Использование водородного топлива как экологически чистого энерг. Использование водородного топлива как экологически чистого энергоносителя
 Скачать 275.2 Kb.
|
|
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого» Институт энергетики РЕФЕРАТ на тему: «Использование водородного топлива как экологически чистого энергоносителя» по дисциплине: «Современные проблемы науки и производства в энергетическом машиностроении» Выполнил студент группы з3241303/00901 Н.А.Лунегов Руководитель: профессор Н.А.Забелин Санкт-Петербург 2020 г. СОДЕРЖАНИЕ Введение 3 Глава 1 Производство водорода 4 1.1 Паровая конверсия метана и природного газа 4 1.2 Электролиз воды 8 Глава 2 Хранение водорода 9 Глава 3 Использование водородного топлива 11 Заключение 14 Список литературы 15 ВведениеВ настоящее время большую актуальность получили вопросы поисков экологически чистого энергоносителя, высокоэффективного и дешевого. Это вещество должно быть неисчерпаемым как ресурс. Поиск альтернативного источника энергии все более заостряется ввиду дестабилизированной ситуации на планете, изменению климат за счет антропогенного воздействия, постепенному истощению в недрах земли привычных энергетических ресурсов и постоянное удорожание их стоимости. Источник энергии необходим не только для развития человечества, но и для самого существования на планете. Перспективным претендентом на место универсального источника энергии является водород. На нашей планете запасы водорода неисчерпаемы и обладают автоматической возобновляемостью. Это снижает затраты на поиск и разработку месторождений. Одним из критериев больших перспектив применения водорода в качестве источника энергии служит и его энергетические показатели. Энергоотдача водорода составляет более 120,7 ГДж на тонну, это значительно выше энергоотдачи природного газа 33,50 ГДж на тонну и любого энергоносителя, используемого сейчас. Эффективность энергетических процессов в газотурбинных установок увеличивается более чем на 30-40% при использовании водорода, в отличии от природного газа. Применение водорода в качестве топлива для двигателя внутреннего сгорания увеличивает его КПД на рекордные 50-70% по сравнению с бензиновым аналогом. В топливных элементах транспортных средств водород на 100-200% эффективнее бензина. Важным обстоятельством, определяющим неизбежность перехода к массовому использованию новых энергетических технологий, является изменение экологических требований в энергетической сфере и на транспорте, предъявляемых законодательствами развитых государств. По мере перехода к новым стандартам в сфере экологии экономика и рынки развитых государств могут быть постепенно закрыты для стран или отдельных компаний, не придерживающихся установленных требований. По существу речь идет о формировании группой развитых государств, в период до 2025 – 2030 г.г., технологических и финансово – экономических основ нового экономического уклада, позволяющего обеспечить потребности мирового сообщества в качественных видах топливно – энергетических ресурсов, при максимально возможном ограничении экологического ущерба.[1] В связи с повышением внимания к водороду как источнику энергии появилась новая отрасль энергетики, основанная на использовании водорода в качестве средства для аккумулирования, транспортировки, производства и потребления энергии – водородная энергетика. Глава 1 Производство водородаПромышленное производство водорода — неотъемлемая часть водородной энергетики, первое звено в жизненном цикле употребления водорода. В свободном виде водород встречается на нашей планете лишь в очень ограниченных объёмах. Он может выделяться иногда при вулканических извержениях совместно с другими газами или из буровых скважин, где добывают нефть. Но весьма распространен водород в составе различных соединений. Выделение водорода из соединений должно осуществляться в ходе реакций разложения с применением соответствующих химических методов, к ним относятся [2]: паровая конверсия метана и природного газа; газификация угля; электролиз воды; пиролиз; частичное окисление; биотехнологии. Разнообразие способов получения водорода является одним из главных преимуществ водородной энергетики, так как повышает энергетическую безопасность и снижает зависимость от отдельных видов сырья. В настоящие время используются два основных способа: Паровая конверсия метана и природного газа и электролиз воды. 1.1 Паровая конверсия метана и природного газаПаровая конверсия — получение чистого водорода из лёгких углеводородов (например метана, пропан-бутановой фракции) путём парового риформинга (каталитической конверсии углеводородов в присутствии водяного пара). Реформирование газового пара является самым популярным и самым дешевым способом производства водорода. По сравнению с, например, электролизом воды, количество водорода, полученного на единицу потребляемой энергии, намного выше. Процесс получения водорода путем паровой конвекции природного газа [3]: Очистка сырья Природный газ подается на установку, разделяясь на два потока: один служит топливом к горелкам печи риформинга, а второй служит сырьевым газом для технологического процесса. В последний поток дозируется водород из блока короткоцикловой адсорбции (КЦА), после чего он подается на всас сырьевых компрессоров. Альтернативным сырьем может служить жидкая нафта, испаренная за счет тепла технологического газа. Гидродесульфуризация После этого смесь сырьевого газа и водорода (сырьевой газ) проходит через секцию гидродесульфуризации. В блоке гидроочистки, с применением катализатора органические соединения серы преобразуются в H2S, с гидрогенизацией всех содержащихся олефинов. В секции десульфуризации полученный H2S оседает в виде сульфида цинка на катализаторе. H2S является ядом для катализатора риформинга. Риформинг Десульфурированный сырьевой газ смешивается с перегретым паром. Далее, эта смесь проходит по катализаторным трубам в печи риформинга с горелками. В трубах печи риформинга углеводороды и пар дополнительно нагреваются в присутствии катализатора, с получением водорода, углекислого газа, угарного газа. Горячий технологический газ выходит из трубок с катализатором установки риформинга при температуре около 850°C и поступает в парогенератор отходящих продуктов установки риформинга при температуре около 820°C, где производится пар для процесса, а температура на выходе регулируется согласно заданной температуре на входе в блок конверсии СО. Конверсия СО Из парогенератора отходящих продуктов установки риформинга технологический газ выходит с температурой около 343°C и поступает в емкость преобразовательного конвектора. В конвертере происходит реакция пара и угарного газа в присутствии катализатора с образованием водорода и углекислого газа. К моменту выхода из конвертера температура газа увеличивается приблизительно на 70°C; это увеличение температуры варьируется в зависимости от производительности установки. Технологический газ выходит из конвертера при температуре около 410°C; выходная температура варьируется в зависимости от производительности установки. Выходящий из конвертера технологический газ поступает в технологическую часть подогревателя сырья, где технологический газ охлаждается, одновременно подогревая сырьевой газ. Часть синтез-газа может направляться в обход нагревателя сырья с целью поддержания заданной температуры сырья для установки гидроочистки. Технологический газ с выхода подогревателя сырья может использоваться для испарения нафты, если таковая подается в качестве сырья в установку. Затем технологический газ пропускается парогенератором тепла продуктов конвертера и теплообменник котловой воды для рекуперации тепла. Излишки генерируемого пара могут отводиться в заводскую сеть Заказчика. Далее технологический газ охлаждается, содержащаяся в потоке влага конденсируется перед подачей в сепаратор холодного конденсата, где конденсат отделяется от потока технологического газа перед вводом технологического газа в систему КЦА. Система очистки водорода [4] В системе очистки КЦА применяется процесс адсорбции для получения водорода высокой чистоты. В каждом адсорбере находится слой оксида алюминия, углерод и молекулярное сито. Система работает по повторяющемуся циклу из двух этапов: адсорбция и регенерация. Во время адсорбции технологический газ проходит через емкость адсорбера, где адсорбенты удаляют из него примеси. В конце этапа адсорбции адсорбент насыщается примесями, после чего начинается этап регенерации (снижение давления, продувка и восстановление давления). Полученный остаточный газ собирается в емкости остаточного газа и используются в качестве первичного топлива в установке риформинга. Схема установки короткоцикловой адсорбции представлена на рисунке 1.  Рисунок 1 - Установка короткоцикловой адсорбции (КЦА) Утилизация отходящего тепла Весь получаемый пар вырабатывается за счет утилизации тепла. Пар вырабатывается парогенератором дымовых газов, парогенератором отходящих продуктов установки риформинга и парогенератором тепла продуктов конвертера, входящими в состав установки. Для защиты системы получения пара предусмотрена химическая обработка котловой воды. Тепло дымовых газов используется также для перегрева технологического сырья и воздуха для горения для печи риформинга. На рисунке 2 представлена схема Трубчатый реактор конверсии природного газа с использованием дымовых газов  Рисунок 2. - Трубчатый реактор конверсии природного газа с использованием дымовых газов 1 – камера сгорания природного газа; 2 – камера смешения продуктов сгорания с водяным паром; 3 – камера смешения парогазовой смеси после межтрубного пространства. Установки производства водорода методом паровой конверсии метана широко используются в следующих отраслях промышленности -Пищевая промышленность -Сталелитейная промышленность -Стекольная промышленность -Производство удобрений -Производство метанола -Производства электроники -Производство перекиси водорода -Процессы нефтеперерабатывающих заводов -Процессы гидрогенизации/Продукты переработки масел 1.2 Электролиз водыЭлектролизные установки незаменимы при необходимости в низкой потребности производства в водороде. Современные электролизеры обладают высоким уровнем надежности, а уровень автоматизации позволят обойтись без обслуживающего персонала. Процесс основан на технологии электролиза водных растворов щелочей (NaOH) постоянным током. Источником сырья для электролизных установок служит деминерализованная вода. Сам электролизер состоит из большого числа ячеек (до 100—160), включенных последовательно в цепь тока, причём каждый электрод, за исключением двух крайних, работает одной стороной как катод, а другой как анод. Ячейка разделена смоченной мембраной, которая позволяет электрическому току течь (посредством электролита), но предотвращает перенос выделяющихся газов из одной стороны в другую. В результате реакции вода разлагается на водород и кислород. Водород подвергается дополнительной очистке от паров щелочи, кислорода и воды. Чистый водород с давлением до 25 кгс/см2 и точкой росы до -80 ⁰С доступен на границе проектирования. Кислород либо сбрасывается в атмосферу, либо отводится заказчику в соответствии с требованиями. Примесями в нем являются только водород и пары воды. Все электролизеры поставляются с системами защит, которые своевременно выявляют неисправность и останавливают оборудование. Регулирование подачи питания позволяет регулировать производительность в диапазоне 25-100 %. Выход на рабочий режим не превышает 10 минут. Расход электроэнергии не превышает 5,1 кВтч/Нм³ (с учетом оборудования по доочистке); Преимущества электролизных установок [5] Низкий удельный расход электроэнергии Быстрый пуск и выход на рабочий режим. Гибкое регулирование производительности. Полностью автоматизированное управление и удобная диспетчеризация сигналов Возможность контейнерного исполнения с системами вентиляции, отопления, сигнализации, пожаротушения. Минимальный срок поставки и монтажных работ. Длительный срок эксплуатации до 25 лет Установки производства водорода методом гидролиза воды используются в нефтехимической, металлургической, пищевой, стекольной и других отраслях промышленности. Глава 2 Хранение водородаХранение водорода — одна из главных технологических проблем водородной энергетики. Возможны следующие системы хранения водорода: Газообразного под давлением; В жидком состоянии; В интерметаллических соединениях; В настоящее время наиболее распространены стационарные газобаллонные системы хранения газообразного водорода под давлением. Их достоинством является простота конструкции, однако их большой удельный вес ограничивает использование на транспорте. В США распространены такие системы хранения в виде подземных газохранилищ, представляющим, главным образом, технологическую выработку газа или нефти. Хранение водорода в виде газа требует повышения его давления до высоких значений (30 МПа), что вызывает необходимость повышенных мер безопасности. К следующей системе хранения водорода – в жидком состоянии, выдвигаются специфические требования: применение высокоэффективной теплоизоляции или термостатирование данного объема. Такое хранение представляет лучший вариант в отношении снижения массы топлива и повышения плотности энергии (в настоящее время запас хода автомобилей на одну заправку бака составляет около 300 км). Очень низкая температура хранения (–253°С) требует высокой степени теплоизоляции бака. Во время работы двигателя электрический испаритель поддерживает в баке требуемое давление. Остаточная теплота заставляет водород выходить наружу через предохранительный клапан, что приводит к его ежедневным потерям (около 2%) при неработающем двигателе. Существуют сосуды емкостью до 5000 м3 с потерями на испарение водорода от 0,02 до 0,3% в сутки [6]. Суть следующего способа хранения водорода (в интерметаллических соединениях) заключается в следующем. В емкости, предназначенные для хранения, помещают специально подобранные сплавы некоторых металлов, которые обладают свойством при определенных условиях (давлениях и температурах) подобно губке поглощать водород, превращаясь при этом в гидрид. При изменении параметров (повышении температуры или давления) гидрид вновь распадается, высвобождая водород. Основными показателями, определяющими конкурентоспособность такого способа по сравнению с другими являются: отношение полезного веса водорода к весу устройства; обратимость процесса и отсутствие технических трудностей при отборе водорода и зарядке «водородного аккумулятора»; возможность многократного использования; возможность придания контейнеру, содержащему связанный водород, произвольной формы, вписывающейся в габариты основной конструкции; безопасность работы с «водородным аккумулятором»; экономичность способа. Глава 3 Использование водородного топлива Использование водорода как энергоносителя в газотурбинных установках актуально, потому что водород является самым легким и энергоемким веществом, которое можно использовать в качестве топлива. Также водородное топливо является эффективным решением множества основных проблем производства электроэнергии и тепла. Одной из таких проблем на сегодняшний день является экологичность газотурбинных установок. Выбросы вредных веществ ГТУ, работающих на традиционных видах углеводородных топлив, включают следующие составляющие: Оксид и диоксид азота, оксид и диоксид углерода, оксид серы и аммиак. Таблица 1 – Разовые и среднесуточные значения ПДК для загрязняющих веществ ГТУ [7];
При сжигании водородного топлива выделяются только оксиды азота. Выделение оксида азота обусловлено нагревом воздуха при сжигании топлива, можно добиться абсолютного отсутствия выброса вредных веществ применением топливного элемента, но при этом понизится эффективность установки. Принцип работы топливного элемента: Просачиваясь через пористый анод, водород теряет электроны, которые уходят в электрическую цепь, а сквозь мембрану проходят катионы водорода. Далее на катоде кислород ловит протон и внешний электрон, в результате чего образуется вода [7]. Схема топливного элемента представлена на рисунке 3.  Рисунок 3 – структурная схема топливного элемента С точки зрения «зеленой» энергетики у водородных топливных элементов крайне высокий КПД — 60%. Для сравнения: КПД лучших газотурбинных установок составляет 35-40%. Для солнечных электростанций коэффициент составляет всего 15-20%, но сильно зависит от погодных условий. КПД лучших крыльчатых ветряных электростанций доходит до 40%, что сравнимо с парогенераторами, но ветряки также требуют подходящих погодных условий и дорогого обслуживания [8]. Водородное топливо также имеет значительное преимущество перед другими видами топлива в энергоемкости. Его удельная энергоемкость (в пересчете на вес и объем) представлена в таблице 2 в сравнении с аналогичными показателями для других видов топлива. Таблица 2 – Энергоемкость различных видов топлива [8];
Анализ приведенных данных свидетельствует о значительном преимуществе водорода, по сравнению с традиционными энергоносителями, по тепловой способности в пересчете на единицу веса. В то же время он почти в три раза уступает природному газу и бензину по объемным показателям. Ситуация практически не улучшается при использовании сжатого или сжиженного водорода. Его теплотворная способность все равно существенно уступает характеристикам традиционных углеводородов и низших спиртов. Это обстоятельство служит основанием для ряда современных разработок в области транспортировки и хранения водорода, основными источниками которого являются все виды углеводородов, а также уголь, вода и биомасса. По оценкам Министерства энергетики США, в ближайшее десятилетие основными ресурсами для получения водорода будут оставаться нефть, уголь и природный газ. Их переработка в водород осуществляется методами каталитической вводно-паровой или окислительной конверсии, остающимися пока наиболее технически отработанными и рентабельными процессами. Поскольку производство водорода путем конверсии угля или углеводородов сопровождается эмиссией двуокиси углерода, экологические проблемы в этом случае решаются лишь в части сокращения объемов вредных выбросов в атмосферу и централизации источников двуокиси углерода. Второй по масштабам метод производства водорода – это электролитическое разложение воды. Преимущества данной технологии заключаются в высокой чистоте получаемого продукта и возможности его непосредственного использования в ТЭ без стадий дополнительной очистки. Однако на практике эти преимущества нивелируются высокими энергозатратами. И все же электролиз воды остается перспективным способом получения водорода, для этого можно использовать энергию атомных электростанций в период малых нагрузок и возобновляемые источники энергии. Наиболее перспективный метод – выделение водорода из биомассы с помощью биотехнологий. Потенциально для этих целей могут быть использованы любые виды органических отходов. Их обработка специальными штаммами бактерий, для которых водород является одним из продуктов жизнедеятельности, позволяет его получать без нанесения ущерба окружающей среде и без значительных затрат электроэнергии. Однако развитие данного направления требует создания новых высокопроизводительных микроорганизмов, устойчивых к более жестким температурным условиям. По оценкам специально созданной рабочей группы ЕС по вопросам водорода, биотехнологические методы начнут играть заметную роль в суммарном производстве водорода к 2030 г. и смогут стать основными его источниками не раньше 2050 г. Немедленному массовому внедрению ТЭ препятствует весь комплекс вопросов, связанных с производством, транспортировкой и хранением водорода. Исходя из низкой объемной энергоемкости этого вида топлива, переход на его использование потребует 3-4 кратного увеличения объемов транспортировки, для чего будет необходимо построить новые дорогостоящие трубопроводные системы. Одним их путей решения проблемы является использование для транспортировки и хранения водорода гидридов металлов. Однако в этом случае утрачивается преимущество энергоемкости водорода на единицу веса. В последнее время увеличилось число публикаций и патентов по использованию для подобных целей углеродных нанотрубок, которые значительно легче металлогидридов и обладают большей емкостью по водороду. ЗаключениеВодородная энергетика является перспективным направлением развития мировой энергетики. Значительные преимущества водородного топлива: Водород является экологически чистым топливом; Энергоемкость водородного топлива значительно превышает энергоемкость традиционных видов углеводородного топлива; Запасы водорода значительно превышают запасы природного газа; Все это подтверждает актуальность создания ГТУ, работающих на водородном топливе. Список литературы1. Зорина С. А. Воздействие эксплуатации газотурбинных установок на окружающую среду // Oil Gas Bus. 2017. № 6. С. 237–252. 2. Клер А. М. и др. Перспективные энергетические установки на алюминиевом топливе // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2016. С. 100–109. 3. Паровая конверсия [Электронный ресурс]. URL: https://geos-ltd.com/products/neftegazovoe-oborudovanie/ustanovki-po-proizvodstvu-vodoroda/parovoy-riforming-metana-ili-nafty/ (дата обращения: 28.11.2020). 4. Установка короткоцикловой адсорбции (КЦА) [Электронный ресурс]. URL: https://neftegaz.ru/tech-library/oborudovanie-dlya-sbora-i-podgotovki-nefti-i-gaza/141634-ustanovka-korotkotsiklovoy-adsorbtsii-ktsa/ (дата обращения: 28.11.2020). 5. Продукция производимая и поставляемая «Инжиниринговой компании ГЕОС» [Электронный ресурс]. URL: https://geos-ltd.com/products/neftegazovoe-oborudovanie/ustanovki-po-proizvodstvu-vodoroda/elektroliznye-ustanovki/ (дата обращения: 28.11.2020). 6. Хранение водорода [Электронный ресурс]. URL: http://newchemistry.ru/letter.php?n_id=1381 (дата обращения: 28.11.2020). 7. Водородная энергетика [Электронный ресурс]. URL: https://habr.com/ru/company/toshibarus/blog/428511/ (дата обращения: 28.11.2020). 8. Перспективы водородной энергетики [Электронный ресурс]. URL: https://newchemistry.ru/letter.php?n_id=11 (дата обращения: 28.11.2020). | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||