close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Презентация научной работы (Эффективность водорода)

код для вставки
1
Март 2013
Эффективность использования водорода как источника возобновляемой энергии
2
Перспективы использования водорода
В
настоящее
время
большую
актуальность
получили
вопросы
поисков
экологически
чистого
энергоносителя,
высокоэффективного
и
дешевого
.
Это
вещество
должно
быть
неисчерпаемым
и
легкодоступным
.
Претендентом
на
место
универсального
источника
энергии
является
водород
.
Перспектив
широкого
использования
водорода,
как
энергоносителя,
несколько
:
один
из
наиболее
распространенных
элементов
на
Земле
;
может
быть
получен
из
воды,
запасы
которой
неограниченны
;
не
токсичен,
т
.
е
экологически
безопасен
;
водород
имеет
по
сравнению
с
другими
видами
топлив
наиболее
высокую
теплоту
сгорания
на
единицу
массы
;
водород
и
получаемые
на
его
основе
виды
топлива
можно
применять
в
автомобилях
и
самолетах
при
незначительных
переделках
их
двигателей
;
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
.
)
.
3
Сравнение теплофизических свойств водорода и бензина
Характеристика
Водород
Бензин
Температура
кипения,
°
С
Минус 252,7
Плюс 30 –
плюс 200
Плотность
в
жидком
состоянии,
кг/м
3
71,0
750,0
Низшая
удельная
теплота
сгорания,
МДж/кг
120,7
42,0
Пределы
воспламенения
в
воздухе
(объемные
доли),
%
4,0 –
74,2
0,79 –
5,16
Минимальная
энергия
возгорания,
МДж
0,02
0,25
4
История получения водорода
1838
г
.
Christian
F
riedrich
описал
потенциал
использования
водорода
.
1839
г
.
William
Robert
Grove
создал
прототип
работоспособной
водородной
батареи
.
20
-
ые
г
.
г
.
ХХ
века
.
Создание
твердооксидных
топливных
элементов
.
1932
год
инженер
Фрэнсис
Бэкон
начал
работать
по
исследованию
топливных
элементов
на
основе
водорода
.
Конец
ХХ
века
.
Создание
автомобильными
концернами
Honda,
Toyota,
Mazda,
Ford
и
General
Motors
двигателей
внутреннего
сгорания,
работающих
на
водороде
.
И
как
следствие,
создание
автомобилей
с
комбинированной
силовой
установкой
(водородный
двигатель
+
электродвигатель)
→
↓
1959
г
.
ХХ
века
.
Создание
водородного
топливного
элемента,
который
выдавал
5
кВт
энергии
.
Создание
первого
трактора,
работающего
на
водороде
(мощностью
20
л
.
с
.
)
.
60
-
ые
г
.
г
.
ХХ
века
применение
водородных
топливных
элементов
в
космическом
аппарате
Apollo
.
←
5
Способы получения водорода
В
настоящее
время
существует
множество
методов
лабораторного
и
промышленного
производства
водорода
.
В
промышленности
:
электролиз
водных
растворов
солей
(
2
NaCl
+
2
H
2
O
→
H
2
↑
+
2
NaOH
+
Cl
2
)
;
Пропускание
паров
воды
над
раскаленным
коксом
при
температуре
около
1000
°
C
(H
2
O
+
C
=
H
2
↑
+
CO↑)
;
Из
природного
газа
.
Конверсия
с
водяным
паром
(CH
4
+
H
2
O
=
CO↑
+
3
H
2
↑)
;
Каталитическое
окисление
кислородом
(
2
CH
4
+
O
2
=
2
CO↑
+
4
H
2
↑)
В
лаборатории
:
Действие
разбавленных
кислот
на
металлы
.
Для
проведения
такой
реакции
чаще
всего
используют
цинк
и
разбавленную
соляную
кислоту
(Zn
+
2
HCl
→
ZnCl
2
+
H
2
↑)
;
Взаимодействие
кальция
с
водой
(Ca
+
2
H
2
O
→
Ca(OH)
2
+
H
2
↑)
;
Гидролиз
гидридов
(NaH
+
H
2
O
→
NaOH
+
H
2
↑)
;
Действие
щелочей
на
цинк
или
алюминий
(
2
Al
+
2
NaOH
+
6
H
2
O
→
2
Na[Al(OH)
4
]
+
3
H
2
↑)
;
С
помощью
электролиза
.
При
электролизе
водных
растворов
щелочей
или
кислот
на
катоде
происходит
выделение
водорода,
например
(
2
H
3
O+
+
2
e
-
→
H
2
↑
+
2
H
2
O)
6
Технические характеристики электролизеров
7
Мой расчет себестоимости производства водорода на основе электролиза воды на примере электролизера ФВ
-
500М (Уралхиммаш)
По
данным
завода
“Уралхиммаш”
стоимость
электролизера
ФВ
-
500
М
приблизительно
равна
13
*
10
6
рублей
.
Установка
электролиза
приблизительно
составляет
1
%
от
общей
стоимости
завода
по
производству
водорода
.
Таким
образом,
капитальные
вложения
(КВ)
составляют
:
КВ
=
13
*
10
6
*
100
/
1
=
1300
*
10
6
руб
.
Производительность
установки
ФВ
-
500
М
по
водороду
составляет
536
м
3
/час
.
Плотность
водорода
при
стандартных
условиях
(Р=
0
,
1013
МПа
и
t
=
20
°
С)
составляет
0
,
0837
кг/м
3
.
Переведем
производительность
установки
(
G
)
из
м
3
/час
в
кг/час
:
G
=
536
*
0
,
0837
=
44
,
86
кг/час
.
Расход
электроэнергии
на
производство
1
м
3
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
.
8
Определим
производительность
(П)
завода
в
год
.
П=П*Т,
где
Т
число
часов
в
году
равное
8760
часов
(
365
*
24
=
8760
)
:
П=
44
,
86
*
8760
=
392973
,
6
кг/год
(водорода
получено)
.
Затраты
электроэнергии
(Зээ)
:
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
принят
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
.
9
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
*
10
6
*
0
,
01
=
13
*
10
6
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
(СН
2
)
составит
:
Сн
2
=[КВ
+
(ЭР+Стэ)*
25
]
/
(П*
25
)
=
[
1300
*
10
6
+
(
13
*
10
6
+
167402
,
46
)*
25
]
/
(
392973
,
6
*
25
)
=
1629
,
185
*
106
/
9
,
82
*
10
6
=
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)
.
10
Себестоимость производства водорода при использовании других способов получения (в ценах 2004 года)
Далее,
справочно,
приводится
себестоимость
производства
водорода
при
использовании
других
способов
получения
.
В
настоящее
время
способом
конверсии
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
;
Использование
атомной
энергии
для
производства
водорода
возможно
в
различных
процессах
:
химический,
электролиз
воды,
высокотемпературный
электролиз
.
Себестоимость
процесса
$
2
,
33
за
килограмм
водорода
;
Электролиз
воды
.
H
2
O+энергия
=
2
H
2
+O
2
.
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
(отходы
древесины)
.
Себестоимость
процесса
в
настоящее
время
$
5
-
7
за
килограмм
водорода
.
В
будущем
возможно
снижение
до
$
1
,
0
-
3
,
0
.
11
Стоимость традиционных видов топлива, получаемых из нефти
Наименование
Средняя оптовая цена, руб*/тонну/кг
Средняя оптовая цена, дол/тонну/кг
Бензин
автомобильный
Нормаль
-
80
13400/13,4
436,48/0,436
Фракция
дизельная
17500/17,5
570/0,57
Топливо
печное
бытовое
ТУ
8000/8,0
260,6/0,26
Топочный
мазут
М
-
40
3000/3,0
97,7/0,0977
*Цены
указаны
по
состоянию
на
1
.
12
.
2005
г
.
12
Инновационный способ получения водорода
Ученые
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
следующим
преимуществом
:
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
.
М
инусом
предложенной
инновационной
системы
является
ее
высокая
стоимость
–
от
8000
американских
долларов
.
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
.
13
Применение новых катализаторов для получения водорода
Ученые
из
Массачусетского
технологического
университета
изобрели
устройство,
состоящее
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
выделение
энергии
происходит
без
каких
-
либо
вредных
выбросов,
ведь
отработанное
водородное
топливо
представляет
собой
не
что
иное,
как
обыкновенную
воду
.
Однако
катализатор
при
постоянном
воздействии
с
водой
быстро
выходил
из
строя
.
Поэтому
возникла
необходимость
поиска
и
создания
новых
катализаторов
.
14
В
конце
90
-
х
годов
20
века
Джон
Тернер
и
его
группа
из
Национальной
лаборатории
возобновляемых
энергетических
источников
произвели
катализатор
из
арсенида
галлия,
который
был
способен
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
.
Спустя
несколько
лет
химик
из
Массачусетского
технологического
университета,
Дэниел
Носер,
использовал
в
качестве
катализатора
специальный
материал
на
основе
фосфора
и
кобальта
.
Тем
не
менее,
катализатор
Носера,
получивший
название
электролизѐр,
не
был
достаточно
защищен
от
воздействия
коррозии
.
В
две
тысячи
девятом
году
Дэниел
Носер
вместе
с
коллегами
разработал
дешевый
катализатор,
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
.
15
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
.
Автор
doveva
Документ
Категория
Работа
Просмотров
518
Размер файла
1 524 Кб
Теги
эффективность, водорода, работа, научно, презентация
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа