Исследовательская работа Водородные автомобили: реальность или будущее. Исламов Р. НИР Водородный автомобиль. Водородные автомобили реальность или будущее
 Скачать 120.84 Kb.
|
|
2.2.2 Газификация угля Получение водорода газификацией угля заключается в обработке угля воздушно-паровой или кислородно-паровой смесью при температуре выше 1173 К. Для получения водорода и монооксида углерода (синтез-газ) используются реакции паровой, парокислородной конверсией и неполного окисления, которые описываются следующими уравнениями: C + H2O = H2 + CO - 130,2 кДж (5) C+ 2H2O = 2H2 + CO2 + - 90,2 кДж (6) C+1/ 2O2 = CO + 110,5 кДж (7) C+ xH2O +1/2(1- x)O2 = xH2 +CO (8) Продукты газификации содержат Н2, СО, Н2О, Н2S, NН3, N2 легкие углеводороды, смолу и шлаки. Необходимо проводить дополнительно очистку получаемого водорода. Конверсия метана обычно рассматривается как переходная технология от сложившейся инфраструктуры энергорынка к водородной экономике будущего. В перспективе технологии производства водорода из органических топлив (природного газа, угля, нефтепродуктов, биомассы и т.п.), видимо, будут вытесняться другими. Следует отметить, что с точки зрения экологии стратегия производства водорода из природного топлива мало чем отличается от их непосредственного сжигания. Если в последнем случае вредные выбросы в атмосферу появляются на стадии использования топлива, то в первом мы имеем практически те же выбросы, но на стадии получения водорода. Поэтому основными компонентами новых технологий производства водорода из углеводородов являются процессы улавливания сопутствующих газов, в первую очередь СО2. Тем не менее, если сегодня вклад СО2 в увеличение концентрации парниковых газов в атмосфере еще относительно невелик и вызывает только беспокойство, то переход на водородное топливо, которое будет получаться, например, конверсией метана, приведет к увеличению выбросов этого газа в десятки раз. При этом стоимость каждой калории, извлеченной из водорода, будет в 3-4 раза выше, чем выделенной при сгорании бензина, а при получении водорода методом электролиза уже в 6-9 раз выше. 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. Разработаны многочисленные процессы по разложению воды на составные элементы. Среди способов получения водорода из воды наибольший интерес представляет электролиз воды. 2.2.3 Электролиз воды Электролитический водород является наиболее доступным, но дорогим продуктом. В мире электролитически производится лишь 4% водорода. Для разложения чистой воды при комнатных условиях требуется напряжение 1,24 вольта. Величина напряжения зависит от температуры и давления, от свойств электролита и других элементов электролизера. В промышленных и опытно-промышленных установках реализован КПД электролизера по энергии -70 — 75%, в том числе для электролиза под давлением. Паровой электролиз — это разновидность обычного электролиза. Часть энергии, необходимой для расщепления воды, в этом случае вкладывается в виде высокотемпературного тепла в нагрев пара (до 900°С), делая процесс более эффективным. Вследствие потерь напряжения, а также ввиду того, что выход водорода по току менее 100%, практический расход электроэнергии будет несколько выше. Обычно расход электроэнергии составляет 5,0 – 5,9 кВт·ч/м3 водорода, что соответствует выходу по энергии 50 –60%. Подсчитано, что для выработки водорода из воды следует затратить 4 кВт электроэнергии, чтобы выработать около 1 м3 водорода, который, после того как сгорит, даст лишь 1,8 кВт. В 1888 г. Л. Л. Лачинов предложил проводить электролиз воды под давлением. В последующем было установлено, что это позволяет повышать температуру электролиза, благодаря чему увеличивается электропроводность электролита и снижается перенапряжение. Если при 80°С напряжение составляет 2,07 В и расход электроэнергии равен 4,97 кВт·ч/м3 Н2, то в случае электролиза под давлением при 120°С напряжение снижается до 1,8 в, а расход электроэнергии до 4,44 кВт·ч/м3 водорода (15,98 МДж). Полученные при этом газы выходят из ванны под высоким давлением. В некоторых современных электролизерах воды достигнуты практические показатели 4,1– 4,2 кВт·ч на м3 Н2 — и это много, так как в первом приближении стоимость водорода на 75–80 % определяется стоимостью электроэнергии, затраченной на его получение. Исследовательские подразделения GE Global Research (США) предприняли попытку снизить стоимость электролизёров, выполнив их корпуса из пластмассы, стойкой к щелочной среде электролита, а массу металла, применённого в электродах, снизить за счёт напыления из катализатора на основе никеля. После чего цена производства водорода была снижена. Однако это недостаточно для конкурентоспособности. В мире лучшими из промышленных водно-щелочных электролизеров считаются канадские, изготавливаемые корпорацией «Stuart Energy». Они стабильно в течение длительного ресурса, обеспечивают удельный расход менее 5 кВт·ч/м3 H2, что делает их (при низкой стоимости потребляемой электроэнергии и мировых ценах на метан) конкурентоспособными с получением водорода конверсией природного газа с применением короткоцикловой адсорбции. Проведем небольшие расчеты для оценки потребности электрической энергии для производства электролитического водорода. Возьмем, к примеру, город с численностью населения 1 млн. чел. (чему соответствует примерно 250 тыс. единиц автотранспорта). С учетом более высокой энергоемкости и эффективности водорода по сравнению с бензином потребовалось бы производить примерно 500 т водорода в сутки. Энергетические затраты на производство электролитического водорода и его последующего ожижения составили бы порядка 15 млрд. кВтч в год. В мировом масштабе (примерно 500 млн. единиц автотранспорта) это соответствовало бы примерно 30000 млрд. кВтч в год. В то время, как мировая выработка электроэнергии составляет примерно 15000 млрд. кВт•ч . Из указанного примера следует, что широкомасштабное применение водородного топлива в автотранспорте (если не идти по пути использования для его получения углеводородного сырья), на сегодняшний день, пока не найдены неограниченные и дешевые источники энергии, лишено реальности. Таким образом, для получения водорода в промышленных масштабах требуется огромное количество электроэнергии. Получается так: мы должны добыть из-под земли невозобновимое углеводородное сырье – газ, нефть, уголь, – сжечь его на тепловой электростанции, чтобы с помощью полученной электроэнергии добыть из воды водород, чтобы, в свою очередь сжечь его либо в двигателе внутреннего сгорания, либо в топливных элементах! Но это экономически невыгодно! Такая технологическая схема использования углеводородного сырья делает водородное топливо для автомобиля в 10-20 раз дороже бензина. Конечно, существуют способы получения электроэнергии не обязательно посредством сжигания углеводородов, а, например, на атомных электростанциях или с помощью солнечных батарей. 2.2.4 Солнечные водородные станции Солнечные водородные станции компании Honda используют энергию солнца и электролизер для того, чтобы отделить «Н» от «О» в Н2О. После отделения водород хранится в баке под давлением в 34.47 МПа. Используя только солнечную энергию, станция может производить около 5 700 литров водорода ежегодно (этого топлива практически достаточно для одного автомобиля на год). При подключении к электрической сети, станция может производить до 26 тысяч литров в год. 2.3 Перспективы водородного двигателя Электролиз воды можно провести, используя электроэнергию, выработанной на АЭС. Но почему нельзя использовать эту электроэнергию в автомобиле напрямую, запасая ее в аккумуляторах? Появление в технологической цепи дополнительного передела обязательно приводит к значительному удорожанию конечной продукции. В случае с автомобильным водородом – в несколько раз! В настоящее время по энергетической эффективности и стоимости водород не будет конкурентоспособным. Сотрудники компании, разработавшие серийный электроавтомобиль «Тесла», высчитали полный КПД автомобилей разных типов, проследив весь путь «энергии» от нефтяной или газовой скважины и до непосредственно ведущих колес машины. В случае с бензиновыми и дизельными авто – это добыча и переработка нефти, КПД собственно двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и трансмиссии машин, ну и в целом – их расход топлива на 100 километров. В случае с электромобилем – добыча топлива (газа), сжигание его на тепловых станциях, выработка электроэнергии, передача ее по сети, зарядка автомобиля, полный КПД его электрических систем, включая электромотор, и снова «расход топлива», точнее – затраты электричества, выкачанного из розетки. То же самое было сделано для водородного автомобиля, а также двигателя, использующего в качестве топлива метан: добыча газа из скважины (сегодня наиболее выгодно получать водород из природного газа), получение из газа водорода, транспортировка до заправочной станции, КПД сжигания водорода в топливном элементе и электропривода колес. В качестве параметра сравнения была выбрана величина пробега автомобиля в расчете на величину исходной химической энергии углеводородов, добытых из недр. Результаты такого сравнения оказались поразительными, хотя и вполне прогнозируемыми. На каждом мегаджоуле первоначальной химической энергии можно проехать: - на электромобиле с литий-ионными аккумуляторами – 1,14 км; - на гибридном автомобиле (ДВС плюс электромотор) – 0,56 км; - на автомобиле с дизельным или бензиновым двигателем внутреннего сгорания – 0,48-0,52 км; - на автомобиле с ДВС работающим на сжатом метане – 0,32-0,35 км; - на автомобиле с водородом и топливными элементами – 0,32-0,35 км. Как видно, по суммарной энергетической эффективности автомобили на водороде и метане оказываются неконкурентоспособными по сравнению с любым другим двигателем. А если учесть чрезвычайную взрывоопасность водорода и энергетические затраты на ее снижение (которые в приведенном расчете не были учтены), то водородный движитель для автомобиля вообще окажется на последнем месте! Сырьевые ресурсы для получения водорода (углеводороды, электроэнергия) выгоднее не перерабатывать еще в один вид топлива, а использовать в автомобиле напрямую. Особенно это разумно по отношению к электроэнергии. Как пишет в своем критическом обзоре водородной технологии Г. Резник («Электричество», №9, 2003 г.), дело в том, что для генерирования одной энергии всегда необходим другой вид энергии. Целесообразность каждого из таких процессов оценивают по такому параметру как полезная энергия – то есть полученная в конечном итоге, за вычетом затрат на ее производство. Например, у нефти полезная энергия колоссальна: при использовании этого топлива можно генерировать примерно в 200 раз больше энергии, чем расходуется на его поиск и добычу. Значительно меньшей полезной энергией обладают газ, уголь, ветер и солнце. Тем не менее, у всех этих источников она есть. Однако у водорода полезная энергия отрицательна – это означает, что затраты энергии на его получение превышают количество, которое этот носитель может генерировать. Именно этот факт представляет главнейшую проблему на пути создания водородной энергетики: каким бы образом ни окислять водород – прямым его сжиганием или в топливных элементах – все равно при этом выделяется меньше энергии, чем необходимо для его исходного получения. Водородная энергетика получит широкое распространение только в том случае, если произойдет научный прорыв в области производства водорода, если будут созданы революционные технологии его получения из воды без использования углеводородов или электроэнергии. Однако как раз в этих актуальнейших областях научно-технического прогресса исследовательские работы практически не ведутся. 2.4 Экологические последствия использования водородных двигателей 2.4.1 Паровая конверсия метана При получении водорода паровой конверсией метана на четыре объема полученного водорода приходится один объем углекислого газа. При использовании такого водорода в двигателях получается так, что вредные выбросы в атмосферу из стадии сжигания топлива переносится на стадию производства водорода. Поэтому основными составляющими новых технологий производства водорода из углеводородов являются процессы улавливания СО2. Если сегодня вклад СО2 в увеличение концентрации парниковых газов в атмосфере еще относительно невелик, то переход на водородное топливо, которое будет получаться конверсией метана, приведет к увеличению выбросов этого газа в десятки раз. При этом стоимость каждой калории, извлеченной из водорода, будет в 3-4 раза выше, чем выделенной при сгорании бензина. Таким образом, производство водорода будет загрязнять окружающую среду в лучшем случае как автомобили на бензиновых двигателях, а в худшем – значительно больше. 2.4.2 Газификация угля Продуктами газификации угля являются: Н2, СО, Н2О, Н2S, NН3, N2 легкие углеводороды, смола и шлаки. При удовлетворении потребности в водороде данным методом выбросы вредных веществ в атмосферу увеличатся в несколько раз. В настоящее время не придумано экологически чистых и достаточно эффективных методов производства водородного топлива для каждодневной заправки миллионов автомобилей. 2.4.3 Содержание отработавших газов водородного двигателя Содержание вредных веществ в выхлопных газах водородного двигателя: СО - 0 г/км, СН - 0 г/км, NOх - 2,5 г/км. Основным компонентом выхлопного газа водородного автомобиля является вода. Компания Toyota утверждает, что Mirai выделяет всего 100 мл воды на примерно 2 км пути. Подсчитано, что, например, в Великобритании все автомобили проезжают около 488 млрд. км в год. Это означает, что если бы каждый автомобиль был бы Toyota Mirai, то утечка от всех автомобилей составила бы 3 млрд. л воды и водяного пара каждый год. Для сравнения: такого огромного количества воды хватило бы, чтобы заполнить около 12 000 плавательных бассейнов, предназначенных для проведения олимпийских игр. Вода из выхлопной трубы в зимнее время может являться серьезной проблемой. Представьте себе автомагистраль с интенсивным движением в середине зимы, и с каждого транспортного средства выливается 1 литр воды каждые 20 км. Ведь вся эта вода превратится в каток в считанные минуты. А если вода выбрасывается в виде пара, то предсказуемый результат - туман. Водяной пар водородных двигателей возможно приведет к повышению влажности воздуха. Не приведет ли излишняя влажность воздуха к нежелательным экологическим последствиям? Влияние влажности атмосферного воздуха на здоровье человека, на растительный и животный мир, на состояние зданий и сооружений необходимо изучить в отдельной исследовательской работе. 2.4.4 Утечка водорода При хранении водорода его утечка неизбежна. Роль водорода в разрушении озонового слоя хорошо изучена. Если представить, что большинство автомобилей перейдет на водородное топливо, то содержание водорода в атмосфере увеличится во много раз, что может привести к непредсказуемым экологическим последствиям. 2.4.5 Экологические последствия развития солнечной энергетики Отнесение солнечных станций к экологически чистым электростанциям нельзя назвать полностью обоснованным в силу недостаточной изученности данного возобновляемого источника и последствий его использования. В лучшем случае к экологически чистой можно отнести конечную стадию - стадию эксплуатации солнечных электростанций (СЭС), и то относительно. Солнечные станции являются достаточно землеёмкими. Удельная землеемкость СЭС изменяется от 0,001 до 0,006 га/кВт с наиболее вероятными значениями 0,003-0,004 га/кВт. Это меньше, чем для ГЭС, но больше, чем для ТЭС и АЭС. Также солнечные станции весьма материалоемки (металл, стекло, бетон и т.д.), к тому же в приведенных значениях землеемкости не учитываются изъятие земли на стадиях добычи и обработки сырья. В случае создания СЭС с солнечными прудами удельная землеемкость повысится и увеличится опасность загрязнения подземных вод рассолами. Солнечные концентраторы вызывают большие по площади затенения земель, что приводит к сильным изменениям почвенных условий, растительности и т. д. Нежелательное экологическое действие в районе расположения станции вызывает нагрев воздуха при прохождении через него солнечного излучения, сконцентрированного зеркальными отражателями. Это приводит к изменению теплового баланса, влажности, направления ветров; в некоторых случаях возможны перегрев и возгорание систем, использующих концентраторы, со всеми вытекающими отсюда последствиями. Применение низкокипящих жидкостей и неизбежные их утечки в солнечных энергетических системах во время длительной эксплуатации могут привести к значительному загрязнению питьевой воды. Особую опасность представляют жидкости, содержащие хроматы и нитриты, являющиеся высокотоксичными веществами. Гелиотехника косвенным образом оказывает влияние на окружающую среду. В районах ее развития должны возводиться крупные комплексы по производству бетона, стекла и стали. Во время изготовления кремниевых, кадмиевых и арсенидогелиевых фотоэлектрических элементов в воздухе производственных помещений появляются кремниевая пыль, кадмиевые и арсенидные соединения, опасные для здоровья людей. Космические СЭС за счет СВЧ-излучения могут оказывать влияние на климат, создавать помехи теле- и радиосвязи, воздействовать на незащищенные живые организмы, попавшие в зону его влияния. В связи с этим необходимо использовать экологически чистый диапазон волн для передачи энергии на Землю. ВЫВОДЫ 1. С использованием литературных данных и интернет источников изучено применение водорода как источника автомобильного топлива. 2. Показано, что в настоящее время основным промышленным методом получения водорода является паровая конверсия метана. Количество выделяющегося углекислого газа при этом не меньше, чем при сжигании углеводородного топлива в автомобилях. Выяснено, что в настоящее время не придумано экологически чистого способа производства водородного топлива. 3. Установлено, что электролиз воды не сопровождается выбросом вредных веществ, но является экономически неоправданным из-за дороговизны использованной электрической энергии. Если электрическая энергия получена в топливных электростанциях, то процесс электролиза воды не оправдывается и с экологически точки зрения. 4. Проблема способа хранения водорода на автомобилях до конца не решена. Утечка водорода на стадии хранения, также и на стадии производства, может привести к увеличению количества разлагаемого озона в атмосфере. 5. Указано, что образовавшаяся при работе водородного двигателя вода может привести к таким нежелательным последствиям как образование наледи на дорогах в зимнее время и тумана в летний период. Сделано предположение, что выделяемая вода водородных автомобилей может привести к повышению влажности воздуха. 6. Солнечные электростанции могут быть использованы в качестве дешевого источника электрической энергии для электролиза воды. Однако отнесение солнечных станций к экологически чистым электростанциям нельзя назвать полностью обоснованным в силу недостаточной изученности данного возобновляемого источника и последствий его использования. 7. По экономической и энергетической эффективности водородное топливо значительно уступает традиционному углеводородному топливу. Водородное топливо неконкурентоспособно. Водородное топливо получит широкое распространение только в том случае, если произойдет научный прорыв в области производства водорода, если будут созданы революционные технологии его получения из воды без использования углеводородов или электроэнергии. 8. Массовое использование водородного топлива на автотранспорте бесперспективно, т.к. он неэкономичен, неэкологичен, небезопасен и не может быть обеспечен водородом в необходимом количестве. Мы с большей вероятностью можем утверждать, что наша гипотеза доказана. Переход автомобильного транспорта на водород в обозримой перспективе невозможен. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1. Водород как энергоноситель с высокими экологическими свойствами. site http://b-energy.ru/popularecology/53-hydrogen.html?tmpl=component&print=1&layout=default&page= 2. Высокоэффективный электролиз воды. site http://alexfrolov.narod.ru/ruswater.htm 3. Водородная энергетика. Получение водорода. site http://www.abitura.com/modern_physics/hydro_energy/hydro_energy5.html 4. Альтернативные источники энергии. Способы добычи водорода. site http://www.takealtenergy.com/hydrogen/geth.html 5. Генератор газа Брауна. sites http://sds-max.com.ua/braun.html , http://x-faq.ru/index.php?topic=53.0;wap2 6. Honda FCX на топливных элементах. site http://autolenta.ru/147.html 7. ТУ–155, site http://www.airwar.ru/enc/xplane/tu155.html 8. Электроводородный генератор (ЭВГ). заявка RU98/00190 от 07.10.1997, патент RU2003104497/12 от 17.02.2003. site http://ikar.udm.ru/sb18-2.htm 9. Новая теория электролиза воды. site http://www.inauka.ru/blogs/article80305/print.html 10. http://refleader.ru/jgeujgatymeryfs.html |