Перспективы использования водорода в энергетике

Министерство образования и науки

Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Томский Политехнический Институт

(технический университет)

Институт теплоэнергетики и технической физики

Реферат на тему:

Перспективы использования водорода в энергетике.

Группа:

Студент:

Преподаватель:

Томск 2008

Современная энергетика, как зарубежных стран, так и нашей страны, основана преимущественно на потреблении углеводородных энергоресурсов. Электростанции сжигают природный газ, мазут и уголь. Двигатели автомобилей, самолетов и других массово применяемых машин используют также топливо на основе невозобновляемых углеводородных природных ресурсов. В общем балансе потребляемой энергии только атомная и гидроэнергия составляют крупную долю — где-то около одной четверти в нашей стране. Доля солнечной, геотермальной энергии, энергии ветра, морских волн увеличивается значительными темпами, но продолжает составлять очень небольшую величину. Рассчитывать на существенные прорывы в этой области пока не приходится, хотя в целом ряде стран наметился большой прогресс. Так, Франция около 80% электроэнергии получает на АЭС, Исландия и Дания значительную долю электричества вырабатывают с помощью ветра и т. д.

Дальнейшее интенсивное развитие современной энергетики и транспорта ведет человечество к крупномасштабному энергетическому и экологическому кризису.

Стремительное сокращение запасов ископаемого топлива принуждает развитые страны принимать серьезные усилия по поиску альтернативных возобновляемых экологически чистых источников энергии.

Но в последние годы наметился инновационный поворот к использованию более эффективного энергоресурса — водорода.

Современные авиационные, ракетные и автомобильные двигатели, топливные элементы все чаще начинают возвращаться к частичному или полному использованию водорода. Водород обладает целым набором качеств, делающих сегодня его употребление выгодным: он имеет большую энергоэффективность и химическую активность, в результате его сгорания образуется вода, не обладающая токсичностью и не наносящая ущерба окружающей среде. Правда, есть и недостатки; главные из них — дороговизна производства и пожароопасность.

Водородная энергетика сформировалась как одно из направлений развития научно-технического прогресса более 30 лет назад. Работы по водородной энергетике во многих странах относятся к приоритетным направлениям социально-экономического развития и находят все большую поддержку со стороны как государства, так и частного бизнеса. Ведется активный поиск путей перевода большинства энергоемких отраслей промышленности, включая транспорт, на водородное топливо и электрохимические генераторы на основе использования топливных элементов (ТЭ).

Водородные топливные элементы считаются будущим мировой энергетики благодаря своей эффективности и экологической безопасности.

Использование водорода в качестве основного энергоносителя приведет к созданию принципиально новой водородной экономики, станет научно-техническим прорывом, сравнимым по своим социально-экономическим последствиям с тем революционным воздействием на развитие цивилизации, которое оказали электричество, двигатель внутреннего сгорания, химия и нефтехимия, информатика и связь.

Около 1000 фирм, компаний, концернов, университетских лабораторий, государственных и научно-технических объединений Запада уже много лет усиленно работают в различных направлениях водородной энергетики.

Учитывая существенный рост цен на энергоресурсы и серьезные экологические проблемы, некоторые страны уже приняли законы и государственные программы по изучению водородных технологий и широкому их применению. В их числе Исландия, США, Япония, ЕЭС.

В работы по ТЭ и энергетическим установкам на их базе ежегодно инвестируется свыше 500 млн.долл. США.

Наиболее динамично развиваются эти работы в США, Канаде и Японии, где наряду с большим объемом НИОКР, ведутся активные работы по коммерциализации водородной энергетики. Создано большое количество энергетических установок на топливных элементах мощностью от единиц ватт до мегаватт, уже сейчас конкурентоспособных с аналогичными установками, основанными на традиционных технологиях сгорания углеводородного топлива.

С прогрессом в области разработки энергоустановок на основе ТЭ связывается надежда на решение проблемы обеспечения человечества возобновляемыми экологически чистыми энергоресурсами, а также возможность изменения и совершенствования системы энергоснабжения (электро- и теплоснабжения) различных объектов - от сотовых телефонов, компьютеров и автомобилей до жилых домов, крупных промышленных предприятий и в целом городов.

Топливные элементы

ТЭ – электрохимический источник тока, в котором осуществляется прямое превращение энергии топлива и окислителя, непрерывно подводимых к электродам, непосредственно в электрическую энергию, без необходимости сначала преобразовывать её в тепло или механическую работу вращения турбин. Так как преобразование тепла в работу у этих установок отсутствует, их энергетический КПД значительно выше, чем у традиционных энергоустановок и может составлять до 90%. Кроме того, топливом здесь служит водород, а значит, основной выхлоп таких систем – просто водяной пар.

Ясно, что за топливными элементами – будущее. Водород будет питать двигатели автомобилей, небольшие топливные батареи будут обеспечивать теплом и светом частные домохозяйства, они же будут встроены в портативную электронику.

Химические реакции в ТЭ идут на специальных пористых электродах (аноде и катоде), активированных палладием (или другими металлами платиновой группы), где химическая энергия, запасенная в водороде и кислороде, эффективно преобразуется в электрическую энергию. Водород окисляется на аноде, а кислород (или воздух) восстанавливается на катоде.

Катализатор на аноде ускоряет окисление водородных молекул в водородные ионы (Н+) и электроны. Водородные ионы (протоны) через мембрану мигрируют к катоду, где катализатор катода вызывает образование воды из комбинации протонов, электронов и кислорода. Поток электронов через внешний кругооборот производит электрический ток, который используется различными потребителями.

Напряжение, возникающее на отдельном ТЭ, не превышает 1,1 вольта. Для получения необходимой величины напряжения ТЭ соединяются последовательно в батареи, а для получения необходимой мощности батареи ТЭ соединяются параллельно. Такие батареи ТЭ вместе с элементами газораспределения и терморегулирования монтируются в единый конструктивный блок, называемый электрохимическим генератором (ЭХГ).

Однако если бы всё было так просто, топливные элементы уже давно превратились бы в основной источник энергии, сменив статус «перспективной разработки» на место в разнообразных устройствах и машинах в каждом доме. «Перспективные» топливные элементы впервые использовались еще на советской орбитальной станции «Мир», однако были недолговечны и слишком дороги для внедрения в массовое хозяйство.

Проблема в том, что для их эффективной работы нужны катализаторы.

Сейчас огромное количество институтов и частных компаний бьются над увеличением эффективности топливных элементов и снижением их себестоимости. В инновационных решениях нуждаются также и разделяющие электроды твердые электролиты (мембраны), и материалы электродов, которые должны обладать большой коррозионной стойкостью.

В качестве катализаторов в топливных элементах чаще всего применяют платину и её сплавы с не менее драгоценным палладием. Этот материал позволяет значительно облегчить процесс ионизации водорода. В реакции участвуют только атомы, находящиеся на поверхности, поэтому для каталитических целей применяют платину в виде наночастиц (так называемой платиновой черни). Однако в процессе нанесения дорогостоящей платины наиболее распространенным методом аэрографии её потери достаточно велики, что еще более удорожает конечный продукт.

Техасские специалисты во главе с Питером Страссером предлагают использовать сплав платины с кобальтом и медью.

Новый катализатор представляет собой частицы сплава, содержание металла в которых изменяется от поверхности к ядру: поверхность частиц обогащена платиной, а ядро состоит преимущественно из меди и кобальта. Первые испытания этого катализатора показали эффективность, превышающую аналогичный показатель современных катализаторов для топливных элементов в 4–5 раз.

Вдобавок нанокатализатор оказался существенно дешевле.

Для производства катализатора нанесенные на графитовый электрод частицы сплава помещаются в раствор кислоты и подвергаются циклическому воздействию переменного напряжения. Менее благородные металлы, в особенности медь, растворяются с поверхности, оставляя её обогащенной платиной. Ядро же имеет тот же состав, что и исходный сплав.

Более того, образовавшиеся в результате электрохимического травления меди и кобальта пустоты на поверхности частиц приводят не только к обогащению поверхности платиной, но и к значительному увеличению площади поверхности катализатора. Тем не менее, увеличение эффективности катализатора в 4–5 раз по сравнению с чистой платиновой чернью, по мнению Страссера, не может быть объяснено исключительно увеличением площади поверхности.

Компьютерные расчеты показали, что расстояние между атомами платины в обогащенной ей оболочке короче по сравнению с этой дистанцией в чистой платине. Такое «сжатое» состояние фиксируется с помощью обогащенного кобальтом и медью ядра. Сокращенное межатомное расстояние платина–платина, по всей видимости, способствует более легкой адсорбции кислорода. Это же, судя по всему, изменяет электронную структуру оболочки так, что процесс переноса электрона с образованием отрицательно заряженной молекулы кислорода становится значительно упрощенным.

Типы топливных элементов

Существуют различные типы ТЭ. Их обычно классифицируют по используемому топливу, рабочему давлению и температуре, а также по характеру применения.

Наибольшее распространение получила классификация топливных элементов по типу электролита как среды для внутреннего переноса ионов (протонов). Электролит между электродами определяет операционную температуру и от этой температуры зависит тип катализатора.

Выбор топлива и окислителя, подаваемых в ТЭ, определяется, в первую очередь, их электрохимической активностью (то есть скоростью реакции на электродах), стоимостью, возможностью легкого подвода топлива и окислителя в ТЭ и отвода продуктов реакции из ТЭ.

Водород считается основным источником топлива для ТЭ, однако процесс преобразования топлива позволяет извлекать водород и из других его видов, включая метанол, природный газ, нефть и др.

В отличии от аккумулятора и батареек, ТЭ не истощается и не требует перезарядки; он работает, пока подается топливо.

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.

Состояние работ по водородной энергетике в России

В России водородная проблематика давно и активно изучалась, правда, в основном для военного применения, достаточно вспомнить, что топливные элементы летали в космос на "Буране".

Россия имеет уникальные достижения в области разработки ТЭ. Однако пока что свои возможности мы не используем в достаточной мере, обрекая себя не только на отставание в перспективной области энергетики, но в будущем ставим себя в зависимость от мировой экономической и политической конъюнктуры.

Основные причины, препятствующие работам в России по ТЭ и водородной энергетике:

- отсутствие национальной программы по разработке и производству ТЭ и энергетических установок на их основе;

- отсутствие целевого государственного финансирования фундаментальных и прикладных исследований и разработок в области ТЭ. (Ранее они финансировались в рамках ракетно-космических программ);

- неразвитость и неготовность промышленной базы для производства ТЭ и энергетических установок на их базе;

- неготовность частного бизнеса по–настоящему субсидировать фундаментальные и прикладные исследования;

- отсутствие четкой и ясной государственной политики и реальной поддержки работ по экологически чистым ресурсо- и энергосберегающим технологиям.

ГМК "Норильский никель", крупнейшая в России и одна из крупнейших в мире компаний по производству драгоценных и цветных металлов, произвел значительные инвестиции в отечественную академическую науку, купил крупный пакет акций американской инновационной компании, ориентированной на разработку топливных элементов. Интерес "Норникеля" понятен: он — крупнейший производитель палладия и всех других платиноидов, без которых невозможно производство топливных элементов, существенно увеличивающих КПД производства энергии без нанесения вреда окружающей среде.

В целях сокращения допущенного отставания в исследованиях и разработках по водородной энергетике и топливным элементам и осознавая исключительное значение водородной энергетики для экономики России, ОАО "ГМК "Норильский никель" и Российская академия наук договорились о совместных работах по развертыванию и финансированию наиболее важных фундаментальных, научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по основным направлениям и элементам топливных элементов и энергетических устройств на их базе, предусмотрев в том числе:

o создание научно-технического, технологического и конструкторского задела по ключевым агрегатам, устройствам и системам водородной энергетики и ТЭ;

o формирование базовой кооперации академических институтов и промышленных предприятий по созданию систем и устройств водородной энергетики на основе ТЭ различных типов;

o отработку механизма финансирования работ по водородной энергетике и ТЭ с использованием частного капитала;

o изучение конъюнктуры рынка ТЭ и энергетических устройств на их базе;

o отбор наиболее привлекательных коммерческих (конкурентоспособных) проектов для освоения их серийного производства и продвижения на рынок;

o создание предприятий по производству ТЭ и энергетических установок на их основе;

o подготовку предложений по вариантам водородной инфраструктуры России и структуры автономной энергетики с использованием систем на базе ТЭ;

o формирование национальной программы России по водородной энергетике, создание руководящих и координирующих органов по ее реализации;

o подготовка предложений по формированию федеральной бюджетной политики финансирования работ по водородной экономике и ТЭ;

o разработка законодательной базы, нормативных документов, системы национальных стандартов, регламентов и требований к инфраструктуре водородной энергетики и ее ключевым элементам;

o пропаганда среди населения достоинств и преимуществ водородной энергетики, перехода страны к водородной экономике и др.

Предусматривается создать Совет по водородной энергетике и топливным элементам Российской академии наук, а также учредить всероссийский журнал по водородной энергетике.

За годы пристального внимания науки к водороду и его практического использования накопился опыт, на основе которого можно сформулировать несколько стратегических задач для отечественного нефтегазового комплекса.

Первая — энергетическая безопасность, провозглашенная нашим президентом как стратегическая программа, для реализации которой у России есть неоспоримые преимущества, она может получить серьезное усиление за счет принятия программных долгосрочных документов по водородной энергетике, конкретизирующих инновационность сформулированной задачи, но при обязательном регулировании этих процессов государством.

Вторая задача связана с тем, что существенный прогресс водородной энергетики, особенно в больших мегаполисах, возможен только за счет реального получения больших объемов водорода. Производство его методом электролиза воды в больших масштабах пока не получается, но есть метод риформинга — каталитического разделения природного и попутного нефтяного газа, который на начальном этапе поможет получить промышленные потоки водорода и практически отработать остальные элементы водородной концепции. Но эти вопросы нельзя решить без заинтересованности нефтяников и газовиков. Нужна активная позиция менеджмента нефтегазовой отрасли. Водородные автозаправки уже работают в Японии и США, пора открывать их и в Москве.

Третья задача определяется тем, что новые коммерческие продукты переработки углеводородов с получением промышленных объемов водорода очень важны для инновационного развития нашей страны. Как в свое время план ГОЭЛРО, массовое использование водорода вызовет синергетический эффект во всех сферах жизнедеятельности России, и поэтому инициаторы вправе рассчитывать на льготы в форме государственной поддержки, налоговых каникул и других преференций. Прибыльность отрасли и ее общественная значимость возрастет.

И наконец, четвертая задача: комплексный подход к использованию минерально-сырьевых и особенно энергетических ресурсов не может мириться с современными параметрами эффективности использования отечественных возможностей. Государственные компании могут и должны активнее демонстрировать динамику опережающего развития, выступать фирмами-операторами, объединяющими корпоративные возможности совершенствования всего воспроизводственного энергетического цикла с выдачей инновационных продуктов, создающих основу для устойчивого развития России. "Роснефть" имеет лидирующие позиции для инициатив в этом направлении.

Примеры использования водорода, в качестве источника энергии

Автомобиль Toyota FCHV, работающий на водороде, проехал расстояние в 560 км между Осака и Токио без последующей дозаправки. Это стало возможным благодаря новому водородному баку с повышенным давлением. Гибридный автомобиль оборудован также электродвигателем с постоянным магнитом и никель-металлогидридным аккумулятором. Автомобиль сертифицирован для движения по дорогам Японии. Скоро ожидается старт серийного производства модели FCHV.

В июле японские инженеры разработали технологию, которая позволяет увеличить давление в баке с водородом до 70 МПа. Новшество позволяет увеличить расстояние, которое автомобиль может проехать без дозаправки, на 660 км.

На улицы города Остин (штат Техас, США) вышел первый автобус, использующий комбинацию аккумуляторов и водородный топливный элемент мощностью 20 кВт. Гибридный автобус разработан компанией Ebus при участии университета штата Техас и института газовых технологий (GTI).

Автобус способен двигаться без дозаправки около 350 км, что почти в четыре раза превышает ресурс аналогичного автобуса, использующего только аккумуляторы.

Инфраструктура для заправки водородом пока не создана, заправка автобуса осуществляется на единственной станции, где водород вырабатывается, а затем сжимается, хранится и выдается при следующей заправке. Техасские ученые продолжат разработки технологий водородной заправки, а также применения водородных топливных элементов в транспортных средствах.

Если верить утверждению крупнейшего воротилы мобильного бизнеса, компании Nokia, от топливных элементов в качестве аккумуляторов для сотовых телефонов нас отделяет какая-то пара лет. В топливных элементах источником энергии является водород, метанол или этиловый спирт, которые окисляются кислородом при участии платинового катализатора. При этом выделяется достаточное количество экологически чистой энергии. Вопрос перевода мобильных устройств на топливные элементы вместо традиционных литий-ионных аккумуляторов представляет собой проблему поставок и производства, а не технологии. Все необходимые технологии и ноу-хау уже разработаны, в том числе такими копаниями, как производитель ноутбуков Toshiba или автомобильный гигант Toyota.

По словам главы исследовательского отдела Nokia Тапани Рианена (Tapani Ryhanen), потребителю необходимо дождаться того времени, когда будет налажена поставка топлива к местам заправки и продажи источников питания для мобильных телефонов. Не стоит забывать и такой аспект использования топливных элементов, как небезопасность некоторых видов энергоносителей. Так, небезызвестный метанол в количестве всего 30 г может привести к смерти, а в меньших дозах – к повреждению нервных тканей и слепоте. Зато топливо в таких элементах окисляется до конца, ничего кроме экологически чистой воды и углекислого газа не остаётся после того, как топливный элемент отработал свой ресурс.

Список использованной литературы

1. «Перспективы и проблемы развития водородной энергетики и топливных элементов». Программа ОАО «Норильский Никель»

2. Статья Георгия Лазарева, депутата Государственной думы. "ЭПРО" № 3 2007

3. Материлы сайтов http://www.gazeta.ru и http://www.energospace.ru/