Водородное топливо: Что такое Водородное топливо — Техническая Библиотека Neftegaz.RU

Что такое Водородное топливо — Техническая Библиотека Neftegaz.RU

Lh3 является самым экологически чистым видом моторного топлива, поэтому его перспективы очевидны

Водородное топливо

В Австралии на бурых углях в штате Виктория отрабатывается технология технология газификации угля с последующим выделением водорода, вернее удаления серы, ртути и двуокиси углерода (СО₂).

В Норвегии — Nel Hydrogen отрабатывает технологию использования ВИЭ для высокотемпературного электролиза для разделения воды на водород и кислород, который будет выбрасываться в атмосферу.

Kawasaki Heavy Industries разрабатывает морской танкер — водородовоз для транспортировки жидкого водорода ( LH₂).

Водород

Водород (H) является самым распространенным элементом на Земле, но в обычных условиях он не встречается ни в виде водорода H, ни в виде газообразного водорода (H₂).  

Благодаря своим характеристикам он легко вступает в реакцию с другими органическими соединениями с образованием, например, воды (H₂O). 

Во время этой реакции образования воды из водорода и воздуха выделяется энергия, которую можно использовать в качестве электричества. 

Чтобы сделать эту реакцию полезной для промышленного производства электроэнергии, необходимо произвести водород, например из воды путем разделения атомов на кислород и водород посредством электролиза. 

Есть другие технологии:

• использование газов, оставшихся от химических процессов, например метана, угля, нефти и биомассы. 

Для производства водорода существуют разные способы, которые сильно различаются как с точки зрения экологичности, так и с точки зрения стоимости.

Экологичность — важный критерий производства водорода.

Чем больше оксидов углерода выделяется при производстве водорода, тем менее экологичным он будет считаться.

Для простоты каждый «сорт» произведенного по разным технологиям принято обозначать цветом, хотя правильнее — по углеродному следу.

Реакция взаимодействия водорода с кислородом происходит с выделением тепла. 

Если взять 1 моль H₂ (2 г) и 0,5 моль O₂ (16 г) при стандартных условиях и возбудить реакцию, то согласно уравнению

Н₂ + 0,5 О₂= Н₂О

после завершения реакции образуется 1 моль H₂O (18 г) с выделением энергии 285,8 кДж/моль.

Для сравнения: теплота сгорания ацетилена — 1300 кДж/моль, пропана — 2200 кДж/моль.

1 м³ водорода весит 89,8 г (44,9 моль), поэтому для получения 1 м³ водорода будет затрачено 12832,4 кДж энергии.

1 кВт*ч = 3600 кДж, поэтому получим 3,56 кВт*ч электроэнергии. 

Целесообразность перехода на водородное топливо можно оценить, сравнив имеющийся тариф на 1 кВт*ч электричества и, к примеру, стоимость 1 м³ газа или стоимость другого энергоносителя.

При сжигании водорода получается чистая вода. 

То есть водородное топливо производится без вреда для окружающей среды, в отличие от газа или бензина.

Получение водорода

Для получения водорода используют химические методы, в тч реакции разложения воды электрическим током.

Основной промышленный способ получения водорода — реакция с водой метана, который входит в состав природного газа.

Она проводится при высокой температуре:

СН₄ + 2Н₂0 = CO₂ + 4Н₂ — 165 кДж

• 
  1.Электролиз водных растворов солей:

2NaCl + 2H₂O → h3↑ + 2NaOH + Cl2

• 
  2.Пропускание паров воды над раскаленным коксом при температуре около 1000°C:

h3O + C ⇄ h3 + CO

• 
  3.Из природного газа.

Конверсия с водяным паром: CH₄ + H₂O ⇄ CO + 3H₂ (1000 °C) Каталитическое окисление кислородом: 2CH₄ + O₂ ⇄ 2CO + 4H₂

• 
  4. Крекинг и реформинг углеводородов в процессе переработки нефти.
• 
  5. Действие разбавленных кислот на металлы. Для проведения такой реакции чаще всего используют цинк и соляную кислоту:

Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑

• 
  6.Взаимодействие кальция с водой:

Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂↑

• 
  7.Гидролиз гидридов:

NaH + H₂O → NaOH + H₂↑

• 
  8.Действие щелочей на цинк или алюминий:

2Al + 2NaOH + 6H₂O → 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂↑ Zn + 2KOH + 2H₂O → K₂[Zn(OH)₄] + h3↑

• 
  9 . С помощью электролиза. При электролизе водных растворов щелочей или кислот на катоде происходит выделение водорода, например:

2H₃O⁺ + 2e^— → H₂↑ + 2H₂O

• Биореактор для производства водорода

Физические свойства

Газообразный водород может существовать в 2^х формах (модификациях) — в виде орто — и пара-водорода.

В молекуле ортоводорода (т. пл. −259,10 °C, т. кип. −252,56 °C) ядерные спины направлены одинаково (параллельны), а у параводорода (т. пл. −259,32 °C, т. кип. −252,89 °C) — противоположно друг другу (антипараллельны).

Разделить аллотропные формы водорода можно адсорбцией на активном угле при температуре жидкого азота.

При очень низких температурах равновесие между ортоводородом и параводородом почти нацело сдвинуто в сторону параводорода.

При 80 К соотношение форм приблизительно 1:1. Десорбированный параводород при нагревании превращается в ортоводород вплоть до образования равновесной при комнатной температуре смеси (орто-пара: 75:25).

Без катализатора превращение происходит медленно, что дает возможность изучить свойства отдельных аллотропных форм.

Молекула водорода двухатомна — Н_₂. При обычных условиях — это газ без цвета, запаха и вкуса.

Водород — самый легкий газ, его плотность во много раз меньше плотности воздуха. Очевидно, что чем меньше масса молекул, тем выше их скорость при одной и той же температуре.

Как самые легкие, молекулы водорода движутся быстрее молекул любого другого газа и тем самым быстрее могут передавать теплоту от одного тела к другому.

Отсюда следует, что водород обладает самой высокой теплопроводностью среди газообразных веществ. Его теплопроводность примерно в 7 раз выше теплопроводности воздуха.

Химические свойства

Молекулы водорода Н_₂ довольно прочны, и для того, чтобы водород мог вступить в реакцию, должна быть затрачена большая энергия:

Н₂=2Н — 432 кДж

Поэтому при обычных температурах водород реагирует только с очень активными металлами, например с кальцием, образуя гидрид кальция:

Ca + Н₂ = СаН₂ и с единственным неметаллом — фтором, образуя фтороводород:

F₂+H₂=2HF

С большинством же металлов и неметаллов водород реагирует при повышенной температуре или при другом воздействии, например при освещении.

Он может «отнимать» кислород от некоторых оксидов, например:

CuO + Н₂ = Cu + Н₂0

Записанное уравнение отражает реакцию восстановления — процесс, в результате которого от соединения отнимается кислород; вещества, отнимающие кислород, называются восстановителями (при этом они сами окисляются).

Реакция восстановления противоположна реакции окисления.

Обе эти реакции всегда протекают одновременно как 1 процесс: при окислении (восстановлении) одного вещества обязательно одновременно происходит восстановление (окисление) другого.

N₂ + 3H₂ → 2 NH₃

С галогенами образует галогеноводороды:

F₂ + H₂ → 2 HF, реакция протекает со взрывом в темноте и при любой температуре, Cl₂ + H₂ → 2 HCl, реакция протекает со взрывом, только на свету.

С сажей взаимодействует при сильном нагревании:

C + 2H₂ → CH₄

Оксиды восстанавливаются до металлов:

CuO + H₂ → Cu + H₂O Fe₂O₃ + 3H₂ → 2 Fe + 3H₂O WO₃ + 3H₂ → W + 3H₂O

Геохимия водорода

Водород — самый распространенный элемент, и все элементы образуются из него в результате термоядерных и ядерных реакций.

На Земле содержание водорода понижено по сравнению с Солнцем.

Свободный водород H₂ относительно редко встречается в земных газах, но в виде воды он принимает исключительно важное участие в геохимических процессах.

В состав минералов водород может входить в виде иона аммония, гидроксил-иона и кристаллической воды.

В атмосфере водород непрерывно образуется в результате разложения воды солнечным излучением.

Он мигрирует в верхние слои атмосферы и улетучивается в космос.

Применение кроме энергетики:

•  для атомно-водородной сварки,
•  в пищевой промышленности, как пищевая добавка E949- упаковочный газ, для производства маргарина из жидких растительных масел,
•  химической промышленности — при производстве аммиака, мыла и пластмасс,
•  в качестве ракетного топлива,

Водородная энергетика

Водороду уделяется такое пристальное внимание не зря.

Подобно батареям, водород в основном используется как форма хранения энергии.

Они оба зависят от первичной энергии, такой как солнечная и ветровая, для зарядки или генерации, и при необходимости могут быть преобразованы в электричество.

Тем не менее, водород превосходит батареи по многим параметрам:

• более чистый производственный процесс, 
• нулевое загрязнение после утилизации; более высокая плотность энергии.  

Водород можно производить с помощью воды и электричества, а батареи часто зависят от токсичных материалов, таких как цинк, никель и марганец, которые оказывают неблагоприятное воздействие на окружающую среду при их добыче в открытых карьерах или на морском дне и после их утилизации.

При преобразовании водорода в электричество производится только вода и тепло.

Водород также имеет гораздо более высокую плотность энергии (33 кВт*ч / кг), чем батареи (около 1 кВт*ч / кг), и чем бензин и дизельное топливо (около 12 кВт*ч / кг), что делает его особенно выгодным для транспорта и в качестве мобильного энергоносителя

Пожароопасность и взрывоопасность

Водород при смеси с воздухом образует взрывоопасную смесь — гремучий газ. 

Наибольшую взрывоопасность — при объемном отношении водорода и кислорода 2:1, или водорода и воздуха приближенно 2:5, так как в воздухе кислорода содержится примерно 21%.

Водород пожароопасен.

Водородное топливо: проблемы и перспективы

На VIII Международном форуме технологического развития «Технопром-2021» сибирские ученые и промышленники обсудили перспективы применения водорода, энергетическую эффективность его производства и попытались ответить на вопрос: почему водородная энергетика до сих пор не получила широкого распространения?

«Экологические вызовы и исчерпание природных ресурсов требуют новых путей технологического развития. Один из них — водород. Его можно сжигать в непосредственно модифицированных газовых турбинах. Из топливных элементов извлекается электрическая энергия. Однако есть ряд проблем. Например, при использовании топливных элементов в летательном аппарате на высоте более девяти километров будет возникать неблагоприятное влияние воды. При сжигании водорода появляются оксиды азота. Электрохимические источники тока на сегодняшний день требуют большого количества оборудования. Тем не менее применение водородсодержащих смесей, в частности твердооксидных топливных элементов, в сложных циклах позволяет получить достаточно высокий КПД», — обозначил тематику дискуссии главный специалист АО «Объединенная двигателестроительная корпорация» Марат Джаудатович Гамируллин.

Топливные элементы как источник энергии

Директор Института теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН академик Дмитрий Маркович Маркович рассказал про топливные элементы как источники энергии. «В мире начинает набирать обороты индустрия водородных двигателей и заправочных станций. Переход на водородное топливо, конечно, не решит проблему глобального потепления, но локальную экологию в мегаполисах точно поправит. И здесь будет очевидная конкуренция между чисто электрическим и водородным транспортом. В ближайшей и отдаленной перспективе они будут постепенно вытеснять традиционный», — отметил ученый.

Академик рассказал про серию совместных работ ИТ СО РАН и израильской компании GenCell, которая специализируется на водородных топливных элементах небольшой мощности (пять киловатт). Ученые ИТ СО РАН занимались задачами тепломассообмена: от внутреннего теплообмена до создания цифрового двойника. Практически все узлы этих топливных элементов были разработаны при научном сопровождении новосибирского института.

«Сейчас есть договоренность с этой компанией, что при нашем участии в России эти топливные элементы будут адаптироваться для арктических условий, низких температур (пока они предназначены для условий до -20 °C). Мы почти договорились с одним из новосибирских предприятий из системы «Росатома», что они будут производить такие топливные элементы по лицензии, с нашим научным сопровождением», — сказал Дмитрий Маркович.

Другая идея ученых — использовать не чистый водород, который сложно транспортировать, а генератор водорода из аммиака путем крекинга. Аммиак можно доставлять в любые точки и уже там перерабатывать в водород.

Также в Институте теплофизики СО РАН разработаны воздушно-алюминиевые топливные элементы. Ученые нашли рецепты ингибиторов коррозии в электролите и оптимальный сплав алюминия с различными добавками. Лабораторный образец уже готов и находится в ожидании инвестора.

Недавно ученые ИТ СО РАН закончили работу по трехгодичному гранту с китайскими партнерами, в рамках которого создавались подходы по малоэмиссионному сжиганию и синтезу газов применительно к энергетическим газотурбинным установкам.

«Конечно, наши подходы не могут быть напрямую реализованы для нужд авиации и большой энергетики, но они могут быть использованы для создания новых поколений топливных элементов для широкого спектра применений», — заключил академик.

Фото редакции «Наука в Сибири».

Наука в Сибири

Основы водородного топлива | Департамент энергетики

Управление технологий водорода и топливных элементов

Водород — это чистое топливо, при потреблении которого в топливном элементе образуется только вода. Водород можно производить из различных внутренних ресурсов, таких как природный газ, ядерная энергия, биомасса и возобновляемые источники энергии, такие как солнечная энергия и ветер. Эти качества делают его привлекательным вариантом топлива для транспорта и производства электроэнергии. Его можно использовать в автомобилях, в домах, в портативных источниках питания и во многих других областях.

Водород — энергоноситель, который можно использовать для хранения, перемещения и доставки энергии, произведенной из других источников.

Сегодня водородное топливо можно производить несколькими способами. В настоящее время наиболее распространенными методами являются конверсия природного газа (термический процесс) и электролиз. Другие методы включают солнечные и биологические процессы.

Термические процессы

Термические процессы для производства водорода обычно включают паровой риформинг, высокотемпературный процесс, в котором пар реагирует с углеводородным топливом с образованием водорода. Многие виды углеводородного топлива могут быть преобразованы для производства водорода, включая природный газ, дизельное топливо, возобновляемое жидкое топливо, газифицированный уголь или газифицированную биомассу. Сегодня около 95% всего водорода производится путем паровой конверсии природного газа.

Узнайте больше о:

• Конверсия природного газа
• Газификация угля
• Газификация биомассы
• Конверсия возобновляемого жидкого топлива.

Электролитические процессы

Воду можно разделить на кислород и водород с помощью процесса, называемого электролизом. Электролитические процессы происходят в электролизере, который работает во многом как топливный элемент в обратном порядке: вместо того, чтобы использовать энергию молекулы водорода, как это делает топливный элемент, электролизер создает водород из молекул воды.

Узнайте больше о производстве электролитического водорода.

Солнечные процессы

Процессы, основанные на использовании солнечной энергии, используют свет в качестве агента для производства водорода. Есть несколько процессов, управляемых солнечными лучами, в том числе фотобиологические, фотоэлектрохимические и солнечные термохимические. Фотобиологические процессы используют естественную фотосинтетическую активность бактерий и зеленых водорослей для производства водорода. В фотоэлектрохимических процессах используются специальные полупроводники для разделения воды на водород и кислород. Солнечное термохимическое производство водорода использует концентрированную солнечную энергию для запуска реакций расщепления воды, часто вместе с другими веществами, такими как оксиды металлов.

Узнайте больше о фотобиологических процессах, солнечных термохимических процессах и фотоэлектрохимических процессах.

Биологические процессы

В биологических процессах используются микробы, такие как бактерии и микроводоросли, и они могут производить водород посредством биологических реакций. При микробной конверсии биомассы микробы расщепляют органические вещества, такие как биомасса или сточные воды, с образованием водорода, а в фотобиологических процессах микробы используют солнечный свет в качестве источника энергии.

Узнайте больше о производстве биологического водорода путем преобразования микробной биомассы и фотобиологических процессов.

Производство водорода: Электролиз | Департамент энергетики

Электролиз — многообещающий вариант безуглеродного производства водорода из возобновляемых и ядерных ресурсов. Электролиз — это процесс использования электричества для расщепления воды на водород и кислород. Эта реакция происходит в устройстве, называемом электролизером. Размер электролизеров может варьироваться от небольшого оборудования размером с прибор, которое хорошо подходит для мелкомасштабного распределенного производства водорода, до крупномасштабных центральных производственных объектов, которые могут быть напрямую связаны с возобновляемыми или другими формами энергии, не выделяющими парниковых газов. производство электроэнергии.

Как это работает?

Как и топливные элементы, электролизеры состоят из анода и катода, разделенных электролитом. Различные электролизеры работают по-разному, в основном из-за разного типа используемого электролита и ионных частиц, которые он проводит.

Электролизеры с мембраной из полимерного электролита

В электролизере с мембраной из полимерного электролита (ПЭМ) электролит представляет собой твердый специальный пластиковый материал.

• Вода реагирует на аноде с образованием кислорода и положительно заряженных ионов водорода (протонов).
• Электроны проходят через внешнюю цепь, а ионы водорода избирательно перемещаются через ФЭУ к катоду.
• На катоде ионы водорода объединяются с электронами из внешней цепи, образуя газообразный водород. Анодная реакция: 2H ₂ O → O ₂ + 4H ⁺ + 4e ^— Катодная реакция: 4H ⁺ + 4e ^— → 2H

  0 1 20

  2 20 _{2 20 2 20 2 20}

Щелочные электролизеры

Щелочные электролизеры работают за счет транспорта ионов гидроксида (OH ^—) через электролит от катода к аноду с образованием водорода на стороне катода. Электролизеры, в которых в качестве электролита используется жидкий щелочной раствор гидроксида натрия или калия, уже много лет имеются в продаже. Новые подходы с использованием твердых щелочных обменных мембран (AEM) в качестве электролита показывают многообещающие результаты в лабораторных масштабах.

Электролизеры твердого оксида

Электролизеры твердого оксида, в которых в качестве электролита используется твердый керамический материал, избирательно проводящий отрицательно заряженные ионы кислорода (O ^2-) при повышенных температурах генерируют водород несколько другим способом.

• Пар на катоде соединяется с электронами из внешней цепи с образованием газообразного водорода и отрицательно заряженных ионов кислорода.
• Ионы кислорода проходят через твердую керамическую мембрану и реагируют на аноде, образуя газообразный кислород и генерируя электроны для внешней цепи.

Твердооксидные электролизеры должны работать при температурах, достаточно высоких для нормального функционирования твердооксидных мембран (около 700–800°C, по сравнению с электролизерами PEM, которые работают при 70–90°C и коммерческие щелочные электролизеры, которые обычно работают при температуре ниже 100°C). Усовершенствованные лабораторные твердооксидные электролизеры на основе протонпроводящих керамических электролитов демонстрируют перспективность снижения рабочей температуры до 500–600°C. Твердооксидные электролизеры могут эффективно использовать тепло, доступное при этих повышенных температурах (из различных источников, включая ядерную энергию), для уменьшения количества электроэнергии, необходимой для производства водорода из воды.

Почему рассматривается этот путь?

Электролиз — это ведущий способ производства водорода для достижения цели Hydrogen Energy Earthshot по снижению стоимости чистого водорода на 80% до 1 доллара за 1 килограмм за 1 десятилетие («1 1 1»). Водород, полученный с помощью электролиза, может привести к нулевым выбросам парниковых газов, в зависимости от используемого источника электроэнергии. Источник необходимой электроэнергии, включая его стоимость и эффективность, а также выбросы в результате производства электроэнергии, необходимо учитывать при оценке преимуществ и экономической целесообразности производства водорода с помощью электролиза. Во многих регионах страны сегодняшняя электросеть не идеальна для обеспечения электроэнергией, необходимой для электролиза, из-за выбросов парниковых газов и количества необходимого топлива из-за низкой эффективности процесса производства электроэнергии. Производство водорода с помощью электролиза используется для возобновляемых источников (ветер, солнце, гидро, геотермальная энергия) и ядерной энергии. Эти пути производства водорода приводят к практически нулевым выбросам парниковых газов и загрязняющих веществ; тем не менее, стоимость производства должна быть значительно снижена, чтобы быть конкурентоспособным с более зрелыми углеродными технологиями, такими как риформинг природного газа.

Потенциал для синергии с производством энергии из возобновляемых источников
Производство водорода с помощью электролиза может предложить возможности для синергии с динамической и прерывистой выработкой энергии, что характерно для некоторых технологий возобновляемых источников энергии. Например, хотя стоимость энергии ветра продолжает снижаться, присущая ветру изменчивость является препятствием для эффективного использования энергии ветра. Водородное топливо и производство электроэнергии могут быть интегрированы в ветряную электростанцию, что позволит гибко переключать производство, чтобы наилучшим образом соответствовать доступности ресурсов с эксплуатационными потребностями системы и рыночными факторами. Кроме того, во времена избыточного производства электроэнергии ветряными электростанциями вместо того, чтобы сокращать электроэнергию, как это обычно делается, можно использовать эту избыточную электроэнергию для производства водорода путем электролиза.

Важно отметить…

• Электроэнергия в настоящее время не является идеальным источником электроэнергии для электролиза, поскольку большая часть электроэнергии вырабатывается с использованием технологий, которые приводят к выбросам парниковых газов и являются энергоемкими. Выработка электроэнергии с использованием технологий возобновляемой или ядерной энергии, либо отдельно от сети, либо в качестве растущей части сети, является возможным вариантом преодоления этих ограничений для производства водорода с помощью электролиза.
• Министерство энергетики США и другие организации продолжают усилия по снижению стоимости производства электроэнергии на основе возобновляемых источников и развитию более эффективного производства электроэнергии на основе ископаемого топлива с улавливанием, утилизацией и хранением углерода. Производство электроэнергии на основе ветра, например, быстро растет в Соединенных Штатах и ​​во всем мире.

Исследования сосредоточены на преодолении проблем

• Достижение целевого показателя стоимости чистого водорода Hydrogen Shot в размере 1 доллара США за кг H ₂ к 2030 г. (и промежуточная цель 2 долл. США/кг H ₂ к 2025 г.) за счет лучшего понимания компромиссов между производительностью, стоимостью и долговечностью электролизных систем при прогнозируемых будущих динамических режимах работы с использованием CO ₂ — бесплатное электричество .
• Снижение капитальных затрат электролизера и баланса системы.
• Повышение энергоэффективности преобразования электроэнергии в водород в широком диапазоне условий эксплуатации.