Водородное топливо. Производство, хранение, использование
Шрифт:
Водород имеется в различных видах горючего, таблица 1.1.
Таблица 1.1. Примерное содержание водорода в различных видах горючего.
Значение водорода в химических процессах, происходящих на планете, почти так же велико, как и кислорода. При сжигании в чистом кислороде единственные продукты – высокотемпературное тепло и вода. При сгорании не образует никаких вредных веществ: нет сгоревших частиц и сажи, отсутствует тепловой выброс, исключено образование углекислого газа, что снижает
Эффективность водородной энергетики зависит от увеличения плотности и, соответственно, повышения энергоёмкости водорода. На рис. 1.2. показана удельная энергоемкость водорода и различных топлив по массе и по объему. Энергосодержание 1 г водорода эквивалентно энергосодержанию около 3 г бензина. При использовании водорода в топливных элементах вследствие высокого КПД топливного элемента (в 1,5–3 раза больше, чем у двигателя внутреннего сгорания) эффективность водорода, как топлива оказывается еще выше (в 4–10 раз).
Рис. 1.2. Удельная энергоемкость водорода и различных топлив
Но при переходе на водородное топливо неизбежно появление новых технических проблем, поскольку водород представляет собой искусственный энергоноситель, который должен быть получен из существующих в природе веществ, таблица 1.2.
Таблица 1.2. Свойства водорода как энергоносителя
Основные проблемы водородной энергетики заключаются в том, что получение вещества сопряжено с необходимостью расхода других энергоносителей (нефть, электроэнергия, газ), а также высокой угрозой образования взрывов. Специалисты стремятся устранить эти проблемные аспекты. Имея низкую вязкость, водород без проблем транспортируется по трубам. Его можно хранить в сжиженном, газообразном состоянии. Он довольно легок, имеет продолжительный срок хранения. Современные технологии водородной энергетики позволяют получать качественный топливный материал с высоким коэффициентом теплоотдачи.
Недостатки водородного топлива:
– водород более взрывоопасен, чем, например, метан;
– объемная теплота сгорания водорода в три раза меньше, чем у природного газа;
– относительно высокая цена при промышленном получении водорода (два основных направления получения водорода – электролиз и плазмохимия.
При электролизе для получения одного кубометра водорода требуется 4–5 киловатт-часов электроэнергии. Это дорого. Например, производство такого же количества бензина обходится примерно втрое дешевле). И всё же преимуществ у водородного топлива гораздо больше, чем недостатков. Таким образом, водород является перспективной заменой используемым сейчас источникам энергии.
Главные направления использования водорода сегодня – в нефтепереработке и в химической промышленности (для производства различных товаров, в первую очередь – аммиака и метанола), рис. 1.3.
Энергетическое использование водорода, по данным ARENA, оценивается всего в 1–2 % от общих объемов его потребления. Общий объем производства водорода в мире в настоящее время оценивается различными источниками в 55–65 млн тонн, причем совокупные среднегодовые темпы его роста за последние 20
Резкое увеличение интереса к водороду как к горючему и энергоносителю, наблюдаемое в мире в последние десятилетия, определяется его следующими основными особенностями:
– запасы водорода практически не ограничены,
– водород – универсальный вид энергоресурса, он может использоваться в качестве горючего для производства электроэнергии в рабочих циклах различного типа и в качестве энергоносителя для транспортировки в газообразном, жидком и связанном состояниях,
– при помощи водорода возможна аккумуляция энергии,
– среди прочих видов органического топлива водород отличается наибольшей теплотворной способностью на единицу массы и наименьшим отрицательным воздействием на окружающую среду.
Рис. 1.3. Направления использования водородa
Для массового использования водорода в энергетике важно разработать экономически выгодные условия его получения и создать необходимую инфраструктуру, обеспечивающую доставку и хранение водорода. Он не является первичным источником энергии, как нефть или природный газ, но может быть использован в качестве энергоносителя.
В существующих реалиях «водородная энергетика», дополняющая традиционную энергетику, основанную на органическом топливе, рассматривается:
– как способ производства водорода с использованием не возобновляемых и возобновляемых источников энергии (органическое топливо, энергия АЭС, гидроэнергетика, энергия солнца, ветра, биомассы);
– надежное хранение и транспортировка водорода;
– использование водорода в энергетике, промышленности, на транспорте и в быту;
– обеспечение надежности и безопасности водородных энергетических систем.
Концепция «водородной энергетики» включает в себя решение целого комплекса проблем, рис. 1.4.
Рис. 1.4. Технологические цепочки водородной энергетики
Показанная технологическая цепочка водородной энергетики дает общее представление о масштабности и сложности решения проблемы.
Глава 2. Методы производства водорода
Водород можно получать на основе различных источников сырья, применяя для этого самые разнообразные технологии. Около 68 % производимого в настоящее время водорода получают риформингом (конверсией) природного газа (метана, попутного нефтяного газа), 16 % – риформингом нефти и жидких нефтепродуктов, 11 % – газификацией угля и 5 % – электролизом воды. В разработке находятся также новые способы получения водорода, включая биохимические методы, термохимическое расщепление воды энергией солнца, высокотемпературный электролиз и другие.
По способу производства водорода в Европейском Союзе принята классификация водорода по цвету, рис. 2.1.
1. «Зеленый водород» – является самым экологичным, т. к. получают его с помощью электролиза, если электричество поступает от ВИЭ, таких как ветер, солнечная или гидроэнергия, выбросы СО2 отсутствуют.
2. «Желтый и оранжевый водород» – как и зеленый получают путем электролиза, однако, источником энергии являются атомные электростанции, энергия передается по сетям, выбросы СО2 отсутствуют, но метод не является абсолютно экологичным