Водородная энергетика и топливные элементы
Жизнь современного человека невозможна без энергии. Научные исследования отмечают, что продолжительность жизни в разных странах прямо пропорциональна потреблению энергии на душу населения. Например, в Канаде, где средняя продолжительность жизни приближается к 80 годам, на человека в год приходится 8 т условного топлива!
На фоне растущих цен на энергоносители и изменение климата является не допустимым использование традиционных способов получения электроэнергии с КПД 30-40%. Поэтому сегодня внедрение нетрадиционных источников энергии, таких как солнечные, ветряные станции и топливные элементы является необходимостью для многих стран.
Отдельным пунктом здесь стоят топливные элементы, которые по своей сути являются не возобновляемыми и основаны, также как и классические способы, на сжигании топлива (водород, метан), но при этом почти экологически чисты и обладают высоким КПД 50-60%!
При массовом переходе на альтернативные (читай возобновляемые) источники энергии, человечеству не обойтись без водородной энергетики. Многие возможно слышали про такую, но зачастую плохо представляют, что это значит. Так как предполагаемые (существующие на сегодняшний день возобновляемые источники энергии — ветер, солнце, а не фантастические «холодные термояды» и «модули нулевой точки» из фантастических фильмов) источники энергии нуждаются в эффективном «носителе», который можно складировать в хорошие времена и использовать во время пиковых нагрузок, а также транспортировать на далекие расстояния. Этим требованиям не удовлетворяет электроэнергия, ее нельзя складировать, а при передаче на дальние расстояния требуется сверхвысокие напряжения, что в итоге экономически неоправданно! Электричество — удобный вид энергии при потреблении и ее генерации в отдельности, а одновременное (как сейчас производство и потребление) — сложнейшая задача и, как итог, не экономичные режимы работы энергосистем, отключения постоянная угроза развала системы.
Наиболее перспективным в этом плане считается водород, многие ученые называют его «топливом XXI века», способным решить энергетические и экологические проблемы, связанные как с выбросом ядовитых веществ в атмосферу, так и с накоплением двуокиси углерода, приводящим к нарушению биосферы.
Преимущества водорода, как энергоносителя – это, прежде всего, высокая теплотворная способность 33,3 кВтч/кг (в качестве сравнения: Таблица 1), относительно простое производство и возможность легкого преобразования в электроэнергию в топливных элементах, а также легкая транспортировка без потерь (по трубам, например или цистернами).
Таблица 1- Сравнение энергоносителей
Энергоноситель kWh/l kWh/kg
Дизельное топливо 9,7 11,6
Бензин 8,76 12,7
Водород в металлогидридных соединениях 3,18 0,58
Жидкий водород 2,36 33,3
Сжатый водород при 30 MPa 0,75 33,3
Свинцовый аккумулятор 0,09 0,03
Однако существуют некоторые трудности. Первая проблема — это трудное хранение водорода. Во-вторых, имеются проблематичные аспекты безопасной работы с этим энергоносителем. Водород — это бесцветный и лишенный запаха газ. В концентрации 4 — 75 % в воздухе водород может гореть, в то время как при концентрации 13 — 59 %-vol это взрывоопасная смесь. Минимальная энергия зажигания составляет всего 0,02 mJ, загорание возможно даже от электростатического разряда. Температура самовоспламенения составляет 585оC. Преимуществом при этом является то, что водород существенно легче, чем воздух и таким образом под открытым небом быстро удаляется, что противодействует достижению опасной концентрации смеси. Практически применение водорода связано с похожими опасностями и проблемами, какие имеют место при работе с природным газом.
При получении электроэнергии, запасенной в водороде, полученном с помощью возобновляемых источников энергии, на стороне потребителя следует, как можно эффективнее преобразовать химическую энергию в электричество. Сравнение эффективности различных технологий преобразования химической энергии в электрическую приведено на рисунке 1. Как видно из рисунка, наиболее эффективным способом получения энергии является комбинирование высокотемпературных топливных элементов и газовых турбин низкого давления.
Рисунок 1 – Сравнение эффективности энергетических установок
Альтернативная энергетика в нашей стране находится в зачаточном состоянии, в то время как в Европе она развивается бурно. Страны Евросоюза всерьез делают ставку на энергию солнца, ветра, воды, земных недр и на водородную энергетику.
По всем расчетам, КПД тепловых электростанций в нашей стране не превышает 30%, про вредные выбросы можно вообще молчать, а КПД водородных топливных элементов существенно выше, и постепенно снижается их стоимость.
Для преобразования химической энергии водорода в электричество наиболее эффективным считается использование топливных элементов, обладающих КПД не менее 50%. В результате работы водородных топливных элементов помимо электроэнергии производится только тепло и вода (в малых количествах). Они не содержат движущихся деталей и абсолютно бесшумны.
Так называемые SOFC (Solid Oxide Fuel Cell-Твердооксидные топливные элементы) наиболее перспективны для стационарной выработки электроэнергии. Значительным плюсом SOFC является возможность использования в качестве топлива, как водорода, так и углеводородов (метан, пропан), которыми можно снабжать топливные элементы во время нехватки «чистого» водорода, а также при постепенном переходе энергетики на «водородные рельсы».
Рисунок 1 – Схема работы высокотемпературного топливного элемента
Рассмотрим подробней работу SOFC. Он состоит из катода, к которому подводится воздух и, проходя через поры диссоцирует, ионизируется и проходит через электролит в зону реакции на стороне анода. Там он окисляет водород до воды, которая уносится с топливным потоком во вне, а образующиеся при этой реакции свободные электроны проходят через внешнюю цепь на катод. И процесс повторяется. На каждую моль воды выделяется 237кДж. Что эквивалентно 1.23 В.- теоретически максимальное напряжение, на практике оно конечно ниже 1В.
Комбинированные установки на основе SOFC и газовых турбин могут иметь КПД до 82%-а это огромная экономия СО2 выбросов и средств, потраченных на топливо. Также является перспективным использование SOFC установок малой и средней мощности для децентрализованного энергоснабжения т.к. существующая инфраструктура газовых и электрических сетей идеально подходит для этого. Технология топливных элементов находится сегодня перед прорывом на рынок.
В качестве справки: По оценкам, в Германии к 2014 г. доля твердооксидных топливных элементов в отоплении и электроснабжении составит 10–30%. Энергоустановки на их основе электрической мощностью 1,5 кВт и тепловой мощностью 2,9 кВт будут использоваться в коттеджах и многоквартирных домах.
На фоне растущих цен на энергоносители и изменение климата является не допустимым использование традиционных способов получения электроэнергии с КПД 30-40%. Поэтому сегодня внедрение нетрадиционных источников энергии, таких как солнечные, ветряные станции и топливные элементы является необходимостью для многих стран.
Отдельным пунктом здесь стоят топливные элементы, которые по своей сути являются не возобновляемыми и основаны, также как и классические способы, на сжигании топлива (водород, метан), но при этом почти экологически чисты и обладают высоким КПД 50-60%!
При массовом переходе на альтернативные (читай возобновляемые) источники энергии, человечеству не обойтись без водородной энергетики. Многие возможно слышали про такую, но зачастую плохо представляют, что это значит. Так как предполагаемые (существующие на сегодняшний день возобновляемые источники энергии — ветер, солнце, а не фантастические «холодные термояды» и «модули нулевой точки» из фантастических фильмов) источники энергии нуждаются в эффективном «носителе», который можно складировать в хорошие времена и использовать во время пиковых нагрузок, а также транспортировать на далекие расстояния. Этим требованиям не удовлетворяет электроэнергия, ее нельзя складировать, а при передаче на дальние расстояния требуется сверхвысокие напряжения, что в итоге экономически неоправданно! Электричество — удобный вид энергии при потреблении и ее генерации в отдельности, а одновременное (как сейчас производство и потребление) — сложнейшая задача и, как итог, не экономичные режимы работы энергосистем, отключения постоянная угроза развала системы.
Наиболее перспективным в этом плане считается водород, многие ученые называют его «топливом XXI века», способным решить энергетические и экологические проблемы, связанные как с выбросом ядовитых веществ в атмосферу, так и с накоплением двуокиси углерода, приводящим к нарушению биосферы.
Преимущества водорода, как энергоносителя – это, прежде всего, высокая теплотворная способность 33,3 кВтч/кг (в качестве сравнения: Таблица 1), относительно простое производство и возможность легкого преобразования в электроэнергию в топливных элементах, а также легкая транспортировка без потерь (по трубам, например или цистернами).
Таблица 1- Сравнение энергоносителей
Энергоноситель kWh/l kWh/kg
Дизельное топливо 9,7 11,6
Бензин 8,76 12,7
Водород в металлогидридных соединениях 3,18 0,58
Жидкий водород 2,36 33,3
Сжатый водород при 30 MPa 0,75 33,3
Свинцовый аккумулятор 0,09 0,03
Однако существуют некоторые трудности. Первая проблема — это трудное хранение водорода. Во-вторых, имеются проблематичные аспекты безопасной работы с этим энергоносителем. Водород — это бесцветный и лишенный запаха газ. В концентрации 4 — 75 % в воздухе водород может гореть, в то время как при концентрации 13 — 59 %-vol это взрывоопасная смесь. Минимальная энергия зажигания составляет всего 0,02 mJ, загорание возможно даже от электростатического разряда. Температура самовоспламенения составляет 585оC. Преимуществом при этом является то, что водород существенно легче, чем воздух и таким образом под открытым небом быстро удаляется, что противодействует достижению опасной концентрации смеси. Практически применение водорода связано с похожими опасностями и проблемами, какие имеют место при работе с природным газом.
При получении электроэнергии, запасенной в водороде, полученном с помощью возобновляемых источников энергии, на стороне потребителя следует, как можно эффективнее преобразовать химическую энергию в электричество. Сравнение эффективности различных технологий преобразования химической энергии в электрическую приведено на рисунке 1. Как видно из рисунка, наиболее эффективным способом получения энергии является комбинирование высокотемпературных топливных элементов и газовых турбин низкого давления.
Рисунок 1 – Сравнение эффективности энергетических установок
Альтернативная энергетика в нашей стране находится в зачаточном состоянии, в то время как в Европе она развивается бурно. Страны Евросоюза всерьез делают ставку на энергию солнца, ветра, воды, земных недр и на водородную энергетику.
По всем расчетам, КПД тепловых электростанций в нашей стране не превышает 30%, про вредные выбросы можно вообще молчать, а КПД водородных топливных элементов существенно выше, и постепенно снижается их стоимость.
Для преобразования химической энергии водорода в электричество наиболее эффективным считается использование топливных элементов, обладающих КПД не менее 50%. В результате работы водородных топливных элементов помимо электроэнергии производится только тепло и вода (в малых количествах). Они не содержат движущихся деталей и абсолютно бесшумны.
Так называемые SOFC (Solid Oxide Fuel Cell-Твердооксидные топливные элементы) наиболее перспективны для стационарной выработки электроэнергии. Значительным плюсом SOFC является возможность использования в качестве топлива, как водорода, так и углеводородов (метан, пропан), которыми можно снабжать топливные элементы во время нехватки «чистого» водорода, а также при постепенном переходе энергетики на «водородные рельсы».
Рисунок 1 – Схема работы высокотемпературного топливного элемента
Рассмотрим подробней работу SOFC. Он состоит из катода, к которому подводится воздух и, проходя через поры диссоцирует, ионизируется и проходит через электролит в зону реакции на стороне анода. Там он окисляет водород до воды, которая уносится с топливным потоком во вне, а образующиеся при этой реакции свободные электроны проходят через внешнюю цепь на катод. И процесс повторяется. На каждую моль воды выделяется 237кДж. Что эквивалентно 1.23 В.- теоретически максимальное напряжение, на практике оно конечно ниже 1В.
Комбинированные установки на основе SOFC и газовых турбин могут иметь КПД до 82%-а это огромная экономия СО2 выбросов и средств, потраченных на топливо. Также является перспективным использование SOFC установок малой и средней мощности для децентрализованного энергоснабжения т.к. существующая инфраструктура газовых и электрических сетей идеально подходит для этого. Технология топливных элементов находится сегодня перед прорывом на рынок.
В качестве справки: По оценкам, в Германии к 2014 г. доля твердооксидных топливных элементов в отоплении и электроснабжении составит 10–30%. Энергоустановки на их основе электрической мощностью 1,5 кВт и тепловой мощностью 2,9 кВт будут использоваться в коттеджах и многоквартирных домах.