Водородная энергетика это кратко и понятно

Обновлено: 02.07.2024

Для хранения и выработки энергии от водорода используются топливные элементы. Первый водородный топливный элемент был сконструирован английским ученым Уильямом Гроувом в 30-х годах 19 века. Гроув и работавший параллельно с ним Кристиан Шенбейн продемонстрировали возможность производства энергии в водородно-кислородном топливном элементе с использованием кислотного электролита.

В отличие от кислорода водород практически не встречается на земле в чистом виде и поэтому извлекается из других соединений с помощью различных химических методов.

По этим способам его разделяют на цветовые градации.

Зеленый — производится из возобновляемых источников энергии методом электролиза воды. Все, что необходимо для этого: вода, электролизер и большое снабжение электроэнергией.

Голубой — производится из природного газа, а вредные отходы улавливаются для вторичного использования. Тем не менее идеально чистым этот метод не назовешь.

Розовый или красный — произведенный при помощи атомной энергии.

Серый — водород получают путем конверсии метана. При его производстве вредные отходы выбрасываются в атмосферу.

Коричневый — водород получают в результате газификации угля. Этот метод также после себя оставляет парниковые газы.

Еще существуют технологии получения биоводорода из мусора и этанола, но их доля чрезвычайно мала.

Себестоимость производства по видам водорода, доллар за килограмм

Зеленый	10
Голубой	2 $
Красный	2 $
Серый	2—2,5 $
Коричневый	2—2,5 $

Водородная энергетика

На переработку угля приходится 18% производства водорода, 4% обеспечивается за счет зеленого водорода и 78% — переработкой природного газа и нефти. Методы производства, основанные на ископаемом топливе, приводят к образованию 830 млн тонн выбросов CO₂ каждый год, что равно выбросам Великобритании и Индонезии, вместе взятым. И тем не менее водород — это более чистая альтернатива традиционному топливу.

В мире три основных источника выбросов, способствующих потеплению климата: транспорт, производство электроэнергии и промышленность. Водород может использоваться во всех трех областях. При использовании в топливных элементах водородная энергия оставляет минимальные потери, а после использования в качестве побочного продукта остается только вода, из которой снова можно добывать водород.

Перспективы отрасли

Согласно докладу МЭА, к 2050 году мировой спрос на водород должен достичь 528 млн тонн — против 87 млн в 2020, — а его доля в мировом потреблении составит 18%, из них 10% будет приходиться на зеленый водород.

К 2050 году МЭА планирует снизить затраты на производство этого экологически чистого вида топлива до 2 $ за килограмм, что существенно ниже нынешних 10 $. Это произойдет благодаря развитию технологий ВИЭ и удешевлению производства энергии ветра и солнца.

В июне 2020 года Германия объявила о реализации национальной водородной стратегии с инвестициями в 7 млрд евро, чтобы стать лидером в этой области.

Япония, Франция, Южная Корея, Австралия, Нидерланды и Норвегия начали свой курс на водород раньше Германии, а Япония сделала это раньше всех — в декабре 2017 года.

поддержка пилотных проектов по производству водорода;
стимулы для экспортеров и покупателей на внутреннем рынке;
первые водородные установки запустят в 2024 году на атомных электростанциях, объектах добычи газа и переработки ископаемых.

В 2021 году HydrogenOne Capital — первый в мире инвестиционный фонд, ориентированный на зеленый водород, заявил о листинге на Лондонской бирже. Фонд инвестирует в проекты мощностью 20—100 МВт с возможностью их расширения до 500 МВт.

Как сделать ремонт и не сойти с ума

Преимущества водородной энергетики

Высокая применимость. Электрификация транспорта поможет снизить выбросы в атмосферу, но авиацию, морские и грузовые перевозки на дальние расстояния трудно перевести на использование электроэнергии, потому что для этих секторов требуется топливо с высокой плотностью энергии. Зеленый водород может удовлетворить эти потребности. Например, Airbus представил концепции самолетов с водородным двигателем и надеется ввести его в эксплуатацию к 2035 году.

Nikola строит полуприцепы, работающие как на аккумуляторных батареях, так и на водороде. Компания заявляет, что ее топливные элементы могут работать при более низких температурах, чем батареи. И они легче, что делает их более практичными для грузовиков и другой тяжелой техники. Nikola также утверждает, что дальность хода такого грузовика составит 900 миль на баке с водородом. Для сравнения: у Tesla Semi с батарейным питанием, который может быть запущен в производство в конце этого года или в 2022 году, заявленная дальность — 200—300 миль.

Также свои аналогичные модели транспорта представили компании Toyota, Honda и BMW.

Время заправки электромобиля на топливных элементах в среднем составляет менее четырех минут. При этом в отличие от батарей они не нуждаются в перезарядке. Поскольку они могут работать независимо от сети, то могут использоваться как запасные генераторы электричества или тепла.

Важный элемент перехода на водород — его применение в ЖКХ. Кроме пилотных проектов в Великобритании Лидс станет первым городом, энергоснабжение которого будет полностью водородным. Согласно плану, все газовые сети и транспортное оборудование переведут на него.

Запасы водорода практически безграничны. Так как он встречается почти всюду, его можно использовать там, где он производится. В отличие от батарей, которые не могут хранить большое количество электроэнергии в течение продолжительного времени, водород можно производить из избыточной возобновляемой энергии и хранить в больших количествах.

Энергоэффективность. Водород содержит почти в три раза больше энергии, чем ископаемое топливо, поэтому для выполнения какой-либо работы его требуется гораздо меньше. Например, по сравнению с электростанцией, работающей на сжигании топлива с КПД от 33 до 35%, водородные топливные элементы выполнят ту же функцию с КПД до 65%. Для примера, у солнечных элементов КПД — 20%, а у ветряных — 40%.

Весной 2020 года в городе Фукусима была запущена самая крупная в мире электростанция, работающая на водороде. Для питания электролизных установок на ней размещены солнечные батареи общей мощностью 20 МВт. Всего станция вырабатывает 1,2 тысячи кубических метров водорода в час.

В автомобилях топливные элементы используют 40—60% энергии топлива, а также обеспечивают сокращение его расхода на 50%.

Зеленый водород — отличная среда для хранения энергии. Например, у Германии существует проблема с энергосистемой. В ясные и ветреные дни солнечные экраны и ветряные турбины на севере производят больше электроэнергии, чем может потребить эта часть страны. Из-за этого Германия вынуждена продавать излишки электроэнергии соседним странам себе в убыток. Избыток электроэнергии из ВИЭ можно хранить в виде водорода, а затем сжигать для выработки электроэнергии, когда это необходимо.

Недостатки водородной энергетики

Стоимость зеленого водорода. Как уже говорилось выше, именно стоимость добычи самого чистого вида водорода ставит наиболее сильные препятствия в его развитии. По словам и прогнозам Минэнерго РФ, перспективы водородной энергетики связаны с удешевлением стоимости водорода, производимого электролизом воды. В качестве основных факторов обеспечения конкурентоспособности зеленого водорода рассматривается перспективное снижение капитальных затрат на электролизеры, а также стоимости электроэнергии из ВИЭ.

При масштабировании производства электролизеров их стоимость может снизиться с текущих 1000 до 200 $/кВт к 2050 году, по оценке J. P. Morgan — даже до 100 $/кВт. При реализации такого сценария к 2050 году стоимость электролизеров может снизиться до уровня менее 2 $/кг. Но с учетом применения различных программ государственного субсидирования водородной энергетики эти сроки могут быть сокращены.

Водород — идеальный источник энергии и экологически приемлемое топливо. Теплота его сгорания (1,17 ГДж/кг) почти в три раза выше, чем у нефти, и в четыре раза больше, чем у каменного угля или природного газа. В 2018 году потребление водорода в мире составило около 74 млн тонн. Он использовался преимущественно в нефтепереработке, химической промышленности и металлургии. К 2030 году можно ожидать рост его годового спроса до 100-114 млн тонн водорода (+35-55% к показателю 2018 года) при себестоимости производства около 2 долл./кг. Эксперты совета по водородным технологиям (Hydrogen Council) в своем недавнем докладе утверждали, что к 2050 году на водород придется 18% всех энергетических потребностей мира. По другим прогнозам, к этому времени мировое потребление водорода вырастет до 370 млн тонн в год (к 2100 году — до 800 млн тонн).

Климатическое оружие природы

Температура горения водорода в кислородной среде может превышать 2800 градусов (на тысячу градусов выше, чем температура горения метана). Такая температура характерна для авиационных и ракетных двигателей. Она потребует использование в конструкциях водородных топок жаропрочных металлов.

В процессе горения водорода неизбежно происходит образование определенного количества токсичных оксидов азота (механизм Якова Зельдовича). Необходимо будет разработать и применять технологии экологически приемлемого сжигания водорода, исключающие возможность выпадения кислотных дождей и опасных последствий для здоровья человека.

Российские ученые пробурили самую высокогорную скважину в Европе

По мнению ученых из Массачусетского технологического института (США), производство водорода с помощью энергии от солнечных панелей может стать рентабельным в течение ближайших десяти лет. Производство водорода в среднем будет стоить $2,5 за килограмм — в четыре раза меньше современной цены в 10,6 $ (PV Magazine).

Российские ученые предложили альтернативу таблице Менделеева

Стратегические перспективы использования водорода для развитых стран в значительной мере связаны именно с внедрением технологий низкоуглеродной водородной энергетики, позволяющей сократить выбросы парниковых газов. Наиболее перспективными отраслями для использования водорода как средства декарбонизации, наряду с применением в промышленности и энергетике, являются транспорт, металлургия и коммунальное хозяйство. Парк автомобилей на водородном топливе к концу 2019 года превысил 25 тыс. машин, причем свыше 12 тыс. было продано за последний год. Лидерами в расширении этого парка являются США, Китай, Япония и Республика Корея.

В Японии компания Mitsubishi Hitachi Power Systems (MHPS) несколько лет назад успешно испытала газовую турбину большой мощности на одной из своих электростанций, подавая в камеру сгорания природный газ с добавкой 30% водорода. Температура газов на выходе была около 1600 градусов. Прежнее традиционное оборудование такую нагрузку выдержало. В рекомендациях компании зафиксировано, что использование топливной смеси из 80% природного газа и 20% водорода является экономически и экологически приемлемым.

В 2018 году японские компании Kawasaki Heavy Industries и Obayashi провели краткосрочные испытания турбины при подаче в камеру сгорания 100% водорода. В итоге принадлежащая консорциуму компаний ТЭЦ в Кобе перешла на работу на смеси водорода и природного газа в пропорции 20% на 80%. Эксперименты с добавками водорода в топливную смесь для газовых ТЭЦ осуществляются не только в Японии. В Великобритании, Бельгии, США и Новой Зеландии доля подмешиваемого в топливо водорода составляет 0,1%, в Германии — 10%, Нидерландах — 12%. По расчетам Международного Энергетического Агентства (МЭА), создание масштабной европейской сети электростанций с газово-водородной смесью в пропорции 80/20, обеспечит снижение выбросов углекислого газа на 7% или на 60 млн тонн.

Перспективы развития водородной энергетики в России главным образом связываются с экспортом водорода, что отражено в ЭС-2035, в которой поставлена задача по закреплению России в составе мировых лидеров по экспорту водорода и установлены соответствующие целевые показатели: 0,2 млн. тонн (2,2 млрд куб. м) в 2024 году и 2 млн. тонн (22,2 млрд куб. м) в 2035 году.

Экспортная ориентация водородной энергетики в России связана с наличием конкурентных преимуществ. К ним, во-первых, можно отнести наличие больших запасов природных ресурсов (газа, угля и воды). Во-вторых, целесообразно отметить значительный резерв генерирующих мощностей, который позволяет развивать производство водорода в России энергоемкими методами (паровой конверсией метана, в том числе в комбинации с технологиями улавливания и хранения углерода (CCS) и электролизом. В-третьих, целесообразно отметить географическую близость производственных мощностей водорода к потенциальным рынкам его сбыта (страны АТР и ЕС). В-четвертых, определенные преимущества заключаются в наличии существующей газотранспортной инфраструктуры и растущие мощности отрасли производства СПГ, которые создают предпосылки для развития производства водорода из природного газа и экспорта его по трубопроводам и в сжиженном виде.

Наряду с экспортным направлением водородная энергетика имеет перспективы внутри страны. Во-первых, это возможность снижения выбросов загрязняющих веществ в атмосферу, прежде всего от транспорта, что актуально в первую очередь для крупных городов. Однако здесь водороду предстоит конкурировать с газомоторным топливом и электромобилями на базе литиевых батарей. В ЭС-2035 транспорт рассматривается как одно из приоритетных направлений использования водорода на внутреннем рынке.

Наиболее технологически освоенными на сегодняшний день являются методы получения водорода из ископаемого сырья. Этим освоенным методам присущи и стандартные недостатки. Для получения водорода с низким углеродным следом требуются применение технологий улавливания углерода CCS (carbon capture and storage) со значительным расходом сырья на технологическое тепло и необходимость дополнительной очистки полученного водорода. Перспективные методы производства водорода (пиролиз, плазменная конверсия, термохимические циклы) имеют положительные стороны: отсутствуют выбросы CO2, есть возможность получения побочной продукции и др. В то же время эти методы весьма энергозатратны, для них характерны высокие температуры (как следствие, высокие потери на тепловое излучение), требующие применения специальных конструкционных материалов. Применение атомной энергетики в производстве водорода способно повысить его эффективность с учетом возможностей обеспечения дешевой энергией.

Водород имеет высокий потенциал применения в качестве средства хранения и накопления энергии, а также балансировки нагрузки энергосетей в условиях имеющей место нестабильности потребления электроэнергии при ее генерации с использованием возобновляемых источников энергии.

Уникальные снимки красного прилива, который стал причиной катастрофы на Камчатке

В тени объемного использования водорода (в качестве экологически приемлемого топлива) таится недостаточно изученная, но, предположительно, серьезная опасность воспроизводства в процессе высокотемпературного горения — синтеза токсичных для биоты оксидов азота. Аналогичный отрицательный эффект неожиданно проявился в свое время при переводе ТЭЦ и ГРЭС с угля на более экологически приемлемый газ.

В заключение необходимо отметить, что успех рубежных переходов человечества к все новым и новым видам топлива и энергии (от дров к углю, к нефти и природному газу, наконец — к атомной энергии, 75-летний юбилей которой мы только что отмечали), стремление к бережному и экологически приемлемому освоению возобновляемых источников энергии, равно как и эффективное освоение технологий назревшего внедрения водородной энергетики, требовали и требуют осуществления комплексных мер мобилизации для решения поставленной задачи всех механизмов современной экономики. Важная роль при этом ложится на плечи отечественной геологии, в задачу которой неизбежно должно быть включено задание по поиску природных месторождений водорода. Нужна общенациональная программа и организационная координация всех научно-исследовательских и производственных работ по поиску, разведке, добыче транспортировке, хранению и применению водорода. При внедрении водородной энергетики на транспорте экономически приемлемым представляется не только широкое использование топливных водородных элементов (ТВЭ), но и оснащение транспортных средств электрическими аккумуляторами (ЭА), зарядка которых будет производиться с использованием ВИЭ и водорода. Оба этих варианта (применение ТВЭ и АЭ) не исключают параллельного применения замены бензина и дизельного топлива на природный газ.

Водородная энергетика не отменяет и не девальвирует необходимость поисков и разведки эффективных месторождений традиционного углеводородного сырья. Ее экологическая значимость и нацеленность позволяет по-новому организовать успешную комплексную синергию традиционных и возобновляемых источников энергии.

Водородная энергетика — это не только назревший переход к освоению нового экологически приемлемого источника энергии, но и стимул к достижению более эффективного использования традиционных видов топлива, повышения КПД используемых двигателей и обеспечения более высокой степени экологической безопасности предприятий ТЭК и транспорта.

Угрозы глобального водного кризиса

Литература

1. Полеванов В.П., Глазьев С.Ю. Поиски месторождений природного водорода в России как основа встраивания в новый технологический уклад. Глобальное недропользование, август 2020, с.10-23.

2. Ларин В.Н.Наша Земля (происхождение, состав, строение и развитие изначально гидридной Земли). М., Агар,2005.

3. Конопляник А. А, Чистый водород из природного газа // Корпоративный журнал “Газпром”, №9, 30 сентября 2020.

4.Водородная энергетика // Энергетический бюллетень, №89, октябрь 2020 года.

5. International Energy Agency. The Future of Hydrogen. Seizing today’s opportunities. Report prepared by the IEA for the G20. IEA Publication - Japan, June 2019.

6. Распоряжение Правительства Российской Федерации от 12 октября 2020 года . № 2634-р “Об утверждении плана мероприятий "Развитие водородной энергетики в Российской Федерации до 2024 года".

7. Водородная экономика: новые надежды на успех. Энергетический бюллетень, № 73, июнь 2019 года.

8. Марцинкевич Б.Л. Здравствуй, дивный водородный мир. Авторский блог Бориса Марцинкевича от 28 июля 2020 года.

9. Якуцени В.П. Сырьевая база гелия в мире и перспективы развития гелиевой промышленности // Нефтегазовая геология. Теория и практика, 2009 (4)

Ранее мы рассказывали про то, каким экологичным видом транспорта являются электробусы. Однако не упомянули один важный момент: c ростом числа электротранспорта городам потребуется больше электричества, которое зачастую получают экологически небезопасными способами. К счастью, сегодня мир научился получать энергию при помощи ветра, солнца и даже водорода. Новый материал мы решили посвятить последнему из источников и рассказать об особенностях водородной энергетики.

На первый взгляд, водород — идеальное топливо. Во-первых, он является самым распространенным элементом во Вселенной, во-вторых, при его сгорании высвобождается большое количество энергии и образуется вода без выделения каких-либо вредных газов. Преимущества водородной энергетики человечество осознало уже давно, однако применять ее в больших промышленных масштабах пока не спешит.

Водородные топливные элементы

Первый водородный топливный элемент был сконструирован английским ученым Уильямом Гроувом в 30-х годах XIX века. Гроув пытался осадить медь из водного раствора сульфата меди на железную поверхность и заметил, что под действием электрического тока вода распадается на водород и кислород. После этого открытия Гроув и работавший параллельно с ним Кристиан Шенбейн продемонстрировали возможность производства энергии в водородно-кислородном топливном элементе с использованием кислотного электролита.

Сейчас топливный элемент на водороде напоминает традиционный гальванический элемент с одной лишь разницей: вещество для реакции не хранится в элементе, а постоянно поставляется извне. Просачиваясь через пористый анод, водород теряет электроны, которые уходят в электрическую цепь, а сквозь мембрану проходят катионы водорода. Далее на катоде кислород ловит протон и внешний электрон, в результате чего образуется вода.

С одной топливной ячейки снимается напряжение порядка 0,7 В, поэтому ячейки объединяют в массивные топливные элементы с приемлемым выходным напряжением и током. Теоретическое напряжение с водородного элемента может достигать 1,23 В, но часть энергии уходит в тепло.

Как мы видим, по этому параметру водородная энергетика является наиболее привлекательным источником энергии, но все же существует ряд проблем, мешающих ее массовому применению. Самая главная из них — процесс добычи водорода.

Проблемы добычи

Водородная энергетика экологична, но не автономна. Для работы топливному элементу нужен водород, который не встречается на Земле в чистом виде. Водород нужно получать, но все существующие сейчас способы либо очень затратны, либо малоэффективны.

Самым эффективным с точки зрения объёма полученного водорода на единицу затраченной энергии считается метод паровой конверсии природного газа. Метан соединяют с водяным паром при давлении 2 МПа (около 19 атмосфер, т. е. давление на глубине около 190 м) и температуре около 800 градусов, в результате чего получается конвертированный газ с содержанием водорода 55-75%. Для паровой конверсии необходимы огромные установки, которые могут быть применимы лишь на производстве.

Трубчатая печь для паровой конверсии метана — не самый эргономичный способ добычи водорода. Источник: ЦТК-Евро

Мобильная электростанция Toshiba H2One

Мы разработали мобильную мини-электростанцию H2One, преобразующую воду в водород, а водород в энергию. Для поддержания электролиза в ней используются солнечные батареи, а излишки энергии накапливаются в аккумуляторах и обеспечивают работу системы в отсутствие солнечного света. Полученный водород либо напрямую подается на топливные ячейки, либо отправляется на хранение во встроенный бак. За час электролизер H2One генерирует до 2 м 3 водорода, а на выходе обеспечивает мощность до 55 кВт. Для производства 1 м 3 водорода станции требуется до 2,5 м 3 воды.

Пока станция H2One не способна обеспечить электричеством крупное предприятие или целый город, но для функционирования небольших районов или организаций ее энергии будет вполне достаточно. Благодаря своей мобильности она может использоваться также как и временное решение в условиях стихийных бедствий или экстренного отключения электричества. К тому же, в отличие от дизельного генератора, которому для нормального функционирования необходимо топливо, водородной электростанции достаточно лишь воды.

Сейчас Toshiba H2One используется лишь в нескольких городах в Японии — к примеру, она снабжает электричеством и горячей водой железнодорожную станцию в городе Кавасаки.

Монтаж системы H2One в городе Кавасаки

Водородное будущее

Сейчас водородные топливные элементы обеспечивают энергией и портативные пауэр-банки, и городские автобусы с автомобилями, и железнодорожный транспорт (более подробно об использовании водорода в автоиндустрии мы расскажем в нашем следующем посте). Водородные топливные элементы неожиданно оказались отличным решением для квадрокоптеров — при аналогичной с аккумулятором массе запас водорода обеспечивает до пяти раз большее время полета. При этом мороз никак не влияет на эффективность. Экспериментальные дроны на топливных элементах производства российской компании AT Energy применялись для съемок на Олимпиаде в Сочи.

Водород - самый лёгкий и самый распространённый химический элемент в изученной нами Вселенной. Существуют три природных изотопа водорода, два из которых стабильны, и один радиоактивен:

Другие 4 известных изотопа водорода были синтезированы искусственно, и имеют очень малый срок жизни, в силу общей нестабильности элементов.

Если во Вселенной распространённость водорода огромна (составляет примерно 75% всей барионной массы материи, и 92% всего вещества), то на Земле в чистом виде водорода практически нет. Дело в том, что водород активно формирует ковалентные связи, поэтому на Земле он встречается в связанном с другими атомами состоянии.

Выходит, что при использовании водорода не образуются парниковые газы, прочие загрязнения и даже не нарушается круговорот воды в природе!

Что такое водородная энергетика?

Хотя впервые водород в качестве топлива для ДВС был применён в 1806 году . В СССР во время Великой Отечественной Войны, при блокаде Ленинграда, водород использовался на транспорте как альтернатива дефицитному бензину.

Направление водородной энергетики изучает полный жизненный цикл водородной отрасли, которая включает в себя: получение, хранение, транспортировку, полезное использование водорода, а также все сопутствующие проблемы каждого этапа в отдельности.

Однако, раньше 70-х годов особо никто не задумывался над водородной энергетикой. Тут можно проследить связь появления серьёзных работ по научным изысканиям применения водорода в энергетике и транспорте с мерами, принятыми в США и Европе (в середине 70-х ) по экономии энергетических ресурсов и созданию первых стратегических нефтехранилищ. В это же время получили научный резонанс работы по изменению климата в связи с глобальным отеплением.

Фактически, бурное развитие исследований и разработок, проводимых в мире в области водородной энергетики и технологии, пришлось на период с 1974 по 1983 годы и являлось прямым следствием энергетического кризиса, охватившего в то время большое число промышленно-развитых стран.

Важной вехой в развитии водородной энергетики и технологии явились результаты экономических исследований, проведённых в конце 1980-х годов в американском НИИ чистой энергии при университете Майями. В них было проведено детальное обоснование подсчёта экономического ущерба от загрязнения атмосферы промышленными и транспортными выбросами, и предложена методика введения соответствующих поправок в экономические расчёты. С учётом данных поправок, экологическая чистота водорода сделала его использование потенциально рентабельным в целом ряде производств.

В целом, период с середины 1970-х до конца 1990-х годов характеризовался углублёнными исследованиями и разработками, заложившими научно-технические основы современных водородных технологий.

Встал вопрос о решении проблем климата, загрязнения окружающей среды, улучшение глобальной экологической обстановки. Наиболее перспективной стала идея водородной энергетики с переводом всего мира на водородную экономику. Эту проблему развивали и обсуждали на самом высоком уровне, например, в 2002 году Владимир Путин обсуждал развитие водородной энергетики с Джорджем Бушем.

Развитие водородной энергетики является одним из способов снижения антропогенных факторов на окружающую среду.

Да, именно так: водородная энергетика – это дорогая альтернатива традиционной энергетике, но более экологически чистая. Однако, этот факт почему-то упускается из виду даже адептами водородной энергетики.

Говорить, что водородная энергетика заменит все другие виды энергии, и что это наше энергетическое будущее – несколько опрометчиво. Правильнее будет сказать: водородная энергетика – это наше экологически чистое будущее.

Начало

В начале возникновения автомобильной промышленности было две ветви развития технологии:

Что такое водородная энергия?

Из всех элементов, присутствующих во Вселенной, водород является в наибольшей степени распространенным. Водород отличается замечательными характеристиками. Это бесцветное, безвкусное и невидимое вещество, а потому оно так горячо преследуется. В свою очередь водород может быть преобразован в возобновляемый, экологически чистый и нулевой энергетический ресурс. Это считается краеугольным камнем новой энергетической экономики. Поиски водородной энергии начались еще в далеком 1776 году британским ученым Генри Кавендишем.

Он впервые определил его как отдельный элемент после того, как разработал водородный газ, подвергнув металлический цинк соляной кислоте. Генри Кавендиш сделал еще одно замечательное открытие во время демонстрации в лондонском Королевском обществе, когда он ввел искру в водородный газ, производя при этом воду. Это историческое развитие привело его к выводу, что вода (H2O) состоит из водорода и кислорода. С тех пор водородные технологии росли не по дням, а по часам, и сегодня он используется в качестве источника энергии для питания автомобилей, электрических систем и производства чистой воды.

Водород — самый простой и распространенный элемент в природе. Но в чистом виде он возникает естественным образом. Хотя водород существует практически везде — в воздухе, в космосе, в земле, — он редко бывает один. Он доступен в сочетании с другими элементами, такими как вода. В состав воды входит водород и кислород. Это означает, что он обычно сочетается с каким-либо другим элементом, что делает водород необходимым для извлечения и преобразования, чтобы сделать его полезным источником энергии. Водород к тому же встречается в многочисленных органических соединениях, например, углеводородах, которые приводят к образованию топлива, в том числе и природного газа, бензина, пропана и метанола. Самая большая проблема в освоении водорода — сбор его в чистом виде.

Химия водорода очень проста — один атом состоит только из протона и электрона. В газообразном состоянии его возможно сжигать в качестве топлива. Он может храниться в силовых элементах, генерирующих взрывную энергию и приводящих в движение ракеты и космические корабли. Он летучий и горючий, и очень, очень мощный.

Водород может храниться криогенно (под влиянием низких температур) или в контейнерах со сжатым воздухом в виде газа. Требуется довольно много места для хранения, чтобы разместить значительное количество водорода. Это происходит потому, что молекулы находятся далеко друг от друга, а газ легкий. Это делает его очень габаритным. Например, чтобы содержать такое же количество водорода в цилиндре, как бензин, создается гораздо более тяжелый контейнер.

Как водородная энергия преобразуется в электричество?

Газообразный водород является дорогим и сложным топливом для производства, потому что его необходимо отделять от любого элемента, к которому он присоединен. Получение водородного газа непростой процесс, что делает его дорогостоящим источником энергии. Существует несколько способов отделения водорода от его сопутствующих элементов.

Как водородная энергия преобразуется в электричество?

Прежде чем мы рассмотрим, как водород преобразуется в электричество, было бы полезно узнать, как он производится. Водород получают двумя основными способами: паровым риформингом и электролизом (обычно называемым расщеплением воды).

Паровой риформинг

Этот метод производит водород из углеводородных топлив, таких как метан, нефть, возобновляемые жидкие топлива, газифицированная биомасса, газифицированный уголь и природный газ. В этом процессе получения водорода применяется обрабатывающее устройство, называемое риформером. Риформер реагирует паром с углеводородным топливом при чрезвычайно высоких температурах для получения водорода. Сегодня более 90% водорода производится благодаря методу парового риформинга.

Паровой риформинг

Электролиз

Электролиз — это метод, который использует постоянный ток (DC) для инициирования химической реакции. При производстве водорода электролиз разлагает воду и расщепляет ее на основные элементы, а именно на водород и кислород, с помощью электрического тока. Электричество, используемое в процессе электролиза, получают из ископаемых видов топлива, таких как нефть, природный газ, уголь или углеводороды.

Электролиз

Преобразование водорода в электричество

Наиболее эффективный способ преобразования водорода в кислород — использование топливного элемента. Топливный элемент непосредственно превращает химическую энергию в электрическую. Топливный элемент позволяет водороду и кислороду смешаться в электрохимической реакции. Итог такого синтеза — производство электроэнергии, воды и тепла. Топливные элементы имитируют батареи, так как тоже преобразуют энергию, извлеченную в результате электрохимической реакции, в полезную электрическую энергию. При этом топливный элемент в свою очередь будет генерировать электроэнергию до тех пор, пока топливо, прежде всего водород, доступно.

Топливные элементы представляют собой потенциальную технологию для применения источника электроэнергии и тепла для зданий. Это также перспективный источник энергии для электрических и гибридных транспортных средств. Топливные элементы лучше всего работают на чистом водороде. Однако другие виды топлива, а именно бензин, метанол или природный газ, могут быть реформированы в целях получения необходимого водорода для топливных элементов.

Водород приходится наравне с электричеством, как жизненно важный энергоноситель. Энергоноситель передает потребителю энергию в готовом к использованию виде. Некоторые возобновляемые источники энергии, такие как ветер и солнце, возможно, не способны генерировать энергию круглосуточно, но вполне могут производить водород и электроэнергию и храниться для последующего использования.

Преобразование водорода в электричество

Плюсы водородной энергетики

Экологически чистый

Трудно найти источник топлива, который бы был нетоксичным. Именно водород и является нетоксичной формой топлива, так как он не выделяет вредных газов в окружающую среду. Некоторые источники топлива, такие как бензин, уголь, нефть и ядерная энергия, токсичны и встречаются в районах с опасной окружающей средой. Фактически, при сжигании водорода единственным побочный продукт — водяной пар, который не является токсичным. Поскольку водород является дружественным к матери-природе, его можно использовать в тех местах, где другие формы топлива не могут работать.

Возобновляемый источник энергии

Водород в изобилии встречается практически везде, и это означает, что он является неиссякаемым источником энергии. Другие источники топлива, такие как нефть, природный газ и уголь, считаются невозобновляемыми, ведь они будут исчерпаны в какой-то момент. Водород один из источников энергии, который возможно получить по требованию.

Мощность и эффективность

Методы, используемые для получения водорода, дают мощный и эффективный источник энергии. Мощность и эффективность водорода — это причины, по которым он используется в ракетах. Он также предпочтителен на космических кораблях, потому что он не производит парниковые газы. Согласно статистическим данным, водород в 3 раза более мощный, чем бензин и другие ископаемые источники топлива, то есть он имеет возможность достичь большего результата с меньшим количеством.

Жизненно важное применение в нефтегазовой промышленности

Водород используется для переработки сырой нефти в рафинированные виды топлива, такие как дизельное топливо и бензин. Водород также используется для удаления загрязняющих веществ, таких как сера, из этих видов топлива. Другие отрасли также используют водородное топливо, например, химическое производство, пищевая промышленность, переработка металлов и производство электроники.

Минусы водородной энергетики

Трудности хранения и транспортировки

Водородная энергетика не была полностью исследована, поэтому инфраструктура хранения и поддержки не сильно развита. Молекулы водорода мельчайшие, а потому водород более восприимчивым к утечке. Это означает, что он должен храниться под высоким давлением, чтобы придать ему достаточную плотность энергии. В своей естественной форме водород летуч и легко воспламеняется, что значительно затрудняет его транспортировку.

Высокая стоимость

Несмотря на то, что водород легко доступен, процесс экстракции, такой как электролиз, является чрезвычайно дорогим. Основная причина этого заключается в том, что отделить его основные элементы, водород и кислород, довольно сложно. Несмотря на то, что водородные топливные элементы все чаще используются в гибридных автомобилях, это не совсем доступно для всех. Ученые работают для открытия технологии, которые могли бы сделать использование водорода намного доступнее, но до тех пор, цена будет продолжать оставаться высокой.

Зависит от ископаемых видов топлива

Это факт, что водород является возобновляемым ресурсом и не оказывает никакого воздействия на окружающую среду. Однако разделение водородных компонентов в процессе производства по-прежнему зависит от ископаемых видов топлива, таких как нефть, уголь и природный газ. Ископаемые виды топлива вносят значительный вклад в выбросы парниковых газов.

Испаряющийся и огнеопасный

Непостоянство водорода и сильно огнеопасный атрибут делают его трудным для транспортировки к конечному потребителю. Уникальная характеристика, которая затрудняет хранение, также делает его сложным для транспортировки. Водород в основном транспортируется на рынок по трубопроводам или в танкерах. Автоцистерны доставляют водород на рынок в сжиженном или сжатом состоянии. Этот процесс приводит к утечкам водорода.

Хотя водород используется не так широко, как мог бы, из-за его высокой цены и непрактичности с точки зрения отсутствия инфраструктуры для его поддержки, исследователи предполагают, что он опередит электричество в качестве энергоносителя. Это произойдет потому, что он получается из возобновляемых источников энергии и почти не загрязняет окружающую среду. Благодаря своим свойствам водород применяется для авиационного и автомобильного топлива, отопления домов, и источника ракетного топлива.

Читайте также: