Автор работы: Пользователь скрыл имя, 12 Марта 2012 в 13:19, реферат
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 — 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.
Водородная энергетика сформировалась как одно из направлений развития научно-технического прогресса в середине 70-х годов прошлого столетия. По мере того, как расширялась область исследований, связанных с получением, хранением, транспортом и использованием водорода, становились все более очевидными экологические преимущества водородных технологий в различных областях народного хозяйства. Успехи в развитии ряда водородных технологий (таких как топливные элементы, транспортные системы на водороде, металлогидридные и многие другие) продемонстрировали, что использование водорода приводит к качественно новым показателям в работе систем или агрегатов. А выполненные технико-экономические исследования показали: несмотря на то, что водород является вторичным энергоносителем, то есть стоит дороже, чем природные топлива, его применение в ряде случаев экономически целесообразно уже сейчас. Поэтому работы по водородной энергетике во многих, особенно промышленно развитых странах относятся к приоритетным направлениям развития науки и техники и находят все большую финансовую поддержку со стороны, как государственных структур, так и частного капитала.
Естественно, что направления разрабатываемых новых водородных технологий гражданского назначения в различных странах различаются. Это связано и с неравномерной обеспеченностью природными энергоресурсами, и с существующими особенностями их технологического развития. Например, в разработках новых водородных технологий, выполняемых в США, Германии, Канаде и России, используется опыт ракетной техники, атомной и химической промышленности, специальной металлургии, криогенной и оборонной промышленности, в Японии — опыт высоких технологий электронной, электротехнической, металлургической и металообрабатывающей промышленности и зарубежный опыт криогенной и авиационно-космической техники. Вместе с тем, результаты разработок последних лет и обостряющиеся экологические проблемы определяют как основные направления развития нового рынка водородных технологий и водорода в качестве экологически чистого энергоносителя в ближайшей перспективе, так и общие для всех стран направления НИОКР. Это, прежде всего, технологии производства, транспортировки, хранения и распределения жидкого и сжатого водорода, водородные автомобили с топливными элементами и двигателями внутреннего сгорания, водородные системы энергообеспечения на основе топливных элементов и мощные водородные энергоустановки паротурбинного цикла, металлогидридные технологии аккумулирования и очистки водорода, разработки и создание элементов водородной инфраструктуры.
В настоящее время существует множество методов промышленного производства водорода. Все цены приведены для США, 2004 год.
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.
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.
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.
2H2O+энергия = 2H2+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.
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 H2, CO и CH4.
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.
ГЕНЕРАТОР ВОДОРОДА ТРАНСПОРТНОЙ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ
Реакционный сосуд и перепускная емкость выполнены в виде двух коаксиальных цилиндрических сосудов, вложенных друг в друга, причем реакционный сосуд размещен внутри.
Схема такого генератора дана на фигуре, где обозначено: 1 - контейнер с твердым реагентом; 2 - реакционный сосуд; 3 - магистраль выдачи водорода; 4 - магистраль подачи жидкого реагента; 5 - теплообменник для отвода тепла реакции; 6 - пусковой нагреватель жидкости; 7 - перепускная емкость; 8 - магистраль наддува; 9 - запорный элемент; 10 - датчик температуры жидкости.
Работает генератор следующим образом. По магистрали подачи жидкого реагента (4) его набирают в перепускную емкость (7) и нагревают там пусковым нагревателем (6). Запорный элемент (9) при этом закрыт. После достижения необходимой температуры (контролируется по датчику температуры (10)) пусковой нагреватель отключают, а запорный элемент (9) открывают. Жидкость из перепускной емкости (7) перетекает в реакционный сосуд (2), где вертикально размещен контейнер с твердым реагентом (1). При этом контейнер (1) полностью покрывается жидкостью.
Начинается химическая реакция с выделением водорода и тепла, которое отводится с помощью теплообменника (5). Производительность генератора регулируется в два приема. Сначала грубо - задавая соответствующую температуру в реакционном сосуде, а затем более точно - регулируя высоту жидкости в нем, т.е. глубину погружения в жидкость контейнера с твердым реагентом (1). Последнее достигается изменением давления в перепускной емкости (7), для чего служит магистраль наддува (8).
После установки необходимого уровня жидкости в реакционном сосуде (2) запорный элемент (9) можно перекрыть. Возможно, также оставить его открытым. В этом случае при постоянном давлении в перепускной емкости происходит автоматическая стабилизация режима генерации, т.е. производительности генератора. При повышении давления водорода в реакционном сосуде (2) жидкость из него вытесняется в перепускную емкость (7), уменьшается площадь реагирующего твердого компонента и снижается расход выделяемого водорода. Давление в реакционном сосуде (2) падает, пока не достигнет прежней величины.
При снижении давления в реакционном сосуде (2) жидкий реагент, наоборот, поступает в него из перепускной емкости (7). Повышается уровень жидкости и увеличивается смоченная площадь твердого реагента. Как следствие увеличивается и расход генерируемого водорода.
Таким образом происходит автостабилизация давления водорода в реакционном сосуде (2) по величине опорного давления в перепускной емкости (7) (с учетом разницы в уровнях жидкости в этих сообщающихся объемах). При этом, поскольку твердый реагент размещен равномерно по высоте реакционного сосуда (2), соотношение между жидким и твердым реагентами сохраняется неизменным при любых уровнях жидкости в реакционном сосуде (2).
При останове генератора давление в перепускной емкости (7) снижается, жидкость из реакционного сосуда (2) перетекает в эту емкость (7), и твердый реагент изолируется в атмосфере водорода. Выделение водорода прекращается. При повторном пуске генератора оставшуюся в перепускной емкости (7) жидкость снова подогревают, что сокращает время выхода генератора на режим.
Для уменьшения габаритов генератора водорода реакционный сосуд (2) и перепускную емкость (7) целесообразно выполнить в виде двух коаксиальных цилиндрических сосудов, вложенных друг в друга, причем реакционный сосуд разместить внутри перепускной емкости.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет создать компактный генератор водорода, работающий на реакции гидролиза, имеющий глубокую степень регулировки, мягкую расходную характеристику, повышенное быстродействие и способный работать в режиме автостабилизации. Все это делает целесообразным использование такого генератора водорода на транспорте.
Водородные технологии для энергетики. Основные направления работ - системы водородного аккумулирования электроэнергии, автономные энергоустановки мощностью до 200 кВт с использованием ДВС, микротурбин и топливных элементов, мощные водородосжигающие энергоустановки паротурбинного цикла с водородными парогенераторами, энергоустановки на базе возобновляемых энергоресурсов с производством водорода электролизом воды (ветро-солнечно-водородные) мощностью до нескольких мегаватт. Характерная особенность работ последних двух лет - переход от создания ключевых элементов энергоустановок к созданию универсальных систем, полностью обеспечивающих потребителей энергией. Например, компания «Стюарт Энерджи Систем» наряду с продолжением производства электролизеров Стюарта создала производство интегрированных систем обеспечения потребителей сжатым водородом и электроэнергией. Это дает возможность расширить рынок сбыта продукции сегодня и обеспечивает существенный задел для участия в создании инфраструктуры обеспечения водородом автотранспорта.
В 2000 году корпорация General Motors разработала концепцию, как должен выглядеть водородный автомобиль. В первую очередь американские инженеры решили отказаться от таких традиционных элементов конструкции, как механическое рулевое управление, коробка передач, карданный вал и сцепление. Машина, по их мнению, должна состоять всего из двух частей.
Первая - это движущая платформа, в которой будут расположены электрохимические генераторы, основные механизмы, баки с криогенным или газообразным водородом, электромоторы, компьютеры системы управления и торможения. Причем каждое из 4 колес может иметь свой собственный электромотор. Вторая часть - это непосредственно сам кузов с местами для пассажиров и багажа. Управление движением должно осуществляться по проводам. Водитель держит в руках лишь компьютерный джойстик, команды от которого поступают в центральный компьютер. ЭВМ сама вычисляет алгоритмы поведения машины на дороге.
По сути, нижняя платформа - это гигантский скейтборд с электрохимическими генераторами, электромоторами и баками для хранения водорода, на который можно установить все, что угодно. Предполагается, что владельцы таких транспортных средств с легкостью смогут заказывать себе новые кузова в различных технических ателье, словно дорогую одежду, если старая уже порядком поднадоела. Этому поспособствует и значительный срок службы электромобиля. Заявляется, что он будет составлять не менее 20 лет.
В мире всего 8 крупных компаний, занимающихся разработкой водородной техники. General Motors, Daimler-Chrysler, Toyota, Honda уже активно строят прототипы водородомобилей. В России, чтобы не отстать в технологическом плане от ведущих мировых держав, сразу несколько научно-исследовательских институтов подключились к конструкторской работе