реферат водородная энергетика. водородная энергетика. Нетрадиционная электроэнергетика водородная энергетика
 Скачать 153.77 Kb.
|
|
МИНОБРНАУКИ РОССИИ ФГАОУ ВО «Южный федеральный университет» Филиал в г. Геленджике
РЕФЕРАТ Тема: Нетрадиционная электроэнергетика: водородная энергетика
Геленджик, 2023 Содержание
Введение Устойчивое развитие человеческой цивилизации неизбежно потребует изменения структуры энергетики, разработки и внедрения новых безуглеродных энергетических технологий для уменьшения выбросов парниковых газов и стабилизации глобального изменения климата, вызванного антропогенными воздействиями на окружающую среду. Одним из возможных вариантов. Состояние и перспективы развития электротехнологии будущего может стать использование универсального и экологически чистого энергоносителя – водорода [1,2,5]. Извлекаемые запасы водорода в составе углеводородных ресурсов, воды и биомассы в настоящее время практически неограниченны [4]. Источником для синтеза водорода могут служить природный и искусственные газы, продукты переработки нефти, свалочный газ и биометан [6,7]. Актуальность темы заключается в том, что водородная энергетика основывается на известных технологиях преобразования энергии в электрохимических генераторах или так называемых топливных элементах. В качестве исходного энергоресурса используется водород, как в чистом виде, так и в виде металлогидридов и других химических соединений - геттеров водорода. В результате химических реакций производится электрическая энергия и выделяется тепло, причем процесс генерации характеризуется практически полным отсутствием вредных выбросов таких, как оксиды азота, углерода и серы, конечным продуктом переработки является вода и водяной пар. В большинстве развитых стран мира, таких, как США, Япония, страны Евросоюза, программы по развитию водородной энергетики являются неотъемлемой частью энергетическое стратегии развития. В Российской Федерации развитие технологий водородной энергетики и их интеграция с традиционными технологиями единой энергосистемы осложняется сложившимися условиями на российском рынке энергоресурсов, особенностями экономики России и ее энергетической политики, основу которой составляют добыча и переработка природного газа и нефтяных углеводородов. Альтернативой водородной энергетике выступает концепция «электрического мира». Согласно этой концепции, практически все потребности в энергии будут удовлетворяться за счет единственного энергоносителя, экологически безопасного и удобного в применении, электроэнергии. Цель работы – описание водородных технологий в нетрадиционной электроэнергетике. Для этого необходимо решить следующие задачи: исследовать водородные технологии в альтернативной энергетике; описать преимущества и недостатки водородной энергетики; раскрыть проблемы и перспективы водородной энергетики. Объектом исследования является нетрадиционная электроэнергетика. Предмет исследования представляет собой водородную энергетику, её преимущества и недостатки, проблемы и перспектвы. Методами исследования, используемыми в данной работе, являются методы обобщения, сравнения, анализа и аналогии. Структура работы состоит из введения, трех пунктов, заключения и списка использованных источников. 1. Водородные технологии в альтернативной энергетике Перспективы производства энергии с помощью ТЭС в XXI веке вызывают большие опасения по следующим причинам: во-первых, в ближайшие 50-70 лет два вида органического топлива – нефть и газ исчезнут; во-вторых, ТЭС являются главным источником выброса в атмосферу углекислого газа и создания парникового эффекта; в-третьих, сейчас в год добывается около 14 млрд тонн топлива. В XX веке из недр планеты изъято порядка 500 млрд тонн топлива, что составляет 103 массы Земли. Это может привести в будущем, наряду с парниковым эффектом, к непредсказуемым последствиям. Ресурсопотребление не уменьшается – напротив, постоянно растет. Главной задачей альтернативной энергетики следует считать использование возобновляемых источников энергии для обеспечения жизнедеятельности, промышленного производства и решения экологических проблем. Успешному и быстрому внедрению водородной энергетики как альтернативной, противодействуют два основных немаловажных фактора, а именно: практически полное отсутствие свободного водорода в природе и проблемы, возникающие при его хранении и транспортировке (рисунок 1). Для решения первой задачи была разработана технология пиролитического разложения природного метана на свободный водород и ацетилен. Эта технология позволяет получать водород в промышленных масштабах. Вторая задача представляется более сложной и ее решение пока не может быть однозначно определено и потребует время для дополнительных разработок. Использование сжатого водорода для энергоустановок большой мощности мало оправдано, в связи с высокими энергозатратами на транспортировку и дорогостоящую пускорегулирующую аппаратуру. С другой стороны, по вопросу хранения водорода, поступает явно искаженная информация, противоречивая по смыслу. Водород, с егоуникальной подвижностью и высокой теплоемкостью, нашел повсеместное использование на электростанциях России. За весь период эксплуатации его для охлаждения обмоток электрогенераторов с 1926 года по настоящее время не было зафиксировано ни одного взрыва.  Рисунок 1 - Водородная энергетика Хранение водорода в сжиженном состоянии энергозатратно. Кроме того, стоимость криостатов и их эксплуатация экономически не всегда оправдана. В настоящее время успешное развитие водородной энергетики сдерживается тремя основными факторами: отсутствием дешѐвой технологии получения водорода в виде топлива; высокие затратность и сложность технологий его безопасного хранения; отсутствием надежного и энергетически выгодного способа прямого преобразования энергии свободного водорода в электрическую. Как топливо водород сжигается в двигателях ракет и в топливных цементах для непосредственного получения электроэнергии при единении водорода и кислорода. Его можно использовать и как топливо для авиационного транспорта. Сейчас в мире получают около 30 миллионов тонн водорода в год, причем в основном из природного газа. Согласно прогнозам за 40 лет производство водорода должно увеличиться в 20-30 раз. Предстоит с помощью атомной энергетики заменить нынешний источник водорода природный газ – на более дешевое и доступное сырье, т.е. на воду. Здесь возможны два пути. Первый путь традиционный, с помощью электрохимического разложения воды. Второй путь менее известен. Если нагреть пары воды до 30003500°С, то водные молекулы распадутся сами собой. В последнее время появились актуальные работы в Германии, связанные с использованием алюминия в качестве элемента, активно взаимодействующего с водородом. Многообразие модификаций кластерных структур атомов алюминия позволяет в достаточно широком интервале получать гидриды с изменением соотношения металлводород. При выборе того или иного варианта модификации необходимо проведение дополнительного исследования по термохимической устойчивости компонентов. В практике технологии водородной энергетики прямое преобразование водорода в электроэнергию осуществляется с помощью топливныхэлементов. Однако, сложность изготовления электродов ТЭ, а также не полное использование горючего (водорода) предполагает использование альтернативных вариантов применения водорода (рисунок 2).  Рисунок 2 - Блок водородно-воздушной турбины с секционированным электрогенератором (МП 1, 2, 3 – система магнитной подвески) Криостатная система обеспечивает работу магнитных подвесок в режиме сверхпроводимости, кроме того, она предназначена для гелиевого охлаждения обмоток, что позволяет значительно снизить электрические потери и улучшить тепломассообмен, повышая эффективность использования. Основной особенностью работы водородных турбин являются чрезвычайно высокие скорости вращения колеса турбины (порядка 20·103об/мин). Поэтому в конструкции предусмотрено вертикальное расположение рабочего вала турбины и приводимых во вращение секций генератора. В этом случае исключено влияние прогиба вала и возникающие вследствие этого биения. Кроме того, упрощается конструкция систем ориентации рабочего вала в опорах и упрощается процесс запуска системы за счет создания газовой охлаждающей подушки под пяткой вала. На рисунке 3 приведен общий вид водородного энерго-комплекса, включающего в себя систему пиролиза метана для получения газообразного водорода, системы криостатов жидкого азота и гелия, а также энергетических систем, включающих циркуляционные насосы, деаэраторную установку и другое вспомогательное оборудование. На выходе такого комплекса в качестве выхлопныхгазов возможно только наличие паров воды и свободного азота.  Рисунок 3 - Общий вид комплекса водородной энергетики Упадок промышленности делает Россию уникальнейшим полигоном для разработки стратегии внедрения альтернативной энергетики и в первую очередь водородной. В результате будет получен бесценный практический опыт внедрения водородной энергетики и страна получит уникальный исторический шанс возродить индустрию и вновь стать великой экономической державой. 2. Водородная энергетика: преимущества и недостатки Одним из альтернативных способов получения энергоносителя является водородная энергетика. На сегодняшний момент нет четкого экономически выгодного механизма ее получения. Однако учеными ведутся активные разработки вариантов добычи водородного топлива. Основные проблемы водородной энергетики заключаются в том, что получение вещества сопряжено с необходимостью траты иных энергоносителей (нефть, электричество, газ), а также высокой угрозой образования взрывов. Специалисты стремятся найти возможности устранения этих проблемных аспектов. Так, внимание уделяется вопросам получения водорода из воды. Учитывая, что мировой океан исчисляется миллионами тонн воды, можно считать, что источник для получения водородного топлива неисчерпаем. Преимуществами водородной энергетики является преодолевание трудности на пути к получению альтернативного источника энергии, ученые побуждают высокие эксплуатационные и технологические показатели энергоносителя. Имея низкий показатель вязкости, водород без проблем транспортируется по трубам. Его можно хранить в сжиженном, газообразном состоянии. Он довольно легок, срок хранения продолжительный. Современные технологии водородной энергетики позволяют получать качественный топливный материал с высоким коэффициентом теплоотдачи. Этот энергоноситель с легкостью можно использовать как в промышленном производстве, так и для отопления жилых зданий. Он безопасен для окружающей среды, не токсичен. Не несет ни малейшей угрозы человеку и животным. По своей сути, водород является отличным топливным материалом. И есть огромные перспективы его использования. Однако вместе с ними существуют и определенные трудности в его добыче. Кроме того, водород имеет большой потенциал для применения его в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания, поскольку имеет бо льшую эффективность чем бензин или дизельное топливо. При нагреве водород сжигается, но при этом не выделяет диоксид углерода (CO2). Соответственно водород меньше загрязняет атмосферу. Если сравнить один и тот же объём водорода и бензина, то получится, что автомобиль на водороде сможет проехать вдвое дольше. Сегодня существует несколько компаний, которые работают над созданием водородного двигателя для автомобилей. Многие из них (такие компании как Honda, BMW) уже вложили миллиарды долларов в свои исследования, пытаясь создать дешёвые водородные топливные элементы [1]. На данный момент известны несколько способ получения водорода. Среди них: химический; электролиз; термохимический. Все они относятся к традиционным методам. Но каждый способ сегодня является экономически и экологически нецелесообразным, по причине необходимости затраты природных ископаемых. Учитывая, что залежи природных материалов стремительно истощаются, нет смысла тратить дорогостоящие энергоносители для получения иного, пусть и дешевого. В настоящее время водородные топливные элементы все еще стоят значительную сумму денег, а чтобы запустить водородное транспортное средство, требуется большое количество энергии для сжижения топлива. Для хранения сжатого газообразного водорода, требуются специальные цистерны высокого давления, похожие на те, что используются для хранения сжатого природного газа. Эти цистерны должны иметь большой объём, что позволит избежать бесчисленных поездок на заправочную станцию через каждые несколько километров. Многие экономисты полагают, что хотя водородные автомобили в будущем могут стать весьма популярными, пройдёт еще не одно десятилетие, прежде чем мы увидим эти транспортные средства в массовых количествах на рынке. Необходимо провести ещё много исследований и разработать целый ряд прорывных технологий, чтобы устранить существующие препятствия для перехода на водород в качестве основного источника энергии. Перспективы заключаются в том, что хотя водородная энергетика имеет плюсы и минусы в равной степени, ученые все же склоняются к мысли, что смысл существования в будущем для ее развития имеются. Изобретение новейшего оборудования для добычи водорода поможет решить проблемные моменты. Уже сегодня есть некоторые наработки и понимание того, как удешевить процесс получения энергоносителя, снизив затраты газа. Конечно, на пути к достижению этой цели специалистам предстоит решить не одну сложнейшую задачу. Однако обнадеживает то, что ученые имеют представление о процессе получения водорода. Остается только создать специальное оборудование, с помощью которого удастся воплотить идеи в реальность. Справедливости ради нужно упомянуть и мнение других ученых, пессимистически настроенных по отношению к развитию водородной энергетики. По их мнению, его добыча и использование может представлять огромную угрозу для человечества. Малая изученность вещества способна стать причиной техногенной катастрофы вселенского масштаба. Правда, помимо предположений, специалисты не могут предоставить никаких четких аргументов в поддержку своей гипотезы. Сейчас понятно только одно – водород является уникальным энергоносителем, но человечество не имеет технически совершенных способов его беспроблемной добычи [2]. 3. Водородная энергетика: проблемы и перспективы Проблемы В настоящее время наряду с аргументами в пользу перехода в перспективе к «водородной экономике» существует мнение о ее неэффективности в принципе. Главный аргумент – это утверждение о ее низком КПД. Сегодня КПД водородной системы составляет 19-33 %, тогда как КПД электрической системы достигает значения 69%. Это основная проблема водородной энергетики. Но не рассматривается основной для сравниваемых энергоносителей параметр – время, в течение которого им необходимо аккумулировать. В результате некоторых расчетов выяснилось, что при краткосрочном аккумулировании энергии предпочтительнее оказывается электрическая система, при долгосрочном – водородная. Перспективы Таблица 1 - Энергоемкость основных видов энергетического топлива
Сравнительный анализ энергоемкости основных видов традиционного энергетического топлива и водорода позволяет сделать вывод о существенном преимуществе последнего по значению удельной весовой характеристики. С другой стороны, низкая плотность обуславливает сравнительно небольшую энергоемкость водорода по величине удельной объемной характеристики. Это обстоятельство вызывает необходимость использования водорода в сжатом или сжиженном состоянии. Решение проблемы хранения и транспортировки водорода как энергоносителя представляется одной из приоритетных задач в водородной энергетике. В настоящее время разработаны и опробованы технологии, позволяющие значительно сократить объемы водорода и повысить эффективность работы водородных электрохимических генераторов и топливных элементов [2,4]. Не менее значимым и перспективным направлением в водородной энергетике является повышение КПД топливных элементов за счет использования их в когенерационных и тригенерационных циклах [3]. Заключение В данной работе нами были рассмотрены вопросы развития экологически чистых технологий в современной энергетике, произведен анализ основных направлений водородной энергетики, выделены наиболее значимые проблемы внедрения водородных технологий в энергосистему, показаны ключевые перспективы развития водородной энергетики. Упадок промышленности делает Россию уникальнейшим полигоном для разработки стратегии внедрения альтернативной энергетики и в первую очередь водородной. В результате будет получен бесценный практический опыт внедрения водородной энергетики и страна получит уникальный исторический шанс возродить индустрию и вновь стать великой экономической державой. В настоящее время не существует единого мнения о перспективах применения водорода в энергетике будущего. Показано, что при краткосрочном (<50-110 часов) аккумулирования энергии предпочтительнее оказывается электрическая система, при долгосрочном – водород. Можно предположить, что в энергетике будущего будут сочетаться элементы концепции «водородной экономики» и «электрического мира». В Российской Федерации создание благоприятных условий для развития технологий водородной энергетики и их внедрения в хозяйственный оборот должно быть основано прежде всего на создании эффективной нормативно-правовой стимулирующей базы, а также на поиске новых научных и технических решений в области хранения, транспортировки и синтеза водорода. Выбор данной темы обусловлен тем, что водородная энергетика основывается на известных технологиях преобразования энергии в электрохимических генераторах или так называемых топливных элементах. В работе мы исследовали водородные технологии, их преимущества, недостатки, а также проблемы и перспективы их развития. Таким образом, задачи работы выполнены, цель достигнута. Список использованных источников Кожевников В.П. Комфорт своими руками: разработки ученых ВУЗА воплощены в жизнь / Высшее образование в России. – 2014. – №3. – С. 88-93. Коверина А.Ю., Кретова М.А. Перспективы развития геотермальной энергетики в России / VIII Международный молодежный форум «Образование, наука, производство» Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова. 2016. Коверина А.Ю. Энергия волн как альтернативный источник энергии / VIII Международный молодежный форум «Образование, наука, производство» Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова. 2016. Коверина А.Ю. Влияние геотермальных станций на окружающую среду / VIII Международный молодежный форум «Образование, наука, производство» Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова. 2016. Кудряш В.И., Лутовац М., Соколов С.А., Федянин В.И., Шалимов Ю.Н. Водородные технологии в альтернативной энергетике // Вестник ВИ ГПС МЧС России. 2015. №3 Коверина А.Ю., Кожевников В.П. Энергия планеты Земля / Энергетические, управляющие и информационные системы: сб. докладов I-ой межд. научно-техн. конф. – Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2016. – С. 81–84. Пономарев-Степной Н.Н., Столяревский А.Я. Атомно-водородная энергетика / Альтернативная энергетика и экология. 2004. №3 (11). С. 5-10. Садчиков А.В. Конверсия биометана в водород на биогазовой станции, использующей комбинированное загрузочное сырье / Альтернативная энергетика и экология. 2016. – № 19–20 (207–208), С. 62–68. Садчиков А.В., Соколов В.Ю., Кокарев Н.Ф., Наумов С.А. Обеспечение энергетической независимости и экологической безопасности полигонов ТКО / Альтернативная энергетика и экология. 2016. № 15–18 (203–206), С. 104–111. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||