close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

ГолубевВА работа

код для вставки
Государственное бюджетное общеобразовательное учреждение
лицей № 179 Калининского района г. Санкт-Петербурга
Научная работа по теме:
"Эффективность использования водорода как источника возобновляемой энергии"
Выполнил:
Голубев Вадим Александрович
Руководитель:
Пак Наталья Николаевна
Санкт-Петербург
2012
Содержание
Актуальность ........................................................................... 3
Задача исследования ................................................................. 3
Перспективы использования водорода ......................................... 3
История получения водорода ...................................................... 5
Способы получения водорода ................... ................................. 7
Себестоимость получения водорода .............................................. 10
Инновационный способ получения водорода ................................. 14
Применение новых катализаторов для получения водорода ............. 15
Выводы .................................................................................... 20
Литература ................................................................................ 21
Актуальность
В настоящее время большую актуальность получили вопросы поисков экологически чистого энергоносителя, высокоэффективного и дешевого. Это вещество должно быть возобновляемым и легкодоступным. Поиск альтернативного источника энергии все более заостряется ввиду дестабилизированной ситуации на планете, изменению климат за счет антропогенного воздействия, постепенному истощению в недрах земли привычных энергетических ресурсов и постоянное удорожание их стоимости. Источник энергии необходим не только для развития человечества, но и для самого существования человека на планете.
Задача исследования: изучить способы и эффективность производства водорода, оценить его себестоимость.
Претендентом на место универсально источника энергии является водород, который уже давно известен своими свойствами. На сегодняшний день существует множество причин для масштабного развития и широчайшего применения водородной энергетики, потенциал которой огромен.
Перспективы использования водорода
Причин, по которым именно водород имеет перспективу широкого использования как энергоносителя, несколько:
* это один из наиболее распространенных элементов на Земле;
* он может быть получен из воды, запасы которой неограниченны (при сгорании водорода образуется вода, которая возвращается в кругооборот);
* он не токсичен, т.е экологически безопасен;
* водород имеет по сравнению с другими видами топлив наиболее высокую теплоту сгорания на единицу массы;
* водород и некоторые другие недефицитные вещества (диоксид углерода, азот, уголь) являются сырьем для получения ценных химических веществ (например, аммиака) и синтетических топлив и энергоносителей (например, метанола);
* водород и получаемые на его основе виды топлива можно применять в автомобилях и самолетах при незначительных переделках их двигателей;
* водород, как и природный газ, можно транспортировать по трубопроводам и хранить в подземных емкостях;
* имеется опыт широкого применения водорода в химии и нефтехимии, а также в металлургии, энергетике, пищевой промышленности и электронике;
* с помощью водорода можно аккумулировать энергию возобновляемых источников (солнца, ветра и др.) [1, с.150].
Однако, помимо плюсов применения водорода, есть ряд и минусов. Одним из дополнительных задерживающих факторов для производства водородных автомобилей, помимо высокой цены, является и производство самого топлива - водорода. В настоящее время число предприятий по производству водорода не сможет удовлетворить водородом хотя бы 10% отрасли автомобилестроения, учитывая тот факт, что при расчете учитывалось производство водорода исключительно для транспорта.
Если приравнивать количество энергии водорода и бензина, то получается, что стоимость производства водорода будет в четыре раза превышать стоимость получения бензина.
Сейчас наиболее эффективным источником водорода служит метан. Организация такого производства минимальна с точки зрения финансов. Сегодняшние методы получения водорода из воды очень дорогие.
Внедрение водородной энергетики очень серьезная с инженерной точки зрения тема. Помимо увеличения числа производств водорода необходимо построить сеть водородных заправок, проработать вопросы логистики. Аргоннская национальна лаборатория провела исследования в этой области и вердикт её трудов таков: понадобится около 600 млрд. долларов для покрытия сетью водородных заправок территории лишь одних только Соединенных Штатов.
Помимо всего вышеперечисленного, внедрение водорода в повседневную жизнь имеет еще один нюанс - повышенная взрывоопасность этого вещества. Многие лаборатории, например, National Hydrogen Association, практически доказали то, что опасность водорода не намного превышает показатели бензина в этом вопросе [10, с.1].
Далее сравним теплофизические свойства водорода и бензина (таблица 1).
Таблица 1 [1, с.152].
ХарактеристикаВодородБензинТемпература кипения, ° СМинус 252,7Плюс 30 - плюс 200Плотность в жидком состоянии, кг/м371,0750,0Низшая удельная теплота сгорания, МДж/кг120,742,0Пределы воспламенения в воздухе (объемные доли), %4,0 - 74,20,79 - 5,16Минимальная энергия возгорания, МДж0,020,25История получения водорода
Теперь обратимся немного к истории получения водорода.
Первым человеком, который описал потенциал использования водорода в топливном элементе, был немец по национальности - Christian Friedrich Schönbein. Еще в далеком 1838 году он опубликовал свою работу в известном научном журнале (Verhandlungen der Naturforschenden Gesellschaft in Basel) того времени [10, с.2].
Уже в следующем году судьей из Ульса, сэром William Robert Grove был создан прототип работоспособной водородной батареи. Однако мощность устройства была слишком маленькой даже по меркам того времени, поэтом о его практическом использовании не могло быть и речи.
Что касается термина "топливный элемент" - он своим существованием обязан ученым Ludwig Mond и Charles Langer, которые в 1889 году предприняли попытку создания топливного элемента, работающего на воздухе и коксовом газе. По другим данным впервые термин был использован William White Jaques, который впервые решил использовать фосфорную кислоту в электролите.
В 1920-х годах в Германии был произведен целый ряд исследований, результатом которых стало открытие твердооксидных топливных элементов и путей использования цикла карбоната. Примечательно, что эти технологии эффективно используются и в наше время.
В 1932 году инженером Фрэнсисом Бэконом была начата работа по исследованию непосредственно топливных элементов на основе водорода. До него ученые использовали наработанную схему - пористые платиновые электроды помещались в серную кислоту. Очевидный минус подобной схемы заключается, прежде всего, в ее неоправданной дороговизне ввиду использования платины. Кроме того, использование едкой серной кислоты создавало угрозу для здоровья, а порой и жизни, исследователей. Бэйкон решил оптимизировать схему и заменил платину никелем, а в качестве электролита использовал щелочной состав.
Благодаря продуктивной работе по усовершенствованию своей технологии, Бэкон уже в 1959 году представил широкой публике свой оригинальный водородный топливный элемент, который выдавал 5 кВт и мог питать сварочный аппарат. Представленное устройство он назвал "Bacon Cell".
В октябре того же года был создан уникальный трактор, который работал на водороде и выдавал мощность в двадцать лошадиных сил.
В шестидесятых годах двадцатого столетия американской компанией General Electric разработанная Бэконом схема была усовершенствована и применена для космических программ Apollo и NASA Gemini. Специалисты из NASA пришли к выводу, что использование ядерного реактора слишком дорого, технически сложно и небезопасно. Кроме того, пришлось отказаться от использования аккумуляторов вместе с солнечными батареями из-за их больших габаритов. Решением проблемы стали водородные топливные элементы, которые способны снабжать космический аппарат энергией, а его экипаж чистой водой.
Новая веха в развитии водородной энергетики приходится на 70-е годы прошедшего столетия. Именно в это время грянул нефтяной кризис. К решению проблемы были подключены многочисленные научно-исследовательские центры и институты, государственные и частные организации.
Активные исследования ведутся крупнейшими автопроизводителями, например, такие гиганты своей отрасли как Honda, Toyota, Mazda, Ford и концерн General Motors в течение последних нескольких лет обозначили направление своей деятельности в сторону активного изучения, создания и реализации проектов автомобилей, работающих на водороде. В ходе таких программ были произведены многочисленные опыты со стандартными двигателями внутреннего сгорания, работающими на водороде и специальными автомобилями, которые используют так называемые топливные элементы. Однако, не смотря на огромные финансовые и ресурсные вливания, широкого распространения водородные автомобили на сегодняшний день не получили. Хотя все чаще и чаще на дороге можно заметить автомобили с надписями "hybrid" или буквой "H" на кузове, что говорит об использовании комбинированной (ДВС + электродвигатель) силовой установки на автомобиле. Стоимость подобных автомобилей гораздо выше их аналогичных образцов, работающих только на бензине. Даже при массовом выпуске водородных автомобилей их стоимость будет высокой - порядка 70-90$ за кВт используемой энергии. В настоящее время в лабораторных условиях на опытных экземплярах зафиксирован минимум в 290$ за кВт [10, с.2].
Способы получения водорода
В настоящее время существует множество методов промышленного производства водорода.
Промышленные способы получения простых веществ зависят от того, в каком виде соответствующий элемент находится в природе, то есть что может быть сырьём для его получения. Так, кислород, имеющийся в свободном состоянии, получают физическим способом - выделением из жидкого воздуха. Водород же практически весь находится в виде соединений, поэтому для его получения применяют химические методы. В частности, могут быть использованы реакции разложения. Одним из способов получения водорода служит реакция разложения воды электрическим током.
В лаборатории для получения простых веществ используют не обязательно природное сырьё, а выбирают те исходные вещества, из которых легче выделить необходимое вещество. Например, в лаборатории кислород не получают из воздуха. Это же относится и к получению водорода. Один из лабораторных способов получения водорода, который иногда применяется и в промышленности, - разложение воды электротоком.
Обычно в лаборатории водород получают взаимодействием цинка с соляной кислотой.
- В промышленности
1) электролиз водных растворов солей:
2NaCl + 2H2O → H2↑ + 2NaOH + Cl2
2) Пропускание паров воды над раскаленным коксом при температуре около 1000°C:
H2O + C = H2↑ + CO↑
3) Из природного газа.
Конверсия с водяным паром:
CH4 + H2O = CO↑ + 3H2↑ (при температуре 1000 °C)
Каталитическое окисление кислородом:
2CH4 + O2 = 2CO↑ + 4H2↑
4) крекинг и риформинг углеводородов в процессе нефтепереработки.
- В лаборатории
1) Действие разбавленных кислот на металлы. Для проведения такой реакции чаще всего используют цинк и разбавленную соляную кислоту:
Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2↑
2) Взаимодействие кальция с водой:
Ca + 2H2O → Ca(OH)2 + H2↑
3) Гидролиз гидридов:
NaH + H2O → NaOH + H2↑
4) Действие щелочей на цинк или алюминий:
2Al + 2NaOH + 6H2O → 2Na[Al(OH)4] + 3H2↑
Zn + 2KOH + 2H2O → K2[Zn(OH)4] + H2↑
5) С помощью электролиза. При электролизе водных растворов щелочей или кислот на катоде происходит выделение водорода, например:
2H3O+ + 2e- → H2↑ + 2H2O [5, с.1].
Рассмотрим один из методов получения водорода путем конверсии с водяным паром.
Современные установки по производству водорода обладают мощностью от 300 тыс. м3 до 3 млн. м3 водорода в сутки; для них характерны рабочие давления в интервале 2-3 МПа.
Процесс парового риформинга (конверсии) метана (ПКМ) - технологически зрелый процесс, апробированный в промышленном масштабе.
С помощью пара и тепловой энергии водород отделяется от углеродной основы в метане. Процесс осуществляется при температурах 750-850 °С в специальных паровых риформерах в присутствии катализатора.
На первой ступени в результате взаимодействия метана с нагретым паром образуется смесь монооксида углерода и водорода. Вслед за этим, на второй ступени, на основе так называемой реакции сдвига монооксид углерода, реагируя с водяным паром при температурах 200-250 °С, окисляется до диоксида углерода с образованием дополнительного количества водорода. Более подробно технологический процесс рассмотрен ниже.
Установка состоит из следующих секций: подготовки сырья (компрессор, подогреватель, аппараты для очистки сырья от соединений серы, пароперегреватель и инжекторный смеситель); паровой конверсии (печь паровой конверсии и паровой котел-утилизатор); конверсии оксида углерода в диоксид (реакторы средне- и низкотемпературной конверсии); очистки технологического газа от диоксида углерода (абсорбция горячим водным раствором карбоната калия, регенерация и др.) и секции метанирования. Сырье (газ) сжимают компрессором до давления 2,6 МПа, подогревают в подогревателе, расположенном в конвекционной секции печи, до температуры 300-400 °С и подают в реакторы и для очистки от соединений серы. К очищенному газу в смесителе добавляют водяной пар, перегретый до 400-500 °С в пароперегревателе, также расположенном в конвекционной секции печи.
Полученная парогазовая смесь поступает в печь паровой конверсии. Собственно процесс паровой конверсии углеводородов проходит в вертикальных трубчатых реакторах, заполненных катализатором и размещенных в радиантной секции печи в один, два или несколько рядов, закрепленных только внизу или вверху и обогреваемых с двух сторон. Типичный катализатор процесса - никель, нанесенный на оксид алюминия. Парогазовая смесь с температурой 400-500°С подается в реакционную трубу через верхний коллектор, а конвертированный газ отводится снизу.
Газовые факельные горелки располагаются в своде печи, а дымовые газы поступают сверху в нижние борова и затем через общий боров (дымовая труба), расположенный в торце печи, с температурой 950- 1100 °С - в конвекционную секцию печи. Топливом для печи служит очищенный от сернистых соединений технологический или природный газ. Воздух, необходимый для горения, подается воздуходувкой через теплообменник, где он подогревается дымо­выми газами до 300-400 °С, затем дымовые газы отсасываются дымососом и выводятся в атмосферу через дымовую трубу.
Конвертированный газ, охладившийся до 400- 450 °С в паровом котле-утилизаторе, поступает в реактор среднетемпературной конверсии оксида углерода в диоксид над железохромовым катализа­тором. После понижения температуры до 230- 260°С в котле-утилизаторе и подогревателе воды парогазовая смесь поступает в реактор низко­температурной конверсии оксида углерода над цинк-медным катализатором.
Смесь водорода, диоксида углерода и водяного пара охлаждают далее в теплообменниках до 104 °С и направляют в абсорбер на очистку горячим водным раствором карбоната калия от диоксида углерода.
Насыщенный диоксидом углерода раствор поступает из абсорбера в турбину, где его давление снижается примерно с 2,0 до 0,2-0,4 МПа, а затем в регенератор. Здесь в результате подогрева раствора в теплообменнике и снижения давления из раствора выделяется диоксид углерода и вместе с парами воды выводится в атмосферу.
Водородсодержащий газ из абсорбера, подогретый до 300 °С в теплообменнике, поступает в реактор метанирования, где непревращенный оксид и неудаленный диоксид углерода гидрируются с образованием метана. После метанирования водород охлаждается в теплообменных аппаратах до 30- 40 °С и далее в сепараторе отделяется от сконденсировавшегося водяного пара. Водород компримируют компрессором до давлений, требуемых потребителю (обычно 4-15 МПа).
Конверсия углеводородов ведется при 800- 900 °С и 2,2-2,4 МПа над никелевым катализатором. Расход природного газа составляет 1,03-1,05 м3 на 1 м3 получаемого технического водорода; расход водяного пара-от 0,60 до 0,66 м3 на 1 м3 сухого газа [3, с.1].
Себестоимость получения водорода Используя производительность и технические характеристики электролизеров, в данном разделе выполнен расчет себестоимости производства водорода с применением электролиза воды. В таблице 2 представлены производительность и технические характеристики электролизеров различных производителей.
Таблица 2 [6, с.17].
Для расчета себестоимости я решил выбрать отечественного производителя: завод "Уралхиммаш". Расчет себестоимости выполнил для завода, использующего электролизер типа ФВ-500М, как наиболее производительного.
По данным завода "Уралхиммаш" стоимость электролизера ФВ-500М приблизительно составляет 13*106 рублей. Установка электролиза приблизительно составляет 1% от общей стоимости завода по производству водорода. Таким образом, капитальные вложения (КВ) составляют:
КВ = 13*106*100/1 = 1300*106 руб.
Производительность установки ФВ-500М по водороду составляет 536 м3/час. Плотность водорода при стандартных условиях (Р=0,1013 МПа и t=20°С) составляет 0,0837 кг/м3. Переведем производительность установки (G) из м3/час в кг/час: G=536*0,0837 = 44,86 кг/час.
Расход электроэнергии на производство 1 м3 водорода по данным завода составляет 5,3 кВтч. Определим расход энергии (Э) на производство 1 кг водорода: Э = 5,3*0,0837 = 0,4436 кВтч.
Определим производительность (П) завода в год:
П=П*Т, где Т число часов в году равное 8760 (365*24=8760)
П=44,86*8760 = 392973,6 кг/год (водорода получено)
Затраты электроэнергии (Зээ) составляют:
Зээ = Э*П = 0,4436*392973,6 = 174323,09 кВтч/год.
Стоимость электроэнергии (Стэ) за год составляет: Стэ = Зээ * Тээ, где Тээ тариф на электроэнергию (руб/кВтч). Тариф взят из ценового калькулятора электрической энергии (http://www.fstrf.ru/calc) и мощности для юридических лиц по Северо-Западному Федеральному округу и составляет 0,9603 руб/кВтч. Тариф взят по Северо-Западному Федеральному округу, исходя из предположения, что завод будет построен на Северо-Западе РФ.
Стэ = 174323,09*0,9603 = 167402,46 руб/год.
Кроме того в расчете себестоимости водорода необходимо учесть эксплуатационные расходы (ЭР) на обслуживание завода, текущие и плановые ремонты оборудования, заработные платы персонала и др. Эксплуатационные расходы составляют порядка 1% от капитальных вложений:
ЭР = КВ*0,01 = 1300*106*0,01 = 13*106 руб/год;
По данным завода-изготовителя срок службы оборудования составляет 25 лет. Таким образом, завод будет работать и производить продукцию 25 лет. Все это время необходимо учитывать эксплуатационные расходы и оплачивать потребляемую электроэнергию. Поэтому себестоимость производства 1 кг водорода (СН2) составит:
Сн2 =[ КВ + (ЭР+Стэ)*25] / (П*25) = [1300*106 + (13*106+167402,46)*25] / (392973,6*25) = 1629,185*106/9,82*106 = 165,905 руб/кг,
Себестоимость 1 кг водорода, произведенного по методу электролиза, составляет 165,905 руб или 5,4 долларов США (принят курс доллара по отношению к рублю 30,7 рубль за 1 доллар).
Далее, справочно, приводится себестоимость производства водорода при использовании других способов получения (все цены приведены для США в долларах по уровню 2004 год).
В настоящее время данным способом (конверсия метана с водяным паром) производится примерно половина всего водорода. Себестоимость процесса $2-5 за килограмм водорода. В будущем возможно снижение цены до $2-2,50, включая доставку и хранение.
Ведущей разработкой высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов (ВГТР) стал проект модульного реакторного блока ГТ-МГР, разрабатываемый совместными усилиями компаний России, США, Японии.
На базе этого проекта по заказу Концерна "Росэнергоатом" выполнена концептуальная проектная проработка возможности привязки к реактору МГР производства водорода. Такой проект с ядерной энергоустановкой МГР-Т был проработан в сочетании с новым процессом производства водорода путем паровой адиабатической конверсии метана (АКМ), в котором примерно вдвое сокращается расход природного газа и около половины водорода производится из воды. Принципиальные особенности технологии АКМ в привязке к ВТГР, обеспечивают бескислородное производство водорода и его производных при относительно невысоких капитальных затратах. На базе ядерно-водородного комплекса, состоящего из 4х модульных ВТГР МГР-Т мощностью 600 МВт (тепловая) каждого может быть создано производство примерно 0.5 млн. т водорода с одновременным производством около 5 ТВт·ч электроэнергии в год [12, с.73].
Оценки технико-экономических характеристик коммерческих энергокомплексов с использованием технологии высокотемпературных реакторов показывают экономическую эффективность этой линии развития (Таблица 3):
Таблица 3. Характеристики комплексов производства водорода на базе МГР-Т (4 блока) [12, с.74]
ХарактеристикиМГР-Т с АКММГР-Т с ВТЭМГР-Т с ТХЦМощность тепловая, МВттепл600 х 4 = 2400600 х 4 = 2400600 х 4 = 2400Мощность электрическая, МВт205,5 х 4 = 822205,5 х 4 = 822181,5 х 4 = 726Производство Н2, тыс.тонн/год40021659Э/энергия, кВтч/год5302-5168Теплоэнергия, Гкал/год66882750-Себестоимость производстваВодород, дол. США/кг1,01,332,17Э/энергия, дол. США/МВтч16,0-17,0
Газификация угля
Старейший способ получения водорода. Уголь нагревают с водяным паром при температуре 800-1300 °C 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 года 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 году. 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.
Использование атомной энергии.
Использование атомной энергии для производства водорода возможно в различных процессах: химических, электролиз воды, высокотемпературный электролиз. Себестоимость процесса $2,33 за килограмм водорода.
Электролиз воды.
H2O+энергия = 2H2+O2. Обратная реакция происходит в топливном элементе. Себестоимость процесса в настоящее время $6-7 за килограмм водорода при использовании электричества из промышленной сети. В будущем возможно снижение до $4 за кг. $7-11 за килограмм водорода при использовании электричества, получаемого от ветрогенераторов. В будущем возможно снижение до $3 за кг. $10-30 за килограмм водорода при использовании солнечной энергии. В будущем возможно снижение до $3-4 за кг. Водород из биомассы.
Водород из биомассы получается термо-химическим, или биохимическим способом. При термохимическом методе биомассу нагревают без доступа кислорода до температуры 500-800 градусов (для отходов древесины), что намного ниже температуры процесса газификации угля. В результате процесса выделяется H2, CO и CH4. Современные установки производят электричество из биомассы с КПД более 30%. Себестоимость процесса в настоящее время $5-7 за килограмм водорода. В будущем возможно снижение до $1,0-3,0 [7, с.1].
Ниже приведена стоимость традиционных видов топлива, получаемых из природных, не возобновляемых источников энергии (например, нефти). В России выпускается более 40 марок, видов и сортов топлив для двигателей общего назначения, основой которых является дизельная фракция первичной переработки нефти и газового конденсата.
Таблица 4 [9, с.4]
НаименованиеСредняя оптовая цена, руб*/тонну/кгСредняя оптовая цена, дол/тонну/кгБензин автомобильный Нормаль-8013400/13,4436,48/0,436Фракция дизельная17500/17,5570/0,57Топливо печное бытовое ТУ8000/8,0260,6/0,26Топочный мазут М-403000/3,097,7/0,0977*Цены указаны по состоянию на 1.12.2005 г.
Таким образом, стоимость традиционного топлива практически в 4 и более раз ниже чем стоимость производства водорода.
Инновационный способ получения водорода Группа специалистов из университета Дьюка предложили альтернативный способ использования фотоэлектрических элементов на крышах жилых зданий. Ими была разработана и протестирована уникальная гибридная система, которая в перспективе может увеличить производство экологически чистой энергии из солнечного света.
Ученые под руководством Нико Хоца, инженера по образованию, не стали совершенствовать уже существующую технологию и разработали гибридную схему солнечных батарей, в которых солнечное излучение нагревает смесь метанола и воды в специальных трубах. Данная смесь, проходя через две каталитические реакции, выделяет чистый водород, который можно использовать в топливных элементах.
Эта система обладает несколькими значительными преимуществами перед традиционными солнечными батареями. Главное преимущество таких батарей заключается в том, что водородное топливо может продолжительное время храниться в резервуарах без потерь. Кроме того, водородное топливо является универсальным источником энергии и может использоваться в перспективе, например, для заправки автомобиля. Не менее важным достоинством водородных топливных элементов является их низкий вес и малый размер, в сравнении с используемыми аккумуляторными батареями. Однако, очевидным минусом предложенной инновационной системы является ее высокая стоимость - от 8000 американских долларов. Кроме того, в бытовые приборы водород не зальешь, поэтому придется раскошелиться и на генератор, производящий электроэнергию из водородного топлива.
По словам Ника Хоца, проект не может называться эксплуатационной моделью, поскольку все еще находится в статусе концепта. Тем не менее, сконструированная в лабораторных условиях система отлично функционирует и вырабатывает водородное топливо, которое направляется в генератор для выработки энергии. В настоящее время специалисты работают над усовершенствованием и тестированием системы, а также ищут инвесторов для реализации идеи в промышленных масштабах.
Примечательно, что предложенная система обладает значительно более высоким коэффициентом полезного действия: 28,% в летнее время и 18,5% в зимнее, против 15% и 5% соответственно для лучших экземпляров используемых в настоящее время фотоэлектрических элементов.
Помимо прочего ученые работают над новым поколением подобных систем, которые смогли бы впитывать одновременно и тепло и свет солнечного излучения. Уже проводятся лабораторные испытания уникальных батарей, способны поглощать до 95% падающего на их поверхность света и нагревать жидкость под давлением до двух сотен градусов, что звучит весьма впечатляюще. Вместе с тем разрабатываются альтернативные катализаторы, способные увеличить выработку водородного топлива [10, с.3].
Применение новых катализаторов для получения водорода
Солнечный свет - это колоссальный неисчерпаемый энергетический источник, использовать который с высокой эффективностью пока умеет только природа, ярким примером чему служит процесс фотосинтеза. Не так давно ученые из Массачусетского технологического университета (Кембридж), приблизились к производству потенциально экономически не затратных и практичных искусственных аналогов листьев, которые осуществляют расщепление воды на составляющие - кислород и водород. Для человечества это сулит ни много ни мало неисчерпаемый источник энергии, производство которой будет легко и повсеместно доступно.
Изобретенное устройство состоит из кремниевой пластинки размером с игральную карту, которая покрывается с двух сторон слоями катализаторов. Образованная энергия при поглощении кремнием солнечного света, передается катализаторам, которые ее используют для выделения из воды молекул кислорода и водорода.
Получаемый водород представляет собой полностью готовое топливо, использовать которое можно в специальных топливных элементах для генерации энергии, а также сжигать. Примечательно, что в обоих случаях выделение энергии происходит без каких-либо вредных выбросов, ведь отработанное водородное топливо представляет собой не что иное, как обыкновенную воду. Именно поэтому подобное устройство теоретически может стать источником доступной и чистой с экологической точки зрения энергии, производство которой ограничивается использованием воды и солнечного света.
Сама идея расщеплять воду при помощи полупроводника не нова. Более десятка лет назад Джон Тернер и его группа из Национальной лаборатории возобновляемых энергетических источников (Голден, штат Колорадо) произвели чип из арсенида галлия, который способен был осуществлять расщепление воды и при этом сохранял порядка двенадцати процентов энергии света Солнца в виде водорода. Однако используемый материал был слишком дорог и редок, кроме того при постоянном контакте с водой устройство ржавело, отчего быстро выходило из строя.
Для того, чтобы расщепить воду на ее составные части - кислород и водород, требуется одновременно осуществить две химических реакции. Первым шагом в этом сложном процессе является удаление из атомов водорода электронов. Вследствие этого процесса молекула воды подвергается распаду на заряженные ионы водорода и атомы кислорода с отрицательным зарядом. После этого один из используемых катализаторов должен осуществить связь между кислородными атомами, для того, чтобы получить О2. В это же время другой катализатор воздействует на атомы водорода и объединяет их в Н2 молекулу.
Три года тому химик из Массачусетского технологического университета, Дэниел Носер, со своей командой, нашел частичное решение этой проблемы, используя в качестве катализатора объединения атомов кислорода специальный материал на основе фосфора и кобальта. Уникальность такого катализатора заключается в том, что он способен растворяться, а также преобразовываться во время каталитического цикла. По словам ученого это является огромным преимуществом перед другими катализаторами. Тем не менее, катализатор Носера, получивший название электролизёр, не был достаточно защищен от воздействия коррозии. Кроме того, имелись другие препятствия для использования данного метода для объединения водородных атомов. Для этого процесса лучше всего подошла бы платина, но ее использование экономически нецелесообразно.
В две тысячи девятом году Дэниел Носер вместе с коллегами создали Sun Catalytix, компанию, основной задачей которой является извлечение прибыли из технологии и производства электролизеров. Промышленный индийский гигант Tata инвестировала дополнительные средства в перспективную компанию. Кроме того, ученые получили четыре миллионов американских долларов от управления по перспективным научным исследованиям для создания катализаторов второго поколения.
Результатом такого масштабного вливания средств стала разработка дешевого катализатора, в изготовлении которого используются одновременно три различных металла, исключающих необходимость использования платины. Наименования составляющих компонентов на данный момент времени неизвестны, так как проект еще официально не опубликован и находится на стадии патентирования.
Из слов Носера стало ясно, что каждый используемый в устройстве металл имеет свою функцию. Первый осуществляет соединения водородных атомов в Н2 молекулу. Второй предназначается для удержания других металлов в необходимом сплаве. После того, как сплав наносят на поверхность, второй металл растворяется в результате взаимодействия с водой, оставляя при этом два других металла в недрах пористого материала. Это обеспечивает увеличенную площадь поверхности для осуществления водородной реакции.
Благодаря содержанию в металлах фосфат-ионов, в обычных условиях такая реакция быстро сходит на нет. Для того, чтобы вывести фосфат с поверхности используемого материла, команда ученых и внедрила третий метал, который обеспечивает непрерывную работу устройства.
Для того, чтобы создать искусственный лист, команда Массачусетского технологического университета нанесла катализаторы на кремниевую пластинку с противоположных сторон. Поглощая солнечный свет, кремний осуществляет передачу активных электронов с отрицательным зарядом и электронных вакансий с плюс зарядом к катализаторам на противоположных сторонах, для того, чтобы сформировать молекулы О2 и Н2.
Солнечный коллектор, вне всяких сомнений, представляет собой нечто большее, нежели сплошная пластина кремния. Использование сложной структуры коллектора не что иное как необходимость, ведь минимальное напряжение, необходимое для осуществления реакции расщепления воды составляет около 1.23 вольт, а один элемент из кремния выдает всего 0,5 вольта напряжения.
Именно поэтому ученые из массачусетского технологического университета использовали в своем устройстве доступный и оправданный с коммерческой точки зрения материал, который состоит из трех слоев элементов на основе кремния, что обеспечило напряжение на необходимом уровне для осуществления реакции расщепления воды. Когда устройство помещено в прозрачную емкость и находится под действием солнечного света, оно генерирует постоянный поток водорода и кислорода, который восходит к поверхности. Согласно заявлениям ученых, установка трансформирует 5.5 процентов энергии солнечного света в чистый водород. Исследователи намерены в ближайшее время повысить данный показатель и увеличить срок эксплуатации устройства.
Помимо прочего, новый катализатор показал высокую стабильность. Команда ученых в течение целой недели подвергали устройство текстам, используя речную воду, и за время испытаний не отметила какой-либо деградации используемых элементов и снижения их эффективности. Ученые намерены выяснить, способно ли устройство так же стабильно работать в условиях соленой морской воды, ведь это могло бы в значительной степени снизить конечную стоимость получаемого водородного топлива. Представители компании заявляют, что сегодня технология подвергается испытаниям и постоянно совершенствуется, а серийное производство станет возможным только через три года. Игра стоит свеч, ведь искусственные листья способны свести на нет существующий в мире энергетический кризис и обеспечить развивающиеся страны дешевой энергией [10, с.4].
Выводы
1. Водород имеет перспективу широкого использования как энергоносителя по ряду причин. Он является одним из самым распространенных элементов на планете, экологически безопасен и обладает наибольшей теплотой сгорания по сравнению с традиционными видами топлива;
2. В настоящее время существует много способов промышленного получения водорода, однако большинство этих способов не являются экологически чистыми;
3. Себестоимость получения водорода в несколько раз (4 и более раз) выше, чем себестоимость производства традиционных видов топлива;
4. Разрабатываются экологически чистые способы получения водорода с одновременным сокращением затрат на его получение;
5. Общий вывод: на сегодняшний день невозможно отказаться от традиционных видов топлива.
Литература
1. Н.В. Коровин Электро-химическая энергетика - Энергоатомиздат, 1991 г. с. 150-160.
2. Химическая энциклопедия - Издательство "Советская энциклопедия", 1988 г.
3. Нефтехимические технологии "Э-хим" (http://e-him.ru/) "Производство водорода методом паровой каталитической каталитической конверсии углеводородов".
4. Энерго Ресурс (интернет-издание об энергетике http://energetyka.com.ua/ ). 5. Холдинг "ЭНЕРГОАВАНГАРД" (http://eavangard-gas.ru/). Статья "Водород" 6. Объединение независимых экспертов в области минеральных ресурсов, металлургии и химической промышленности - ИнфоМайн 2-е изд. Статья "Обзор рынка водорода в России".
7. Энциклопедия альтернативной энергетики статья "Водородная энергетика: состояние и перспективы".
8. А.Я. Столяревский "Эффективность технологии производства водорода в переходный период".
9. А.Н. Петров "Производство нефтепродуктов" (бизнес-план Мини-НПЗ РЕОТЕК) .
10. ENERGYCRAFT (интернет-издание http://energycraft.ru/). Статьи: "Нефть или водород", "Водородные топливные элементы: немного истории", "Домашняя водородная электростанция - реальность?", "Водородное топливо из искусственных листьев".
11. СнабТехГаз (интернет-портал http://www.gases.ru/). Статья "Получение водорода".
12. А.Я. Столяревский "Производство альтернативного топлива на основе ядерных энергоисточников" (Российский химический журнал российского химического общества им.Д.И. Менделеева, 2008 г., №6)
Автор
doveva
Документ
Категория
Работа
Просмотров
312
Размер файла
3 313 Кб
Теги
голубевва_работа
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа