Структура курса
реклама
Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики Структура курса Водород и методы его производства (6-7 лекций) Хранение и транспортировка водорода (3 – 4 лекции) Системы энергообеспечения на топливных элементах. (8-9 лекций) Применение водорода на транспорте (2- 3 лекции) Перспективы развития ВЭ 1 Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики Лекция 1 Введение Энергетический баланс Изменение климата Необходимость модернизации современной структуры энергопроизводства и энергопотребления. Структура водородной энергетики Методы производства водорода Транспортировка и хранение водорода Водородная безопасность 2 Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики Из доклада ООН 1987: Концепция устойчивого развития «Процесс развития общества, городов ландшафтов, промышленности и т.д., который обеспечивает потребности существующего поколения без ограничения возможности следующих поколений также обеспечить свои потребности.» «При сжигании 1 кг топлива производится 3,2 кг углекислого газа и 1 кг воды. Добыча и сжигание ископаемых топлив является основной угрозой для окружающей среды из-за разрушения ландшафтов, смога, кислотных дождей и изменения состава атмосферы. Изменения окружающей среды и атмосферы могут вскоре изменить погоду и характер климата, породив гигантские проблемы для всех обитателей Земли.» 3 Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики Вклад различных видов энергоносителей в мировую энергетику возобновляемые ГЭС ядерная газ нефть уголь 4 Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики Мировое энергопотребление в 2000 г. Мир млн т.н.э. США % ЕС-15 % Япония % Россия % Китай* % Индия % Все виды топлива 9977,7 23,1 14,9 5,3 6,2 11,4 5,2 Твердое ископаемое топливо 2336,0 23,2 9,4 4,1 4,7 28,1 7,5 Нефть 3482,7 25,6 17,2 7,5 3,7 6,4 3,2 Природный газ 2112,4 26,0 16,3 3,1 15,1 1,3 1,1 Атомное топливо 680,4 30,6 33,8 12,3 5,1 0,6 0,6 ВИЭ 1367,1 8,0 6,7 1,2 1,5 17,1 15,2 Гидро 227,4 9,6 12,8 3,3 6,2 8,4 2,8 Геотермальн ая 43,5 30,1 7,9 6,6 0,1 0,0 0,0 Ветер/солнце 7,2 27,4 37,8 12,6 0,0 0,0 1,9 1089,0 6,7 5,2 0,5 0,6 19,7 18,5 Биомасса Source: ЕС комиссия, Организация по экономическому сотрудничеству и развитию *Включая Гонконг 5 Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики Проблема №1: Ситуация меняется быстро Население мира растет: 1 миллиард в 1804 году 2 миллиарда в 1927 году (123 года) 3 миллиарда в 1960 году (33 года) 4 миллиарда в 1974 году (14 лет) 5 миллиардов в 1987 году (13 лет) 6 миллиардов в 1999 году (12 лет) Прогнозы на дальнейший рост населения 7 миллиардов в 2013 году (14 лет) 8 миллиардов в 2028 году (15 лет) 9 миллиардов в 2054 году (26 лет 6 Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики В реальности добывать ископаемое топливо станет экономически невыгодно намного раньше, чем оно закончится. Ископаемые источники энергии конечны и будут исчерпаны в недалеком будущем. Сохранение человеческого общества в его современном виде станет невозможным, если не будут найдены альтернативные источники энергии. В идеале эти новые энергетические системы должны иметь характеристики существующих «углеводородных» систем: иметь высокую плотность энергии, быть достаточно безопасными при хранении, портативными, но не иметь таких негативных свойств как угроза существования жизни на планете. 7 Технологии производства элементов водородной энергетики Млрд. баррелей в год Кафедра ВЭПТ Прогнозы динамики добычи нефти по различным сценариям 8 Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики Проблема №2: «Парниковый период» Изменение глобальной средней температуры между последним ледниковым периодом и современностью составляет около 1°C. Компьютерные модели изменения температуры за счет сжигания ископаемых топлив дают величину потепления до 10-12°C. Уголь: 340 г СО2/кВт*ч Газ: 190 г СО2/кВт*ч 9 Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики В 18 столетии концентрация СО2 составляла 270 ppm и была стабильной миллионы лет. В 20-м столетии она увеличилась до 370 ppm, в 2007 г. Достигла 383 ppm. Моделирование климата предсказывает, что увеличение концентрации до 550 ppm приведет к изменениям климата, по масштабам, сопоставимым с ледниковым периодом. Т.е. можно будет говорить о «парниковом периоде». Человек, как вид, скорее всего выживет, как и в ледниковый период, но человеческое общество в его современном виде вряд ли. Эмиссия СО2 увеличилась с 1990 по 2004 г. на 24.4%. Если экстраполировать текущую ситуацию, принимая во внимание только эмиссию от автомобилей, то концентрация 550 ppm достигается легко. А в реальности может быть и больше, особенно, когда начнет оттаивать тундра. Помимо СО2 есть другие виды загрязнений при сжигании ископаемых топлив: кадмий, ртуть, мышьяк, оксиды азота, серы и т.д. 10 Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики Автомобили – основной источник выбросов СО2 Динамика количества автомобилей в мире 11 Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики Проблема №3: Нефтяные войны (1)Нации всегда вели, ведут, и будут вести борьбу за обладание ресурсами (2) Общество не имеет желания возвращаться к стилю жизни доиндустриального мира. 12 Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики 2008 г 13 Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики Что делать? •Ученые, изучающие изменения климата, утверждают, что для стабилизации содержания СО2 в атмосфере необходимо сократить выбросы на 55-85 % •Чтобы исключить антропогенные выбросы СО2 нужны неуглеродные источники энергии. •Решение проблемы замещения УВ источников энергии на не УВ является императивом ближайших поколений. • Водород является перспективным кандидатом на должность заместителя УВ •В конечном итоге источником энергии является Солнце 3 x 1024 Дж/г, что в 10000 раз превышает потребности. 1. Количество солнечной энергии, падающей на Землю в год. 2. Современное использование солнечной энергии. 3. Запасы природного газа. 4. Запасы угля. 5. Нефтяные запасы. 6. Запасы урана. 7. Мировое потребление энергии за год. 14 Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики Водород: история и перспективы Генри КАВЕНДИШ 10 октября 1731 г. – 24 февраля 1810 г «Наступит день, когда весь уголь будет сожжен» Жюль Верн «Таинственный остров» Глава «Топливо будущего» Показал, что существуют разные типы воздуха «негорючий воздух» - СО2 и «горючий воздух» водород. Кавендиш получал водород в реакции цинка с хлорной кислотой. Показал, что водород намного легче воздуха, первый получил воду из водорода и кислорода в электрической искре (1775). Жак Александр Чарльз 1783 Первый воздушный шарик, наполненный водородом, «Чарльер» поднялся на высоту 3 км Н2 Лавуазье (1788) водород = порождающий воду 15 Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики 1780 – впервые получен «водяной газ» - 50% водорода, 40% СО + СО2 + N2 1800 – 1950 «городской газ» 50% Н2+ 30% СН4 + 6% CO широко использовался для освещения улиц и энергоснабжения В 1960-х годах вытеснен природным газом. 1890-е Константин Циолковский предложил использовать водород как топливо для космических кораблей 1911 – Карл Бош (Bosch) разработал процесс получения аммиака (NH3) и аммиачных удобрений, организовал производство синтетических удобрений. 16 Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики 1920-е Рудольф Эррен Rudolf Erren показал возможность перевода двигателя внутреннего сгорания на водород «Водородный лейтенант» Борис Шелищ 1941 17 Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики 1950 Акира Митсуи – производство водорода с помощью микроорганизмов 1959 Френсис Бэкон – первый практический водородно – воздушный топливный элемент мощностью 5 кВт для питания сварочного аппарата. 1960-е Предложено использовать солнечную энергию для разложения воды с последующим использованием водорода и кислорода в ТЭ В течении 20-го века использование водорода расширялось: производство аммиака, метанола, удобрений, стекла, очистки металлов, витаминов, косметики, полупроводников, мыла, арахисового масла и ракетного топлива. Начало 1970-х – появился термин «водородная экономика» Конец 20-го – начало 21 века: быстрое увеличение производства водорода, разработка водородных автомобилей, ТЭ. Исландия заявила, что к 2030 г. Перейдет к водородной экономике. 1990 – первая в мире установка по производству водорода с помощью солнечной энергии 1994 Даймлер Бенц –первый NECA I (New Electric CAR) – первый автомобиль с ТЭ 1999 – первые в Европе станции заправки водородом (Гамбург) 2000 Ballard Power systems - первый готовый к производству ТПТЭ для автомобилей 2004 – первая подводная лодка на ТЭ. 18 Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики Возобновляемые источники энергии и водород •Водород – это носитель энергии, а не источник. •Готового водорода в природе нет, но его можно получить с помощью любого источника энергии: ископаемые топлива возобновляемые источники Ядерная энергия •Проблема энергии для человечества решится только если мы научимся удовлетворять свои потребности в энергии за счет возобновляемых источников: Солнце, ветер, океанские течения, приливы, биомасса и т.д. • Принципиально возобновляемым источником энергии является Солнце. Солнечную энергию можно преобразовать в электричество с помощью солнечных элементов, или в тепловую с помощью адсорберов. • Поступление энергии от Солнца на Землю составляет 3х1024 Дж/г, а потребление человечеством примерно в 10 тыс. раз меньше. •Покрытие 0.1% земной поверхности солнечными элементами с эффективностью 10% решило бы проблему энергоснабжения. Но для производства этих солнечных элементов нужно потратить энергию, которая получается из УВ источников, поэтому это производство будет сопровождаться эмиссией СО2. •Кремниевым СЭ потребуется три года работы, чтобы скомпенсировать эмиссию СО2, , который был произведен в процессе производства СЭ. 19 Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики Потенциальные источники возобновляемой энергии: •Утилизация биомассы : ферментация с получением водорода, производство метилового эфира из сои (биодизельное топливо). Биодизель удобен, т.к. позволяет использовать существующую инфраструктуру и обычные двигатели • Энергия ветра – наиболее экономически эффективный источник энергии. Энергия, запасаемая ветрами пропорциональна кубу скорости воздуха. При этом земля под ветряными установками может использоваться для сельского хозяйства, установки СЭ. • Гидроэнергия рек широко используется во всем мире, но практически все ресурсы уже использованы (кроме малой гидроэнергетики). • Энергия океана: разница температур слоев воды, приливы, энергия волн - трудно извлечь. •Геотермальная энергия: извлечение перегретого пара с глубин до 1500 м. Широко используется в Исландии, США (Сан Хосе 850 МВт). Энергия отбирается быстрее, чем подводится внутри Земли. Через несколько лет приходится бурить новые скважины. 20 Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики Проблема: •Возможность получения энергии из ВИЭ меняется в пространстве и времени. Ее может не быть, когда она нужна. Нужны промежуточные носители, накопители энергии • ВИЭ будут полезны, если с их помощью можно получать электрическую, или химическую формы энергии. • Возможные накопители энергии: Н2, батареи, маховик, сверхпроводящие магнитные накопители, электрохимические конденсаторы, закачанная вода, сжатые газы. •ВИЭ находятся в одном месте, а потребить энергию нужно в другом: нужны системы доставки энергии, поэтому носитель должен быть портативным. Водород вполне подходящий накопитель, в котором может быть запасена энергия ВИЭ. •Стационарные потребители могут использовать топливо в любом физическом состоянии (твердом, жидком, или газообразном). •Для транспорта топливо должно быть удобным, быстро заправляемым. • В настоящее время ни один из источников энергии (термоядерная, ядерная, солнечная, геотермальная и т.д) за исключением ископаемых топлив, не может напрямую использоваться как топливо. •Эти первичные источники должны быть конвертированы в в носители энергии, удобные для использования. •Кандидаты на эту роль: метан, метанол, этанол, водород. Критерии для выбора топлива для транспорта будущего: эффективность, экологическая чистота, безопасность, экономичность. •Нужно придумать, как перейти от современных УВ топлив в будущим возобновляемым без катаклизмов. Это топливо должно быть экономически выгодным в производстве, легко транспортируемым и хранимым, возобновляемым и не дающим загрязнений, а если возможно, и более эффективным, чем существующие топлива. •Водород подходит на эту роль по всем статьям, но есть много нерешенных проблем. 21 Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики Промежуточный накопитель энергии: водород, или электричество? В пользу водорода как универсального энергоносителя: 1.Сырьем для получения водорода может быть вода, а для получения искусственных углеводородов — еще и уголь, углекислый газ или природные карбонаты, т. е. запасы сырья практически не ограничены. 2.При сжигании водорода или искусственных топлив, полученных на его основе, образуется значительно меньше вредных веществ и требуются значительно меньшие затраты на мероприятия по охране окружающей среды, чем при сжигании природных жидких и газообразных топлив, в особенности сернистых. 3.Полученные топлива сравнительно легко транспортировать, хранить и аккумулировать. 4.Водород и искусственные топлива на его основе (например, метанол) могут использоваться в существующих автомобильных и авиационных двигателях при их относительно небольших переделках. 5.Водород широко используется в современной химии, нефтехимии, а в меньших масштабах — в металлургии, при металлообработке, в пищевой и других отраслях промышленности, и потребность в нем непрерывно возрастает. Не в пользу водорода: Он в 8 раз легче природного газа, Его объемная теплота сгорания меньше, чем у метана, в 3,3 раза. Водород более взрывоопасен, он образует с воздухом взрывоопасные смеси в значительно большем диапазоне концентраций, чем природный газ. Его температура ожижения при атмосферном давлении (20 К) существенно ниже, чем у природного газа (у метана— 108 К). 22 Он дорогой! Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики Электричество •Трудно хранить •Потери в передающих электрических сетях 8%; • Хранение в аккумуляторах: Снижение запасаемой энергии Срок службы 3 – 5 лет •Лучшие аккумуляторы (бериллий – воздушные) могут хранить 24 МДж/кг реагента •Нельзя транспортировать «частями» •Нельзя использовать напрямую как источник энергии для ТС Водород •Хранить легко •Затраты на прокачку по трубопроводам 12%. •накопители водорода могут работать долго •В водороде хранится 120 МДж/кг •Можно транспортировать «частями» •Можно напрямую использовать в ТС •нужны дополнительные шаги: электролиз (минус 10 – 15%), обратное преобразование в электричество (минус 30 – 40%) Хранение водорода с последующим использованием для генерации электричества дает эффективность 45 – 55 %, по сравнению с 92% эффективности использования электричества 23 Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики Водород как топливо •Топливом может быть все, что горит. Вопрос в содержании энергии, и не будут ли продукты горения ядовитыми. •Критерии качества потенциального топлива: энергия на кг, возможность транспортировки, нетоксичность, при сжигании на воздухе производить только газы, должно производиться из легкодоступных элементов и с низкой стоимостью, возможность использовать в существующем оборудовании. •Водород, в принципе удовлетворяет всем требованиям •Сжигание водорода дает только воду •Энергозапас 142 МДж/кг при сжигании •Из загрязнений – только немного NOx •Транспортные средства могут переоборудоваться на водородное топливо • Водород есть везде (в составе воды) •+ _ •В газообразном состоянии плотность 0,09 г/л, в жидком 70 г/л (у бензина 750 г/л) •У Водорода энергозапас (Дж/кг) в 3 раза больше, чем у бензина, в 7, чем у угля •Но объемный энергозапас (Дж/м3) – в 3 раза хуже, чем у метана •Водород сжижается при 20 К • Диапазон воспламенения смеси с кислородом 4-75% •Самовоспламенение при 576 С 24 Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики Водородная Экономика •ВЭ становится синонимом устойчивого развития: вся энергетическая система мира строится на водороде и его дополнении – электричестве. • Для успеха ВЭ Н2 должен генерироваться из возобновляемых источников (воды) с помощью ВИЭ. •Н2 должен заменить ископаемые УВ и как топливо и как энергоноситель и как химическое сырье. • Успех ВЭ будет определяться решением проблем производства, транспортировки, хранения, создания инфраструктуры. • Теоретически водород и электричество закрывают потребности человечества в энергии. •В ВЭ Н2 и электричество должны будут производиться из самых разных источников энергии и использоваться везде, где сейчас применяются ископаемые УВ. 25 Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики Требования ВЭ: • Низкая стоимость производства водорода из возобновляемых источников энергии • Использование водорода в таких энергетических системах, которые обеспечивают высокую эффективность утилизации запасенной энергии (например ТЭ, гибридные автомобили) • Безопасность использования, 26 Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики Структура водородной энергетики Возобновляемые источники энергии Не возобновляемые источники энергии Производство водорода Утилизация оксида углерода Транспортировка и хранение водорода Использование водорода 27 Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики Возможные способы производства водорода 1. Водород из ископаемых УВ • Около 96% Н2 производится из ископаемых УВ (газ – 48%, нефть – 38%, уголь – 18%) • 4% - электролизом воды • Чистота Н2 из УГ – 98%, но можно очистить до 99,99% (ТПТЭ). • Проще и дешевле производить из метана в процессе паровой конверсии Частичная конверсия конверсия гомологов метана Реакция получения синтезгаза На катализаторе, Т=700–900 С Р=1 – 3 МПа CH4+H2O → CO + 3H2 ΔH = 206.1 кДж/моль при 398 K (эндотерм.) Полная реакция Реакция сдвига На катализаторе 200 – 400 С CO + H2O → CO2 + H2 ΔH = -41.1 кДж/моль при 298K (Экзотермич.) CH4 + 2H2O → 4H2 + CO2 ΔH = 165 кДж/моль 28 Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики Парокислородная конверсия (автотермический риформинг) Можно использовать для конверсии всех УВ CnHm + n/2 O2 → nCO + m/2 H2 (экзотермическая) CnHm + nH2O → nCO + (n+m/2) H2 (эндотермическая) + реакция сдвига CO + H2O → CO2 + H2 Температуры: ~ 1150°C для тяжелых УВ ~ 600°C для легких УВ Давление 3 - 12 МПа. Энергетическая эффективность конверсии ~ 50%. Газификация угля C+ ½ O2 → CO (экзотермическая) C + H2O → CO + H2 (эндотермическая) Производство 1кг of H2 паровой конверсией метана сопровождается выбросом 10.6621 кг CO2, 146.3 г СН4, следов бензола, СО, NOx При производстве водорода газификацией угля количество СО2 удваивается 29 Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики Получение водорода из биомассы •БМ можно рассматривать как обильный и возобновляемый источник энергии (особенно если есть вода, почва и удобрения). •БМ дает около 12 % потребляемой энергии. •Н2 из БМ может быть получен в термохимических или биологических процессах. •Термохимические: пиролиз и газификация БМ •Биологические: биофотолиз, ферментация, биологическая реакция сдвига Пиролиз –Т=400 – 600 С, Р=0,1 – 0,5 МПа, без кислорода. Продукты: водород, метан, СО, СО2, жидкие УВ. УВ могут быть конвертированы в Н2 Газификация: БМ+ тепловая энергия + пар → H2 +CO +CO2 +CH4 + УВ+ сажа Газификация применяется, если влажность БМ < 35 % 30 Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики Водород из возобновляемых источников •Самый удобный источник – вода •Недостаток – сильная связь Н-О. Для расщепления воды нужно 1.229 эВ при н.у.). • Получение водорода из воды с помощью ВИЭ – единственный путь перехода к водородной экономике. •Методы расщепления воды: •электролиз • фотоэлектролиз •Термохимическое расщепление •Биофотолиз •Наиболее логичные решения: • солнечная энергия + электролиз или фотоэлектролиз 31 Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики Водород и транспорт •Сейчас транспорт УВ, в основном топливо – из нефти. Но такое состояние дел не сможет сохраниться больше 20-30 лет • Необходимо экологичное решение для транспорта на основе Н2 или электричества • Два направления: •Автомобили с водородными ДВС •Автомобили с ТЭ •Преимущества….. •Трудности…. Покупатели автомобилей Производители автомобилей Заправочная сеть 32 Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики Проблемы во взаимоотношениях водорода и автомобиля • Мощность ВДВС может быть выше чем у БДВС (высокая скорость диффузии – однородная смесь в цилиндре) •Энергия инициирования горения: •0.017 мДж – водород, 0.24 мДж – воздух – легче поджечь смесь • Диапазон концентраций воспламенения: • 4% - 75% Н2, 1.4% - 7.4% бензин – ДВС будет работать даже при бедных смесях • Высокая температура самовоспламенения (576°C) – можно использовать высокие степени компрессии • Но! Стехиометрическое соотношение воздух/топливо для ВДВС по объему: 2.4:1. Н2 будет занимать 30% объема цилиндра (бензин занимает 2%) • Из-за высоких температур в цилиндре могут образовываться NOx, но если обогатить смесь водородом (на 1 %), то этого не происходит. • Низкая плотность водорода ограничивает пробег между заправками. 33 Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики Хранение водорода Газообразный, жидкий, в виде металлогидратов • В основном применяется хранение водорода в сжатом состоянии. Сейчас при Р~ 300 Атм. В планах 700 Атм. Производится Н2 при Р не выше 3 Атм – нужно сжимать (затрачивать энергию, делать компрессоры) •Сжижается при 20 К, но все равно объемная плотность в 10 раз ниже, чем у бензина. Проблема: как хранить при такой температуре (тоже нужно расходовать энергию) • Металлогидриды: дороги, тяжелы, теряют емкость при циклировании 34 Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики Транспортировка водорода Трубопроводы Крупнотоннажное производство Малотоннажное производство Жидкий водород Газообразный водород 35 Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики Водородная безопасность Гибель дирижабля Гинденбург 6 мая 1937 г. длина 245 м., при наибольшем диаметре 30 м. общий объем 200 000 м3 Дирижабль СССР-В-6 5 февраля 1938 г 36 Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики Сокращение выбросов углекислого газа 37 Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики 38
