Водородная энергетика. Перспективы водородной энергетики

Водородная энергетика сформировалась как одно из направлений развития научно-технического прогресса в середине 70-х годов прошлого столетия. По мере того, как расширялась область исследований, связанных с получением, хранением, транспортом и использованием водорода, становились все более очевидными экологические преимущества водородных технологий в различных областях народного хозяйства. Успехи в развитии ряда водородных технологий (таких как топливные элементы, транспортные системы на водороде, металлогидридные и многие другие) продемонстрировали, что использование водорода приводит к качественно новым показателям в работе систем или агрегатов. А выполненные технико-экономические исследования показали: несмотря на то, что водород является вторичным энергоносителем, то есть стоит дороже, чем природные топлива, его применение в ряде случаев экономически целесообразно уже сейчас. Поэтому работы по водородной энергетике во многих, особенно промышленно развитых странах относятся к приоритетным направлениям развития науки и техники и находят все большую финансовую поддержку со стороны как государственных структур, так и частного капитала.

В настоящее время существует множество исследовательских проектов, которые стремятся использовать энергию водорода, и даже несколько специалистов говорят, что экономика должна основываться на технологиях, основанных на этом элементе. Существует большая проблема в экономическом, политическом и деловом мире, потому что основной источник энергии, нефть, идет полным ходом. Без этого сырья невозможно будет производить электроэнергию, а у автомобильной промышленности будет топливо, среди многих других вещей.

С другой стороны, нефть и ископаемые виды топлива, как правило, выделяют монооксид и углекислый газ, вредные вещества для атмосферы, поскольку они вызывают парниковый эффект, а их сгорание производит высокотоксичные вещества. Таким образом, водород представляет собой таблицу спасения как климата, так и экономики и является энергичной заменой, в которой специалисты вкладывают больше надежд.

Свойства водорода.

В свободном состоянии и при нормальных условиях водород - бесцветный газ, без запаха и вкуса. Относительно воздуха водород имеет плотность 1/14. Он обычно и существует в комбинации с другими элементами, например, кислорода в воде, углерода в метане и в органических соединениях. Поскольку водород химически чрезвычайно активен, он редко присутствует как несвязанный элемент.

Но в то время как все согласны с тем, что водород будет будущим источником энергии, также признано, что нет ни одного водородного рудника, можно получить только водород из двух источников: воды и углеводородов с помощью процессов, которые требуют инвестиции в энергию. Кроме того, извлечение водорода из углеводородов не является разумной альтернативой маслам, поскольку оно истощается и образует двуокись углерода.

Водород является самым распространенным элементом вселенной: 60% вещества составляют его, и кроме того, из него также образуются остальные элементы. Наиболее распространенные атомы водорода называются «протиосами» и образованы электроном и протоном. Когда в ядре есть также нейтрон, атом называется «дейтерием». И если ядро ​​имеет два нейтрона, оно называется «тритием».

Охлажденный до жидкого состояния водород занимает 1/700 объема газообразного состояния. Водород при соединении с кислородом имеет самое высокое содержание энергии на единицу массы: 120.7 ГДж/т. Это - одна из причин, почему жидкий водород используется как топливо для ракет и энергетики космического корабля, для которой малая молекулярная масса и высокое удельное энергосодержание водорода имеет первостепенное значение. При сжигании в чистом кислороде единственные продукты - высокотемпературное тепло и вода. Таким образом, при использовании водорода не образуются парниковые газы и не нарушается даже круговорот воды в природе.

На Земле водород не находится в свободном состоянии, но связан с образованием более крупных молекул, поскольку он очень реактивен. Вода или углеводороды являются двумя примерами водосодержащих веществ и, следовательно, позволяют получить указанный элемент.

Во время промышленной революции открытие, паровой двигатель, трансформировавшееся общество

Таким образом, тепло перестало быть самоцелью и стало средством для создания работы. Источниками энергии, на которых основана индустриализация, были уголь, нефть или природный газ. Все они - ресурсы, которые были созданы тысячи лет назад из останков живых организмов, особенно планктона.

Производство водорода.

Запасы водорода, связанного в органическом веществе и в воде, практически неисчерпаемы. Разрыв этих связей позволяет производить водород и затем использовать его как топливо. Разработаны многочисленные процессы по разложению воды на составные элементы.

При нагревании свыше 25000С вода разлагается на водород и кислород (прямой термолиз). Столь высокую температуру можно получить, например, с помощью концентратов солнечной энергии. Проблема здесь состоит в том, чтобы предотвратить рекомбинацию водорода и кислорода.

Уран - это элемент, который образуется, как и большинство элементов, в звездах. После взрыва элементы, которые он содержит, рассеиваются вокруг них, чтобы освободить место для планет и астероидов. Таким образом были сформированы Солнечная система и Земля. Поэтому использование урана делает необходимым, чтобы прибегнуть к типу энергии, накопленной во время образования Земли, более четырех миллиардов лет назад. Использование атомной энергии эквивалентно копанию в прошлом для удовлетворения энергетических потребностей настоящего.

Ядерный синтез для генерации энергии

Один из проектов по созданию энергии, в которой возлагаются большие надежды, хотя нет гарантии, что это будет успешным, - это водородный синтез. Слияние - это процесс, в котором два легких атомных ядра объединяются для создания более тяжелого ядра. Слияние водорода представляет собой процесс, в котором объединены два атомных ядра водорода, каждый с одним протоном. В союзе образуется атом двух протонов, свойственных атомам гелия. Атом гелия весит меньше, чем сумма двух атомов водорода отдельно, но оставшаяся масса не исчезает, а становится энергией.

В настоящее время в мире большая часть производимого в промышленном масштабе водорода получается в процессе паровой конверсии метана (ПКМ). Полученный таким путем водород используется как реагент для очистки нефти и как компонент азотных удобрений, а также для ракетной техники. Пар и тепловая энергия при температурах 750-8500С требуются, чтобы отделить водород от углеродной основы в метане, что и происходит в химически паровых реформерах на каталитических поверхностях. Первая ступень процесса ПКМ расщепляет метан и водяной пар на водород и моноксид углерода. Вслед за этим на второй ступени "реакция сдвига" превращает моно оксид углерода и воду в диоксид углерода и водород. Эта реакцияпроисходит при температурах 200-2500С.

Эксперименты по достижению слияния атомов водорода контролируемым и полезным способом в качестве источника энергии не принесли плода, несмотря на высокие инвестиции и преданность многих ученых. Несмотря на эти неудачи, в 1990-х годах в ряде стран начался новый план развития энергии плавления. Это будет один из последних этапов разработки реактора, который может быть коммерциализирован.

Водород получают главным образом из природного газа, но с недостатком, что среди остатков, полученных этим методом, являются монооксид и диоксид углерода. Кроме того, добыча природного газа на несколько лет позже, чем нефть, попадет на крышу, поэтому это не разумная альтернатива.

В 30-е годы в СССР получали в промышленных масштабах синтез-газ путем паро-воздушной газификации угля. В настоящий момент в ИПХФ РАН в Черноголовке разрабатывается технология газификация угля в сверхадиабатическом режиме. Эта технология позволяет переводить тепловую энергию угля в тепловую энергию синтез-газа с КПД 98%.

Начиная с 70-х годов прошлого века в стране были выполнены и получили необходимое научно-техническое обоснование и экспериментальное подтверждение проекты высокотемпературных гелиевых реакторов (ВТГР) атомных энерготехнологических станций (АЭТС) для химической промышленности и черной металлургии. Среди них АБТУ-50, а позднее - проект атомной энерготехнологической станции с реактором ВГ-400 мощностью 1060 МВт для ядерно-химического комплекса по производству водорода и смесей на его основе, по выпуску аммиака и метанола, а также ряд последующих проектов этого направления.

Электролиз - один из простейших способов получения водорода. Этот процесс заключается в использовании электрического тока для разрушения молекулы воды и, таким образом, для получения водорода, с одной стороны, и кислорода, с другой. Это метод, который может работать в сочетании с ядерными реакторами, где для охлаждения используется большое количество воды.

Изучается использование альтернативных источников энергии, таких как солнечная энергия или ветер, для получения необходимой энергии, которая позволяет проводить электролиз. В настоящий момент используемые методы очень дороги, но считается, что когда их использование обобщается, они уменьшают затраты на фотогальванические элементы или ветровые турбины.

Основой для проектов ВТГР послужили разработки ядерных ракетных двигателей на водороде. Созданные в нашей стране для этих целей испытательные высокотемпературные реакторы и демонстрационные ядерные ракетные двигатели продемонстрировали работоспособность при нагреве водорода до рекордной температуры 3000К.

Высокотемпературные реакторы с гелиевым теплоносителем - это новый тип экологически чистых универсальных атомных энергоисточников, уникальные свойства которых - способность вырабатывать тепло при температурах более 10000С и высокий уровень безопасности - определяют широкие возможности их использования для производства в газотурбинном цикле электроэнергии с высоким КПД и для снабжения высокотемпературным теплом и электричеством процессов производства водорода, опреснения воды, технологических процессов химической, нефтеперерабатывающей, металлургической и др. отраслей промышленности.

Не загрязняющие окружающую среду топливные элементы

Выпуск зависимости от ископаемых видов топлива будет только эффективен, если будут разработаны технологические устройства, которые работают с другими веществами. Технологические устройства, используемые в этих автомобилях, функционируют как батареи, но в этом случае батареи называются «топливными элементами» и работают на водороде. Они впервые использовались в проекте «Аполлон», который доставил человека на Луну, а затем в космический проект «Близнецы».

Принцип, на котором основаны все топливные элементы, состоит в том, чтобы использовать электрический ток, создаваемый из двух веществ, один из которых стремится отклонить электроны, которыми он обладает, в то время как другой имеет тенденцию привлекать те, которые отсутствуют. Соединив проводник, оба вещества достигнут ток электронов и, следовательно, электричество. Это похоже на создание водопада, в котором ток формируется электронами, которые попадают в пропасть.

Одним из наиболее продвинутых в этой области является международный проект ГТ-МГР, который разрабатывается совместными усилиями российских институтов и американской компании GA. С проектом сотрудничают также компании Фраматом и Фуджи электрик.

Получение атомного водорода.

В качестве источника атомного водорода используют вещества, отщепляющие при их облучении атомы водорода. Например, при облучении ультрафиолетовым светом йодистого водорода происходит реакция с образованием атомного водорода:

В топливных элементах электричество генерируется непосредственно химическим соединением и образуется вода между продуктами реакции путем сочетания водорода и кислорода. На отрицательный электрод наносят водород, в то время как кислород, содержащийся в воздухе, который вытягивается снаружи через трубопровод, накладывается на положительный. Электролит позволяет пропускать только положительные ионы водорода. Электроны, неспособные пройти через электролит, вынуждены идти к катоду через внешнюю цепь. Этот процесс производит электрическую энергию, которая позволит автомобилю приводиться в движение электрической цепью.

HI + hv® H + I

Для получения атомного водорода применяется также метод термической диссоциации молекулярного водорода на платиновой, палладиевой или вольфрамовой проволоке, нагретой в атмосфере водорода при давлении менее 1,33 Па. Диссоциации водорода на атомы можно достигнуть и при использовании радиоактивных веществ. Известен способ получения атомного водорода в высокочастотном электрическом разряде с последующим вымораживанием молекулярного водорода.

Между тем, положительный электрод уменьшает кислород, что приводит к возникновению воды. Таким образом, большая часть энергии рассеивается в виде тепла и не используется для генерации работы. Вместо этого топливные элементы непосредственно преобразуют химическую энергию в электричество, поэтому производительность двигателя намного выше. Водород выделяет водяной пар, не загрязняющее окружающую среду вещество, тогда как механизмы, управляемые ископаемым топливом, являются загрязняющими веществами.

Новые виды использования водорода разрабатываются с помощью топливных элементов

Для того чтобы экономика была основана на водороде, необходимо, в первую очередь, разработать технологию, которая может работать с этим веществом. В этом смысле топливные элементы десятилетиями были механизмом, вокруг которого разрабатываются новые виды использования водорода. Самое впечатляющее применение водорода, несомненно, в новых прототипах автомобилей, представленных европейскими, японскими и американскими брендами. Обобщение этих типов автомобилей потребует создания сети распределения водорода с использованием гидрогенераторов.

Физические методы извлечения водорода из водородосодержащих смесей.

Водород в значительных количествах содержится во многих газовых смесях, например в коксовом газе, в газе, получаемом при пиролизе бутадиена, в производстве дивинила.

Для извлечения водорода из водородосодержащих газовых смесей используют физические методы выделения и концентрирования водорода.

Однако эти инфраструктуры сталкиваются с серьезными трудностями, такими как воспламеняемость водорода, которые могут превратить любой резервуар в мощный насос. Во-вторых, необходимо найти источники водорода, так как это газ, который не находится на Земле свободно.

Несмотря на то, что это самая распространенная субстанция во Вселенной, места, наиболее близкие к Земле, где в чистом состоянии находятся значительные количества водорода, являются Юпитер и Солнце, которые достаточно далеко, чтобы считаться жизнеспособными альтернативами для извлечения вещества. Единственным решением является получение водорода из ископаемого топлива и воды, что требует использования определенных источников энергии.

Низкотемпературная конденсация и фракционирование. Этот процесс характеризуется высокой степенью извлечения водорода из газовой смеси и благоприятными экономическими показателями. Обычно при давлении газа 4 МПа для получения 93-94%-ного водорода необходима температура 115К. При концентрации водорода в исходном газе более 40% степень его извлечения может достигать 95%. Расход энергии на концентрирование H2 от 70 до 90% составляет примерно 22 кВт.ч на 1000м3 выделяемого водорода.

Водород и топливные элементы Сжигание топлива для энергии приносит серьезные проблемы, водород обеспечивает еще одну возможность. Производство и использование водорода с топливным элементом. Однако мы получаем большую часть нашей энергии за счет горения.

Нашим топливом являются в основном углеводороды, химические соединения, которые включают водород и углерод. Углеводороды являются высокоэнергетическим топливом, но их сжигание вносит в атмосферу множество загрязняющих веществ. Это не только приводит к заболеваниям смога и респираторных заболеваний, но также приводит к образованию большого количества углекислого газа. Этот газ захватывает тепло Солнца в нижнем слое нашей атмосферы, поднимая глобальные температуры. Даже без учета загрязнения нам придется столкнуться с тем фактом, что почти все наши виды топлива не являются возобновляемыми.

Адсорбционное выделение. Этот процесс осуществляется при помощи молекулярных сит в циклически работающих адсорберах. Его можно проводить под давлением 3-3,5 МПа со степенью извлечения 80-85% H2 в виде 90%-ного концентрата. По сравнению с низкотемпературным методом выделения водорода для проведения этого процесса требуется примерно на 25-30% меньше капитальных и на 30-40% эксплуатационных затрат.

Количество этих видов топлива, которое мы можем вывезти из земли, ограничено. Когда закончится, нам придется искать новые источники энергии. Энергия: следующее поколение Существуют альтернативы нашей зависимости от угля, нефти и природного газа для удовлетворения наших энергетических потребностей. Некоторые альтернативы, такие как гидроэлектроэнергия и ядерная энергия, уже широко используются. Но крупные плотины и водохранилища вытесняют общины, разрушают речные бассейны и сокращают популяции местных рыб.

Даже если мы сможем безопасно обрабатывать ядерную энергию, уран, который управляет атомными электростанциями, может истечь через сто лет или меньше, поскольку он также является невозобновляемым топливом. Новое поколение энергетических технологий использует чистые ресурсы, которые никогда не исчезнут энергии ветра и солнечной энергии.

Адсорбционное выделение водорода при помощи жидких растворителей. В ряде случаев метод пригоден для получения чистого H2. По этому методу может быть извлечено 80-90% водорода, содержащегося в исходной газовой смеси, и достигнута его концентрация в целевом продукте 99,9%. Расход энергии на извлечение составляет 68 кВт.ч на 1000м3 H2.

Получение водорода электролизом воды.

Электролиз воды один из наиболее известных и хорошо исследованных методов получения водорода. Он обеспечивает получение чистого продукта (99,6-99,9% H2) в одну технологическую ступень. В производственных затратах на получение водорода стоимость электрической энергии составляет примерно 855.

Этот метод получил применение в ряде стран, обладающих значительными ресурсами дешевой гидроэнергии. Наиболее крупные электрохимические комплексы находятся в Канаде, Индии, Египте, Норвегии, но созданы и работают тысячи более мелких установок во многих странах мира. Важен этот метод и потому, что он является наиболее универсальным в отношении использования первичных источников энергии. В связи с развитием атомной энергетики возможен новый расцвет электролиза воды на базе дешевой электроэнергии атомных электростанций. Ресурсы современной электроэнергетики недостаточны для получения водорода в качестве продукта для дальнейшего энергетического использования.

Электрохимический метод получения водорода из воды обладает следующими положительными качествами: 1) высокая чистота получаемого водорода – до 99,99% и выше; 2) простота технологического процесса, его непрерывность, возможность наиболее полной автоматизации, отсутствие движущихся частей в электролитической ячейке; 3) возможность получения ценнейших побочных продуктов – тяжелой воды и кислорода; 4) общедоступное и неисчерпаемое сырье – вода; 5) гибкость процесса и возможность получения водорода непосредственно под давлением; 6) физическое разделение водорода и кислорода в самом процессе электролиза.

Во всех процессах получения водорода разложением воды в качестве побочного продукта будут получаться значительные количества кислорода. Это даст новые стимулы его применения. Он найдет свое место не только как ускоритель технологических процессов, но и как незаменимый очиститель и оздоровитель водоемов, промышленных стоков. Эта сфера использования кислорода может быть распространена на атмосферу, почву, воду. Сжигание в кислороде растущих количеств бытовых отходов сможет решить проблему твердых отбросов больших городов.

Еще более ценным побочным продуктом электролиза воды является тяжелая вода – хороший замедлитель нейтронов в атомных реакторах. Кроме того, тяжелая вода используется в качестве сырья для получения дейтерия, который в свою очередь является сырьем для термоядерной энергетики.

Литература
Справочник. "Водород. Свойства, получение, хранение, транспортирование, применение”. Москва "Химия” - 1989 г.
Ю.М. Буров "Сверхадиабатические обжиговые печи” стр.6-7. "Машиностроитель”1995г. №12.

Водородная энергетика

Когда речь идет о водородной энергетике, ключевой тезис, что только сжигания водорода является абсолютно экологически безопасным, поскольку при этом ничего, кроме воды, не образуется. Если бы водород был так же доступен, как и природный газ, он бы действительно стал идеальным топливом, не загрязняет окружающую среду. Однако реальные промышленные методы получения водорода базируются или на генерировании его от других видов органического топлива (природный газ, продукты нефтепереработки), либо на электролизе воды.

Передача электроэнергии проводами стоит очень дорого: она составляет около трети себестоимости энергии для потребителя. Чтобы снизить расходы, строят линии электропередач все более высокого напряжения. Но воздушные высоковольтные линии требуют отчуждения большой земельной площади, к тому же они уязвимы для сильных ветров и других метеорологических факторов. А подземные кабельные линии обходятся в 10-20 раз дороже и их прокладывают лишь в исключительных случаях (например, когда это вызвано потребностями архитектуры или надежности).

Серьезной проблемой является накопление и хранение электроэнергии, поскольку электростанции наиболее эффективно работают в условиях постоянной мощности и полной нагрузки. Между тем спрос на электроэнергию меняется в течение суток, недели и года, поэтому мощность электростанций приходится к нему приспосабливать. Единственную возможность хранить большое количество электроэнергии сегодня дают гидроаккумулирующие электростанции, но и они, в свою очередь, создают множество проблем. Все эти проблемы могло бы разрешить использование водорода в качестве топлива и создание так называемого водородного энергетического хозяйства.

Водород - самый простой и легкий из всех химических элементов. Его можно считать идеальным топливом, ведь он везде, где есть вода. При сжигании водорода образуется вода, которую можно снова разложить на водород и кислород, причем этот процесс не загрязняет окружающую среду. Водородное пламя не выделяет в атмосферу продуктов, которыми неизбежно сопровождается горение любых других видов топлива: углекислого газа, окиси углерода, сернистого газа, золы, органических перекисей и др. Водород имеет очень высокую теплотворную способность: при сжигании 1 г водорода образуется 120 Дж тепловой энергии, а при сжигании 1 г бензина - только 47 Дж.

Водород можно транспортировать и распределять по трубопроводам так же, как природный газ. Трубопроводный транспорт топлива - самый дешевый способ дальней передачи энергии. К тому же, трубопроводы прокладываются под землей, не нарушает природного ландшафта, и занимают меньше земельной площади, чем воздушные электрические линии. Передача энергии в форме газообразного водорода по трубопроводу диаметром 750 мм на расстояние свыше 80 км будет стоить дешевле, чем передача того же количества энергии в форме переменного тока подземным кабелем.

Водород - синтетическое топливо. Его можно получать из угля, нефти, природного газа или путем разложения воды. Согласно оценкам, сегодня в мире потребляют около 20 млн т водорода в год. Половина этого количества расходуется на производство аммиака и удобрений, а остальное - на удаление серы из газообразного топлива, в металлургии, для гидрогенизации угля и других топлив. В современной экономике водород остается скорее химическим, чем энергетическим сырьем.

Сейчас водород получают главным образом (около 80%) из нефти. Но это неэкономичный для энергетики процесс, потому что энергия из такого водорода стоит в 3,5 раза дороже, чем энергия от сжигания бензина. К тому же себестоимость такого водорода постоянно растет по мере повышения цен на нефть.

Незначительное количество водорода получают путем электролиза. Производство водорода методом электролиза воды стоит дороже, чем выработка его из нефти, но с развитием атомной энергетики эта цена упадет. Вблизи атомных электростанций можно разместить станции электролиза воды, где вся энергия, выработанная электростанцией, пойдет на разложение воды с образованием водорода. Правда, цена электролитического водорода останется выше цены электрического тока, однако расходы на транспортировку и распределение водорода настолько малы, что окончательная цена для потребителя будет вполне приемлемой по сравнению с ценой на электроэнергию.

Сегодня исследователи интенсивно работают над удешевлением технологических процессов крупнотоннажного производства водорода за счет более эффективного разложения воды, используя высокотемпературный электролиз водяного пара, применяя катализаторы и тому подобное. Когда водород станет таким же доступным топливом, как сегодня природный газ, он сможет всюду его заменить. Водород можно будет сжигать в кухонных плитах, в водонагревателях и отопительных печах, снабженных горелками, которые почти или совсем не будут отличаться от современных горелок, применяемых для сжигания природного газа.

Поскольку при сжигании водорода не остается никаких вредных продуктов сгорания, то исчезает потребность в системах отвода этих продуктов для отопительных устройств, работающих на водороде. Более того, водяной пар, образующийся при горении, можно считать полезным продуктом - она увлажняет воздух (а как известно, в современных квартирах с центральным отоплением воздух слишком сухой). А отсутствие дымоходов не только способствует экономии строительных расходов, но и повышает КПД отопления на ЗО%. Кроме того, водород может стать и химическим сырьем во многих отраслях промышленности, например, при производстве удобрений и продуктов питания, в металлургии и нефтехимии. Его можно использовать и для выработки электроэнергии на местных тепловых электростанциях.

То есть водородная энергетика - это способ избежать любых токсичных выбросов непосредственно в месте высвобождения энергии.

Развитие водородной энергетики стимулировал исследования в области топливных элементов. Топливный элемент (ПЭ) - это электрохимический генератор, который обеспечивает прямое преобразование химической энергии в электрическую. Такие превращения происходят и в обычных электрических аккумуляторах. Однако топливные элементы имеют два важных отличия: во-первых, они функционируют, пока топливо (восстановитель) и окислитель поступают из внешнего источника; во-вторых, химический состав электролита в процессе работы не изменяется, то есть топливный элемент не надо перезаряжать.

Впервые о возможности создания ПЭ в 1839 сообщил английский химик-любитель, приятель М. Фарадея, В. Гроув. Наблюдая процесс электролиза воды в растворах серной кислоты, он обнаружил, что после отключения внешнего тока в электролитической ячейке генерируется постоянный ток. Однако эти выводы В. Гроува не нашли обоснование в дальнейших исследованиях. Свой электрохимический устройство он, по предложению М. Фарадея, назвал "газовой батареей". Название "топливный элемент" это устройство получил только через 50 лет благодаря Людвигу Монд (химик-любитель, бизнесмен, соучредитель известной фирмы Imperial Chem. Industries).

Интерес к ПЭ снова возродился в начале 50-х годов XX в. после публикации монографии российского ученого, сотрудника Московского нефтяного института OK Давтяна, посвященной проблемам непосредственного преобразования химической энергии топлива в электрическую. Заинтересованность водородной энергетикой возникла во времена активного освоения космического пространства. В 60-е годы прошлого века были созданы ПЭ мощностью до 1 кВт для американских программ «Джемини» и «Аполлон», в 80-е - 10 кВт для "Шаттла" и советского "Бурана". Тогда же был построен электростанции мощностью 100 кВт на фосфорно-кислотных ПЭ. В Японии и США имеются опытные электростанции на 10 МВт. С 1990-х годов и по сей день продолжается разработка ПЭ мощностью от 1 кВт до 10 МВт для стационарной автономной энергетики. Кроме того, разрабатываются портативные источники электроэнергии (мощностью менее 100 Вт) для компьютеров, сотовых телефонов, фотоаппаратов и т. В качестве топлива в них используется спирт метанол, из которого получают водород.

Стоимость топливных элементов достаточно высока: 1 кВт установленной мощности в лучших образцах стоит 1-3 тыс. Долл. США. Нужно снизить стоимость 1 кВт до 100 долл., Чтобы сделать их конкурентоспособными для транспорта. Разработки электрохимических энергоустановок на основе ТЭ с твердополимерным электролитом активно осуществляют в США, Германии, России, Японии, Канаде и многих других странах. Особенно актуальным в настоящее время является внедрение топливных элементов на транспорте, превращает города в большие "газовые камеры". Например, компания "Даймлер Крайслер" провела успешные дорожные испытания автомобиля КЕСАК-5 на базе "Мерседеса" класса А с топливными элементами на водороде. Электромобиль рассчитан на пять человек, максимальная его скорость - 145 км / ч, а выбросов в атмосферу почти нет. В этой модели использован ПЭ, принцип действия которого основан на реакции окисления водорода на мембранном катализаторе с образованием воды и генерированием электрического тока.

Сегодня технически и технологически хорошо проработаны методы газификации угля, а это значит, что ПЭ можно включить и к цепям производства электроэнергии из твердого ископаемого топлива. Таким образом, широкое внедрение топливных элементов позволит не только снизить темпы расходования запасов газа, нефти и угля, но и значительно уменьшить загрязнение окружающей среды.

Заслуживают внимания проекты по комплексному использованию атомной и водородной технологий. Одной из проблем уранового ядерного цикла под влиянием медленных, а тем более быстрых, нейтронов является эффективное отбора тепла, необходимого, помимо прочего, для устранения опасности неуправляемого продолжения процесса. Атомная технология имеет значительные недостатки по сравнению, например, с гидроэнергетикой, не предусматривает оперативное регулирование отбора энергии. Предложения по использованию тепла первого парового контура для электролиза воды и накопления водорода и кислорода перед топливным элементом, как и предложение использования тепла в первом гелиевом цикле для конверсии метана и накопления синтез-газа, малоперспективные. В то же время развитие идей, включающих действительно комплексную технологию, по которой процесс конверсии происходит непосредственно в активной зоне ядерного реактора, позволяет надеяться, что будет решен и вопрос максимально безопасного и эффективного управления процессом.

Итак, водород можно считать топливом будущего. Во многих странах мира исследования по водородной энергетике являются приоритетными направлениями развития науки. Они обеспечиваются финансовой поддержкой и государства, и бизнес-структур. Основной целью развития водородных технологий является снижение зависимости от традиционных энергоносителей - нефти, газа и угля. Ключевым условием перехода к водородной энергетики является поиск и создание надежных и экономически целесообразных топливных элементов на основе водорода.

Сделаем некоторые выводы относительно альтернативной энергетики как главного пути преодоления современной энергетической и экологической кризиса. Основным преимуществом использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) является их неисчерпаемость и экологическая чистота, что способствует улучшению экологического состояния и не приводит к изменению энергетического баланса планеты. Исследования, выполненные под эгидой ООН, показывают, что доля ВИЭ в мировом балансе потребления первичных энергоресурсов к 2050 г.. Составит около 50%.

В 2008г. Произошло много событий в сфере альтернативной энергетики. Резкий скачок цен на нефть в конце 2007 - первой половине 2008 г.. Заставил развитые страны серьезно отнестись к необходимости переориентации своих энергетических систем на ВИЭ. С другой стороны, климатологи указывают, что глобальное потепление требует дальнейших исследований, но уже стало слишком очевидным фактом: второй год подряд открывается Северо-Западный проход - свободный от льда морской путь из Атлантики в Тихий океан вдоль северного побережья Канады. Так же очевидным фактом стал «вклад» человека в изменения климата - исследования показали, что концентрация углекислого газа в атмосфере в настоящее время достигла пика за последние 800 тыс. Лет.

С учетом этого, обращение к альтернативной энергетике вполне логично: даже если учесть, что сегодня энергия, полученная из этих источников, в 2-5 раз дороже полученной с помощью сжигания углеводородов, то перспектива иметь планету, которая нагревается наконец подтолкнула политиков, прежде всего в ЕС, к серьезным решениям. На выборах в США вообще победил кандидат, который пообещал с помощью объемных поступлений в "зеленую" экономику ликвидировать безработицу и вывести страну к экономическому процветанию.

Журнал Wired (научно-популярный журнал, посвященный новинкам техники и электроники, научным исследованиям, инновациям и т.п.), суммируя развитие "зеленых" энергетических технологий в 2008 p., Установил их "горячую" десятку. Первое место занимает новая технология производства цемента, продемонстрированная компанией Calera. Обычно производство цемента требует большого количества тепла, получаемого с помощью сжигания топлива, и приводит к выделению большого количества углекислого газа (примерно 1 т газа на 1 т цемента). Каталитическая технология, разработанная в Calera, не только существенно снижает потребление тепла, но и предусматривает использование самого углекислого газа в качестве материала для производства. Одна тонна нового цемента способна "поглотить" полтонны углекислого газа. Учитывая то, что мировые объемы производства цемента исчисляются миллиардами тонн, то внедрение такой новой технологии позволит значительно сократить нагрузку на климат.

На второе место обозреватели Wired поставили проект Шая Агасси Project Better Place, предусматривающий развертывание инфраструктуры станций с подзарядки и замены аккумуляторов для электромобилей. Имеющаяся технология батарей не позволяет им проехать более 100-150 км, поэтому сеть таких станций может быть эквивалентом заправочных станций для обычных автомобилей. Первый такой проект в прошлом году начал внедряться в Израиле.

Кажется, технологический прогресс делает "ироничный" поворот назад: в начале XX в. примерно треть автомобилей были электрическими, а "уничтожило" их массовое производство машин с двигателями внутреннего сгорания. Относительная дороговизна электроэнергии, вырабатываемой солнечными батареями, во многом связана с масштабом. Чем больше будет строиться «солнечных плантаций», тем дешевле будет производство самих солнечных панелей и производимой ими электричества. В 2008г. Компания Nanosolar (третье место в десятке) начала производство солнечных панелей на пластиковой основе. Первый завод, получивший полумиллиардным инвестиции от венчурных фондов, сможет выпускать ежегодно солнечных панелей общей мощностью около 1 ГВт, что вполне сопоставимо с мощностями крупных ТЭС.

На пятом месте - начало строительства экспериментальных электростанций с учетом другой технологии получения электричества из солнечного света - термальной. Экспериментальные электростанции уже запущены в Израиле и Испании и строятся в США. Седьмое место в десятке занимает открытие химиком Д. Носер из Массачусетского технологического института электрокаталитической реакции, что позволит резко сократить стоимость разложения воды на водород и кислород. Но это открытие касается не столько сферы водородной энергетики, а эффективного локального хранения энергии, полученной из ВИЭ.

На сегодня Европа очень энергозависимой от поставщиков энергоносителей, а мировые рынки нефти, газа и угля проявляют определенную непредсказуемость и неудобство для экономик стран, зависимых от этих ресурсов, ставит под угрозу их стабильное развитие. Поэтому Евросоюз шаг за шагом стремится к большей независимости, пытается максимально развивать "зеленую", альтернативную энергетику, то есть внедрять программы энергосбережения и использования ВИЭ. Среди стратегических целей до 2020 г.., В частности, доведение доли ВИЭ до 20% всей потребляемой энергии в Евросоюзе. Это усредненный показатель для всего ЕС, для каждой отдельной страны эта «планка» варьируется. Расчет был сделан так, чтобы учесть потенциал страны, ее способность провести тот или иной уровень реструктуризации своей экономики. Например, для Германии предусмотрена доля в 18%, для Швеции - 49%. На сегодня доля возобновляемой энергетики в европейском энергобалансе составляет не более 5-6%.

ВИЭ пока не могут конкурировать с традиционными видами топлива через свою высокую себестоимость. Поэтому нужно выводить на рынки новые технологии, поддерживая ситуацию до тех пор, пока эти технологии не смогут самостоятельно поддерживать себя уже чисто рыночными механизмами. Сегодня на примере таких стран, как Германия и Испания (особенно Германия, где правительство поощряет экологически ориентированные проекты, создавая дополнительные рабочие места), можно видеть, что эффективное внедрение альтернативной энергетики не только возможно, но и способно приносить ощутимые результаты в недалеком будущем. Стандарты энергосбережения должны учитываться при возведении тех или иных зданий.

Есть комплекс нормативов по теплоизоляции зданий, системы отопления и т.д., Европа постоянно совершенствует.

В последнее время производство биотоплива связывают с проблемой вырубки тропических лесов и даже с продовольственным кризисом. Еще 2-3 года назад биотопливо казалось идеальным решением всех экологических проблем, однако заметны и его недостатки: для производства биотоплива в Бразилии и Индонезии вырубают огромные площади уникальных тропических лесов, которые являются "легкими" планеты. То есть производство биотоплива, призванное уменьшить парниковый эффект, может этот эффект усилить, поскольку меньше лесов будет перерабатывать углекислый газ в кислород. В результате ситуация может оказаться еще хуже, чем если бы мы вовсе не использовали биотопливо.

Следовательно, производство биотоплива должно быть сбалансированным и сопровождаться восстановлением растительных плантаций. Здесь должны быть установлены очень строгие экологические стандарты. И если биотопливная продукция того или иного производителя им не отвечать, он столкнется с европейским эмбарго. Конечно, биотопливо - это удобное решение для транспортного сектора: 10% энергетического баланса транспортной сферы должно обеспечиваться за счет именно возобновляемых источников энергии. То есть предусмотрено широкое внедрение не только автомобилей на биотопливе, но и автомобилей на электрических двигателях (так называемая зеленая электричество).

В Верхней Австрии отопление домов полностью обеспечивается за счет использования биомассы и солнечных лучей - там уже два года не строят домов с газовым отоплением. И дело не столько в потенциале страны, сколько в способности правительства проявить должную политическую волю. Например, Греция и Италия, которые имеют большой потенциал солнечной энергии, не используют ее даже для нагрева воды, тогда как на Кипре почти во всех домах вода нагревается от энергии Солнца, ведь власти Кипра в свое время настояла на таком решении и теперь экономит огромные средства.

В то же время из всех ВИЭ (без учета биотопливо, поскольку оно является восстановительным ресурсом, а не источником энергии) больше используется энергии ветра. По всей Европе установлены ветряные мельницы, которые обеспечивают такую отдачу, что позволяет им конкурировать на рынке с традиционными источниками энергии. Развитие других видов ВИЭ также очень важен, но пока они достаточно дорогостоящие. Однако, несмотря на стремительный рост цены на традиционные виды топлива, возобновляемые источники энергии имеют высокие шансы на распространение.

Ситуацию можно сравнить с рынком компьютерных технологий - высокий спрос и новые научные достижения уменьшили размеры товаров и снизили их цену, способствуя все более широкому распространению и интеграции в нашу жизнь. Новые эффективные технологии способствуют удешевлению альтернативной энергии. Тенденции на рынке энергетики свидетельствуют о росте конкурентоспособности альтернативных источников энергии в результате роста цен на энергии из традиционных источников (ископаемое топливо, атомная энергетика). В ближайшем будущем конкурентоспособность альтернативных источников энергии достигнет предела, когда они не будут нуждаться в поддержке государств.

В то же время страны с помощью определенных инструментов поддерживают альтернативную энергетику на своих рынках, в будущем имеют шанс достичь высокого развития экономики, которая станет более конкурентоспособной. К сожалению, пока не так много государств это осознают. Самый яркий положительный пример - Германия, где четко отлаженная система рычагов поддержки альтернативной энергетики. Если для обеспечения электричеством частного предприятия построено ветряная мельница, то его владелец сможет продавать излишки энергии общественной сети и получать дополнительную субсидию за каждый проданный киловатт. Таким образом, предприятия заинтересованы в том, чтобы вкладывать средства в альтернативную энергетику. В Германии, а также в Испании и Швеции, происходит очень активное внедрение ВИЭ в промышленности, сельском хозяйстве, сфере услуг.

Очень важным социальным фактором является создание новых рабочих мест. Только в Германии около 300 тыс. Рабочих мест обеспечены за счет производства альтернативных видов энергии. Евросоюз вместо того, чтобы увеличивать импорт нефти и газа, ежегодно выделяет средства на технологическое развитие экономики и механизмы регулирования рынка энергетики, которые отдают приоритет альтернативным источникам энергии, создавая тем самым новые рабочие места.

С 617 млрд кВт / ч потребленной в Германии в 2008 году. Электроэнергии 14% получено из возобновляемых источников, прежде всего, благодаря использованию энергии воды и ветра. Возможность генерировать электроэнергию с помощью ветра возросла по сравнению с 2006г., В три раза. Обеспечение бесперебойного энергоснабжения - одна из главных задач в рамках правительственных реформ Германии, в которых запланировано до 2020 г.. Довести долю использования ВИЭ в структуре энергопотребления страны до 25-30%.

Конечно, в разных странах есть разные потенциалы развития возобновляемой энергетики, но в той или иной форме возможности есть у всех. Если страны Средиземноморья имеют большие перспективы использования солнечной энергии, то в северных стран есть преимущество относительно наличия больших объемов биомассы. Великобритания, например, недавно стала очень активно использовать энергию прибрежного ветра, устанавливая все больше станций вдоль морского побережья. Всегда есть много мероприятий для любой страны. Нет никаких сомнений в том, что будущее экономик европейских стран - по восстановительной энергетикой.

Но в ближайшее время лидером энергетики станут ядерные источники. Запасы урана, если сравнивать их с запасами угля, небольшие, но он содержит значительно больше энергии.

Параллельно с линией интенсивного развития энергетики будет развиваться экстенсивная - рассредоточенные источники энергии не слишком большой мощности, но с высоким КПД, экологически чистые, удобные в обращении.

Похожие статьи

© 2019 evently.ru. Все о канализации и водоснабжении.