Vesinikuenergia kasutamine. Kas on tulevikuväljavaateid? Vesiniku tootmine vee elektrolüüsi teel
Allikas: www.rbc.ru/opinions/technology_and_media/13/07/2016/5784e0879a7947ba3bfe0405
Vladimir Tumanov,
Laboratooriumi juhataja "Elektrienergia ajamid"
füüsikalise keemia osakond NUST "MISiS"
Erinevalt päikesekiirgusest ja tuulest võib vesinik olla tõepoolest peamine energiaallikas, kuid see on üsna kaugest tulevikust.
Enam kui 150 aastat on teadlased teadnud, et kui vesinik ja hapnik moodustavad vee, moodustab keemiline reaktsioon energia. Seadmeid, mis kasutavad kahe gaasi kontrollitud kombinatsiooni energia genereerimiseks elektrivoolu kujul, nimetatakse kütuseelementideks. See arenev tehnoloogia on aluseks üleriigilisele „vesinikumajandusele”, kus veeaur on ainus tee kütuseelemendiga sõidukitest, ning Ameerika vähendab oluliselt sõltuvust naftakütustest.
Nende arengu kiirendamiseks ja edukaks turuletoomiseks on läbi viidud olulised avaliku ja erasektori uuringud kütuseelementide kohta. Kas tanklate võrk on laialt levinud, sõltub kuludest ja tarbijate eelistuste muutustest. Kuna kütuseelemendid võimaldavad reguleerida vesiniku ja hapniku reaktsiooni elektri tootmiseks, tajutakse neid sageli keskkonnasõbralikumana. See kirjeldab siiski ainult sõiduki heitgaase, mitte gaasilise vesiniku tootmisega seotud protsesse.
Peaaegu kõik räägivad süsivesinike ajastu lõppemisest energiasektoris. Vaidlus puudutab rohkem ajastust. Näiteks hiljuti Peterburi majandusfoorumil ütles energeetikaminister Alexander Novak, et nafta ja gaas jäävad peamiseks energiaallikaks kuni 2040. aastani. Sberbank'i, saksa Grefi, juhi sõnul lakkavad nad 2030. aasta alguses peamistest energiaallikatest.
Vedelaid kütuseid, mis on tavaliselt saadud koristatud taimsest materjalist, kasutatakse peamiselt transpordiks. Need erinevad fossiilkütustest, mis on saadud maapõues miljonite aastate jooksul elanud transformeeritud orgaanilisest materjalist.
Kõigist universumis leiduvatest elementidest on vesinik kõige levinum. Vesinikgaasil on märkimisväärsed omadused, sealhulgas värvitu, maitsetu ja nähtamatu, mis muudab selle kuumalt kummitavaks. Seda saab muuta ka taastuvaks, raiskavaks ja nullenergiaallikaks. Seda peetakse uue energiamajanduse nurgakiviks.
Õli, gaas, vesinik
Minu arvates on arutelu selle üle, milline energiaallikas on parem, mõttetu: loodus lõi need suurte kogustena ja sõltuvalt kaevandamise potentsiaalist ja inimkonna poolt väljatöötatud tehnoloogiatest on see või see allikas peamine.
Kuid tehnoloogilise progressi eri etappidel on inimkond korduvalt silmitsi pidanud vajadusega valida uusi energiaallikaid. Koos tööstusrevolutsiooniga tulid mahepõllumajanduslikud muutused (teisisõnu küttepuud) söeks, siis ilmus nafta ja gaas ning arengud vesinikuenergia valdkonnas. Täna, kui tarbimine kasvab iga päev, tekib üha rohkem küsimusi süsivesinike energia tuleviku kohta. Tuumaenergia osas on vaidlusi, käimas on kontrollitud termotuumasüntees.
Kõigepealt identifitseeris ta selle eraldi elemendina pärast vesinikgaasi väljaarendamist, tuues tsingi metalli soolhappele. Henry Cavendish tegi Londoni kuninglikule seltsile meeleavaldusel teise tähelepanuväärse avastuse, kui ta esitles protsessi vesinikku tootva vesinikgaasi sädeme. See ajalooline areng viis ta järeldusele, et vesi koosneb vesinikust ja hapnikust. Sellest ajast alates on vesinikutehnoloogia tänaseks kasvanud ja praegu kasutatakse seda elektriautode, elektrisüsteemide ja puhta vee tootmise energiaallikana.
Samas on võimatu rääkida süsivesiniku ajastu lõppemisest järgmise 20 aasta jooksul. Lisaks tarbitakse aktiivselt kõiki ressursse, mida loodus on andnud inimkonnale, hoolimata uute alternatiivsete allikate tekkimisest ja arengust. Need mineraalid, mis on inimkonnale täna kättesaadavad, on juba pikka aega piisavad. Rääkige sellest, et 50 aasta pärast lõpeb õli Maa peal, rumalus: selle arengu protsess on lõputu. Söevarud ei ammendu veel 400 aasta jooksul. 2040. aastaks jääb nafta ja gaas peamiseks energiaallikaks.
Vesinik on universumi kõige lihtsam ja kõige tavalisem element. Kuigi see eksisteerib peaaegu kõikjal - õhus, kosmoses, maal - see on harva üks. See on saadaval koos teiste elementidega, näiteks veega. Vesi koosneb vesinikust ja hapnikust. See tähendab, et see on tavaliselt kombineeritud teise elemendiga, mis muudab vajalikuks selle väljavõtte tegemise ja teisendamise, et muuta see kasulikuks energiaallikaks. Vesinikku leidub ka paljudes orgaanilistes ühendites, näiteks süsivesinikutes, mis põhjustavad kütuseid, näiteks bensiini, propaani ja metanooli.
Kuid pikemas perspektiivis ei ole kõige tõhusam ja keskkonnasõbralikum energiaallikas päikesekiirgus või tuul, mida praegu räägitakse nii palju, kuid vesinik on perioodilise tabeli esimene element. 40 g vesinikust saad 1 kWh energiat. Tehniliselt on hapnik ja vesinik ühendatud kütuseelemendi kaudu, kus nende keemiline energia muundatakse membraani kaudu elektriks. Reaktsioonisaadus on vesi!
Aatomi vesiniku saamine
Suurim probleem vesiniku kasutamisel on koguda see puhtal kujul. Vesiniku keemia on väga lihtne - üks aatom koosneb ainult prootonist ja elektronist. Gaasilises vormis võib seda põletada kütusena. Seda saab salvestada energiaallikatesse, mis loovad plahvatusohtliku energia ja liigutavad rakette ja kosmosesõidukeid. See on lenduv ja süttiv ning väga, väga võimas.
Vesinikku võib gaasina hoida krüogeenses või suruõhus. Märkimisväärse koguse vesiniku mahutamiseks on vajalik suur kogus ruumi. See on tingitud asjaolust, et molekulid on üksteisest kaugel ja gaas on kerge, mis muudab selle väga tavaliseks. Näiteks selleks, et hoida silindris sama kogus vesinikku kui bensiini, luuakse palju raskem mahuti.
Hinnaküsimus
19. sajandi lõpus tekkis vaidlus selle üle, kuidas edasi liikuda, kütuseelementidel või bensiinimootoritel. Hoolimata sellest, et vesinikuenergia andis suuremat tõhusust, võitsid mootorid suurema tehnoloogilise valmisoleku ja naftast saadud mootoriõli kättesaadavuse, mis on odavam kui vesinik. Teine katse kütuse vesiniku elementide kasutuselevõtuks toimus 20. sajandi lõpus. Peaaegu kõik maailma juhtivad auto hiiglased on välja töötanud ökoloogilise transpordi vesiniku mudeleid. Praeguseks ei ole lahendatud odava vesiniku saamise probleemi. Nafta hindade järsk langus lükkab edasi aega vesinikutehnoloogiate kasutuselevõtuks transpordis ja statsionaarses energias.
Kuidas vesinikuenergia muutub elektrienergiaks?
Vesinikgaas on kallis ja keeruline kütus, sest see tuleb eraldada mis tahes elemendist, millele see on kinnitatud. Vesinikgaasi tootmine nõuab sageli palju energiat, mis muudab selle kulukaks energiaallikaks. Vesiniku eraldamiseks seonduvatest elementidest on mitmeid viise.
Enne kui kaalume, kuidas vesinikku muundatakse elektrienergiaks, oleks kasulik teada, kuidas vesinikku toodetakse. Vesinikku toodetakse kahe põhimeetodi abil; auru reformimine ja elektrolüüs. See meetod toodab vesinikku süsivesinike kütustest, nagu metaan, nafta, taastuv vedelkütus, gaasistatud biomass, gaasistatud kivisüsi ja maagaas. See vesiniku tootmisprotsess kasutab töötlusseadet, mida nimetatakse reformeriks. Reformer reageerib süsivesiniku kütusega väga kõrgetel temperatuuridel, et tekitada vesinikku.
Põhiline vesiniku allikas looduses on vesi. Ookeanides on suur hulk vett. Hiljutised uuringud on näidanud, et põhjavee struktuurne struktuur umbes 480 km sügavusel on mitu korda suurem kui kõigil ookeanidel.
Vesiniku tootmiseks tavalise elektrolüüsiga on kulukas: protsess nõuab suurt energiat. Kuid on päike - meie tsivilisatsioon on see lõputu valgusenergia allikas. Vee ja vesiniku lagunemine kõige tõhusamalt fotolüüsi abil - protsess läheb otse spetsiaalsetesse rakkudesse päikesekiirguse mõjul.
Tänapäeval toodetakse üle 90% vesinikgaasist auru reformimise tehnoloogia abil. Elektrolüüs on meetod, mis kasutab keemilist reaktsiooni käivitamiseks alalisvoolu. Vesiniku tootmisel laguneb elektrolüüs vett ja jagab selle põhielementideks, mis on vesivool ja hapnik, kasutades elektrivoolu. Elektrolüüsi käigus kasutatav elekter võib olla saadud naftast, maagaasist, kivisöest või süsivesinikest.
Vesiniku muundamine elektrienergiaks. Kõige tõhusam viis vesiniku muundamiseks hapnikuks on kütuseelemendi kasutamine. Kütuseelement muudab keemilise energia elektrienergiaks. Kütuseelement võimaldab elektrokeemilises reaktsioonis vesinikku ja hapnikku segada. Tulemuseks on elektri, vee ja soojuse tootmine. Kütuseelemendid jäljendavad patareisid, sest mõlemad teisendavad elektrokeemilise reaktsiooni poolt toodetud energiat kasulikuks elektrienergiaks.
Sellised rakud loodi eelmise sajandi lõpus Füüsikalisel instituudil. IROE ja SB RASi katalüüsi instituut. Kahjuks jäid need arengud laboratoorsete proovide ja väitekirja tasemele. Norilsk Nickel-RAS vesinikuenergia programmi raames üritati jätkata tööd, kuid 2008. aastal see programm suleti.
Kuid kütuseelement toodab elektrienergiat seni, kuni on kütust, peamiselt vesinikku. Kütuseelemendid on potentsiaalne tehnoloogia elektri ja soojuse allika kasutamiseks hoonetes. See on ka paljutõotav energiaallikas elektri- ja hübriidautodele. Kütuseelemendid töötavad kõige paremini puhtal vesinikul. Muude kütuste, näiteks bensiini, metanooli või maagaasi, võib nõutava vesiniku saamiseks reformida.
Vesiniku tootmine vee elektrolüüsi teel
Kui tehnoloogia liigub kiiresti, võib vesinik tulla koos elektri kui elutähtsa energiakandjaga. Energiakandja edastab energiat kliendile kasutusvalmis vormis. Mõned neist, näiteks tuul ja päike, ei suuda energiat ööpäevaringselt toota, kuid on võimelised tootma vesinikku ja elektrit ning neid säilitatakse hilisemaks kasutamiseks.
Selliste seadmete praktiline rakendamine on võimalik, tagades samal ajal fotolüüsi efektiivsuse vähemalt tasemele 10–15%. Kuigi rekord - 11%. See muudab energiavälja murranguliseks, lükates taustal tuulegeneraatorid, põhjustades korvamatut kahju biosfäärile ja päikesepaneele, mida on väga raske kõrvaldada.
Selleks, et vesinik muutuks valitsevaks energiaallikaks, on vaja lahendada selle tootmise ja ladustamise probleemid. Ameerika ekspertide sõnul, kui vesiniku tootmise maksumus ei ületa 5 dollarit kilogrammi kohta, võib teise kütuse ära visata.
On raske leida kütuseallikat, mis sobib mittetoksilise nimetusega. Vesinik on mittetoksiline kütusevorm, kuna seda ei vabastata. Mõned kütuseallikad, nagu bensiin, kivisüsi, nafta ja tuumaenergia, on mürgised ja leiduvad ohtlike keskkondadega piirkondades. Tegelikult, kui vesinikku põletatakse, on ainus kõrvalsaadus veeaur, mis on mittetoksiline. Kuna vesinik on sõbralik, saab seda kasutada kohtades, kus muud kütused ei toimi.
See on taastuv energiaallikas. . Vesinik on rohkesti peaaegu kõikjal ja see tähendab, et see on lõputu energiaallikas. Muud kütuseallikad, nagu nafta, maagaas ja kivisüsi, loetakse taastumatuteks, mis tähendab, et mõnel hetkel on need ammendunud. Vesinik on üks energiaallikaid, mida saab nõudmisel tekitada.
Sel juhul lahendatakse kütuseelementide loomise probleem autotööstusele. Nüüd on elektrisõidukitel head turuväljavaated, eriti nendes riikides, kus riik julgustab arengut selles suunas. Venemaal on olukord erinev. Siin võib olla optimaalne gaasikütuse või bensiini jõul töötav hübriidne elektrisõiduk. Lõppude lõpuks on maailmas kõige arenenum gaasitäidisüsteem Venemaal: 65% potentsiaalsetest tarbijatest on ligipääs nii bensiinile kui ka gaasile.
Vesiniku tootmiseks kasutatavad meetodid on tõhus ja tõhus energiaallikas. Vesiniku võimsus ja tõhusus on põhjused, miks seda kasutatakse rakettidel ja kosmoselaevadel. Ta on ka kosmoselaevades eelistatud, sest ta ei tooda. Statistika kohaselt on vesinik 3 korda tõhusam kui bensiin ja muud fossiilkütuste allikad, mis tähendab, et see suudab vähem saavutada vähem.
Kas on tulevikuväljavaateid?
See on oluline rakendus nafta- ja gaasitööstuses. . Vesinikku kasutatakse toornafta töötlemiseks rafineeritud kütusteks, nagu diisel ja bensiin. Vesinikku kasutatakse ka selliste kütuste saasteainete nagu väävli eemaldamiseks. Teised tööstusharud kasutavad ka vesinikkütust, näiteks keemiatööstust, toiduainete töötlemist, metalli töötlemist ja elektroonika tootmist.
Majanduslikud hübriidid
Mitte vähem tähtis kui uute energiaallikate otsimine on selle salvestamise ülesanne. Seega on meie ülikooli MISISe üks töövaldkondi energiatõhusus. Üks selliseid arenguid on superkondensaatorid, mille jaoks töötame välja paljutõotavad elektroodid ja elektrolüüdi materjalid.
Vesinikuenergiat ei ole veel täielikult uuritud, mistõttu ei ole säilitamis- ja tugiinfrastruktuuri välja arendatud. Vesiniku molekulid on väikseimad, muutes vesiniku lekete suhtes tundlikumaks. See tähendab, et seda tuleb hoida kõrge rõhu all, et tagada selle piisav energiatihedus. Looduslikus vormis on vesinik lenduv ja süttiv, mis raskendab selle transportimist.
Kuigi vesinik on kergesti kättesaadav, on ekstraheerimisprotsess, nagu näiteks elektrolüüs, äärmiselt kallis. Selle peamiseks põhjuseks on asjaolu, et selle peamisi elemente, nagu vesinik ja hapnik, on raske eraldada. Kuigi vesinikkütuse rakke kasutatakse üha enam, ei ole see kõigile kättesaadav. Teadlased püüavad leida tehnoloogiaid, mis võiksid soodustada vesiniku kasutamist, kuid enne seda jääb hind endiselt kõrge.
Superkondensaatorid on kõige kasulikumad hübriidveos - ratastega ja raudteedel. Selle tööpõhimõte on pidurdamisel tekkinud energia kogunemine, mida seejärel kulutatakse kiirendusele, mis säästab umbes 30%. Superkondensaatorite efektiivsus on võrreldav elektrimootori, st umbes 95–98%, efektiivsusega.
Lähitulevikus loodame, et need arengud ilmnevad linnade ökoloogilistes bussides, metroo rongides ja teistes tehnoloogia valdkondades. Lisaks tagavad meie poolt välja töötatud elemendid rongide katkematu liikumise metroos. Olukorras, kus elektrienergia on hädaseiskunud, võimaldab kogunenud energia kogunenud energia tõttu rongile mitu kilomeetri kaugusele.
Vesiniku ajaloost energiasektoris
On tõsi, et vesinik on taastuv ressurss ega mõjuta keskkonda. Vesinikusüsteemi osade eraldamine tootmisprotsessis sõltub siiski fossiilkütustest, nagu nafta, kivisüsi ja maagaas. kasvuhoonegaaside heitkoguseid.
See on lenduv ja tuleohtlik. . Vesiniku lenduvus ja tuleohtlik omadus raskendavad lõppkasutaja transportimist. Unikaalne omadus, mis muudab ladustamise keeruliseks, muudab transpordi raskeks. Vesinikku transporditakse peamiselt turule torujuhtmete või tankerite kaudu. Tankerid tarnivad vesinikku veeldatud või kokkusurutud olekus. See protsess toob kaasa vesiniku lekke.
Üleminek selliste süsteemide tootmise etapile peaks toimuma järgmise kahe aasta jooksul.
Vesinik See on energia huvides ja teoreetiliselt on tal suured väljavaated. Vesinikuenergia toetajad usuvad, et suudab lahendada kõik energiaprobleemid ja muuta täielikult praegust maailma. Vesinikuenergia on alternatiivne energia. Vesinikku võib saada taastuvatest energiaallikatest ja see on täiesti keskkonnasõbralik kütus. Selle põlemisprodukt on vesi, mis ei sisalda täiendavaid kahjulikke lisandeid. Vesinik on universumi kõige levinum element - see moodustab 88,6% kõigist aatomitest. Mitte vähem kui see on Maa peal, on vesinik kõige tavalisema aine põhiline keemiline komponent - vesi. See tähendab, et praktikas on vesiniku varud ammendamatud. Kõigist teadaolevatest kütustest on kõrgeim kütteväärtus vesinik. Kütuse kütteväärtus või konkreetne põlemissoojus on füüsiline kogus, mis näitab, kui palju soojust vabaneb 1 kg või 1 kuupmeetrise kütuse täielikul põlemisel. Selles suhtes ei ole vesinikul võrdne. Spetsiifiline vesiniku põlemissoojus on 141 MJ / kg. Üldkütustest on metaan teisel kohal - 50,1 MJ / kg, mis on peaaegu kolm korda väiksem. Bensiini spetsiifiline põlemissoojus - 44 MJ / kg, kivisüsi - 22 MJ / kg. Veinil ei ole ka transpordis võrdset. Vesiniku transportimine läbi torude, mille pikkus on üle 500-600 km, on 10 korda odavam kui elektrijuhtme (PTL) edastamine.
Vesiniku ajaloost energiasektoris
Vesiniku kasutamise katsed on tehtud juba ammu. 1820. aastal arutas Cambridge'i filosoofiline selts raportit vesiniku kasutamise kohta autode liikumiseks. 1927. aastal tootis firma "Zeppelin" mootorit, mis töötas vesinikkütusega. Suur huvi vesiniku kasutamise vastu energeetikasektoris tekitas kuulsa füüsiku Lawrence W. Jonesi, kes andis 1970. aastal Michigani Ülikoolis tehnilise aruande. Ta tegi ettepaneku kasutada vesinikku laialdaselt keskkonnasõbraliku asendajana süsivesinike kütuses. 1972. aastal USA-s, ülikoolidevahelises konkurentsis autode parima ehitamise eest, võttis esimese koha vesinikkütusega sõiduk. Nõukogude Liidus viidi läbi ka uurimistööd. 1968. aastal testiti NSV Liidu Teaduste Akadeemia Siberi filiaali teoreetilise ja rakendatud mehaanika instituudis vesinikkütusega GAZ-652 mootoreid. Harkovi 1980. aastal ilmus isegi takso, töötades vesiniku ja bensiini seguga. Harkovi teadlaste poolt välja töötatud mootori tunnuseks oli hüdriidi kasutamine, mis võimaldab väiksemas mahus sisaldada rohkem vesinikku ja muudab vesiniku kasutamise täiesti ohutuks. Elektri genereerimiseks kasutatakse vesinikku enamasti kütuseelementides, kasutades elektrokeemilise reaktsiooni põhimõtet. 2006. aasta lõpus tegutses kogu maailmas ligikaudu 5000 väikest vesinikuelektrijaama. 2010. aastal avati Veneetsia lähedal Itaalias 16 MW vesinikuelektrijaam. Firma FuelCell Energy (USA) on loonud 40 MW vesinikuelektrijaama.
Vesiniku probleemid energia valdkonnas
Hoolimata vesiniku eelistest ja kõikidest katsetest seda kasutada, ei saa öelda, et vesinik on laialdaselt rakendunud. Vesiniku transport ei saa konkureerida tavaliste elektrisõidukitega, kuna selle kasutamine on mitu korda kallim ning vesiniku infrastruktuur on endiselt halvasti arenenud. Vesiniku tootmiseks on mitmeid tööstuslikke meetodeid. Kõige sagedasemad neist on maagaasi auru reformimine. Kui see juhtub, siis süsinikdioksiidi vabanemine, nii et õhusaaste probleemi ei lahendata lõpuni. Mis puudutab vesiniku tootmist elektrolüüsi teel veest, siis selle tootmise maksumus on kolm korda suurem kui auru reformimisel, ning toodetud vesinikust toodetud elektri kogus ei ole palju rohkem, kui kulutatakse selle tootmiseks. Vesinik saadakse ka biomassist. Ehk on see vesinikuenergia kõige paljutõotavam viis, kuid siiani saadud vesinik on siiani kallis. Mis puutub vesiniku plahvatusohtlikkusse, siis see probleem on lahendatud tänapäeva tehnoloogias. Vee lekke ebatõenäoline, kuid siiski võimalik probleem. Raske on märgata, sest vesinik on lõhnatu ja põleb värvitu leegiga. Seega on vesinikkütuse asukohtades vaja spetsiaalseid gaasinäitajaid. Vaatamata vesiniku tõsisele puudumisele, nimelt selle kallale tootmisele, on paljudes riikides vesinikuenergia arendamiseks tõsiseid ja ulatuslikke programme. Vesiniku kasutamine aeglaselt, kuid kindlalt jätkub.