|
|
Реферат на тему: «Получение и хранение водорода для объектов энергетики. получение_и_хранение_водорода_для_для_объектов_энергетики. Получение и хранение водорода для объектов энергетики
ВОЕННО-КОСМИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ ИМ. А.Ф.МОЖАЙСКОГО
Реферат на тему:
«Получение и хранение водорода для объектов энергетики.»
Подготовил:
Курсант 404 учебной группы
рядовой Чудайкин И.А.
г. Санкт-Петербург
2022 г.
ОГЛАВЛЕНИЕ
____________________
Введение
Получение водорода
Производство водорода из природного топлива.
Плазменная конверсия углеводородов.
Газификация угля.
Паровая, или парокислородная конверсия метана (ПКМ).
Водород в альтернативной энергетике
Голубая мечта о зеленом водороде/
Как перестать сжигать топливо?
Сколько стоит чистый воздух?
Хранение водорода
Какие существуют методы хранения водорода?
Хранение водорода в автономных энергетических установках.
Какое оборудование применяют.
Сколько надо водорода?
Итоги.
Заключение
Введение
Водород — это самое энергоемкое и легкое вещество из всех видов топлива. Его производство не относится к инновациям — он производился миллионами тонн еще в советские времена, когда его использовали для производства аммиака для получения азотных удобрений.
Водород и сегодня используют для производства удобрений, повышения качества бензина, улучшения свойств стали, а также в пищевой промышленности для производства маргарина и твердых кондитерских жиров методом гидрогенизации растительных масел. Без него не обходятся все процессы гидроочистки, гидрообессеривания, гидрокрекинга, регенерации катализаторов. Его также широко применяют для охлаждения генераторов на электростанциях.
С тех пор как появилась перспектива перехода на водородную энергетику с углеводородной, потребность в водороде увеличилась на порядки. Сегодня эта перспектива стала реальностью, поскольку примерно десять лет назад была решена одна из основных проблем с его хранением для дальнейшего использования в качестве автомобильного топлива. Вместо тяжелых, дорогих и небезопасных стальных баллонов для сжатого под высоким давлением водорода стали применять легкие композитные емкости из углепластика, которые прекрасно помещаются в легковых автомобилях. Кроме того, стало возможным получать водород прямо по месту употребления. Появление таких технологий зажгло для водородной энергетики зеленый свет.
Идея использования водорода в энергетике не нова. Еще в 80-е годы ХХ в. были разработаны двигатели на водородном топливе. Сегодня в США, в странах ЕЭС, в Японии, Китае приняты и реализуются национальные и международные программы по разработке элементов водородной энергетики, в том числе на возобновляемых источниках энергии (ВИЭ), ведется активная пропагандистская кампания. В Мадриде, Риме, Амстердаме, Стокгольме и других европейских столицах ходят автобусы на водороде. Электромобиль с водородным двигателем приобрел премьер-министр Японии, а Исландия практически полностью переходит на водородную энергетику: водородные двигатели устанавливаются на катера, автомобили, источниками тепла на водороде отапливаются дома. Стремление Европы и США развивать альтернативную энергетику понятно: в Европе своих нефтегазовых ресурсов нет, у США их немного. Переход на водородную энергетику с использованием ВИЭ позволит им перестать зависеть от поставщиков нефти и газа — России и стран OPEC (Организация стран экспортеров нефти), а также решить экологические проблемы. В России с запасами нефти и угля ситуация другая: нефть пока есть и угля достаточно много. Однако не стоит особо на это надеяться. Относительно мировых цен наша нефть дорогая, и запасы ее в недалеком будущем закончатся, бурить придется все глубже и глубже, соответственно добыча будет обходиться с каждым разом дороже. В России, к тому же, в последние годы обострился процесс физического и морального старения электростанций и сетей, которые сооружались по проектам полувековой давности и уже не соответствуют современным требованиям к энергоустановкам в области экологии, эффективности использования топлива, надежности и безопасности. Кроме того, российские города, как и западные, задыхаются от газовых выбросов. Поэтому в любом случае придется искать альтернативные источники для обеспечения собственных энергетических нужд. Возможности для разработки новых возобновляемых источников энергии у российской науки есть: в предыдущие годы создан существенный задел, остались и специалисты, способные его развить и реализовать.
2. Получение водорода
Водород практически не встречается в природе в чистой форме и должен извлекаться из других соединений с помощью различных химических методов. Разнообразие способов получения водорода является одним из главных преимуществ водородной энергетики, так как повышает энергетическую безопасность и снижает зависимость от отдельных видов сырья. К ним относятся: паровая конверсия метана и природного газа, газификация угля, электролиз воды, пиролиз, частичное окисление, биотехнологии. Все методы получения водорода можно разделить на лабораторные и промышленные
Основными методами получения водорода являются:
Производство водорода из природного топлива;
Плазменная конверсия углеводородов;
паровая конверсия метана и природного газа;
газификация угля;
паровая, или парокислородная конверсия метана (ПКМ)
6. электролиз воды;
7. пиролиз;
8. частичное окисление;
9. биотехнологии.
С развитием производства водорода в крупных масштабах претерпели изменение и методы его получения. Так, железо-паровой процесс, газификация твердого топлива и выделение водорода из образующегося коксового газа уступили место более экономичным новым способам, однако старые методы и в настоящее время продолжают еще применяться в промышленности в небольших масштабах. К настоящему времени технологии крупномасштабного производства и переработки водорода являются хорошо освоенными (рис. 4.1, а) и составляет 50 млн т (увеличивается ежегодно на 10%). Следует отметить, что только 62% водорода производят как целевой продукт, остальные 38% являются побочным продуктом других производств (нефтепереработка, коксохимия и т.п.). К последним также относится почти весь водород, получаемый в настоящее время электролизом (производство хлора, хлоратов, перекиси водорода и каустической соды). При мировом производстве хлора около 25 млн т в год в качестве побочного продукта получают 0,7 млн т водорода (
7 млрд м3 ) в год. Попутный водород от производства хлора и других электрохимических производств частично используется в промышленности, а частично сжигается в котельных или выбрасывается в атмосферу. Рассматривается возможность использования полученного таким образом водорода не только в качестве химического сырья для удовлетворения нужд традиционных потребителей водорода, но и для замены природного газа или нефтяных фракций, используемых как энергетическое сырье. Еще одним источником водорода может явиться его эмиссия из земных недр. По мнению геологов в области так называемого Байкальского рифтогенеза (Тункинская впадина), где земная кора тоньше, кремний-магний-железистые слои, насыщенные водородом, залегают на глубинах всего 4–6 км. На этой глубине электромагнитное зондирование выявило огромную зону с аномально высокой проводимостью. Поэтому предлагалось осуществить глубокое бурение с целью оценить и проверить наличие экологически чистого энергоресурса для получения газообразного водорода.
2.2 Производство водорода из природного топлива
Получение водорода из природных органических топлив в настоящее время является наиболее широко освоенным методом. Основной технологией является паровая конверсия метана по указанной технологии получают около 85% производимого в мире водорода, что обусловлено достаточно высокой (более 80%) эффективностью процесса, его реализацией на уровне крупномасштабного производства, сравнительно невысокой (на настоящий момент) стоимостью и отлаженной инфраструктурой транспортировки исходного сырья. В энергетике водорода для данной технологии оказывается самой низкой по сравнению со стоимостью водорода, получаемого другими методами. При этом она существенно снижается по мере увеличения производительности. Согласно данным Минэнерго США, в 1995 году стоимость водорода для условий большого завода составляла 413 руб. за гигаджоуль. Это эквивалентно стоимости 0,24 долл./л бензина при стоимости природного газа 150 руб./гигаджоуль (4720 руб./1000 нм3 ). Паровая конверсия метана (ПКМ). Паровая конверсия углеводородных газов получила широкое распространение после второй мировой войны и в настоящее время является наиболее рентабельным способом производства водорода. Себестоимость процесса 118–280 руб. за кг водорода. В будущем возможно снижение цены до 118–140 руб., включая доставку и хранение. Процесс отделения водорода от углеродной основы в метане протекает в трубчатых печах (химических паровых реформерах) при внешнем подводе теплоты при температурах 750–850 o С через стенку трубы на каталитических поверхностях (никель, корунд и др.).
Существенное преимущество парокислородной конверсии по сравнению с ПКМ — передача теплоты осуществляется напрямую, а не через стенку теплообменника — используется более дешевый реактор шахтного типа вместо дорогого трубчатого, применяемого в предыдущем случае. Для получения водорода методом паровой и парокислородной каталитической конверсии на нефтеперерабатывающих заводах, наряду с природным газом, используются нефтезаводские газы, нефтяные остатки или любые фракции нефтепродуктов
2.3 Плазменная конверсия углеводородов.
Изучено много комбинаций химических реакций, в которых вода расщепляется на водород и кислород в замкнутом цикле с поглощением тепла и электричества. Такой цикл может быть построен и на базе ПКМ. При паровой конверсии метана около половины водорода производится из воды. Довести в этом цикле долю водорода, получаемого расщеплением воды, до 100%, можно путем электрохимического или плазменного восстановления метана из метанола с возвращением его в голову процесса. Выбор оптимального процесса разложения воды определяется рядом критериев, среди которых важнейшими являются следующие: эффективность цикла, термодинамические и кинетические характеристики отдельных реакций, доступность и стоимость реагентов, совместимость реагентов и конструкционных материалов, безопасность процесса, экологические соображения и, в конечном счете, экономические показатели
2.4 Газификация угля
Это старейший способ получения водорода. Первый газогенератор был построен в Великобритании в 40-х годах XIX века. Получение водорода из угля связано с термическим разложением воды, а уголь используется в качестве энергоресурса и химического реагента, на уголь одновременно действуют водяным паром и кислородом — парокислородная конверсия. Для всех этих производств характерны большие единичные мощности агрегатов и отсутствие ограничений по потокам энергии. Существует большое количество способов газификации угля. Они отличаются термодинамическими параметрами, размером и принципом подачи угля в газогенератор, а также способом удаления шлака. Существует многоступенчатый процесс производства водорода железопаровым способом:
Fe3O4+CO ↔ 3FeO+CO2;
Fe3O4+H2 ↔ 3FeO+H2O.
Все рассмотренные методы - это автотермическое проведение реакций газификации, где в методе с CO2-акцептором осуществлён аллотермический подвод теплоты за счёт реакции СаО с двуокисью углерода. Далее, в регенераторе карбонат кальция разлагается термически:
CaO+CO2 ↔ CaCO3;
CaCO3 ↔ CaO+CO2.
Концепция водородной энергетики подразумевает промышленное производство водорода; массовость и дешевизна должны быть неотъемлемой частью всей концепции.
2.5 Паровая, или парокислородная конверсия метана (ПКМ).
Метан – основной компонент природного газа, его концентрация в нём достигает от 77 до 99%. Высокое содержание метана и в попутных нефтяных газах – от 31 до 91%. Метан - это, фактически, большая молекула водорода, которая состоит из одного атома углерода и 4-х атомов водорода. Уже из химической формулы ясно, что метан «сильно обогащён» водородом. Следовательно, получение водорода именно из метана должно быть наиболее рентабельным. Процесс отделения водорода от углеродной основы в метане протекает в трубчатых печах (химических паровых реформерах) с внешним подводом теплоты при температурах 750–850 градусов Цельсия через стенку трубы на каталитических поверхностях (никель, корунд и др.):
CH4+H2O ↔ CO+3H2;
далее с монооксидом углерода, или попросту «угарным газом», идёт реакция:
CO+H2O ↔ CO2+H2.
Это самый дешёвый и рентабельный способ получения водорода. Себестоимость процесса - от 118 до 280 рублей за 1 кг водорода!
В парокислородной конверсии вместе с горячим паром в активную зону реактора подаётся кислород. Реакции процесса аналогичные, что и для ПКМ, однако дополнительно происходит окисление метана кислородом:
CH4+O2 ↔ 2CO+3H2.
Реагирование веществ в парокислородной конверсии метана даёт общий результирующий тепловой эффект, равный нулю!
Это делает установку дороже на 5–10 %.
Главное преимущество парокислородной конверсии по сравнению с ПКМ — передача теплоты напрямую, а не через стенку теплообменника.
Существует большое количество способов газификации угля. Они отличаются термодинамическими параметрами, размером и принципом подачи угля в газогенератор, а также способом удаления шлака.
Это основные, хорошо освоенные и изученные методы промышленного получения водовода. Однако все они дороги в сравнении с традиционной энергетикой. Водород - дорогое топливо. Поэтому его сегодня практически не используют (именно в качестве топлива). Основными потребителями водорода являются химическая промышленность и нефтепереработка. Водород является ключевым элементом в производстве минеральных удобрений (получение аммиака).
Более половины потребляемого в мире водорода на сегодняшний день используется в качестве химического сырья. Раскисляющее действие водорода широко применяют в порошковой металлургии, металлообработке, производстве стекла, синтетических рубинов и т.п. Применение водорода в микроэлектронике, главным образом, связано с получением кремния путём восстановления SiCl4. Основным потребителем водорода как топлива является космонавтика. Комбинация «жидкий водород (топливо) — жидкий кислород (окислитель)» обеспечивает выделение максимального количества энергии на единицу веса, что является определяющим критерием для аэрокосмических приложений.
Получение водорода в альтернативной энергетике
Одно из перспективных и обоснованных способов получения водорода – это использование водородных технологий в альтернативной энергетике.
Подружить водородную и альтернативную энергетику пытаются уже давно, и сегодня мир располагает достаточными данными для глубинного анализа перспективности подобного метода.
В основе метода – тепловой распад воды.
При температуре более 1700 °C вода самопроизвольно распадается на водород и кислород. Получить подобные температуры можно при фокусировке солнечного света в одной точке с помощью линзы либо параболического зеркала.
Концепция и технология производства водорода высокотемпературным разложением воды при помощи солнечного света была разработана швейцарской компанией “Clean Hydrogen Producers”.
Параболические зеркала, использованные в технологии, имеют общую полезную площадь 92 кв.м; температура в точке фокусировки составляет 2200 °C. Установка способна обработать до 100 литров воды, производя более 10 килограмм водорода в день.
Оригинальный способ получения водорода предложили в израильском институте имени Вейцмана. Суть технологии заключается в получении неокисленного цинка в солнечной башне.
Оксид цинка, содержащийся в древесном угле, нагревается в солнечной башне до температуры 1200 °C, в результате химических процессов получается чистый цинк. Полученный цинк извлекается и доставляется на место производства водорода. Цинк помещают в воду, где в результате химической реакции выделяется водород с образованием оксида цинка, который повторно используется в солнечной башне. И так по замкнутому циклу. Энергия ветра.
Несмотря на кажущуюся простоту и эффективность данного метода, он до сих про фактически находится на экспериментальной стадии освоения.
Департамент энергетики США совместно с национальной исследовательской энергетической лабораторией без малого 14 лет проводит исследовательские работы по концепции «Водород из ветра», исследуя сравнительные методы производства водорода гидролизом с помощью энергии ветра и энергии из промышленной электрической сети. Построены водородные заправочные станции с ветрогенераторами мощностью до 100 кВт.
Ветро-гидролизная система установлена в Национальной лаборатории по изучению возобновляемой энергии.
Сравниваются различные технологии гидролиза воды, их стоимости, а также способы хранения водорода.
Согласно первоначальным расчётам, в ближайшем будущем себестоимость производства водорода из энергии ветра составит 4,03 доллара за кг водорода. При этом США смогут производить из энергии ветра свыше 154 млрд кг водорода в год.
Однако данный проект, намеченный на 2023 год, всё еще находится на исследовательской стадии, перейдя лишь во вторую фазу исследования – «Wind2H2».
Фактически это означает, что получение электрической энергии ветрогенерацией выгоднее, чем полный цикл по получению, хранению и использованию водорода (даже в качестве энергетического буфера).
Голубая мечта о зеленом водороде
По-видимому, в ближайшем будущем методы получения водорода с использованием углеродного сырья будут основными. Однако сырьевые и экологические ограничения процесса паровой конверсии метана стимулируют разработку процессов производства водорода из воды. Среди способов получения водорода из воды наибольший интерес в контексте атомно-водородной энергетики представляют электролиз, термохимические и термоэлектрохимические циклы. Впервые электролитическое разложение воды на кислород и водород осуществлено в 1800 г., а промышленное освоение этого метода началось с 1888 г., когда стали доступны генераторы постоянного тока. Электролиз воды является наиболее перспективной технологией получения водорода в будущем, хотя в настоящее время из-за высокой стоимости доля этого метода в мировом производстве водорода не превышает 5% (рис. 4.1). Наиболее привлекательными особенностями электролизной технологии являются экологическая чистота (разумеется, при условии, что производство первичной энергии не сопряжено с загрязнением окружающей среды), возможность создания установок с широким диапазоном производительности (от нескольких литров до сотен м3 водорода в час), простота эксплуатации и удобство в работе, высокая чистота производимого водорода и наличие ценного побочного продукта — газообразного кислорода. Метод нашел широкое применение в ряде стран, обладающих значительными ресурсами дешевой гидроэнергетики. Наиболее крупные электрохимические комплексы находятся в Канаде, Индии, Норвегии, Египте.
Электролиз — это способ получения водорода из воды, который, к сожалению, требует больших энергозатрат, поэтому он оправдан только в тех случаях, когда вырабатываемую энергию необходимо запасти, пусть даже и с невысоким КПД. Лучше всего использовать для этого источники, где постоянно возникают достаточно большие излишки энергии. Емкости аккумуляторов для ее сохранения не хватает, кроме того, аккумуляторы быстро разряжаются, а полученный методом электролиза водород — это гарантированный запас энергии, можно сказать, воплощение мечты о чистой энергии, так называемом зеленом водороде. К сожалению, пока всего 2% общего объема водорода в мире производится методом электролиза. 75% водорода получают из природного газа и 25% — сжиганием угля. Цены топлива, полученного по этим технологиям, также несопоставимы: $1,7 за 1 кг водорода из природного газа и $5–10 за водород, полученный электролизом. Впрочем, стоимость зависит от источника энергии. Например, от энергии АЭС зеленый водород вдвое дешевле ($3–5), чем от возобновляемых источников энергии.
Основные организации в России, заинтересованные в получении водорода — это компании «Росатом» и «Газпром». Атомные электростанции нуждаются в сохранении избытка энергии в виде водорода и дальнейшего его использования. А добывающая компания хочет перерабатывать природный газ в водород, имея соответствующие установки непосредственно в местах использования, например на автомобильных заправках. Для решения проблемы транспортировки водорода можно переводить его в спирты — метанол, диметиловый эфир, чтобы получать из них водород, что называется, «по требованию» для дальнейшего использования на энергоустановках. Это химия получения водородсодержащих компонентов, и она достаточно хорошо освоена.
3.3 Как перестать сжигать топливо
Вообще, заявления о том, что водород — это экологически чистое топливо, не совсем справедливы. Из школьного курса химии мы помним, что после сжигания водорода получается вода. Но горит-то он в воздухе, где высокое содержание азота, и в результате реакции кислорода и азота при высоких температурах мы получаем те же токсичные оксиды азота, что и при сжигании бензина, только в меньшем объеме. Собственно, водород здесь ни при чем: любое высокотемпературное горение вызывает в воздухе реакцию взаимодействия кислорода и азота с образованием оксидов. По этой причине получать электричество с помощью сжигания любого топлива — это не самый экологичный способ. А тем более углеводородного, которое сгорает с выделением выбросов углекислого газа в атмосферу. Чтобы решить проблемы с выбросами в атмосферу, нужно прекратить сжигать топливо и снизить градус его потребления до комнатной температуры. В этом могут помочь топливные элементы.
Применение водорода в топливных элементах является самым экологичным. Разные топливные элементы используют водород при разных температурах и могут быть более или менее привередливы к его чистоте. Низкотемпературные топливные элементы работают на чистом водороде, а высокотемпературные вполне удовлетворяются синтез-газом. Топливный элемент — это электрохимическое устройство, которое преобразует химическую энергию водорода в электрическую (процесс, обратный электролизу) с достаточно высоким КПД. Институт катализа СО РАН сотрудничает с российскими производителями топливных элементов — ГК «ИнЭнерджи» и Институтом проблем химической физики РАН, где были разработаны и созданы сверхлегкие топливные элементы для беспилотных летательных аппаратов. В настоящее время там ведутся разработки более крупных топливных элементов для автомобильных передвижных платформ. Рынок топливных элементов еще только формируется, поскольку область их применения постоянно растет. Появляются новые возможности в разработке — осваивается новый экономический сектор. Вопросы могут быть самые разные — например, обеспечение дальних трасс или камер видеонаблюдения источниками связи или возможность установки автономных вышек сотовой связи. Источники водородной энергии всегда работают как тандем «топливный элемент на водороде плюс аккумулятор». Аккумулятор способен сглаживать пиковые нагрузки, а топливный элемент обеспечивает длительную выработку электроэнергии.
Сегодня в мире на топливных элементах работают тысячи небольших энергоустановок. В США, Японии и некоторых странах Европы они уже около 30 лет снабжают водородной энергией небольшие частные поселки, большие и удаленные от города супермаркеты или промышленные объекты. В отличие от дизель-генераторов это намного более бесшумные системы, так что их широко используют как запасные источники энергии в случае сбоев в работе основного источника энергообеспечения.
3.4 Сколько стоит чистый воздух
В качестве грантового финансирования на развитие индустрии водородной энергетики некоторые страны ЕС ежегодно выделяют сотни миллионов евро, США — сотни миллионов долларов. Совокупные вложения Европы и США в эту отрасль исчисляются миллиардами. Сейчас многие компании во всем мире делают попытки использовать источники энергии на топливных элементах в самых разных областях. В ближайшие десятилетия может измениться сама концепция человеческого энергопотребления.
В России развитие топливных элементов исторически связано с космическими программами в середине ХХ века. Щелочные топливные элементы использовались во многих космических проектах, где требовались автономные энергоустановки.
В 2020 году правительство России утвердило энергетическую стратегию Российской Федерации на период до 2035 года и ключевые меры развития водородной энергетики. В этом же году был создан консорциум по водородной энергетике, куда вошли ведущие научные институты: Томский политехнический университет, Институт катализа СО РАН, Институт проблем химической физики РАН, Институт нефтехимического синтеза РАН, Самарский государственный технический университет и Сахалинский государственный университет. В программе развития водородной энергетики РФ намечено создание водородных кластеров и пилотных проектов по производству и экспорту водорода. Планируется развитие первых коммерческих проектов производства водорода. Сегодня в РФ появляются отдельные пилотные проекты с использованием водородной энергетики, но до массового внедрения пока не дошло: скорее производители демонстрируют свою готовность к реализации подобных проектов в случае выделения финансирования со стороны, например, госкорпораций. Так, в конце 2019 года в Санкт-Петербурге был запущен трамвай на водородном топливе, а ОАО «Газпром» и ОАО «РЖД» в качестве пилотного проекта обсуждают возможность запуска поезда на Сахалине на топливных водородных элементах.
Хранение водорода
Самая большая нерешённая проблема водородной энергетики и перспектив водородной экономики – это хранение водорода.
Хранение водорода обходится ещё дороже, чем его производство. Всё дело в плотности энергии водорода на 1 м3, и в больших утечках. Также к хранению водорода предъявлен список строгих требований, среди которых главным является то, что системы хранения должны выдерживать либо криогенные температуры, либо высокие давления, либо содержать активные материалы, которые взаимодействуют с водой или воздухом.
То есть условия хранения водорода – всегда неблагоприятные, требующие обеспечения высокой надёжности и безопасности.
4.2 Какие существуют методы хранения водорода?
1. Хранение газообразного водорода под давлением.
Самый простой метод хранения водорода – это его газообразная форма под давлением.
1 килограмм водорода при комнатных условиях занимает 11,2 м3 объёма, что очень много. Сжимая газообразный водород, мы увеличиваем его плотность. Согласно уравнению состояния идеального газа, чем выше давление газа, тем меньший объём он занимает.
Сам принцип, инфраструктура и технические решения такого метода уже давно отработаны на хранении природного газа.
Для хранения используются цилиндрические баллоны и трубы большого диаметра (контейнеры).
В обычных стальных баллонах хранится водород под давлением до 200 атмосфер.
При таком давлении в 1 м3 хранится около 17,8 килограмм водорода. То есть для хранения 1 кг, водорода при давлении в 20 МПа, нужно 56,3 литра объема. И это честно говоря, вообще трэш с энергетической точки зрения.
Самостоятельно можно подсчитать энергетическую плотность, и узнать, почему это трэш.
Существуют титановые баллоны, способные хранить водород под давлением 400 атмосфер.
Наиболее передовые, композитные баллоны, используемые на автотранспорте, способны безопасно выдерживать давление до 700 атмосфер.
Однако даже при таком высоком давлении энергетическая плотность водорода составляет всего 4,4 МДж на 1 литр, что более чем в 7 раз меньше аналогичного показателя бензина – 31,6 МДж на 1 литр. Хранение водорода под рабочим давлением 160 атмосфер в стационарных условиях происходит в трубах-контейнерах, часто объединённых по 18 штук. Это позволяет запасти до 700 кг водорода. 2. Хранение водорода в жидком виде.
Плотность жидкого водорода составляет 70,8 кг/м3, что в 1,83 раза больше чем в газообразной форме при давлении в 700 Атмосфер. Соответственно, энергетическая плотность будет более 8 МДж на 1 литр.
Однако сам процесс сжижения водорода энергоёмкий: от 25 до 45 % энергии сжиженного водорода расходуется на сам процесс сжижения, что соответствует 10-14 кВт*ч затрат электроэнергии на 1 кг водорода.
Хранится жидкий водород в криогенных контейнерах, конструкция которых сильно отличается от конструкции композитного баллона для хранения газообразного водорода.Для производства используются высококачественные стали, предназначенные для требуемых температурных диапазонов. Резервуары оснащены фильтрами тонкой очистки жидкого водорода и пробоотборником специальной конструкции, и имеют высокоэффективную теплоизоляционную систему.
Однако, какой бы хорошей ни была изоляция, потери на испарение водорода существуют, и довольно-таки существенные. Они особенно заметны для небольших резервуаров с высоким соотношением поверхности к объему.
Наибольших успехов в плане уменьшения утечек добились специалисты BMW. Они разработали и испытали несколько автомобилей с водородным топливом, хранящимся в жидком виде в специальных баллонах. Им удалось уменьшить потери на испарение до 1,5 % массы в день. При хранении жидкого водорода в стационарных контейнерах нужно учитывать одну особенность: хранение водорода в герметичных ёмкостях в жидком виде нерационально для небольших количеств водорода (менее 1 кг), так как утечка жидкого водорода для небольших количеств очень велика, а оборудование слишком дорогое.
Последние разработки в области контейнерного хранения водорода предлагают хранить водород независимо от условий заполнения. Баллоны могут быть заполнены жидким водородом при высоком или низком давлении, сжатым газообразным водородом при низкой или комнатной температуре, возможны и комбинации этих операций (если исходная температура баллона находится в диапазоне от 180 до 300 К). В этом случае водород хранится не в жидком состоянии, а как сжатый криогаз или смесь жидкого и газообразного водорода (в зависимости от условий). Кроме того, в таких системах могут использоваться сорбенты с большой удельной поверхностью. При заполнении жидким водородом обеспечивается высокая плотность и малые потери на испарение.
Департамент энергетики США классифицирует методы хранения водородного топлива по двум группам.
Первая группа сформирована на основе физических процессах: ожижение и компрессирование водорода. Вторая группа отражает химические процессы сильного взаимодействия водорода с некоторыми элементами среды хранения.
Хранение газообразного водорода под давлением является одним из самых простых способов. Его принцип аналогичен процессу сжатия природного газа. К примеру, 1 кг водорода при стандартных условия занимает достаточно большой объем, около 11,2 м3. Согласно уравнению состояния идеального газа, чтобы он занимал меньший объем, нам нужно увеличить его давление. Сжимая водородный газ, мы увеличиваем его плотность. То есть при хранении в обычных стальных баллонах под давлением до 200 атм, 1 кг водорода будет занимать около 56,3 литра (0,0563 м3) объема при давлении в 20 МПа. Однако, энергетическая плотность такого вида топлива, значительно уступает аналогичному показателю бензина. На 1 литр водорода приходится всего 4,4 МДж энергии, тогда как на 1 литр бензина 31,6 МДж.
Хранение водорода в жидком состоянии основано на процессе сжижения водородного газа. Его энергетическая плотность на 1 литр около 8 МДж. Однако, на сам процесс сжижения расходуется от 25% до 45% энергии. Для сжижения 1 кг водорода потребуется затратить от 10 до 14 кВт*ч электроэнергии [2]. То есть данный метод хранения требует большое количество энергии. Жидкий водород хранится исключительно в криогенных контейнерах, которые изготавливаются из высококачественных сталей, способные выдерживать требуемые температурные диапазоны. Несмотря на достаточно эффективную теплоизоляцию, наблюдаются существенные утечки водородного газа, особенно при маломасштабном хранении. Для решения этой проблемы было предложено хранить водород в независимо от условий заполнения контейнера. Тогда, водород будет не полностью в жидком состоянии, но еще и частично в газообразном. Снизить утечки водородного топлива также помогают сорбенты с большой удельной плотностью поверхности .
4.3 Хранение водорода в автономных энергетических установках
Изобретение относится к автономной энергетике, в частности к способу получения и хранения водорода в автономных энергетических установках с циклом функционирования от десятков до тысяч часов преимущественно для подводных лодок. Согласно изобретению способ включает получение водорода путем генерации водяного пара, пропускание его через сорбент (Сорбенты твёрдые тела или жидкости, избирательно поглощающие, адсорбенты — тела, поглощающие (сгущающие) вещество на своей (обычно сильно развитой) поверхности, и химические поглотители, которые связывают поглощаемое вещество, вступая с ним в химическое взаимодействие.) , состоящий из железа с катализатором, и проведение реакции окисления железа. В качестве одного из исходных компонентов реакции используется вода, которая образуется при реакции генерации электроэнергии в ЭХГ. Кроме того, в автономных воздухонезависимых установках для генерации пара, необходимого для железопарового способа получения водорода, может использоваться тепло экзотермической реакции разложения вещества (например, перекиси водорода), содержащего кислород. Для равномерной подачи водорода реакцию окисления железа проводят с переменной (увеличивающейся) в ходе процесса температурой, для полного окисления железа и его последующего восстановления используют объемные конструкции плотностью 4-6 г/см3 из прессованного мелкодисперсного железа, обеспечивающие доступ пара на глубину не более 1-2 мм. Кроме того, хранилище железа делят на секции и по мере снижения скорости выделения водорода в работающей секции последовательно подключают новые секции. Возможна комбинация перечисленных способов. Восстановление окисленного железа проводят в автономной энергетической установке водородом, монооксидом углерода или их смесью. Техническим результатом изобретения является обеспечение безопасности и длительности хранения водорода. 3 з.п.ф-лы.
Изобретение относится к области автономной энергетики, а именно к области систем получения и хранения водорода автономных энергетических установок преимущественно с электрохимическими генераторами (ЭХГ).
Отличительной особенностью автономных энергетических установок (ЭУ) является периодичность их функционирования в течение сравнительно короткого времени, длительность которого определяется запасами реагентов (топлива и окислителя).
К таким ЭУ можно отнести установки для подводных лодок, подводных аппаратов, судов, железнодорожного и автомобильного транспорта, бытовые источники энергии периодического действия, а также периодически действующие стационарные ЭУ, используемые на особо ответственных объектах, не допускающих перерыва электропитания.
Способ получения и хранения водорода автономных ЭУ должен обеспечивать безопасное получение водорода, а также длительное и безопасное его хранение при минимальных стоимости, массе и объеме системы получения и хранения водорода, простоте эксплуатации ЭУ и утилизации (или регенерации) продуктов реакции.
Известны следующие способы получения и хранения водорода для автономных энергоустановок (см. Н.С. Лидоренко, Г.Ф. Мучник "Электрохимические генераторы", М., 1982 г.): - хранение в газообразном состоянии, где водород хранится в сосудах под высоким давлением (до 50 МПа) и после дросселирования подается в ЭХГ; - хранение в жидком состоянии (криогенное), когда водород перед подачей в ЭХГ газифицируется; - хранение в составе интерметаллических соединений, в которые он предварительно сорбирован, а перед подачей в ЭХГ десорбируется с поглощением тепла;
К последнему способу получения и хранения водорода относятся: - хранение водорода в составе аммиака и получение его путем диссоциации; - хранение водорода в составе метанола и других жидких углеводородов и получение его путем паровой или парокислородной их конверсии; - хранение водорода в составе гидридов металлов и получение его путем их термического разложения; - хранение водорода в составе гидридов металлов и воды и получение его путем гидролиза гидридов металлов; - хранение водорода в составе воды и получение его путем взаимодействия со сплавами магния или алюминия.
Ни один из перечисленных выше способов хранения и получения водорода не удовлетворяет всем требованиям к системам получения и хранения водорода для автономных ЭУ.
Наиболее безопасен и удобен в эксплуатации способ хранения в интерметаллидах, но он дорог в изготовлении и предопределяет большую массу ЭУ, поскольку стоимость 1 кг интерметаллида составляет 885-2065 рублей, а массовая емкость нашедших широкое применение сорбентов составляет всего 1,5-2,0%. Наименьшую массу и объемы установки при достаточном уровне безопасности можно получить используя конверсию метанола или углеводородного топлива, но при этом неизбежны газообразные продукты реакции, которые в ряде случаев недопустимы (на подводных лодках и других подобных объектах), т.к. могут привести к потере скрытности.
Вопрос скрытности при достаточном уровне безопасности и оптимальных массогабаритных показателях может быть реализован при использовании способа хранения водорода в воде и получении его в результате гидролиза с использованием металлогидридов, сплавов магния и алюминия, но при этом химический процесс необратим, т.к. продукты реакции не регенерируются.
4.4 Какое оборудование применяют.
Водород хранят в ресиверах (сборниках). Наиболее распространённые ресиверы для водорода имеют объём 20 м3. Давление до 10 кГ/см2. Количество ресиверов определяется потребностью электростанции в водороде. При таких параметрах газа, все ресиверы являются опасными производственными объектами, подпадают под строгий надзор Ростехнадзора и их эксплуатация осуществляется строго по его Правилам.
Поскольку замена газовых сред в сосудах невозможна без промежуточного заполнения ёмкостей инертным газом, в состав ресиверных групп электролизных установок входит пара или более ресиверов для азота, либо углекислоты. Какой инертный газ в приоритете, решается экономически, что проще и легче купить. В том случае, если на электростанции используют углекислоту, то на электролизной монтируют две разрядных рампы для баллонов. Углекислотных и азотных. В Опусе 1 мы договаривались, что продувку электролизеров нельзя осуществлять углекислотой, т.к. она вступает в реакцию с электролитом. Если в приоритете азот, тогда рампа для разрядки баллонов с СО2, практически не нужна.
4.5 Сколько надо водорода?
Типовая инструкция по эксплуатации генераторов на электростанциях (РД34.45.50-88) в п.1.31. говорит, что "запас водорода на электростанциях, где установлены генераторы с водородным охлаждением, должен обеспечивать десятидневный эксплуатационный расход водорода и однократное заполнение одного генератора с наибольшим газовым объемом, а запас углекислого газа или азота - шестикратное заполнение генератора с наибольшим газовым объемом. При наличии на электростанции резервного электролизера допускается уменьшение запаса водорода в ресиверах на 50 %. Приведём расчёт количества водорода для виртуальной электростанции. Предположим, что у нас ТЭС с 4-мя турбогенераторами, единичной мощностью 100 МВт, с непосредственным охлаждением обмотки ротора (например ТВФ-120-2). Газовый объём каждого генератора составляет 50 м3. Рабочее давление водорода составляет 2.5 кг/см2. Тогда в каждом генераторе при давлении 2.5 ат содержится 50+2.5*50=175 м3 водорода. В 4-х генераторах, соответственно 700 м3. Вышеуказанная инструкция регламентирует суточный расход водорода на продувку - 10%, это 70 м3. Таким образом десятидневный расход водорода составит 700 м3 плюс 50 м3 - наибольший газовый объём, итого 750 м3. При наличии резервного электролизера - 375 м3. Таким должен быть запас водорода на нашей виртуальной станции. Запас азота посчитайте сами. Справедливости ради, следует сказать, что жёсткие нормы по утечкам и продувкам редко когда соблюдаются на электростанциях, сложно это и трудозатратно, потому и запас водорода и количество ресиверов проектанты закладывают с запасом.
4.6 Итоги.
1. Преимущества газообразного хранение водорода:
дешёвая, хорошо отработана и доступная технология.
Недостатки:
очень низкое объёмное содержание водорода. Однако плотность энергии при высоких давлениях порядка 700 атмосфер приближается к жидкому водороду.
2. Преимущества жидкого хранения водорода:
высокая доступная плотность хранения (на сегодня – 71 кг/м3).
Недостатки:
высокие энергозатраты на сжижение водорода, неизбежные потери водорода из-за испарения, высокая стоимость технологии хранения.
3. Преимущества криогенной адсорбции хранения водорода:
простая и отработанная технология;
безопасна.
Недостатки:
маленькое объёмное содержание водорода (от 0,5 до 20 кг/м3).
4. Преимущества хранения водорода в гидридах металлов, сплавов, интерметаллических соединений, композитов и т.п.:
безопасное хранение;
удобная транспортировка.
Недостатки:
ряд её технологий не отработан;
необходимость подогрева;
имеется деградация со временем;
относительно высокая стоимость;
недостаточная ёмкость хранения на сегодняшний день.
5. Преимущества перспективных способов хранения водорода на основе углеродных наноструктур (нанотрубки, фулерены)
высокая плотность хранения водорода (до 100 кг/м3);
безопасны.
Недостатки:
большинство результатов по удержанию водорода оказались невоспроизводимы;
требуются обширные исследования в этом направлении;
неясны экономические перспективы вложенных средств в эти исследования.
Как видно, на сегодня наиболее востребовательные способы хранения водорода – это дешёвый метод хранения газообразного водорода под давлением и более энергоёмкий, но дорогой – хранение водорода в жидком виде. Все остальные способы либо экономически неоправданны, либо не до конца проработаны.
Заключение
В результате истощения мировых запасов органического топлива, являющегося энергоносителем для невозобновляемой энергетики, перед человечеством встает задача своевременно найти и научиться эффективно использовать новые источники энергии и энергоносители. Главным претендентом на роль такого энергоносителя является водород. Ожидается, что через 10–15 лет водород в технически развитых странах начнет активно вытеснять и постепенно вытеснит органические энергоносители с рынка энергии. В переходный период для производства водорода будут активно использоваться методы химического преобразования органических энергоносителей и постепенный переход на прямые методы его получения путем электролиза. Решающую роль здесь может сыграть атомно-водородный комплекс. Но главной проблемой водородной энергетики на данный момент является его хранение, ведь хранение водорода обходится ещё дороже, чем его производство. Всё дело в плотности энергии водорода на 1 м3, и в больших утечках. Также к хранению водорода предъявлен список строгих требований, среди которых главным является то, что системы хранения должны выдерживать либо криогенные температуры, либо высокие давления, либо содержать активные материалы, которые взаимодействуют с водой или воздухом.
То есть условия хранения водорода – всегда неблагоприятные, требующие обеспечения высокой надёжности и безопасности.
Источник:
- Водород в энергетики. Учебное пособие. ( Р.В. Радченко, А.С. Мокрушин, В.В. Тюльпа)
- https://findpatent.ru/patent/219/2192072.html
- https://magazine.neftegaz.ru/articles/vozobnovlyaemye-istochniki-energii/697617-metody-khraneniya-vodorodnogo-topliva/
- https://dzen.ru/media/dbk/vodorodnaia-energetika-atomnovodorodnaia-tehnologiia-5eb4655095fafa3409328742
- https://habr.com/ru/company/toshibarus/blog/428511/
- https://ru.wikipedia.org/wiki/Водородная_энергетика |
|
|
Скачать 51.44 Kb.