Перспективи використання водню в енергетиці

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Міністерство освіти і науки
Російської Федерації
Федеральне агентство з освіти
Томський Політехнічний Інститут
(Технічний університет)
Інститут теплоенергетики та технічної фізики
Реферат на тему:
Перспективи використання водню в енергетиці.
Група:
Студент:
Викладач:
Томськ 2008

Зміст

Введення. 3
Паливні елементи .. 6
Типи паливних елементів. 9
Стан робіт з водневої енергетики в Росії. 11
Приклади використання водню, в якості джерела енергії. 14
Список використаної літератури .. 16

Введення
Сучасна енергетика, як зарубіжних країн, так і нашої країни, заснована переважно на споживанні вуглеводневих енергоресурсів. Електростанції спалюють природний газ, мазут і вугілля. Двигуни автомобілів, літаків і інших масово застосовуваних машин використовують також паливо на основі невідновлюваних вуглеводневих природних ресурсів. У загальному балансі споживаної енергії тільки атомна і гідроенергія складають велику частку - десь близько однієї чверті в нашій країні. Частка сонячної, геотермальної енергії, енергії вітру, морських хвиль збільшується значними темпами, але продовжує становити дуже невелику величину. Розраховувати на істотні прориви в цій області поки не доводиться, хоча в цілому ряді країн намітився великий прогрес. Так, Франція близько 80% електроенергії отримує на АЕС, Ісландія і Данія значну частку електрики виробляють за допомогою вітру і т. д.
Подальше інтенсивний розвиток сучасної енергетики і транспорту веде людство до великомасштабного енергетичного і екологічної кризи.
Стрімке скорочення запасів викопного палива примушує розвинені країни приймати серйозні зусилля з пошуку альтернативних поновлюваних екологічно чистих джерел енергії.
Але в останні роки намітився інноваційний поворот до використання більш ефективного енергоресурсу - водню.
Сучасні авіаційні, ракетні та автомобільні двигуни, паливні елементи все частіше починають повертатися до часткового або повного використання водню. Водень володіє цілим набором якостей, що роблять сьогодні його вживання вигідним: він має велику енергоефективність і хімічну активність, в результаті його згоряння утворюється вода, яка не володіє токсичністю і не завдає шкоди навколишньому середовищу. Правда, є і недоліки, головні з них - дорожнеча виробництва та пожежна небезпека.
Воднева енергетика сформувалася як один із напрямів розвитку науково-технічного прогресу більше 30 років тому. Роботи по водневій енергетиці в багатьох країнах ставляться до пріоритетних напрямів соціально-економічного розвитку і знаходять дедалі більшу підтримку з боку як держави, так і приватного бізнесу. Ведеться активний пошук шляхів перекладу більшості енергоємних галузей промисловості, включаючи транспорт, на водневе паливо і електрохімічні генератори на основі використання паливних елементів (ПЕ).
Водневі паливні елементи вважаються майбутнім світової енергетики завдяки своїй ефективності та екологічної безпеки.
Використання водню в якості основного енергоносія призведе до створення принципово нової водневої економіки, стане науково-технічним проривом, можна порівняти за своїми соціально-економічних наслідків з тим революційним впливом на розвиток цивілізації, яке надали електрику, двигун внутрішнього згоряння, хімія і нафтохімія, інформатика і зв'язок .
Близько 1000 фірм, компаній, концернів, університетських лабораторій, державних і науково-технічних об'єднань Заходу вже багато років посилено працюють у різних напрямках водневої енергетики.
Враховуючи суттєве зростання цін на енергоресурси і серйозні екологічні проблеми, деякі країни вже прийняли закони та державні програми з вивчення водневих технологій та широкого їх застосування. У їх числі Ісландія, США, Японія, ЄЕС.
На роботи по ТЕ і енергетичних установок на їх базі щорічно інвестується понад 500 млн.дол. США.
Найбільш динамічно розвиваються ці роботи в США, Канаді та Японії, де поряд з великим обсягом НДДКР, ведуться активні роботи по комерціалізації водневої енергетики. Створена велика кількість енергетичних установок на паливних елементах потужністю від одиниць ват до мегават, вже зараз конкурентоспроможних з аналогічними установками, заснованими на традиційних технологіях згоряння вуглеводневого палива.
З прогресом в області розробки енергоустановок на основі ПЕ зв'язується надія на вирішення проблеми забезпечення людства відновлювальними екологічно чистими енергоресурсами, а також можливість зміни і вдосконалення системи енергопостачання (електро-і теплопостачання) різних об'єктів - від стільникових телефонів, комп'ютерів та автомобілів до житлових будинків, великих промислових підприємств і в цілому міст.


Паливні елементи


ТЕ - електрохімічне джерело струму, в якому здійснюється пряме перетворення енергії палива і окислювача, безперервно підводяться до електродів, безпосередньо в електричну енергію, без необхідності спочатку перетворювати її в тепло або механічну роботу обертання турбін. Так як перетворення тепла в роботу у цих установок відсутня, їх енергетичний ККД значно вище, ніж у традиційних енергоустановок і може становити до 90%. Крім того, паливом тут служить водень, а значить, основний вихлоп таких систем - просто водяна пара.
Ясно, що за паливними елементами - майбутнє. Водень буде живити двигуни автомобілів, невеликі паливні батареї будуть забезпечувати теплом і світлом приватні домогосподарства, вони ж будуть вбудовані в портативну електроніку.
Хімічні реакції в ПЕ йдуть на спеціальних пористих електродах (аноді і катоді), активованих паладієм (або іншими металами платинової групи), де хімічна енергія, збережена в водні та кисні, ефективно перетворюється в електричну енергію. Водень окислюється на аноді, а кисень (або повітря) відновлюється на катоді.

Каталізатор на аноді прискорює окислення водневих молекул в водневі іони (Н +) і електрони. Водневі іони (протони) через мембрану мігрують до катода, де каталізатор катода викликає утворення води з комбінації протонів, електронів і кисню. Потік електронів через зовнішній кругообіг виробляє електричний струм, який використовується різними споживачами.
Напруга, що виникає на окремому ТЕ, не перевищує 1,1 вольта. Для отримання необхідної величини напруги ТЕ з'єднуються послідовно в батареї, а для отримання необхідної потужності батареї ТЕ з'єднуються паралельно. Такі батареї ТЕ разом з елементами газорозподілу і терморегулювання монтуються в єдиний конструктивний блок, званий електрохімічним генератором (ЕХГ).
Проте якби все було так просто, паливні елементи вже давно перетворилися б на основне джерело енергії, змінивши статус «перспективної розробки» на місце у різноманітних пристроях і машинах в кожному будинку. «Перспективні» паливні елементи вперше використовувалися ще на радянської орбітальної станції «Мир», проте були недовговічні і дуже дорогі для впровадження в масову господарство.
Проблема в тому, що для їх ефективної роботи потрібні каталізатори.
Зараз величезна кількість інститутів і приватних компаній б'ються над збільшенням ефективності паливних елементів і зниженням їх собівартості. В інноваційних рішеннях потребують також і розділяють електроди тверді електроліти (мембрани), і матеріали електродів, які повинні мати великий корозійною стійкістю.
В якості каталізаторів в паливних елементах найчастіше застосовують платину і її сплави з не менш дорогоцінним паладієм. Цей матеріал дозволяє значно полегшити процес іонізації водню. У реакції беруть участь тільки атоми, що знаходяться на поверхні, тому для каталітичних цілей застосовують платину у вигляді наночастинок (так званої платинової черні). Однак у процесі нанесення дорогої платини найбільш поширеним методом аерографії її втрати досить великі, що ще більше здорожує кінцевий продукт.
Техаські фахівці на чолі з Пітером Страссером пропонують використовувати сплав платини з кобальтом і міддю.
Новий каталізатор є частки сплаву, вміст металу в яких змінюється від поверхні до ядра: поверхня частинок збагачена платиною, а ядро ​​складається переважно з міді і кобальту. Перші випробування цього каталізатора показали ефективність, що перевищує аналогічний показник сучасних каталізаторів для паливних елементів в 4-5 разів.
До того ж нанокаталізатор виявився істотно дешевше.
Для виробництва каталізатора нанесені на графітовий електрод частки сплаву поміщаються в розчин кислоти і піддаються циклічному впливу змінної напруги. Менш благородні метали, особливо мідь, розчиняються з поверхні, залишаючи її збагаченої платиною. Ядро ж має той же склад, що й вихідний сплав.
Більш того, що утворилися в результаті електрохімічного травлення міді і кобальту порожнечі на поверхні частинок призводять не тільки до збагачення поверхні платиною, але і до значного збільшення площі поверхні каталізатора. Тим не менш, збільшення ефективності каталізатора в 4-5 разів в порівнянні з чистим платинової черню, на думку Страссера, не може бути пояснено винятково збільшенням площі поверхні.
Комп'ютерні розрахунки показали, що відстань між атомами платини в збагаченої їй оболонці коротше в порівнянні з цією дистанцією в чистій платині. Таке «стислий» стан фіксується за допомогою збагаченого кобальтом і міддю ядра. Скорочене міжатомну відстань платина-платина, по всій видимості, сприяє більш легкої адсорбції кисню. Це ж, судячи з усього, змінює електронну структуру оболонки так, що процес перенесення електрона з утворенням негативно зарядженої молекули кисню стає значно спрощеним.

Типи паливних елементів

Існують різні типи ТЕ. Їх зазвичай класифікують по використовуваному паливу, робочому тиску і температурі, а також за характером застосування.
Найбільшого поширення набула класифікація паливних елементів за типом електроліту як середовища для внутрішнього переносу іонів (протонів). Електроліт між електродами визначає операційну температуру і від цієї температури залежить тип каталізатора.
Вибір палива і окислювача, що подаються у ПЕ, визначається, в першу чергу, їх електрохімічної активністю (тобто швидкістю реакції на електродах), вартістю, можливістю легкого підведення палива і окислювача у ПЕ і відводу продуктів реакції з ПЕ.
Водень вважається основним джерелом палива для ТЕ, однак процес перетворення палива дозволяє витягувати водень і з інших його видів, включаючи метанол, природний газ, нафта та ін
На відміну від акумулятора і батарей, ТЕ не виснажується і не вимагає перезарядки; він працює, поки подається паливо.

Лужний ПЕ (AFC)
Електроліт складається з рідкого KOH, який циркулює в просторі між електродами.
Вони використовувалися з середини 1960-х років в космічних програмах, забезпечуючи харчуванням електричні системи космічних кораблів "Буран", "Шатл" і ін Комерційне застосування їх обмежене, тому що вони повинні працювати з чистими воднем і киснем (або з киснем повітря, з якого вилучений вуглекислий газ).
Лужні ТЕ мають ККД до 70%
ТЕ на протонообмінної мембрані
(PEMFC)
В якості електроліту використовується тверда полімерна мембрана (тонка пластмасова плівка), яка проводить водневі іони (протони) з анода на катод.
Вони забезпечують високу щільність струму, що дозволяє зменшувати їх вага, вартість, обсяг і покращувати якість роботи. Нерухомий твердий електроліт спрощує герметизацію у процесі виробництва, зменшує корозію, і забезпечує більш довгий термін служби ТЕ. Ці ПЕ працюють при низьких температурах (нижче 100.С), що прискорює запуск і реакцію на зміни потреби в електриці. Вони ідеально підходять для транспорту і стаціонарних установок невеликого розміру.
ТЕ на фосфорній кислоті
(PAFC)
Електролітом є паперова матриця, насичується фосфорною кислотою, також проводить протони. Це найбільш розроблені комерційно розвинені ТЕ. Вони застосовуються в стаціонарних електрогенераторних пристроях у будинках, готелях, лікарнях, аеропортах і електростанціях.
ТЕ на фосфорній кислоті виробляють електрику з ККД більше 40% або близько 85%, якщо пара, яка виробляє цей ТЕ, використовується для спільного виробництва тепла та електрики (у порівнянні з 30% ККД найбільш ефективного двигуна внутрішнього згорання).
ТЕ на розплаві карбонату
(MCFC)
Використовує розплавлену суміш літію / калію (або літію / натрію) для проведення іонів карбонату від катода до аноду. Робоча температура - приблизно 650 ° C, що дозволяє використовувати паливо безпосередньо, без будь-якої додаткової його підготовки, і нікель в якості каталізатора.
Їх конструкція більш складна, ніж конструкція ТЕ на фосфорній кислоті, з-за їх високої робочої температури і використання розплаву електроліту. Їм потрібно істотне кількість часу для того, щоб вони досягли робочої температури і змогли реагувати на зміни в потреби в електриці, і тому краще за все вони підходять для умов, де необхідна постійна подача великих кількостей електроенергії.
Найбільша кількість подібних установок побудовано в США і Японії. У США є демонстраційна досвідчена електростанція потужністю 1.8 МВт.
ТЕ на твердих оксидах
(SOFC)
В якості електроліту використовується твердий керамічний матеріал (стабілізована ітрієм окис цирконію), яка проводить атоми кисню від катода до аноду при надзвичайно високій температурі - понад 1000 ° C. Це дозволяє їм використовувати щодо забруднені види палива, наприклад, одержувані при газифікації вугілля. Енергетичний ККД - близько 60%.
Їх відносно проста конструкція (обумовлена ​​використанням твердого електроліту і самих різних видів палива) в поєднанні з істотним кількістю часу, необхідною для того, щоб вони досягли робочої температури і змогли реагувати на зміни в потреби в електриці, робить їх придатними для великих і дуже великих стаціонарних електрогенераторних установок і електростанцій.

Стан робіт з водневої енергетики в Росії

У Росії воднева проблематика давно і активно вивчалася, правда, в основному для військового застосування, досить згадати, що паливні елементи літали в космос на "Бурані".
Росія має унікальні досягнення в області розробки ТЕ. Проте поки що свої можливості ми не використовуємо в достатній мірі, прирікаючи себе не тільки на відставання у перспективній галузі енергетики, але в майбутньому ставимо себе в залежність від світової економічної та політичної кон'юнктури.
Основні причини, що перешкоджають роботам в Росії по ТЕ і водневої енергетики:
- Відсутність національної програми з розробки та виробництва ПЕ і енергетичних установок на їх основі;
- Відсутність цільового державного фінансування фундаментальних і прикладних досліджень і розробок в області ТЕ. (Раніше вони фінансувалися в рамках ракетно-космічних програм);
- Нерозвиненість і неготовність промислової бази для виробництва ПЕ і енергетичних установок на їх базі;
- Неготовність приватного бізнесу по-справжньому субсидувати фундаментальні та прикладні дослідження;
- Відсутність чіткої і ясної державної політики та реальної підтримки робіт з екологічно чистим ресурсо-та енергозберігаючих технологій.
ГМК "Норільський нікель", найбільша в Росії і одна з найбільших у світі компаній з виробництва дорогоцінних і кольорових металів, справив значні інвестиції у вітчизняну академічну науку, купив великий пакет акцій американської інноваційної компанії, орієнтованої на розробку паливних елементів. Інтерес "Норнікеля" зрозумілий: він - найбільший виробник паладію і всіх інших платиноїдів, без яких неможливе виробництво паливних елементів, істотно збільшують ККД виробництва енергії без нанесення шкоди навколишньому середовищу.
З метою скорочення допущеного відставання у дослідженнях і розробках з водневої енергетики і паливних елементах і усвідомлюючи виключне значення водневої енергетики для економіки Росії, ВАТ "ГМК" Норільський нікель "і Російська академія наук домовилися про спільні роботи з розгортання та фінансування найбільш важливих фундаментальних, науково- дослідних і дослідно-конструкторських робіт з основних напрямів і елементів паливних елементів та енергетичних пристроїв на їх базі, передбачивши в тому числі:
o створення науково-технічного, технологічного і конструкторського зачепила за ключовими агрегатів, пристроїв і систем водневої енергетики і ПЕ;
o формування базової кооперації академічних інститутів і промислових підприємств по створенню систем і пристроїв водневої енергетики на основі ПЕ різних типів;
o відпрацювання механізму фінансування робіт з водневої енергетики і ПЕ з використанням приватного капіталу;
o вивчення кон'юнктури ринку ПЕ і енергетичних пристроїв на їх базі;
o відбір найбільш привабливих комерційних (конкурентоспроможних) проектів для освоєння їх серійного виробництва і просування на ринок;
o створення підприємств з виробництва ПЕ і енергетичних установок на їх основі;
o підготовку пропозицій щодо варіантів водневої інфраструктури Росії і структури автономної енергетики з використанням систем на базі ПЕ;
o формування національної програми Росії з водневої енергетики, створення керівних і координуючих органів щодо її реалізації;
o підготовка пропозицій щодо формування федеральної бюджетної політики фінансування робіт з водневої економіки і ПЕ;
o розробка законодавчої бази, нормативних документів, системи національних стандартів, регламентів і вимог до інфраструктури водневої енергетики та її ключових елементів;
o пропаганда серед населення переваг та переваг водневої енергетики, переходу країни до водневої економіки та ін
Передбачається створити Раду з водневої енергетики і паливних елементів Російської академії наук, а також заснувати всеросійський журнал з водневої енергетики.
За роки пильної уваги науки до водню і його практичного використання накопичився досвід, на основі якого можна сформулювати декілька стратегічних завдань для вітчизняного нафтогазового комплексу.
Перша - енергетична безпека, проголошена нашим президентом як стратегічна програма, для реалізації якої в Росії є незаперечні переваги, вона може отримати серйозне посилення за рахунок прийняття програмних довгострокових документів по водневій енергетиці, конкретизують інноваційність сформульованої задачі, але при обов'язковому регулюванні цих процесів державою.
Друге завдання пов'язана з тим, що істотний прогрес водневої енергетики, особливо у великих мегаполісах, можливий тільки за рахунок реального отримання великих обсягів водню. Виробництво його методом електролізу води у великих масштабах поки не виходить, але є метод риформінгу - каталітичного поділу природного і попутного нафтового газу, який на початковому етапі допоможе отримати промислові потоки водню і практично відпрацювати інші елементи водневої концепції. Але ці питання не можна вирішити без зацікавленості нафтовиків і газовиків. Потрібна активна позиція менеджменту нафтогазової галузі. Водневі автозаправки вже працюють в Японії і США, пора відкривати їх і в Москві.
Третє завдання визначається тим, що нові комерційні продукти переробки вуглеводнів з отриманням промислових обсягів водню дуже важливі для інноваційного розвитку нашої країни. Як свого часу план ГОЕЛРО, масове використання водню викличе синергетичний ефект у всіх сферах життєдіяльності Росії, і тому ініціатори вправі розраховувати на пільги у формі державної підтримки, податкових канікул та інших преференцій. Прибутковість галузі та її суспільна значущість зросте.
І нарешті, четверте завдання: комплексний підхід до використання мінерально-сировинних і особливо енергетичних ресурсів не може миритися з сучасними параметрами ефективності використання вітчизняних можливостей. Державні компанії можуть і повинні активніше демонструвати динаміку випереджаючого розвитку, виступати фірмами-операторами, що об'єднують корпоративні можливості вдосконалення всього відтворювального енергетичного циклу з видачею інноваційних продуктів, що створюють підгрунтя для сталого розвитку Росії. "Роснефть" має лідируючі позиції для ініціатив в цьому напрямку.

Приклади використання водню, в якості джерела енергії

Автомобіль Toyota FCHV, що працює на водні, проїхав відстань в 560 км між Осака і Токіо без подальшої дозаправки. Це стало можливим завдяки новому водневого баку з підвищеним тиском. Гібридний автомобіль обладнаний також електродвигуном з постійним магнітом і нікель-металогідридні акумулятори. Автомобіль сертифікований для руху по дорогах Японії. Скоро очікується старт серійного виробництва моделі FCHV.
У липні японські інженери розробили технологію, яка дозволяє збільшити тиск в баку з воднем до 70 МПа. Нововведення дозволяє збільшити відстань, яку автомобіль може проїхати без дозаправки, на 660 км.
На вулиці міста Остін (штат Техас, США) вийшов перший автобус, що використовує комбінацію акумуляторів і водневий паливний елемент потужністю 20 кВт. Гібридний автобус розроблений компанією Ebus за участю університету штату Техас і інституту газових технологій (GTI).
Автобус здатний рухатися без дозаправки близько 350 км, що майже в чотири рази перевищує ресурс аналогічного автобуса, що використовує лише акумулятори.
Інфраструктура для заправки воднем поки не створена, заправка автобуса здійснюється на єдиній станції, де водень виробляється, а потім стискається, зберігається і видається при наступній заправці. Техаські вчені продовжать розробки технологій водневої заправки, а також застосування водневих паливних елементів у транспортних засобах.
Якщо вірити твердженням найбільшого ділки мобільного бізнесу, компанії Nokia, від паливних елементів як акумуляторів для стільникових телефонів нас відділяє якась пара років. У паливних елементах джерелом енергії є водень, метанол або етиловий спирт, що окисляються киснем за участю платинового каталізатора. При цьому виділяється достатня кількість екологічно чистої енергії. Питання перекладу мобільних пристроїв на паливні елементи замість традиційних літій-іонних акумуляторів представляє собою проблему поставок та виробництва, а не технології. Всі необхідні технології та ноу-хау вже розроблені, в тому числі такими копання, як виробник ноутбуків Toshiba або автомобільний гігант Toyota.
За словами глави дослідного відділу Nokia Тапані Ріанна (Tapani Ryhanen), споживачеві необхідно дочекатися того часу, коли буде налагоджено постачання палива до місць заправки і продажу джерел живлення для мобільних телефонів. Не варто забувати і такий аспект використання паливних елементів, як небезпечність деяких видів енергоносіїв. Так, відомий метанол у кількості всього 30 г може призвести до смерті, а в менших дозах - до пошкодження нервових тканин і сліпоти. Зате паливо в таких елементах окислюється до кінця, нічого крім екологічно чистої води і вуглекислого газу не залишається після того, як паливний елемент відпрацював свій ресурс.

Список використаної літератури

1. «Перспективи та проблеми розвитку водневої енергетики і паливних елементів». Програма ВАТ «Норільський Нікель»
2. Стаття Георгія Лазарєва, депутата Державної думи. "ЕПРО" № 3 2007
3. Матеріали сайтів http://www.gazeta.ru і http://www.energospace.ru/
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Фізика та енергетика | Реферат
53кб. | скачати


Схожі роботи:
Проблеми екології в енергетиці Україні
Застосування вуглецевих нанотрубок в енергетиці
Ресурси Світового океану і перспективи їх використання
Перспективи використання плазми в прогресивних технологіях
Перспективи використання енергії сонця і вітру
Стовбурові клітини Перспективи та можливості їх практичного використання
Можливості та перспективи використання ильменей типових водойм
Використання топонімічної лексики у марочних назвах традиції та перспективи
Перспективи використання обліпихи для виробництва молочних продуктів
© Усі права захищені
написати до нас