов нашей планеты и гибели окружающей среды.

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.

www.coolreferat.com

Реферат Водородная энергетика

скачать

Реферат на тему:

План:

Введение

Водородная энергетика — развивающаяся отрасль энергетики, направление выработки и потребления энергии человечеством, основанное на использовании водорода в качестве средства для аккумулирования, транспортировки и потребления энергии людьми, транспортной инфраструктурой и различными производственными направлениями. Водород выбран как наиболее распространенный элемент на поверхности земли и в космосе, теплота сгорания водорода наиболее высока, а продуктом сгорания в кислороде является вода (которая вновь вводится в оборот водородной энергетики). Водородная энергетика относится к нетрадиционным видам энергетики.

1. Производство водорода

В настоящее время существует множество методов промышленного производства водорода. Все цены приведены для США, 2004 год.

1.1. Паровая конверсия природного газа / метана

В настоящее время данным способом производится примерно половина всего водорода. Водяной пар при температуре 700—1000 °C смешивается с метаном под давлением в присутствии катализатора. Себестоимость процесса $2–5 за килограмм водорода. В будущем возможно снижение цены до $2–2,50, включая доставку и хранение.

1.2. Газификация угля

Старейший способ получения водорода. Уголь нагревают с водяным паром при температуре 800—1300 °C без доступа воздуха. Первый газогенератор был построен в Великобритании в 40-х годах XIX века. США предполагают построить электростанцию по проекту FutureGen, которая будет работать на продуктах газификации угля. Впервые о планах подобного строительства заявил еще в 2003 году министр энергетики США Спенсер Абрахам. Электричество будут вырабатывать топливные элементы, используя в качестве горючего водород, получающийся в процессе газификации угля.

В декабре 2007 года была определена площадка для строительства первой пилотной электростанции проекта FutureGen. В Иллинойсе будет построена электростанция мощностью 275 МВт. Общая стоимость проекта $1,2 млрд. На электростанции будет улавливаться и храниться до 90 % СО2.

Аналогичный проект под названием «GreenGen» создан в Китае. Строительство первой очереди электростанции мощностью 250 МВт начнётся в 2008 году. Общая мощность электростанции составит 650 МВт.

Себестоимость процесса $2–2,5 за килограмм водорода. В будущем возможно снижение цены до $1,50, включая доставку и хранение.

1.3. Используя атомную энергию

Использование атомной энергии для производства водорода возможно в различных процессах: химических, электролиз воды, высокотемпературный электролиз. Себестоимость процесса $2,33 за килограмм водорода. Ведутся работы по созданию атомных электростанций следующего поколения. Исследовательская лаборатория INEEL (Idaho National Engineering Environmental Laboratory) (США) прогнозирует, что один энергоблок атомной электростанции следующего поколения будет производить ежедневно водород, эквивалентный 750 тыс. литров бензина.

1.4. Электролиз воды

2h3O+энергия = 2h3+O2. Обратная реакция происходит в топливном элементе. Себестоимость процесса $6–7 за килограмм водорода при использовании электричества из промышленной сети. В будущем возможно снижение до $4 за килограмм.

$7–11 за килограмм водорода при использовании электричества, получаемого от ветрогенераторов. В будущем возможно снижение до $3 за килограмм.

$10–30 за килограмм водорода при использовании солнечной энергии. В будущем возможно снижение до $3–4 за килограмм.

1.5. Водород из биомассы

Водород из биомассы получается термохимическим или биохимическим способом. При термохимическом методе биомассу нагревают без доступа кислорода до температуры 500—800 °C (для отходов древесины), что намного ниже температуры процесса газификации угля. В результате процесса выделяется h3, CO и Ch5.

Себестоимость процесса $5–7 за килограмм водорода. В будущем возможно снижение до $1,0—3,0.

В биохимическом процессе водород вырабатывают различные бактерии, например, Rodobacter speriodes.

Снижение цены водорода возможно при строительстве инфраструктуры по доставке и хранению водорода. В США действует 750 километров, а в Европе — 1500 километров водородных трубопроводных систем. Трубопроводы действуют при давлении 10—20 бар, изготовлены из стальных труб диаметром 25—30 см. Старейший водородный трубопровод действует в районе германского Рура. 210 километров трубопровода соединяют 18 производителей и потребителей водорода. Трубопровод действует более 50 лет без аварий. Самый длинный трубопровод длиной 400 километров проложен между Францией и Бельгией.

После небольших изменений водород может передаваться по существующим газопроводам природного газа.

Водород в настоящее время, в основном, применяется в технологических процессах производства бензина и для производства аммиака. США ежегодно производят около 11 миллионов тонн водорода, что достаточно для годового потребления примерно 35—40 миллионов автомобилей.

Департамент Энергетики США (DoE) прогнозирует, что стоимость водорода сравняется со стоимостью бензина к 2015 году.

2. Малые стационарные приложения

Производство электрической и тепловой энергии в топливных элементах мощностью от 0,75 кВт до 10 кВт.

Домашние энергетические станции имеют мощность 0,75—1 кВт, предназначены для выработки электроэнергии в течение 8 часов в сутки и выработки тепла и горячей воды 24 часа в сутки. Установки мощностью 5 кВт предназначаются для нескольких коттеджей. Они зачастую предназначаются только для выработки электроэнергии.

Популярность малых домашних комбинированных (электричество + тепло) установок связана с тем, что они имеют высокий КПД, малые выбросы СО2, легко могут быть встроены в существующую инфраструктуру. Такая энергетическая установка занимает размер не больше домашнего бойлера, может работать на природном газе.

В 2005 году во всём мире было установлено более 900 новых малых стационарных водородных энергетических установок (На 30 % больше, чем в 2004 году). За 2006 год во всём мире установлено около 1500 новых малых энергетических станций. В конце 2006 года во всём мире эксплуатировалось около 5000 малых стационарных водородных электростанций.

Технологии

Доминируют две технологии: PEM (протон-обменная) и SOFC (твёрдо-оксидная). Около 75 % установок в 2005 году были изготовлены по PEM технологии, около 25 % — SOFC.

Топливо

Большая часть домашних станций разработана для применения природного газа, пропана, очень немногие могут работать со сжиженным нефтяным газом (LPG). Многие производители работают с керосином.

Перспективы

В 2006, как и в 2005 году большая часть малых приложений была установлена в Японии. Японская NEF (New Energy Foundation) объявила о начале многолетнего демонстрационного проекта применения малых стационарных топливных элементов. Будет субсидирована установка 6400 топливных элементов. В 2005 году стоимость 1 кВт водородной бытовой станции в Японии составляла 10 млн ¥ (примерно $87 000), работы по ее установке стоили еще 1 млн ¥. К середине 2008 года в Японии было установлено около 3000 бытовых энергетических установок на водородных топливных элементах, а их стоимость снизилась до 2 млн ¥ (примерно $19 000)[1].

Япония уже имеет опыт использования подобных программ. В 1994 году была принята программа развития солнечной энергетики. Японское правительство ежегодно вкладывало $115 млн в установку фотоэлектрических элементов на крышах домов. С тех пор установленные мощности солнечной энергетики выросли в 35 раз. Средняя стоимость фотоэлектрических элементов снизилась на 75 %.

Компании — основные производители:

Компания Страна Технология Мощность установки
Ballard Power Systems Канада PEMFC 1 кВт.
Acumentrics США SOFC 2—10 кВт
Ceramic Fuel Cells Австралия — Великобритания SOFC 1 кВт. Общий КПД более 80 %
Cosmo Oil Япония PEMFC 0,7 кВт
European Fuel Cells Германия PEMFC 1,5 кВт
Fuel Cell Technologies США SOFC 5 кВт.
Hitachi Zosen Япония - от 10 кВт до сотен кВт. КПД 86 %
Idatech США - 3—15 кВт. UPS для промышленных, телекоммуникационных, электронных приложений.
Idemitsu Kosan Япония - 1—5 кВт
Kyocera Япония SOFC 1 кВт
Mitsubishi Heavy Industries Япония PEMFC 10 кВт
Nippon Oil Corporation Япония технологии Ebara Ballard 1—6—10кВт. Планирует к 2013 году ежегодно продавать 100 тыс. бытовых систем
Plug Power США] PEMFC 5 кВт
Sanyo Electric Япония PEMFC 1 кВт. Общий КПД 92 % при производстве тепловой и электрической энергии
Shanghai-Shen Li Китай PEMFC 3—10 кВт
Sharp Corporation Япония PEMFC 10 кВт. Гибридные системы, совмещенные с фотоэлектрическими элементами
Toyota Motor Corporation совместно с Aishin Seiki Япония PEMFC, SOFC В 2006 году начали испытания нескольких установок мощностью 1 кВт. КПД 90%. Мощность SOFC установок 0,7 кВт[2].
Panasonic (Matsushita Electric Industrial Co) Япония PEMFC 0,5—1 кВт. Планирует продавать 700 тысяч установок в год к 2020 году.[3]

и др.

3. Стационарные применения

Подводная лодка класса U212 (Германия) с силовой установкой на водородных топливных элементах.

Производство электрической и тепловой энергии в топливных элементах мощностью более 10 кВт.

К концу 2006 года во всём мире было установлено более 800 стационарных энергетических установок на топливных элементах мощностью более 10 кВт. Их суммарная мощность — около 100 МВт. За 2006 год построено более 50 установок суммарной мощностью более 18 МВт.

Технологии

В 2005 году среди новых установок лидировали Расплавные Карбонатные Топливные Элементы (MCFC). На втором месте по числу новых установок были Фосфорнокислые технологии (PAFC). Протонобменные технологии (PMFC) применялись, в основном, в установках мощностью до 10 кВт и в автомобильных приложениях.

Топливо

Хотя большая часть стационарных топливных элементов в настоящее время работает на природном газе, всё большее количество установок использует альтернативные виды топлива. В 2005 году усилился тренд применения сингаза и биогаза. В 2005 году биогаз вышел на второе место после природного газа. В 2005 году были построены электростанции (Япония, Германия), работающие на биогазе, получаемом из древесных отходов, пластика, муниципальных сточных вод. Водород и керосин и в будущем будут занимать значительную долю в нише малых стационарных установок мощностью более 10 кВт.

Гибридные установки: топливный элемент/газовая турбина.

Для повышения эффективности, снижения себестоимости энергии и для утилизации тепловой энергии применяются установки, совмещающие топливные элементы и газовые турбины.

Компания FuelCell Energy (США) разработала гибридную версию SOFC топливного элемента и газовой турбины. В этой схеме топливный элемент производит 4/5 энергии, а остальную часть из тепловой энергии — турбина. КПД данной схемы приближается к 70 %. Испытывается электростанция мощностью 40 МВт, состоящая из 10 топливных элементов и одной турбины мощностью 10 МВт.

Финансирование

В 2005 году в США был принят Энергетический Билль. Билль предусматривает 30 % инвестиционные налоговые кредиты до уровня $1000 за кВт установленной мощности. Налоговые кредиты будут выдаваться с 1 января 2006 по 1 января 2008 года. В Японии и Ю. Корее субсидируются не конкретные проекты, а стоимость электроэнергии, выработанной топливными элементами в размере $0,015—0,02 за кВт·ч.

Компании — основные производители

Компания Страна Технология Мощность установок
Ansaldo Fuel Cells Италия MCFC 500 кВт — 5МВт
FuelCell Energy США MCFC 250 кВт — 1МВт
GenCell США MCFC 40—100 кВт
Ishikawajima-Harima Heavy Industries Япония MCFC 300 кВт — 1 МВт
MTU CFC Solutions Германия MCFC 200 кВт — 3 МВт
Fuji Electric Япония PAFC 100 кВт — 1 МВт
Korea Gas Корея PAFC 40 кВт
UTC Fuel Cells США PAFC, MCFC, PEMFC 200 кВт, транспортные приложения
Ballard Power Systems Канада PEMFC 1—250 кВт
General Motors США PEMFC 75—300 кВт
Hydrogenics Канада PEMFC 7—65 кВт
J-Power Япония SOFC разрабатывает тройные системы: топливные элементы, газовые турбины и паровые турбины
Mitsubishi Materials Япония SOFC 10 кВт
Mitsubishi Heavy Industries Япония SOFC,PEMFC 200 кВт. Также разрабатывается 700 МВт SOFC электростанция тройного цикла
Rolls-Royce Group plc Великобритания SOFC 80 кВт
Siemens AG Power Generation Германия SOFC 125 кВт
Ztek США SOFC 25 кВт — 1 МВт
Cummins Power Generation США SOFC 3 кВт[4].

В США и Японии планируется строительство крупных тепло-электростанций мощностью 40—700 МВт двойного и тройного цикла с общим КПД более 80 % и выбросами СО2 на 30 % меньше, чем на традиционных угольных электростанциях.

4. Транспортные приложения

Производство электрической энергии для автомобилей, водного транспорта, и т. д.

4.1. Водородная автомобильная инфраструктура

К концу 2008 года во всём мире функционировало 2000 водородных автомобильных заправочных станций. Из общего количества заправочных станций, построенных 2004—2005 году, всего 8 % работают с жидким водородом, остальные с газообразным.

Страна 1995-2006 Построено новых в 2005 Построено новых в 2006
Северная Америка 46 % 65 % 59 %
Япония 14 % 15 % 7 %
Германия 13 % 0 7 %
Остальная Европа 14 % 15 % 0
Другие страны 13 % 5 % 27 %

Таблица. Водородные заправочные станции по регионам мира

Планируется строительство

General Motors заявлял о возможных планах строительства 12000 водородных заправочных станций в городах США и вдоль главных автострад. Стоимость проекта компания оценивает в $12 млрд.

Отсутствие водородной инфраструктуры является одним из основных препятствий развития водородного транспорта.

Решением проблемы может стать применение водорода в качестве топлива для двигателя внутреннего сгорания, или смесей топлива с водородом, например, HCNG. В январе 2006 года Mazda начала продажи битопливного автомобиля Mazda RX-8 с роторным двигателем, который может потреблять и бензин, и водород.

В июле 2006 года транспортная компания BVG (Berliner Verkehrsbetriebe) из Берлина объявила о закупках к 2009 году 250 автобусов MAN с двигателями внутреннего сгорания, работающими на водороде, что составит 20 % от автопарка компании.

В 2006 году Ford Motor Company начал выпуск автобусов с двигателями внутреннего сгорания, работающими на водороде. (см. Автобусы Ford)

Компании — основные игроки

Mercedes Benz Citaro на водородных топливных элементах в Лондоне

Производители водорода:

Ёмкости для хранения водорода:

Оборудование для производства водорода:

BP — ключевой игрок в демонстрационных водородных проектах по всему миру.

4.2. Транспортные приложения

Автомобильный транспорт

В 2006 году было запущено в эксплуатацию около 100 новых автомобилей, автобусов, мотоциклов и т. д. на топливных элементах. К концу 2007 году в мире будет эксплуатироваться около 900 транспортных средств.

В автомобильных приложениях преобладают PEM технологии. В 2005 году был изготовлен всего один автомобиль с PAFC топливным элементом — остальные на PEM-технологиях.

Разработчики смогли снизить стоимость автомобильных водородных топливных элементов с $275 за кВт мощности в 2002 году до $110 за кВт в 2005. Департамент Энергетики США (DoE) планирует снизить стоимость до $30 за кВт мощности к 2020 году.

Планы автопроизводителей

Компания Страна год количество автомобилей планы
Daimler Германия 2009 200 шт в начале 2010 года[5] начало производства Mercedes B-class[6]
Ford США 2015 - коммерческая готовность
GM США 2012 - коммерческая готовность[7]
GM США 2025 - массовый рынок
Honda Япония 2008 - начало продаж в Калифорнии автомобиля Honda FCX
Honda Япония 2010 12000 (в США) начало производства
Honda Япония 2020 50000 (в США) производство
Hyundai Motor Корея 2012 - начало продаж[8]
Toyota Япония 2015 - начало продаж[9]
Fiat Италия 2020-2025 - полная коммерциализация
SAIC Китай 2010 1000 коммерческая готовность
Shanghai VW Китай — Германия 2010 - начало производства Lingyu[10]

В марте 2006 года германский HyWays проект опубликовал прогнозы проникновения водородного автотранспорта на европейский рынок.

Сценарий 2020 2030 2040 2050
Высокое проникновение 3,3 % 23,7 % 54,4 % 74,5 %
Низкое проникновение 0,7 % 7,6 % 22,6 % 40,0 %

Таблица: прогноз проникновения водородного автотранспорта на европейский рынок в % от общего количества автомобилей.

Воздушный транспорт

Корпорация Boeing прогнозирует, что топливные элементы постепенно заменят в авиации вспомогательные энергетические установки. Они смогут генерировать электроэнергию, когда самолет находится на земле, и быть источниками бесперебойного питания в воздухе. Топливные элементы будут постепенно устанавливаться на новое поколение Боингов 7E7, начиная с 2008 года.

Железнодорожный транспорт

Для данных приложений требуется большая мощность, а размеры силовой установки имеют малое значение.

Железнодорожный исследовательский технологический институт (Япония) планирует запустить поезд на водородных топливных элементах в эксплуатацию к 2010 году. Поезд сможет развивать скорость 120 км/ч, и проезжать 300—400 км без заправки. Прототип был испытан в феврале 2005 года.

В США эксплуатация локомотива с водородным топливным элементом мощностью 2 тысячи л. с. начнётся в 2009 году[11].

Водный транспорт

В Германии производятся подводные лодки класса U-212 с топливными элементами производства Siemens AG. U-212 стоят на вооружении Германии, поступили заказы из Греции, Италии, Кореи, Израиля. Под водой лодка работает на водороде и практически не производит шумов.

В США поставки SOFC топливных элементов для подводных лодок могут начаться в 2006 году. Компания FuelCell Energy разрабатывает 625 кВт топливные элементы для военных кораблей.

Японская подводная лодка Urashima с топливными элементами PEMFC производства Mitsubishi Heavy Industries была испытана в августе 2003 года.

Складские погрузчики

Чуть менее половины новых топливных элементов, установленных в 2006 году на транспортные средства, были установлены на складские погрузчики. Замена аккумуляторных батарей на топливные элементы позволит значительно сократить площади, занимаемые аккумуляторными цехами. Wal-Mart в январе 2007 года завершил вторую серию испытаний складских погрузчиков на топливных элементах.

5. Мобильные топливные элементы

Производство электрической энергии для мобильных устройств: мобильных телефонов, ноутбуков и т. д.

В 2006 году (как и в 2005) во всём мире было изготовлено около 3000 штук мобильных приложений. В 2008 году мировое производство выросло до 9000 штук[12]. Одним из основных потребителей была армия США. Армии требуются легкие, ёмкие, бесшумные источники энергии.

Благодаря спросу со стороны военных, США заняли первое место в мире по количеству разработок в портативных приложениях. На Японию приходилось всего 13 % новых разработок в 2005 году. Наиболее активными были компании — производители электроники: Casio, Fujitsu Hitachi, Nec, Sanyo и Toshiba.

Весной 2007 года компания Medis Technologies начала продажи водородных топливных элементов для мобильных устройств.

Технологии

В портативных и электронных приложениях доминируют PEM и DMFC топливные элементы.

6. Водородная энергетика в России

В 1941 году техник-лейтенант войск противовоздушной обороны (ПВО)защищавших Ленинград во время Великой Отечественной войны Борис Шелищ предложил использовать "отработанный" водород из заградительных аэростатов войск ПВО в качестве топлива для двигателей автомобилей ГАЗ-АА. Полуторки использовались в качестве транспортно-энергетической единицы поста противовоздушной обороны. Лебедка автомобиля, приводимая в движение от двигателя ГАЗ-АА позволяла осуществлять подъем-спуск аэростатов. Это предложение было внедрено в 1941-1944 годах в блокадном Ленинграде. Было оборудовано 400 водородных постов ПВО. В условиях блокады и отсутствия бензина перевод автомобилей с бензина на водород позволил эффективно защитить город от прицельного бомбометания самолетами вражеской авиации.

В 1979 году под научным руководством Шатрова Е.В. творческим коллективом работников НАМИ в составе Кузнецова В.М. ( руководитель группы НАМИ), Раменского А.Ю. (аспирант НАМИ), Козлова Ю.А. (механик) был разработан и испытан опытный образец микроавтобуса РАФ, работающий на водороде и бензине.

В 1982 году Совет Московского автомеханического института (МАМИ) рассмотрел диссертацию Раменского А.Ю. (научный руководитель Шатров Е.В.) на соискание ученой степени кандидата технических наук по теме "Исследование рабочих процессов автомобильного двигателя на бензино-водородных топливных композициях".В России это по-видимому первая диссертация, в которой подробно изучались вопросы теории рабочих процессов ДВС, работающего на водороде [1].

В конце 1980х-начале 90х проходил испытания авиационный реактивный двигатель на жидком водороде, установленный на самолёте ТУ-154.

В 2003 году создана Национальная ассоциация водородной энергетики (НП НАВЭ). В 2004 году президентом ассоциации избран П. Б. Шелищ сын легендарного "Водородного лейтенанта".

В 2003 году компания «Норильский никель» и Российская академия наук подписали соглашение о ведении научно-исследовательских работ в сфере водородной энергетики. «Норильский никель» вложил в исследования 40 млн долларов.

В 2006 году «Норильский никель» приобрел контрольный пакет американской инновационной компании Plug Power, являющейся одним из лидеров в сфере разработок, связанных с водородной энергетикой.

Глава «Норильского никеля» Михаил Прохоров заявил в феврале 2007 года, что компания вложила в разработку водородных установок $70 млн и уже есть «не просто лабораторные, а действующие образцы», на внедрение которых уйдёт несколько лет. Начало промышленной реализации «водородного проекта», по его словам, намечено на 2008 год.[13]

7. Итоги 2008 года

7.1. Стационарные приложения

В июне 2008 года компания Matsushita Electric Industrial Co Ltd (Panasonic) начала производство в Японии водородных топливных элементов. Компания планирует продать к 2015 году 200 тысяч бытовых энергетических систем на водородных топливных элементах[14].

В сентябре корейская компания POSCO завершила строительство завода по производству стационарных энергетических установок на водородных топливных элементах. Мощность завода 50 МВт. оборудования в год[15].

7.2. Мобильные приложения

В октябре 2008 года продажи DMFC установок компании германской Smart Fuel Cell AG для домов на колёсах достигли 10 000 штук. Мощность установок от 0,6 кВт. до 1,6 кВт. В качестве топлива используется метанол. Канистры с метанолом продаются 800 магазинах Европы[16].

7.3. Транспорт

Первые лётные испытания установки для бортового питания на водородных топливных элементах мощностью 20 кВт. проведены компанией Airbus в феврале 2008 года на самолёте Airbus A320 [17].

В марте 2008 года во время экспедиции STS-123 шаттла Endeavour топливные элементы производства компании UTC Power преодолели рубеж в 100 тысяч операционных часов в космосе[18]. Водородные топливные элементы производят энергию на борту шаттлов с 1981 года.

3 апреля 2008 года компания Boeing провёла лётные испытания лёгкого двухместного самолёта Dimona с силовой установкой на водородных топливных элементах[19].

7.4. Автомобили

Компания Mercedes в марте 2008 года завершила зимние испытания автомобиля B-Class с силовой установкой на водородных топливных элементах[20].

Шанхайская компания Shanghai Volkswagen Automotive Company для Олимпийских игр в Пекине поставила 20 легковых автомобилей с силовой установкой на водородных топливных элементах[21].

В августе 2008 года в США состоялся демонстрационный пробег водородных автомобилей. Автомобили компаний BMW, Daimler, General Motors, Honda, Nissan, Toyota, Hyundai и Volkswagen за 13 дней преодолели 7000 км [22].

Компания Honda начала продажи в лизинг автомобилей Honda FCX Clarity в США летом 2008 года[23]. В Японии — в ноябре 2008 года[24].

7.5. Производство водорода

В декабре германский институт Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) завершил строительство пилотной установки по производству водорода из воды в солнечных концентраторах. Мощность установки 100 кВт[25].

Разрабатывались технологии производства водорода из мусора, этанола, металлургического шлака[26], биомассы[27] и другие технологии.

8. Примеры государственных программ развития

Успехи в развитии ряда водородных технологий показали, что использование водорода приводит к качественно новым показателям работы систем и агрегатов, а результаты многочисленных технико-экономических исследований говорят о том, что водород, несмотря на свою вторичность в качестве энергоносителя[28], то есть стоит дороже, чем природное топливо, его применение во многих случаях экономически целесообразно уже сейчас. Поэтому работы в области водородной энергетики во многих, особенно в промышленно развитых странах, относятся к приоритетным направлениям развития науки и техники и находят всё большую поддержку со стороны как государственных структур, так и частного капитала[29].

8.1. Южная Корея

Министерство Коммерции, Индустрии и Экономики Ю. Кореи в 2005 году приняло план строительства водородной экономики к 2040 году. Цель — производить на топливных элементах 22 % всей энергии и 23 % электричества, потребляемого частным сектором.

С 2010 года правительство Южной Кореи будет дотировать покупателю 80 % от стоимости стационарной энергетической установки на водородных топливных элементах. С 2013 года по 2016 году будет дотироваться 50 % стоимости, а с 2017 года до 2020 года — 30 %[30].

8.2. Индия

В Индии создан Индийский Национальный Комитет Водородной Энергетики. В 2005 году комитет разработал «Национальный План Водородной Энергетики». Планом предусмотрены инвестиции в размере 250 млрд рупий (примерно $5,6 млрд) до 2020 года. Из них 10 млрд рупий будет выделено на исследования и демонстрационные проекты, а 240 млрд рупий на строительство инфраструктуры по производству, транспортировке, хранению водорода. Планом поставлена цель — к 2020 году вывести на дороги страны 1 миллион автотранспортных средств, работающих на водороде. Также к 2020 году будет построено 1000 МВт водородных электростанций[31].

8.3. США

Департамент Энергетики США (DOE) в январе 2006 года принял план развития водородной энергетики «Roadmap on Manufacturing R&D for the Hydrogen Economy» [2] [3].

Планом предусмотрено:

8 августа 2005 года Сенат США принял Energy Policy Act of 2005. Законом предусмотрено выделение более $3 млрд на различные водородные проекты. И $1,25 млрд на строительство новых атомных реакторов, производящих электроэнергию и водород.

8.4. Исландия

Исландия планирует построить водородную экономику к 2050 году[32].

8.5. Южно-Африканская Республика

Правительство Южно-Африканской Республики в 2008 году приняла водородную стратегию. К 2020 году ЮАР планирует занять 25% мирового рынка катализаторов для водородных топливных элементов[33].

www.wreferat.baza-referat.ru

Реферат - Водородная энергетика и технология

Водородная энергетика

План

Введение

1.Использование водорода

2.Перспективы развития водородной энергетики

Введение

Сейчас начала свое развитие новая отрасль промышленности - водородная энергетика и технология. Потребность экономики в водороде идет возрастает, потому что это простейшее и легчайшее вещество может использоваться не только как топливо, но и как необходимый сырьевой элемент во многих технологических процессах .Он незаменим в нефтехимии для глубокой переработки нефти, без него не обойтись, скажем в химии при получении аммиака и азотных удобрений, а в черной металлургии с его помощью восстанавливается железо из руд.

1.Использование водорода

Органические топлива (газ, нефть и уголь), тоже служат сырьем в этих или подобных процессах, но еще полезнее извлечь из них самый экономный и чистый энергоноситель- тот же водород. Водород - идеальный экофильный вид топлива. Очень высока и его калорийность - 33 тыс .К кал/кг, что в 3 раза выше калорийности бензина. Он легко транспортируется по газопроводам, потому что у него очень малая вязкость . По трубопроводу диаметром 1,5м с ним передается 20тыс. Мегаватт мощности. Перекачка легчайшего газа на расстояние в 500км. почти вдесятеро дешевле, чем передача такого же количества электроэнергии по линиям электропередачи . Как и природный газ, водород можно использовать на кухне для приготовления пищи, для отопления и освещения зданий. Чтобы показать его возможности, американские ученые построили "водородный дом" ,в котором для освещения использовался водород. Передавать водород в жидком виде очень дорого, т.к. для его сжижения нужно потратить почти половину энергии, содержащейся в нем самом. Кроме того, должна быть обеспечена идеальная теплоизоляция трубопровода, так как температура жидкого водорода очень низка.

В качестве топлива водород сжигается в двигателях ракет и в топливных элементах для непосредственного получения электроэнергии при соединении водорода и кислорода. Его можно использовать и как топливо для авиационного транспорта.

Использование водорода в энергетике выгодно, поэтому появилось много интереса к развитию водородной энергетики, возникли ассоциации, в том числе международная . Сейчас в мире получают около 30 миллионов тонн водорода в год, причем в основном из природного газа. Согласно прогнозам за 40 лет производство водорода должно увеличиться в 20-30 раз.

2.Перспективы развития водородной энергетики

С помощью атомной энергетики предстоит заменить нынешний источник водорода - природный га з- на более дешевое и доступное сырье - на воду. Здесь возможны два пути.

Первый путь - традиционный, с помощью электрохимического разложения воды. Второй путь менее известен. Если нагреть пары воды до 3000-3500 C, то водные молекулы развалятся сами собой. Оба способа получить водород из воды пока дороже, чем из природного газа. Однако природный газ дорожает, а методы разложения воды совершенствуются. Через какое-то время водород из воды станет дешевле. В отдельных случаях и сейчас выгодно получать водород с помощью электролиза в ночные часы, когда имеется лишняя и дешевая электроэнергия.

Водородная энергетика бурно развивается, но сейчас все чаще говорят об атомно-водородной энергетике. Требуются большие энергетические расходы для получения водорода. В будущем "ядерный реактор - водородный генератор"- претендует на роль энергетического лидера в экономике XXI века.

referat.store

Смотрите также