Использование водорода для получения электроэнергии

     

     Рис. 4 Электрохимические реакции в  различных типах топливных элементов. 

Щелочной  ТЭ (AFC)	Электролит  состоит из жидкого KOH, который циркулирует в пространстве между электродами. Они использовались с середины 1960-х годов в космических программах, обеспечивая питанием электрические системы космических кораблей "Буран", "Шаттл" и др. Коммерческое применение их ограничено, т.к. они должны работать с чистыми водородом и кислородом (либо с кислородом воздуха, из которого удален углекислый газ). Щелочные  ТЭ имеют КПД до 70%
ТЭ  на протонообменной мембране (PEMFC)	В качестве электролита  используется твердая полимерная мембрана (тонкая пластмассовая пленка), которая проводит водородные ионы (протоны) с анода на катод. Они обеспечивают высокую плотность тока, что позволяет уменьшать их вес, стоимость, объем и улучшать качество работы. Неподвижный твердый электролит упрощает герметизацию в процессе производства, уменьшает коррозию, и обеспечивает более долгий срок службы ТЭ. Эти ТЭ работают при низких температурах (ниже 100.С), что ускоряет запуск и реакцию на изменения потребности в электричестве. Они идеально подходят для транспорта и стационарных установок небольшого размера.
ТЭ  на фосфорной кислоте (PAFC)	Электролитом  является бумажная матрица, насыщаемая фосфорной кислотой, также проводящей протоны. Это наиболее разработанные коммерчески развитые ТЭ. Они применяются в стационарных электрогенераторных устройствах в зданиях, гостиницах, больницах, аэропортах и электростанциях. ТЭ на фосфорной кислоте вырабатывают электричество с КПД более  40% или около 85%, если пар, который производит этот ТЭ, используется для совместного производства тепла и электричества (в сравнении с 30% КПД наиболее эффективного двигателя внутреннего сгорания).
ТЭ  на расплаве карбоната (MCFC)	Использует  расплавленную смесь лития/калия (или лития/натрия) для проведения ионов карбоната от катода к аноду. Рабочая температура - приблизительно 650°C, что позволяет использовать топливо напрямую, без какой-либо дополнительной его подготовки, и никель в качестве катализатора. Их конструкция  более сложна, чем конструкция ТЭ на фосфорной кислоте, из-за их более высокой рабочей температуры и использования расплава электролита. Им требуется существенное количество времени для того, чтобы они достигли рабочей температуры и смогли реагировать на изменения в потребности в электричестве, и поэтому лучше всего они подходят для условий, где необходима постоянная подача больших количеств электроэнергии. Наибольшее  количество подобных установок построено  в США и Японии. В США имеется демонстрационная опытная электростанция мощностью 1.8 МВт.
ТЭ  на твердых оксидах (SOFC)	В качестве электролита  используется твердый керамический материал (стабилизированная иттрием окись циркония), которая проводит атомы кислорода от катода к аноду при чрезвычайно высокой температуре - свыше 1000°C. Это позволяет им использовать относительно загрязненные виды топлива, например, получаемые при газификации угля. Энергетический КПД – около 60%. Их относительно простая конструкция (обусловленная использованием твердого электролита и самых разных видов топлива) в сочетании с существенным количеством времени, необходимым для того, чтобы они достигли рабочей температуры и смогли реагировать на изменения в потребности в электричестве, делает их подходящими для больших и очень больших стационарных электрогенераторных установок и электростанций.

 

      4. Гидродвигатель внутреннего сгорания.

           Водородная энергетика пока не получила массового применения, несмотря на то, что водород по всем параметрам является идеальным топливом с учетом его неограниченных запасов, если в качестве сырья рассматривать воду. Основные проблемы это:

           -разработка экономичной производительной аппаратуры для получения водорода;

           -способы хранения; -транспортировка  с небольшими потерями.

           Ошибка заключалась в постановке  вопроса. Если допустить, что  получение водорода из воды  будет не дороже чем углеводородное  топливо, то и тогда это не решит проблем, потому что все существующие теплосиловые машины не могут работать на чистом водороде и кислороде и при этом выдавать положительный экономический эффект, отсюда вывод для имеющегося идеального топлива требуется идеальный двигатель. ГДВС в этом смысле есть идеальный двигатель по всем параметрам:

           - экологически совершенно чистый, так как, для его работы не требуется кислорода из атмосферы и нет выхлопа;

           - КПД 80-85% - это максимально возможный кпд для теплосиловых машин;

           -   ГДВС по сути искусственный источник неисчерпаемой энергии.

           Над созданием гидродвигателя (ГДВС) в настоящее время работают ряд мелких фирм и одиночек-энтузиастов в различных странах. Этот двигатель пытаются использовать в первую очередь на транспорте.                                                                         

    Рис. 5. Гидродвигатель внутреннего сгорания

 - жидкость (дистиллированная вода) в системе ГДВС;

 - раскаленные газы в камере  сгорания; 

 - конденсация образовывающихся паров в камере конденсации; 

 - барботаж через слой жидкости  кислородоводородной смеси.

1, 2 - рабочие цилиндры;

3 - внутренний цилиндр; 

4 - внешний цилиндр;

5 - основание рабочих  цилиндров; 

6 - теплоизолирующая  полость; 

7 - дозаторы топлива; 

8 - дозаторы кислорода; 

9 - системы зажигания; 

10 - система равномерного  распыления охлажденной  жидкости с форсунками;

11 - трубопровод подачи  охлажденной жидкости;

12, 13 - клапаны перетока  охлажденной жидкости;

14 - теплообменник; 

15 - дозатор подачи  и удаления жидкости  из системы двигателя; 

16 - трубопровод подачи  холодной жидкости  в теплообменник; 

17 - трубопровод удаления нагретой жидкости из теплообменника;

18 - система сброса  избыточного давления;

19 - выводящий трубопровод; 

20 - преобразователь; 

21, 22 - энергообразующие  магистрали;

23, 24 - автоматические запускные  клапаны энергообразующих  магистралей; 

25, 26, 27, 28 - перепускные клапаны энергообразующих магистралей;

36 - общий выходной  вал; 

39 - генератор электроэнергии;

40 - маховик; 

41, 42 - трубопроводы подачи  и забора жидкости  к дозатору от  энергообразующих  магистралей; 

43, 44 - трубопроводы подачи и забора жидкости к теплообменнику от энергообразующих магистралей;

45, 46 - клапаны перетока  жидкости. 

           Существует отрывочная информация  об установке таких двигателей  в автомобили, трактора, мотоциклы  и т.п. Сведений о том, что  такими двигателями занимаются крупные фирмы, пока нет.

           В такого рода двигателях роль  поршня выполняет вода, а в  качестве топлива используется  смесь водорода с кислородом. Естественно, что с точки зрения  экологии такой двигатель идеален.  Но перед создателями таких двигателей стоят две труднопреодолимые задачи.

           Первая задача – это организация  горения водорода в кислородной  среде без взрыва (подбор стехиометрического, а точнее оптимального состава  смеси водорода с кислородом).

           Вторая задача - это создание устройства для получения водорода и кислорода из воды.

           Эти две труднопреодолимые задачи решаются без особых проблем в ГДВС. В камере сгорания двигателя в избытке постоянно присутствует один из компонентов реакции, который смещает по закону действующих масс константу равновесия реакции горения - смеси водорода и кислорода вправо  . Этот фактор создает благоприятное условие горения водорода в кислородной среде. Изменение в камере сгорания количества, какого либо компонента топливной смеси дает возможность более полного использования сгорания водорода, содержащегося в топливе, регулировать процесс горения и полностью уйти от детонации. Использование экономичного устройства для получения водорода и кислорода одна из приоритетных задач ГДВС. Одним из таких устройств является разработка Кубанского Государственного аграрного университета. Затраты этого устройства на получение одного метра кубического водорода составляют от 1 кВтч и менее, в сравнении с существующими технологиями 4-5 кВтч.

           ГДВС как новый принцип работы теплосиловой машины решает проблем мировой энергетики и экологии. ГДВС по своим техническим и экономическим характеристикам продукта превосходит все мировые аналоги и практически не будет иметь конкуренции на рынке. Стоимость вырабатываемой электроэнергии будет по цене ниже, чем электроэнергия, вырабатываемая на ГЭС и в том числе отпадет необходимость строить высоковольтные ЛЭП. ГДВС абсолютно экологически чистый двигатель, потому что для него не нужен кислород из атмосферы и полностью отсутствует выхлоп. Разработка и внедрение этого проекта для любого государства это вопрос, прежде всего, его суверенитета.

           В пример АЭС и другим альтернативным  источникам энергии Гидродвигатель  внутреннего сгорания использует  в качестве топлива чистые водород и кислород. Стоимость вырабатываемой электроэнергии этим ГДВС по цене будет сопоставима с электроэнергией, вырабатываемой на существующих Гидро-электро станциях (ГЭС). ГДВС абсолютно экологически чистый потому, что имеет замкнутый цикл. Сравнение технических и экономических характеристик существующих на текущий момент двигателей и других устройств получения тепла и электроэнергии с предлагаемым ГДВС приведены в таблице 1. 
 
 

Таблица 1. Технические характеристики устройств, для выработки тепла и электроэнергии.

Основные  характеристики для выработки тепла и электроэнергии Дизель-генераторы ТЭЦ и ГРЭС АЭС и АТЭС ГЭС ГДВС Вид топлива Дизельное топливо Уголь, мазут  и газ Ядерное топливо - Водород Удельный  эффективный расход топлива, кг/(кВт ч) 0,184-0,220 0,311-0,650 0,000004-0,003 - 0,025-0,030 КПД (без  утилизации теплоты) 0,39-0,47 0.30-0.39 0,30-0,33 0.85-0.90 0,1-0,8 КПД (с  утилизацией теплоты) 0,70-0,80 0.39-0.76 0,82 - 1,0 Мощность  единичной установки, МВт 0,10-5,00 0,10-300 1000-1600 10-640 0,05-1000 Диапазон  рабочих режимов, % от ном. мощности 10-110 20-100 70-100 10-110 5-150 Вредные выбросы и другие факторы Окись азота, окись  углерода Углекислый  газ, сернистый ангидрид, зола, тепловое загрязнение и другие соединения Радиоактивные отходы, тепловое загрязнение Уничтожение естественной экосистемы, влияние на экологию и  климат Химические  отходы электролизного производства Себестоимость электроэнергии, $/кВтч 0,07-0,1 0.035-0.055 0.035-0.045 0.004-0.012 0,002-0,0062

5. 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   т, дейтерия -   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.