| Главная | Солнечная энергетика | Ветроэнергетика | Водородная энергетика | Гидроэнергетика | Ссылки |
Водородная энергетика — направление выработки и потреблении энергии человечеством, основанное на использования водорода в качестве средства для аккумулирования, транспортировки и потребления энергии людьми, транспортной инфраструктурой и различными производственными направлениями. Водород выбран как наиболее распространенный элемент на поверхности земли и в космосе, теплота сгорания водорода наиболее высока, а продуктом сгорания в кислороде является вода (которая вновь вводится в оборот водородной энергетики).
Производство водорода
В настоящее время существует множество методов промышленного производства водорода. Все цены приведены для США, 2004 год (справочно, стоимость метана — менее $0,5 за килограмм). В конце мая 2008 года в Калифорнии розничная цена дизельного топлива выросла до $5,027 за галлон, а бензина до — $4,099 за галлон.
Паровая конверсия природного газа/метана
В настоящее время данным способом производится примерно половина всего водорода. Водяной пар при температуре 700—1000 °С смешивается с метаном под давлением в присутствии катализатора. Себестоимость процесса $2—5 за килограмм водорода. В будущем возможно снижение цены до $2—2,50, включая доставку и хранение.
Газификация угля.
Старейший способ получения водорода. Уголь нагревают при температуре 800—1300 °С без доступа воздуха. Первый газогенератор был построен в Великобритании в 40-х годах XIX века. США предполагают построить электростанцию по проекту FutureGen, которая будет работать на продуктах газификации угля. Впервые о планах подобного строительства заявил еще в 2003 году министр энергетики США Спенсер Абрахам. Электричество будут вырабатывать топливные элементы, используя в качестве горючего водород, получающийся в процессе газификации угля.
В декабре 2007 г. была определена площадка для строительства первой пилотной электростанции проекта FutureGen. В Иллинойсе будет построена электростанция мощностью 275 МВт. Общая стоимость проекта $1,2 млрд. На электростанции будет улавливаться и храниться до 90% СО2.
Аналогичный проект под названием «GreenGen» создан в Китае. Строительство первой очереди электростанции мощностью 250 МВт начнётся в 2008 г. Общая мощность электростанции составит 650 МВт.
Себестоимость процесса $2—2,5 за килограмм водорода. В будущем возможно снижение цены до $1,50, включая доставку и хранение.
Из атомной энергии.
Использование атомной энергии для производства водорода возможно в различных процессах: химических, электролиз воды, высокотемпературный электролиз. Себестоимость процесса $2,33 за килограмм водорода. Ведутся работы по созданию атомных электростанций следующего поколения. Исследовательская лаборатория INEEL (Idaho National Engineering Environmental Laboratory) (США) прогнозирует, что один энергоблок атомной электростанции следующего поколения будет производить ежедневно водород, эквивалентный 750 тыс. литров бензина.
Электролиз воды.
H2O+энергия = 2H2+O2. Обратная реакция происходит в топливном элементе. Себестоимость процесса $6—7 за килограмм водорода при использовании электричества из промышленной сети. В будущем возможно снижение до $4 за килограмм.
$7—11 за килограмм водорода при использовании электричества, получаемого от ветрогенераторов. В будущем возможно снижение до $3 за килограмм.
$10—30 за килограмм водорода при использовании солнечной энергии. В будущем возможно снижение до $3—4 за килограмм.
Водород из биомассы.
Водород из биомассы получается термохимическим или биохимическим способом. При термохимическом методе биомассу нагревают без доступа кислорода до температуры 500—800 °С (для отходов древесины), что намного ниже температуры процесса газификации угля. В результате процесса выделяется H2, CO и CH4.
Себестоимость процесса $5—7 за килограмм водорода. В будущем возможно снижение до $1,0—3,0.
В биохимическом процессе водород вырабатывают различные бактерии, например, Rodobacter speriodes.
Водород в настоящее время, в основном, применяется в технологических процессах производства бензина и для производства аммиака. США ежегодно производят около 11 миллионов тонн водорода, что достаточно для годового потребления примерно 35—40 миллионов автомобилей.
Департамент Энергетики США (DoE) прогнозирует, что стоимость водорода сравняется со стоимостью бензина к 2015 году.
Малые стационарные приложения
Производство электрической и тепловой энергии в топливных элементах мощностью от 0,75 кВт до 10 кВт.
Домашние энергетические станции имеют мощность 0,75—1 кВт, предназначены для выработки электроэнергии в течение 8 часов в сутки и выработки тепла и горячей воды 24 часа в сутки. Установки мощностью 5 кВт предназначаются для нескольких коттеджей. Они зачастую предназначаются только для выработки электроэнергии.
Популярность малых домашних комбинированных (электричество + тепло) установок связана с тем, что они имеют высокий КПД, малые выбросы СО2, легко могут быть встроены в существующую инфраструктуру. Такая энергетическая установка занимает размер не больше домашнего бойлера, может работать на природном газе.
В 2005 году во всём мире было установлено более 900 новых малых стационарных водородных энергетических установок (На 30% больше, чем в 2004 году). За 2006 год во всём мире установлено около 1500 новых малых энергетических станций. В конце 2006 года во всём мире эксплуатировалось около 5000 малых стационарных водородных электростанций.
Большая часть домашних станций разработана для применения природного газа, пропана, очень немногие могут работать со сжиженным нефтяным газом (LPG). Многие производители работают с керосином.
В 2006, как и в 2005 году большая часть малых приложений была установлена в Японии. Японская NEF (New Energy Foundation) объявила о начале многолетнего демонстрационного проекта применения малых стационарных топливных элементов. Будет субсидирована установка 6400 топливных элементов. В 2005 году стоимость 1 кВт водородной бытовой станции в Японии составляла 10 млн ? (примерно $87 000), работы по ее установке стоили еще 1 млн ?. К середине 2008 года в Японии было установлено около 3000 бытовых энергетических установок на водородных топливных элементах, а их стоимость снизилась до 2 млн ? (примерно $19 000).
Япония уже имеет опыт использования подобных программ. В 1994 году была принята программа развития солнечной энергетики. Японское правительство ежегодно вкладывало $115 млн в установку фотоэлектрических элементов на крышах домов. С тех пор установленные мощности солнечной энергетики выросли в 35 раз. Средняя стоимость фотоэлектрических элементов снизилась на 75%.
Стационарные применения
Производство электрической и тепловой энергии в топливных элементах мощностью более 10 кВт.
К концу 2006 года во всём мире было установлено более 800 стационарных энергетических установок на топливных элементах мощностью более 10 кВт. Их суммарная мощность — около 100 МВт. За 2006 год построено более 50 установок суммарной мощностью более 18 МВт.
В 2005 году среди новых установок лидировали Расплавные Карбонатные Топливные Элементы (MCFC). На втором месте по числу новых установок были Фосфорнокислые технологии (PAFC). Протонобменные технологии (PMFC) применялись, в основном, в установках мощностью до 10 кВт и в автомобильных приложениях.
Хотя большая часть стационарных топливных элементов в настоящее время работает на природном газе, всё большее количество установок работают с альтернативными видами топлив. В 2005 году усилился тренд применения сингаза и биогаза. В 2005 году биогаз вышел на второе место после природного газа. В 2005 году были построены электростанции (Япония, Германия), работающие на биогазе, получаемом из древесных отходов, пластика, муниципальных сточных вод. Водород и керосин и в будущем будут занимать значительную долю в нише малых стационарных установок мощностью более 10 кВт.
Водородная автомобильная инфраструктура
К концу 2006 года во всём мире функционировало более 140 водородных автомобильных заправочных станций. Из общего количества заправочных станций, построенных 2004—2005 году, всего 8 % работают с жидким водородом, остальные с газообразным.
General Motors заявлял о возможных планах строительства 12000 водородных заправочных станций в городах США и вдоль главных автострад. Стоимость проекта компания оценивает в $12 млрд.
Отсутствие водородной инфраструктуры является одним из основных препятствий развития водородного транспорта. Зачем строить инфраструктуру, если нет автомобилей, потребляющих водород? Зачем производить автомобили на водородных топливных элементах, если нет инфраструктуры?
Решением проблемы может стать применение водорода в качестве топлива для двигателя внутреннего сгорания, или смесей топлива с водородом, например, HCNG. В январе 2006 года Mazda начала продажи битопливного автомобиля Mazda RX-8 с роторным двигателем, который может потреблять и бензин, и водород.
В июле 2006 года транспортная компания BVG (Berliner Verkehrsbetriebe) из Берлина объявила о закупках к 2009 году 250 автобусов MAN с двигателями внутреннего сгорания, работающими на водороде, что составит 20% от автопарка компании.
В 2006 году Ford Motor Company начал выпуск автобусов с двигателями внутреннего сгорания, работающими на водороде.
В 2006 году было запущено в эксплуатацию около 100 новых автомобилей, автобусов, мотоциклов и т. д. на топливных элементах. К концу 2007 году в мире будет эксплуатироваться около 900 транспортных средств.
Воздушный транспорт
Корпорация Boeing прогнозирует, что топливные элементы постепенно заменят в авиации вспомогательные энергетические установки. Они смогут генерировать электроэнергию, когда самолет находится на земле, и быть источниками бесперебойного питания в воздухе. Топливные элементы будут постепенно устанавливаться на новое поколение Боингов 7E7, начиная с 2008 года.
Железнодорожный транспорт
Для данных приложений требуется большая мощность, а размеры силовой установки имеют малое значение.
Железно-Дорожный исследовательский технологический институт (Япония) планирует запустить поезд на водородных топливных элементах в эксплуатацию к 2010 году. Поезд сможет развивать скорость 120 км/ч, и проезжать 300—400 км без заправки. Прототип был испытан в феврале 2005 года.
В США с 2003 года разрабатывается локомотив массой 109 тонн с водородным топливным элементом мощностью 1 МВт.
Водный транспорт
В Германии производятся подводные лодки класса U-212 с топливными элементами производства Siemens AG. U-212 стоят на вооружении Германии, поступили заказы из Греции, Италии, Кореи, Израиля. Под водой лодка работает на водороде и практически не производит шумов.
В США поставки SOFC топливных элементов для подводных лодок могут начаться в 2006 году. Компания FuelCell Energy разрабатывает 625 кВт топливные элементы для военных кораблей.
Японская подводная лодка Urashima с топливными элементами PEMFC производства Mitsubishi Heavy Industries была испытана в августе 2003 года.
Складские погрузчики
Чуть менее половины новых топливных элементов, установленных в 2006 году на транспортные средства, были установлены на складские погрузчики. Замена аккумуляторных батарей на топливные элементы позволит значительно сократить площади, занимаемые аккумуляторными цехами. Wal-Mart в январе 2007 года завершил вторую серию испытаний складских погрузчиков на топливных элементах.
Итоги 2005 года
В 2005 году производство водородных топливных элементов выросло во всем мире на 32 %. Всего за год было произведено около 14500 штук. Больше половины пришлось на PEM (протон-обменные) топливные элементы. Это наиболее гибкая технология, которая активно испытывается в автомобильных приложениях. Менее всего применялись MCFC (расплавные карбонатные) топливные элементы. В автомобильных приложениях PEM технологии занимали практически 100 % рынка. SOFC (твердо-оксидные) технологии занимают малую рыночную долю, но имеют очень большие шансы первыми достичь коммерциализации из-за большого количества компаний, занимающихся разработками SOFC стационарных приложений.
Водородные топливные элементы, одним из основных достоинств которых является высокий КПД, имеют и свои слабые стороны. В частности, высокую стоимость и повышенные требования к чистоте используемого водорода. Получение же высокоочищенного водорода, в свою очередь, ведет к снижению общих экомомических показателей топливоэлементной водородной энергетики. Это является существенным сдерживающим моментом в развитии, например, применения водородных топливных элементов на автомобилях. В этой связи, в России, как и в других странах, ведутся работы и по непосредственному использованию неочищенного топливного водорода в обычных ДВС. В период с 2000 года в Тольяттинском Государственном Университете на кафедре «Автомобильные двигатели» проводятся (совместно с НАМИ и Научно-техническим центром АВТОВАЗа) успешные исследования по использованию газоводородных смесей непосредственно в ДВС (руковод. — к. т. н. Русаков). В конце 2005 года на деловой встрече руководства водородной программы АВТОВАЗа (к. т. н. Мирзоев Г. К.) с известным изобретателем и конструктором водородных установок Кардановским В. А., были намечены первые в России практические шаги по выпуску серийных ВАЗовских автомобилей с ДВС работающих на дешевом топливном водороде, получаемом на установках ВодКа-2. Имелось ввиду выпустить пробную партию в 20—40 штук ВАЗовских автомобилей с серийными ДВС, адаптированными под газоводородные топливные смеси содержащие до 50% водорода. Имелось ввиду и строительство в Тольятти первой в России водородной заправочной (газобаллонной обменной) станции для этой серии автомобилей.
Источник: Википедия — свободная энциклопедия