Электричество из водорода


ЕС будет направлять до 800 ТВт*ч электроэнергии на производство водорода к 2050 г  (февраль 2020)

Предполагается, что в ближайшее время в Европе будет установлена цель: достижение «климатической нейтральности» к 2050 году. Она предполагает сокращение выбросов СО2 в ЕС на 95% от уровня 1990 года. В связи с этим инфраструктурные организации, Объединение операторов европейских газотранспортных систем (ENTSOG) и Европейская сеть системных операторов передачи электроэнергии (ENTSO-E), начали формировать совместные сценарии функционирования газового и электрического хозяйства в условиях полной декарбонизации ЕС. В интервью журналу EURACTIV топ-менеджеры этих организаций обрисовали предварительную, но довольно подробную картину трансформации европейской энергетической системы, её газового и электрического хозяйства.

В соответствии со сценариями, согласованными с Парижским соглашением, спрос на газ в ЕС упадет с примерно 5000 ТВт*ч сегодня до примерно 4000 ТВт*ч в 2050 году.


нако до 2030-х годов потребление газа будет незначительно расти в связи с закрытием угольной генерации. При этом ожидается, что к тому времени потребление неочищенного от углерода (unabated) природного газа упадёт до нуля. Газ, остающийся в системе к 2050 году, может быть возобновляемым или очищенным от углерода (декарбонизированным) — до или после того, как он достигнет Европы. Сегодня системные операторы не могут предсказать, с помощью каких технологий будет удовлетворяться потребность в газах и их очистке — будет это водород в разных формах или улавливание и хранение углерода (CCS). В разных странах Европы будут преобладать разные типы газов. Например, во Франции и Дании — это будет, в основном, биометан, в Нидерландах «чистый водород», а в ряде других государств будут потребляться разные типы и смеси газов.

По расчётам операторов, в 2050 году от 300 до 800 ТВт*ч электроэнергии, выработанной в Европе на основе ВИЭ, будет направляться на работу электролизёров (power-to-gas). Для сравнения, производство электроэнергии в Российской Федерации составляет сегодня примерно 1000 ТВт*ч в год. Таким образом, можно сделать вывод, что постепенно вырисовывается более-менее четкая и комплексная, охватывающая все сектора конечного потребления энергии, технологическая картина энергетического перехода в Европе. О необходимости водорода для интеграции больших объемов вариабельных ВИЭ и сезонного хранения энергии много говорилось еще десятилетие назад, но сегодня перспектива обрастает деталями.

https://www.euractiv.com/section/energy/interview/energy-tsos-we-see-300-800-twh-of-renewables-feeding-into-electrolysers-by-2050/

https://gisprofi.com/gd/documents/es-budet-napravlyat-do-800-tvt-ch-elektroenergii-na-proizvodstvo-vodoroda.html


Электричество из водорода

Источник: energy.hse.ru

Действительно ли водородные двигатели чище, чем двигатели внутреннего сгорания? Как безопасно производить и транспортировать водород? Как дешево получать электроэнергию? Рассказывает доктор химических наук Юрий Добровольский.

В последнее время все больше разговоров ведется о водородной энергетике или даже водородной экономике — использовании водорода как основного энергоносителя для различных устройств. Основные проблемы, которые возникают сейчас при производстве электроэнергии, тепла, транспорта, — это проблемы экологии.

Мы попытаемся поспорить с противниками и сторонниками водородной энергетики. Во-первых, кажется, водород хорош тем, что единственным продуктом его сгорания является вода, и, что бы вы ни делали, вы получите чистую среду. На самом деле это не совсем так. Во-вторых, считается, что водород сам по себе — чистое топливо, которое удобно применять, и это тоже не вполне верно. В-третьих, считается, что водород может быть дешевым, и может быть экономически обоснована схема, в которой единственным энергоносителем является водород. Кроме того, водород — самое легкое и самое энергоемкое вещество, которое можно использовать.


Действительно ли водород — чистый источник энергии? Он может быть чистым источником энергии, а может и не очень. Это зависит от того, в каком устройстве мы будем перерабатывать водород. Если мы заставляем водород гореть, то, казалось бы, что такого? Взяли воздух, взяли водород, получили только воду. На самом деле это не так, потому что воздух всегда содержит азот. Основные выбросы от обычного автомобиля, с которыми мы боремся, — это оксиды азота. При повышенной температуре молекулы азота и кислорода воздуха начинают реагировать между собой, образуя токсичные вещества, которые вызывают кислотные дожди и сильное загрязнение, — оксиды азота. Это не зависит от того, что именно вы будете сжигать. Если температура выше 600 градусов, азот будет реагировать с кислородом. Можно ли от этого избавиться? Да, безусловно. Существует устройство, которое может работать при низких температурах, — топливный элемент. Это устройство перерабатывает химическую энергию водорода в электрическую энергию напрямую, минуя стадию нагрева. Достоинства — высокий КПД и абсолютное отсутствие выбросов.

Мы можем использовать водород по-разному. В зависимости от использования мы можем получить огромные экологические выгоды, а можем не очень большие. При горении водорода все равно гораздо меньше выбросов, чем при горении углеводородного топлива, но все-таки они есть. В случае его использования в электрохимическом устройстве, а именно в топливном элементе, их просто нет.


Если мы из тепловой энергии получаем электроэнергию, мы последовательно проходим достаточно много стадий, которые сопровождаются не только загрязнением окружающей среды, но и резким усложнением конструкции, — это движущиеся части, высокие температуры, разнообразная смазка. Топливный элемент, как и любое электрохимическое устройство, достаточно простая конструкция. В нем нет ни одной движущейся части. Все части неподвижные и легко заменяемые. Пока они дорогие, но это связано в большей степени с тем, что их мало продается, рынок только начал развиваться. Есть шанс, что они удешевятся и стоимость электроэнергии, вырабатываемой топливным элементом, выиграет по сравнению с электроэнергией, вырабатываемой обычным способом.

Действительно ли водород — самое чистое топливо? На самом деле недостатков много, и этим часто пользуются противники водородной энергетики. Давайте сравним электрические источники энергии с двигателями внутреннего сгорания. Почему электроэнергетика может быть хуже, чем энергетика, основанная на сгорании? Если мы используем электроэнергию, мы сначала ее откуда-то получаем. Все, о чем мы говорим, — это не первичные источники энергии, а вторичные накопители, генераторы энергии. Сначала нужно получить либо электроэнергию, либо водород. Электроэнергия может быть получена разными способами. В малоразвитых странах основную часть получают из угля. Получая электроэнергию, мы точно так же, а то и хуже, загрязняем окружающую среду, чем когда непосредственно используем в автомобиле углеводородное сырье.


То же самое с водородом: чтобы получить водород, надо затратить электроэнергию. Если мы затрачиваем грязную электроэнергию, то получаем грязный водород. Он чистый там, где мы его используем, но грязный там, где мы его получаем. Верно ли это? На самом деле это зависит от того, как устроены электросети страны. Если основная часть энергии экологически чистая — с гидроэлектростанций или атомных электростанций, — то и при производстве и электроэнергии, и водорода не загрязняем окружающую среду.

Бывает ли водород грязным и что с этим делать? Надо вспомнить основные способы производства водорода. Способов очень много, но дешевых всего два. Металл с кислотой реагируют, выделяя водород, многие соединения, растворяясь в воде, выделяют водород. Но это дорогие способы производства, ни экологически, ни экономически не оправданные.

Впервые в истории водород был получен в больших количествах пропусканием нагретой воды через жерло железной пушки. Сейчас водород получают взаимодействием угля или любого углеводородного сырья с водяным паром — реформинг или парогазовая конверсия.


есь мы встречаем все прелести обычной углеводородной энергетики. Водород как электроноситель должен быть неуглеродным, не загрязнять окружающую среду не только оксидами азота, но и другими способами. Говоря об экологичности применения водорода, мы имеем в виду не только прямое загрязнение химическими веществами, но и загрязнение парниковыми газами — углекислым газом или метаном. Если мы производим конверсию из углерода, углерод все равно выбросится в виде углекислого газа.

За счет чего тут может возникнуть выигрыш? В первую очередь это связано с КПД. Если мы сжигаем метан, то получаем энергию с выходом в 30%, и углекислого газа на каждую единицу энергии получим настолько же больше. От этого можно избавиться, повысив КПД конверсии. КПД процесса перехода метана в СО и водород очень велик. Если водород с большим КПД перерабатывать в электроэнергию, а это можно осуществлять с КПД 80-90%, то суммарный КПД от начала до конца будет выше 60%. Отсюда возникает уменьшение выбросов углекислого газа как минимум в два раза.

Есть другие способы избавления от углекислого газа и CO — это превращение их в жидкое топливо. На самом деле CO — это хороший химический продукт, который можно использовать для производства метанола и других полезных веществ. Его можно не выбрасывать, а вторично использовать. Вещества, которые можно получить в дальнейшем из CO, тоже могут являться источниками энергии. Метан можно разложить на чистый водород и жидкие топлива, которые можно использовать в других применениях. Это уменьшает выбросы парниковых газов и дает возможность дешево получать другие продукты. С углем ситуация сложнее, потому что природный уголь сам по себе достаточно загрязнен. Придется улавливать загрязняющие вещества, которые были в исходном угле.


Еще один из способов получения водорода — электролиз. Это гораздо более дорогой способ, чем получение из углеводородного сырья, но абсолютно экологически чистый. Разлагая воду, мы получаем отдельно водород, отдельно кислород. Минус в том, что мы тратим много электроэнергии на получение водорода. Закон сохранения энергии говорит, что мы больше энергии вложим в разложение воды, чем потом получим при его сжигании. Но большинство установок в городских условиях — это установки электролиза. Они оправданны, когда у вас есть излишки электроэнергии. В первую очередь если вы получаете электроэнергию из возобновляемых альтернативных источников энергии. Солнце светит только половину дня, зато светит сильно. Электроэнергию на ночь можно зарядить в аккумулятор, а из этих избытков получить водород.

Генерирующие электростанции, включая атомные, работают на постоянной мощности, и мощность выше, чем нужна потребителям, она рассчитана на максимальные нагрузки. Днем мы потребляем электроэнергии гораздо больше, чем ночью. Ночью мы спим, а станция продолжает вырабатывать то же количество энергии. Избытки надо куда-то утилизировать. И электроэнергию можно накапливать и использовать для получения водорода. Особенно это актуально для атомных электростанций, изменить мощность которых сложно, а мощность сама по себе огромна. На самом деле водород может быть условно бесплатным, потому что у нас бывает условно бесплатная электроэнергия, когда она избыточна и ее некуда девать.


Итак, может ли водород быть экологически чистым? Может быть, если получать его методом электролиза, используя избытки электроэнергии. Может ли быть дешевым водород, если у нас нет избытков электроэнергии? Он может получаться из углеводородных источников, но надо утилизировать продукты, которые одновременно с этим образуются.

Сейчас ученые вспомнили о еще одной технологии. Глядя на формулу метана (CH4), можно понять, что, если очень сильно нагреть это вещество, оно разложится на уголь, или графит, или любую модификацию углерода и водород, никакого загрязнения CO2 мы не получим. Крекинг, то есть температурное разложение, сейчас активно используется. Полученный углерод можно использовать в различных производствах — в зависимости от того, в какой форме углерод образуется. Это может быть сажа — шинная промышленность; углерод высокой удельной поверхности другого типа — носитель для катализаторов. Главное, мы не выбросили углекислый газ в окружающую среду. Технология новая и не самая оптимальная, но отвечает на вопрос, можно ли, получая водород из углеводородов, избавиться от парниковых газов: можно.

Водород уже сейчас не очень дорогой продукт, его производят в крупнотоннажных масштабах.


дород используется, например, при получении маргарина. Маргарин — это обычное растительное масло, которое гидрируется, то есть обрабатывается водородом. Крупнотоннажное производство водорода — вещества для сельского хозяйства, в первую очередь азотные удобрения. Мы массово получаем аммиак (NH3) — соединение азота с водородом. Без азотных удобрений почва быстро становится бесплодной, и азотных удобрений нет в природе, поэтому миллионы тонн аммиака ежегодно получают из водорода и азота.

Даже сейчас в локальных производствах водород — это необходимый продукт, производящийся крупнотоннажно. Если потребности в нем возрастут, есть большая вероятность, что он подешевеет по сравнению с нынешней ценой.

Хорошо, когда мы произвели водород и здесь же его используем: не надо транспортировать или хранить. Если мы говорим о водородном транспорте, водород надо донести до пользователя. Возникает основная проблема использования водорода сейчас: водород — это очень легкий и плохо сжижаемый газ. Сейчас приходится перевозить водород либо в химически связанном виде, либо в баллонах высокого давления, либо в жидком состоянии. Самый простой способ — это перевозка в баллоне высокого давления. Существуют легкие и надежные углепластиковые баллоны, которые не умеют сами по себе взрываться, а просто раскрываются, и они достаточно безопасны. В таких баллонах можно перевозить водород при давлении выше 700 атмосфер. Газ нужно сжать, и мы дополнительно тратим энергию, чтобы перевести его в сжатое состояние. Если правильно считать, сколько энергии мы получаем из водорода, надо вычитать эту энергию, а она достаточно большая. Зато можно хранить в таких баллонах бесконечно и использовать достаточно быстро.


Второй способ — хранение и транспортировка в жидком состоянии. В жидком состоянии ненамного больше водорода в баллоне, чем в газообразном, но возникают другие проблемы. Температура сжижения водорода очень низкая, она всего на несколько градусов отличается от абсолютного нуля. Водород испаряется при этих температурах, и нужно куда-то девать его избытки. По технологии это похоже на перевозку сжиженного природного газа: температура отличается на несколько десятков градусов, но технология одна и та же. На сжижение водорода мы будем тратить больше энергии, чем на сжижение природного газа.

Зачем так мучиться, если можно перевозить водород сразу химически связанным? Есть метан — это уже химически связанный водород, просто поставьте на конце конвертор. На газовой заправке или станции, где употребляется сжиженный природный газ, ставите конвертор, который этот природный газ будет переводить в водород. Это не очень хорошее решение, поскольку локальное производство трудно поставить очищающее от примесей сооружение.

Есть химически связанные вещества, которые могут при разных условиях обратимо поглощать и выделять водород. Толуол — бензольное кольцо, к которому присоединена группа CH3. Если вы добавите туда несколько молекул водорода, оно превращается в соединение, в котором все двойные связи оказываются насыщены водородом, — циклогексан. Этот процесс может быть обратимым. Количество водорода соизмеримо с тем, которое мы перевозим баллоном, но это вещество жидкое, и вы можете в обычном нефтегрузе перевозить не нефть, а водород, связанный в органическом соединении.

Мы массово синтезируем аммиак. Аммиак — это соединение азота с водородом, и, если сильно его нагреть, он разложится обратно на водород и азот. Если использовать водород в качестве источника для топливного элемента, чтобы экология была абсолютно чистая, мы должны иметь очень чистый водород. Загрязнения по органическим соединениям нужны меньше 5 ppm — меньше 5 миллионных долей органического загрязнителя или CO в водороде. Основной частью вашей установки для производства водорода будет установка для очистки водорода. Это резко ухудшает экономические основы получения водорода в таком цикле. Легко очистить в большом производстве водород, но сложно в локальном месте, где производство небольшое.

Но такие проекты сейчас активно развиваются, например, в Японии, которая старается уменьшить количество атомной энергии, не имеет своих энергоносителей, поэтому пытается рассмотреть все пути получения и подвоза экологически чистой энергии. Они переходят на природный газ, и транспортировка сжиженного природного газа — хороший путь. Активно в ближайшие пять лет будет развиваться водородная инфраструктура. Лет через десять на примере Японии мы узнаем, насколько это может быть экологично и экономично.

Источник: www.EnergoVector.com

Что  представляет первый элемент периодической системы

Водород является наиболее распространенным компонентом в нашей Солнечной системе и имеет около 75% массы и более 90% всех атомов. Наше Солнце и большие газовые планеты Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун состоят в основном из этого газа. На Земле этот газ встречается гораздо реже. Его доля в общем весе Земли составляет только около 0,12%. Хотя водород чаще встречается в земной коре, его практически нет в чистом виде. Он почти всегда химически связан и наиболее частым соединением является вода.

Водород – самый маленький и легкий атом. Как чрезвычайно легкий газ, он был использован для наполнения газовых баллонов дирижаблей жесткой формы как Цеппелины, в течение первой половины девятнадцатого века. Катастрофа в Гинденбурге в США в 1937 году, где предположительно произошел электростатический заряд который вызвал возгорание, положил трагический конец перспективам использования водорода в дирижаблях.

Основное применение водорода сегодня находится в химической промышленности. В качестве источника энергия водорода в настоящее время широко используется, в основном, в авиационном и космическом секторе.

Водород как источник энергии используется для привода реактивных двигателей самолетов.

В космических полетах жидкий водород используется в качестве ракетного топлива. Например,  запуск космического челнока потребляет около 1,4 млн литров жидкого водорода весом более 100 тонн создавая температуру горения до  3200° C.

Производство

Водородная энергетика использует несколько способов производства водорода.

Газ сначала должен быть получен в чистом виде, прежде чем энергия из него может быть получена. Это требует легкодоступного недорогого сырья, содержащего этот химический элемент. Кроме воды (H2O), которая состоит из водорода (H) и кислорода (O) могут быть применены смеси углерода. Это в первую очередь природный газ или метан (CH4). Мазут и уголь также состоят из водорода (H) и углерода (C), но имеют гораздо более высокую долю углерода, чем природный газ.

Из углеводородов

Современные промышленные методы получения водорода почти исключительно используют ископаемые  топливо, как природный газ, сырую нефть или уголь, как сырье. Такие методы, как паровой риформинг или частичное окисление паром для получения водорода из ископаемых углеводородов. Этот процесс химически отделяет углерод который после этого превращается в окись углерода (CO). Эти методы добычи водорода не являются идеальным вариантом с целью активной защиты климата. энергия водорода

В основном, упомянутый способ производства водорода из ископаемых  источников работает при высоких температурах обработки. Это требует большого количества внешних ресурсов.

Поэтому для получения водорода необходимы другие методы, с тем чтобы он был экологически чистым и безопасным. Идеальным способом является электролиз.

Методом электролиза

Немецкий химик Иоганн Вильгельм Риттер впервые использовал электролиз для получения водорода еще в 1800 году. С помощью электрической энергии, электролиз разлагает воду на водород и кислород. метод электролиза

Особенностью электролиза может быть то, что если электроэнергия добыта из возобновляемых источников, то производство водорода во всем цикле  может выделять только углекислый газ.

С помощью этого метода два электрода погружают в проводящий водный электролит. Это может быть смесь воды и серная кислота или гидроксид калия (KOH). Аноды и катоды проводят постоянный ток в электролитах и на них образуются газы водород и кислород. Хотя электролиз уже достиг высокого уровня технического развития, как экологически совместимый вариант производства кислорода, другие альтернативные методы также разрабатываются.

Термохимический метод

При температуре выше 1700° C вода непосредственно разлагается на водород и кислород. темохимический метод Однако эти температуры требуют дорогостоящих термостойких средств. Необходимую температуру можно уменьшить ниже чем 1000° С через различные сопряженные химические реакции.

Биологическое получение

Другие методы включают фотобиологическое производство водорода. Суть этого метода в том, что некоторые водоросли во время роста при нехватке серы производят водород. биологический водород Это типа биореакторов использующих свет для разложения воды.

Хранение и транспортировка

После получения водорода он должен храниться и транспортироваться потребителю. В принципе, мы знакомы с хранением и транспортировкой горючих газов.

Водород – очень легкий газ с очень минимальной плотностью, но имеет относительно высокое значение энергоемкости. При сравнении с природным  газом то он требует гораздо больших объемов хранения, хотя накопленный водород намного легче.

Произведенный водород можно сохранить под высоким давлением и сжать для того чтобы уменьшить необходимые объемы хранения. При нормальном давлении этот газ конденсируется, но до тех пор, пока он не достигнет чрезвычайно низких температур минус 253° C.

Для достижения таких низких температур требуется определенное количество энергии. От 20 до 40%  энергии, хранящейся в водороде, используется для его сжижения.

В принципе, те же технологии, которые используются в секторе природного газа могут быть использованы для сжижения, транспортировки и хранения. Этот первый элемент периодической системы  можно транспортировать либо в трубопроводах, либо на специальных танкерах и грузовых судах. В то время как трубопроводы, как правило, транспортируют газообразную форму, танкеры предпочтительны для жидкого водорода. В отличие от водорода, природный газ уже становится жидким при минус 162 ° C. Опыт работы в газовой отрасли может быть использован для хранения и транспортировки водородной энергии.

Будущее применение

Топливные элементы считаются ключом к будущему использованию энергии водорода, поскольку они могут преобразовывать его непосредственно в электрическую энергию. Теоретически это приводит к более высокой эффективности, чем при сжигании в обычных тепловых электростанциях.

Принцип работы топливных элементов известен уже очень давно.

Есть некоторые споры о том, кто на самом деле изобрел топливный элемент:

  • Немецко-швейцарский химик Кристиан Фридрих  провел первые тесты в технологии топливных элементов в 1838 году.
  • Английский физик сэр Уильям Роберт Гроув построил первый топливный элемент в 1839 году.
  • Впоследствии такие известные ученые, как Анри Беккерель и Томас Эдисон, стали участвовать в их дальнейшем развитии. Однако это была довольно слабо продвинутая стадия развития.
  • Наконец, в середине двадцатого века была достигнута задача, позволившая применение и основное использование топливных элементов.

Топливные элементы, в основном, предполагают реверсирование электролиза. Топливный элемент всегда содержит два электрода. В зависимости от типа топливного элемента, чистый водород (H2) или топливо содержащее углеводороды подают через анод и чистый кислород (О2 ) или воздух в качестве окислительного материала через катод. Электролит отделяет анод и катод. Электроны текут по большой цепи и создают электрическую энергию.

С 1990-х годов разработка топливных элементов идет полным ходом. Автомобильные производители и энергокомпании приняли технологию и ищут способ получить прибыль от положительного применения водорода как источника энергии.

Источник: beelead.com


Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.