Структура курса презентация

водорода (3 – 4 лекции)
Системы энергообеспечения на топливных элементах. (8-9 лекций)
Применение водорода на транспорте (2- 3 лекции)
Перспективы развития ВЭ

и энергопотребления.
Структура водородной энергетики
Методы производства водорода
Транспортировка и хранение водорода
Водородная безопасность

ландшафтов, промышленности и т.д., который обеспечивает потребности существующего поколения без ограничения возможности следующих поколений также обеспечить свои потребности.»

«При сжигании 1 кг топлива производится 3,2 кг углекислого газа и 1 кг воды. Добыча и сжигание ископаемых топлив является основной угрозой для окружающей среды из-за разрушения ландшафтов, смога, кислотных дождей и изменения состава атмосферы. Изменения окружающей среды и атмосферы могут вскоре изменить погоду и характер климата, породив гигантские проблемы для всех обитателей Земли.»

миллиарда в 1927 году (123 года) 3 миллиарда в 1960 году (33 года) 4 миллиарда в 1974 году (14 лет) 5 миллиардов в 1987 году (13 лет) 6 миллиардов в 1999 году (12 лет) Прогнозы на дальнейший рост населения
7 миллиардов в 2013 году (14 лет) 8 миллиардов в 2028 году (15 лет) 9 миллиардов в 2054 году (26 лет

оно закончится.

Ископаемые источники энергии конечны и будут исчерпаны в недалеком будущем. Сохранение человеческого общества в его современном виде станет невозможным, если не будут найдены альтернативные источники энергии.
В идеале эти новые энергетические системы должны иметь характеристики существующих «углеводородных» систем: иметь высокую плотность энергии, быть достаточно безопасными при хранении, портативными, но не иметь таких негативных свойств как угроза существования жизни на планете.

периодом и современностью составляет около 1°C.
Компьютерные модели изменения температуры за счет сжигания ископаемых топлив дают величину потепления до 10-12°C.

Уголь:
340 г СО2/кВт*ч
Газ:
190 г СО2/кВт*ч

миллионы лет. В 20-м столетии она увеличилась до 370 ppm, в 2007 г. Достигла 383 ppm.
Моделирование климата предсказывает, что увеличение концентрации до 550 ppm приведет к изменениям климата, по масштабам, сопоставимым с ледниковым периодом. Т.е. можно будет говорить о «парниковом периоде».
Человек, как вид, скорее всего выживет, как и в ледниковый период, но человеческое общество в его современном виде вряд ли.
Эмиссия СО2 увеличилась с 1990 по 2004 г. на 24.4%. Если экстраполировать текущую ситуацию, принимая во внимание только эмиссию от автомобилей, то концентрация 550 ppm достигается легко. А в реальности может быть и больше, особенно, когда начнет оттаивать тундра.
Помимо СО2 есть другие виды загрязнений при сжигании ископаемых топлив: кадмий, ртуть, мышьяк, оксиды азота, серы и т.д.

за обладание ресурсами
(2) Общество не имеет желания возвращаться к стилю жизни доиндустриального мира.

в атмосфере необходимо сократить выбросы на 55-85 %
Чтобы исключить антропогенные выбросы СО2 нужны неуглеродные источники энергии.
Решение проблемы замещения УВ источников энергии на не УВ является императивом ближайших поколений.
Водород является перспективным кандидатом на должность заместителя УВ
В конечном итоге источником энергии является Солнце
3 x 1024 Дж/г, что в 10000 раз превышает потребности.

1810 г

Показал, что существуют разные типы воздуха «негорючий воздух» - СО2 и «горючий воздух» - водород. Кавендиш получал водород в реакции цинка с хлорной кислотой. Показал, что водород намного легче воздуха, первый получил воду из водорода и кислорода в электрической искре (1775).

Жак Александр Чарльз 1783 Первый воздушный шарик, наполненный водородом, «Чарльер» поднялся на высоту 3 км

Н2

Лавуазье (1788) водород = порождающий воду

«Наступит день, когда весь уголь будет сожжен»
Жюль Верн «Таинственный остров»
Глава «Топливо будущего»

+ СО2 + N2
1800 – 1950 «городской газ» 50% Н2+ 30% СН4 + 6% CO широко использовался для освещения улиц и энергоснабжения
В 1960-х годах вытеснен природным газом.

1890-е Константин Циолковский предложил использовать водород как топливо для космических кораблей

1911 – Карл Бош (Bosch) разработал процесс получения аммиака (NH3) и аммиачных удобрений, организовал производство синтетических удобрений.

на водород

«Водородный лейтенант» Борис Шелищ 1941

– первый практический водородно – воздушный топливный элемент мощностью 5 кВт для питания сварочного аппарата.
1960-е Предложено использовать солнечную энергию для разложения воды с последующим использованием водорода и кислорода в ТЭ
В течении 20-го века использование водорода расширялось: производство аммиака, метанола, удобрений, стекла, очистки металлов, витаминов, косметики, полупроводников, мыла, арахисового масла и ракетного топлива.
Начало 1970-х – появился термин «водородная экономика»
Конец 20-го – начало 21 века: быстрое увеличение производства водорода, разработка водородных автомобилей, ТЭ. Исландия заявила, что к 2030 г. Перейдет к водородной экономике.
1990 – первая в мире установка по производству водорода с помощью солнечной энергии
1994 Даймлер Бенц –первый NECA I (New Electric CAR) – первый автомобиль с ТЭ
1999 – первые в Европе станции заправки водородом (Гамбург)
2000 Ballard Power systems - первый готовый к производству ТПТЭ для автомобилей
2004 – первая подводная лодка на ТЭ.

источник.
Готового водорода в природе нет, но его можно получить с помощью любого источника энергии:
ископаемые топлива
возобновляемые источники
Ядерная энергия

Проблема энергии для человечества решится только если мы научимся удовлетворять свои потребности в энергии за счет возобновляемых источников: Солнце, ветер, океанские течения, приливы, биомасса и т.д.
Принципиально возобновляемым источником энергии является Солнце. Солнечную энергию можно преобразовать в электричество с помощью солнечных элементов, или в тепловую с помощью адсорберов.
Поступление энергии от Солнца на Землю составляет 3х1024 Дж/г, а потребление человечеством примерно в 10 тыс. раз меньше.
Покрытие 0.1% земной поверхности солнечными элементами с эффективностью 10% решило бы проблему энергоснабжения. Но для производства этих солнечных элементов нужно потратить энергию, которая получается из УВ источников, поэтому это производство будет сопровождаться эмиссией СО2.
Кремниевым СЭ потребуется три года работы, чтобы скомпенсировать эмиссию СО2, , который был произведен в процессе производства СЭ.

метилового эфира из сои (биодизельное топливо). Биодизель удобен, т.к. позволяет использовать существующую инфраструктуру и обычные двигатели
Энергия ветра – наиболее экономически эффективный источник энергии. Энергия, запасаемая ветрами пропорциональна кубу скорости воздуха. При этом земля под ветряными установками может использоваться для сельского хозяйства, установки СЭ.
Гидроэнергия рек широко используется во всем мире, но практически все ресурсы уже использованы (кроме малой гидроэнергетики).
Энергия океана: разница температур слоев воды, приливы, энергия волн - трудно извлечь.
Геотермальная энергия: извлечение перегретого пара с глубин до 1500 м. Широко используется в Исландии, США (Сан Хосе 850 МВт). Энергия отбирается быстрее, чем подводится внутри Земли. Через несколько лет приходится бурить новые скважины.

может не быть, когда она нужна. Нужны промежуточные носители, накопители энергии
ВИЭ будут полезны, если с их помощью можно получать электрическую, или химическую формы энергии.
Возможные накопители энергии: Н2, батареи, маховик, сверхпроводящие магнитные накопители, электрохимические конденсаторы, закачанная вода, сжатые газы.
ВИЭ находятся в одном месте, а потребить энергию нужно в другом: нужны системы доставки энергии, поэтому носитель должен быть портативным. Водород вполне подходящий накопитель, в котором может быть запасена энергия ВИЭ.
Стационарные потребители могут использовать топливо в любом физическом состоянии (твердом, жидком, или газообразном).
Для транспорта топливо должно быть удобным, быстро заправляемым.
В настоящее время ни один из источников энергии (термоядерная, ядерная, солнечная, геотермальная и т.д) за исключением ископаемых топлив, не может напрямую использоваться как топливо.
Эти первичные источники должны быть конвертированы в в носители энергии, удобные для использования.
Кандидаты на эту роль: метан, метанол, этанол, водород. Критерии для выбора топлива для транспорта будущего: эффективность, экологическая чистота, безопасность, экономичность.
Нужно придумать, как перейти от современных УВ топлив в будущим возобновляемым без катаклизмов. Это топливо должно быть экономически выгодным в производстве, легко транспортируемым и хранимым, возобновляемым и не дающим загрязнений, а если возможно, и более эффективным, чем существующие топлива.
Водород подходит на эту роль по всем статьям, но есть много нерешенных проблем.

для получения водорода может быть вода, а для получения искусственных углеводородов — еще и уголь, углекислый газ или природные карбонаты, т. е. запасы сырья практически не ограничены.
2.При сжигании водорода или искусственных топлив, полученных на его основе, образуется значительно меньше вредных веществ и требуются значительно меньшие затраты на мероприятия по охране окружающей среды, чем при сжигании природных жидких и газообразных топлив, в особенности сернистых.
3.Полученные топлива сравнительно легко транспортировать, хранить и аккумулировать.
4.Водород и искусственные топлива на его основе (например, метанол) могут использоваться в существующих автомобильных и авиационных двигателях при их относительно небольших переделках.
5.Водород широко используется в современной химии, нефтехимии, а в меньших масштабах — в металлургии, при металлообработке, в пищевой и других отраслях промышленности, и потребность в нем непрерывно возрастает.

Не в пользу водорода:
Он в 8 раз легче природного газа,
Его объемная теплота сгорания меньше, чем у метана, в 3,3 раза.
Водород более взрывоопасен, он образует с воздухом взрывоопасные смеси в значительно большем диапазоне концентраций, чем природный газ.
Его температура ожижения при атмосферном давлении (20 К) существенно ниже, чем у природного газа (у метана— 108 К).
Он дорогой!

запасаемой энергии
Срок службы 3 – 5 лет
Лучшие аккумуляторы
(бериллий – воздушные)
могут хранить 24 МДж/кг реагента
Нельзя транспортировать «частями»
Нельзя использовать напрямую
как источник энергии для ТС

Водород
Хранить легко
Затраты на прокачку по
трубопроводам 12%.
накопители водорода
могут работать долго
В водороде хранится 120 МДж/кг
Можно транспортировать «частями»
Можно напрямую использовать в ТС
нужны дополнительные шаги:
электролиз (минус 10 – 15%),
обратное преобразование в
электричество (минус 30 – 40%)

Хранение водорода с последующим использованием для генерации электричества дает эффективность 45 – 55 %, по сравнению с 92% эффективности использования электричества

энергии, и не будут ли продукты горения ядовитыми.
Критерии качества потенциального топлива: энергия на кг, возможность транспортировки, нетоксичность, при сжигании на воздухе производить только газы, должно производиться из легкодоступных элементов и с низкой стоимостью, возможность использовать в существующем оборудовании.
Водород, в принципе удовлетворяет всем требованиям
Сжигание водорода дает только воду
Энергозапас 142 МДж/кг при сжигании
Из загрязнений – только немного NOx
Транспортные средства могут переоборудоваться на водородное топливо
Водород есть везде (в составе воды)

+ _
В газообразном состоянии плотность 0,09 г/л, в жидком 70 г/л (у бензина 750 г/л)
У Водорода энергозапас (Дж/кг) в 3 раза больше, чем у бензина, в 7, чем у угля
Но объемный энергозапас (Дж/м3) – в 3 раза хуже, чем у метана
Водород сжижается при 20 К
Диапазон воспламенения смеси с кислородом 4-75%
Самовоспламенение при 576 С

на водороде и его дополнении – электричестве.
Для успеха ВЭ Н2 должен генерироваться из возобновляемых источников (воды) с помощью ВИЭ.
Н2 должен заменить ископаемые УВ и как топливо и как энергоноситель и как химическое сырье.
Успех ВЭ будет определяться решением проблем производства, транспортировки, хранения, создания инфраструктуры.
Теоретически водород и электричество закрывают потребности человечества в энергии.
В ВЭ Н2 и электричество должны будут производиться из самых разных источников энергии и использоваться везде, где сейчас применяются ископаемые УВ.

в таких энергетических системах, которые обеспечивают высокую эффективность утилизации запасенной энергии (например ТЭ, гибридные автомобили)
Безопасность использования,

водорода

Использование водорода

Утилизация оксида углерода

ископаемых УВ (газ – 48%, нефть – 38%, уголь – 18%)
4% - электролизом воды
Чистота Н2 из УГ – 98%, но можно очистить до 99,99% (ТПТЭ).
Проще и дешевле производить из метана в процессе паровой конверсии

Частичная конверсия - конверсия гомологов метана

Реакция получения синтез-газа
На катализаторе, Т=700–900 С
Р=1 – 3 МПа

Реакция сдвига
На катализаторе
200 – 400 С

CH4+H2O → CO + 3H2
ΔH = 206.1 кДж/моль
при 398 K (эндотерм.)

CO + H2O → CO2 + H2
ΔH = -41.1 кДж/моль при 298K (Экзотермич.)

CH4 + 2H2O → 4H2 + CO2
ΔH = 165 кДж/моль

Полная реакция

O2 → nCO + m/2 H2 (экзотермическая)
CnHm + nH2O → nCO + (n+m/2) H2 (эндотермическая)
+ реакция сдвига CO + H2O → CO2 + H2

Температуры: ~ 1150°C для тяжелых УВ
~ 600°C для легких УВ
Давление 3 - 12 МПа.
Энергетическая эффективность конверсии ~ 50%.

Газификация угля
C+ ½ O2 → CO (экзотермическая)
C + H2O → CO + H2 (эндотермическая)

Производство 1кг of H2 паровой конверсией метана сопровождается выбросом
10.6621 кг CO2, 146.3 г СН4, следов бензола, СО, NOx
При производстве водорода газификацией угля количество СО2 удваивается

энергии (особенно если есть вода, почва и удобрения).
БМ дает около 12 % потребляемой энергии.
Н2 из БМ может быть получен в термохимических или биологических процессах.
Термохимические: пиролиз и газификация БМ
Биологические: биофотолиз, ферментация, биологическая реакция сдвига

Пиролиз –Т=400 – 600 С, Р=0,1 – 0,5 МПа, без кислорода. Продукты: водород, метан, СО, СО2, жидкие УВ. УВ могут быть конвертированы в Н2

Газификация:
БМ+ тепловая энергия + пар → H2 +CO +CO2 +CH4 + УВ+ сажа
Газификация применяется, если влажность БМ < 35 %

Н-О. Для расщепления воды нужно 1.229 эВ при н.у.).
Получение водорода из воды с помощью ВИЭ – единственный путь перехода к водородной экономике.
Методы расщепления воды:
электролиз
фотоэлектролиз
Термохимическое расщепление
Биофотолиз

Наиболее логичные решения:
солнечная энергия + электролиз или фотоэлектролиз

Но такое состояние дел не сможет сохраниться больше 20-30 лет
Необходимо экологичное решение для транспорта на основе Н2 или электричества
Два направления:
Автомобили с водородными ДВС
Автомобили с ТЭ
Преимущества…..
Трудности….

Производители
автомобилей

Покупатели
автомобилей

Заправочная
сеть

чем у БДВС (высокая скорость диффузии – однородная смесь в цилиндре)
Энергия инициирования горения:
0.017 мДж – водород, 0.24 мДж – воздух – легче поджечь смесь
Диапазон концентраций воспламенения:
4% - 75% Н2, 1.4% - 7.4% бензин – ДВС будет работать даже при бедных смесях
Высокая температура самовоспламенения (576°C) – можно использовать высокие степени компрессии
Но! Стехиометрическое соотношение воздух/топливо для ВДВС по объему: 2.4:1. Н2 будет занимать 30% объема цилиндра (бензин занимает 2%)
Из-за высоких температур в цилиндре могут образовываться NOx, но если обогатить смесь водородом (на 1 %), то этого не происходит.
Низкая плотность водорода ограничивает пробег между заправками.

в сжатом состоянии. Сейчас при Р~ 300 Атм. В планах 700 Атм. Производится Н2 при Р не выше 3 Атм – нужно сжимать (затрачивать энергию, делать компрессоры)
Сжижается при 20 К, но все равно объемная плотность в 10 раз ниже, чем у бензина. Проблема: как хранить при такой температуре (тоже нужно расходовать энергию)
Металлогидриды: дороги, тяжелы, теряют емкость при циклировании

наибольшем диаметре 30 м. общий объем 200 000 м3

Дирижабль СССР-В-6
5 февраля 1938 г