Водородная энергетика. Современное состояние. Перспективы развития .
Во многих странах мира исследования в области водородной энергетики являются приоритетным направлением развития науки и техники. Под этим термином обычно понимают такой способ организации топливно-энергетического комплекса, при котором в качестве основного энергоносителя используется водород, а для выработки электроэнергии на его основе применяются топливные элементы. Они представляют собой электрохимические устройства, производящие электроэнергию без процесса горения, за счет реакции окисления водорода кислородом воздуха. Помимо водорода в качестве топлива могут быть использованы метанол, этанол, природный газ, биомасса, уголь, аммиак и пр. Использование перечисленных видов топлив определяет конкретный тип топливного элемента и его особенности.
Наибольшее практическое значение имеют в настоящий момент водородные и метанольные топливные элементы.
Водород не является первичным источником энергии, как нефть или природный газ, но может быть использован в качестве энергоносителя. Его удельная энергоемкость (в пересчете на вес и объем) представлена в таблице в сравнении с аналогичными показателями для других видов топлива.
Таблица. Энергоемкость различных видов топлива
| Энергоемкость | тип топлива | ||||
| Водород (газ) | Природный газ | Бензин | Дизельное топливо | Метанол | |
| Весовая, кВт-час/кг | 39,45 | 15,45 | 13,36 | 10,17 | 6,47 |
| Объемная, кВт-час/м3 (при давлении в одну атм.) | 3,53 | 11,11 | 9,89 | 8,3 | 4,99 |
Анализ приведенных данных свидетельствует о значительном преимуществе водорода, по сравнению с традиционными энергоносителями, по тепловой способности в пересчете на единицу веса. В то же время он почти в три раза уступает природному газу и бензину по объемным показателям. Ситуация практически не улучшается при использовании сжатого или сжиженного водорода. Его теплотворная способность все равно существенно уступает характеристикам традиционных углеводородов и низших спиртов. Это обстоятельство служит основанием для ряда современных разработок в области транспортировки и хранения водорода, основными источниками которого являются все виды углеводородов, а также уголь, вода и биомасса.
|
|
|
По оценкам Министерства энергетики США, в ближайшее десятилетие основными ресурсами для получения водорода будут оставаться нефть, уголь и природный газ. Их переработка в водород осуществляется методами каталитической вводно-паровой или окислительной конверсии, остающимися пока наиболее технически отработанными и рентабельными процессами. Поскольку производство водорода путем конверсии угля или углеводородов сопровождается эмиссией двуокиси углерода, экологические проблемы в этом случае решаются лишь в части сокращения объемов вредных выбросов в атмосферу и централизации источников двуокиси углерода.
|
|
|
Второй по масштабам метод производства водорода – это электролитическое разложение воды. Преимущества данной технологии заключаются в высокой чистоте получаемого продукта и возможности его непосредственного использования в ТЭ без стадий дополнительной очистки. Однако на практике эти преимущества нивелируются высокими энергозатратами. И все же электролиз воды остается перспективным способом получения водорода, для этого можно использовать энергию атомных электростанций в период малых нагрузок и возобновляемые источники энергии.
Наиболее перспективный метод – выделение водорода из биомассы с помощью биотехнологий. Потенциально для этих целей могут быть использованы любые виды органических отходов. Их обработка специальными штаммами бактерий, для которых водород является одним из продуктов жизнедеятельности, позволяет его получать без нанесения ущерба окружающей среде и без значительных затрат электроэнергии. Однако развитие данного направления требует создания новых высокопроизводительных микроорганизмов, устойчивых к более жестким температурным условиям. По оценкам специально созданной рабочей группы ЕС по вопросам водорода, биотехнологические методы начнут играть заметную роль в суммарном производстве водорода к 2030 г. и смогут стать основными его источниками не раньше 2050 г. Немедленному массовому внедрению ТЭ препятствует весь комплекс вопросов, связанных с производством, транспортировкой и хранением водорода. Исходя из низкой объемной энергоемкости этого вида топлива, переход на его использование потребует 3-4 кратного увеличения объемов транспортировки, для чего будет необходимо построить новые дорогостоящие трубопроводные системы. Одним их путей решения проблемы является использование для транспортировки и хранения водорода гидридов металлов. Однако в этом случае утрачивается преимущество энергоемкости водорода на единицу веса. В последнее время увеличилось число публикаций и патентов по использованию для подобных целей углеродных нанотрубок, которые значительно легче металлогидридов и обладают большей емкостью по водороду.
|
|
|
Таким образом, водородная энергетика привлекательна, однако задачи, которые приходится решать на пути к ней, сегодня пока трудновыполнимы. Водород может стать массовым видом топлива не раньше, чем через 20-30 лет.
|
|
|
Производство водорода и его хранение. Методы производства водорода
Разнообразие способов получения водорода является одним из главных преимуществ водородной энергетики, так как повышает энергетическую безопасность и снижает зависимость от отдельных видов сырья.
К ним относятся: паровая конверсия метана и природного газа; газификация угля; электролиз воды; пиролиз; частичное окисление; биотехнологии.
В данный момент наиболее доступным и дешёвым процессом является паровая конверсия. Согласно прогнозам, она будет использоваться в начальной стадии перехода к водородной экономике для упрощения преодоления проблемы «курицы и яйца», когда из-за отсутствия инфраструктуры нет спроса на водородные автомобили, а из-за отсутствия водородных автомобилей не строится инфраструктура. В долгосрочной перспективе, однако, необходим переход на возобновляемые источники энергии, так как одной из главных целей внедрения водородной энергетики является снижения выброса парниковых газов. Такими источниками может быть энергия ветра или солнечная энергия, позволяющая проводить электролиз воды.
Производство водорода может быть сосредоточено на централизованных крупных предприятиях, что понижает себестоимость производства, но требует дополнительных расходов на доставку водорода к водородным автозаправочным станциям. Другим вариантом является маломасштабное производство непосредственно на специально оборудованных водородных автозаправочных станциях.
Производство водорода из различных источников сырья
Из углеводородов. Паровая конверсия природного газа / метана
Водород можно получать разной чистоты: 95-98% или особо чистый. В зависимости от дальнейшего использования водород получают под различным давлением: от 1,0 до 4,2 МПа. Сырье (природный газ или легкие нефтяные фракции) подогревается до 350-400° в конвективной печи или теплообменнике и поступает в аппарат десульфирования. Конвертированный газ из печи охлаждается в печи-утилизаторе, где вырабатывается пар требуемых параметров. После ступеней высокотемпературной и низкотемпературной конверсии СО газ поступает на адсорбцию СО2 и затем на метанирование остаточных оксидов. В результате получается водород 95-98,5% чистоты с содержанием в нем 1-5% метана и следов СО и СО2.
В том случае, если требуется получать особо чистый водород, установка дополняется секцией адсорбционного разделения конвертированного газа. В отличие от предыдущей схемы конверсия СО здесь одноступенчатая. Газовая смесь, содержащая H2, CO2, CH4, H2O и небольшое количество СО, охлаждается для удаления воды и направляется в адсорбционные аппараты, заполненные цеолитами. Все примеси адсорбируются в одну ступень при температуре окружающей среды. В результате получают водород со степенью чистоты 99,99%. Давление получаемого водорода составляет 1,5-2,0 МПа.
В настоящее время данным способом 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.
Газификация угля Старейший способ получения водорода. Уголь нагревают при температуре 800°—1300° Цельсия 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. Электричество будут вырабатывать топливные элементы, используя в качестве горючего водород, получающийся в процессе газификации угля.
В декабре 2007 г. 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. Себестоимость процесса $2-$2,5 за килограмм водорода. В будущем возможно снижение цены до $1,50, включая доставку и хранение.
Из биомассы Водород из биомассы получается термохимическим, или биохимическим способом. При термохимическом методе биомассу нагревают без доступа кислорода до температуры 500°-800° (для отходов древесины), что намного ниже температуры процесса газификации угля. В результате процесса выделяется H2, CO и CH4.
Себестоимость процесса $5-$7 за килограмм водорода. В будущем возможно снижение до $1,0-$3,0.
В биохимическом процессе водород вырабатывают различные бактерии, например, Rodobacter speriodes.
Возможно применение различных энзимов для ускорения производства водорода из полисахаридов (крахмал, целлюлоза), содержащихся в биомассе. Процесс проходит при температуре 30° Цельсия при нормальном давлении. Себестоимость водорода около $2 за кг. Из цепочки сахар-водород-водородный топливный элемент можно получить[1] в три раза больше энергии, чем из цепочки сахар-этанол-двигатель внутреннего сгорания.
Из мусора Разрабатываются различные новые технологии производства водорода. Например, в октябре 2006 года Лондонское Водородное Партнёрство опубликовало исследование о возможности производства водорода из муниципального и коммерческого мусора. Согласно исследованию, в Лондоне можно ежедневно производить 141 тонну водорода как пиролизом, так и анаэробным сбраживанием мусора. Из муниципального мусора можно производить 68 тонн водорода.
141 тонны водорода достаточно для работы 13750 автобусов с двигателями внутреннего сгорания, работающими на водороде. В Лондоне в настоящее время эксплуатируется более 8000 автобусов.
Химическая реакция воды с металлами В 2007 году Университет Purdue (США) разработал метод производства водорода из воды при помощи алюминиевого сплава.Сплав алюминия с галлием формируется в пеллеты. Пеллеты помещают в бак с водой. В результате химической реакции производится водород. Галлий создаёт вокруг алюминия плёнку, предотвращающую окисление алюминия. В результате реакции создаётся водород и оксид алюминия.
Из одного фунта (≈453 г) алюминия можно получать более 2 кВт·ч энергии от сжигания водорода и более 2 кВт·ч тепловой энергии во время реакции алюминия с водой. В будущем, при использовании электроэнергии атомных реакторов 4-го поколения, себестоимость водорода, получаемого в ходе реакции, станет эквивалента цене бензина $3 за галлон (≈3,8 л).
Автомобиль среднего размера с двигателем внутреннего сгорания с 350 фунтами (158 кг) алюминия на борту может проехать 350 миль (560 км). В будущем стоимость такой поездки составит $63 (0,11 $/км), включая стоимость восстановления оксида алюминия на атомной электростанции 4-го поколения.[2]
С использованием водорослей Учёные калифорнийского университета в Беркли (UC Berkeley) 1999 году обнаружили что если водорослям не хватает кислорода и серы, то процессы фотосинтеза у них резко ослабевают, и начинается бурная выработка водорода.
Водород может производить группа зелёных водорослей, например, Chlamydomonas reinhardtii. Водоросли могут производить водород из морской воды, или канализационных стоков.
Хранение водорода — одно из промежуточных звеньев в жизненном цикле водорода от его производства до потребления. Разработка наиболее экономичных и эффективных способов хранения водорода представляет собой одну из главных технологических проблем водородной энергетики. Как правило, водород хранят в сжиженном, абсорбированном либо сжатом газообразном состоянии. Основные проблемы, требующие решения при разработке технологий хранения водорода, имеют отношение к обеспечению их рентабельности и безопасности, что напрямую связано с химическими и физическими свойствами водорода. Хранение водорода может использоваться и как технология сглаживания естественных колебаний в объёмах электрической энергии, получаемой за счёт возобновляемых источников энергии, таких как ветер или солнце. Вырабатываемый в пиковые периоды избыток электрической энергии используется для получения водорода методом электролиза, а в периоды снижения выработки электроэнергии этот водород используется как топливо. КПД данной операции, однако, достаточно низок по сравнению, например, с гидроаккумулирующими электростанциями. Наиболее перспективным методом считается хранение водорода в абсорбированном состоянии. Большинство материалов позволяют сорбировать не более 7-8 % водорода в массовой доле. В настоящее время разрабатывается несколько способов увеличения этого показателя. Добились успеха в этом Adam Phillips и Bellave Shivaram — они описали процесс синтеза композитного вещества на основе металлического титана, у которого способность сорбировать до 12,4 % водорода (массы).
6. Рациональное использование биомассы. Свойства твердых биотоплив. Типы древесного топлива.
Рациональное использование биомассы
Высокие цены, которые сохраняются на традиционные энергоносители и усиленные требования к охране окружающей среды обуславливают повышенный интерес производителей и потребителей тепловой и электрической энергии к использованию в качестве топлива возобновляемых источников энергии, в частности, сельскохозяйственной биомассы. Реальная возможность экономии традиционных топлив может быть достигнута в ближайшее время и на перспективу за счет утилизации отходов лесной, деревообрабатывающей, гидролизной, целлюлозно-бумажной промышленности, сельскохозяйственного производства (животноводства и птицеводства), осадков сточных вод, органических отходов ряда отраслей промышленности, в том числе пищевой, мясомолочной, а также твердых отходов коммунального хозяйства.
В зависимости от преобладания тех или иных ресурсных источников в крае необходимо иметь различные варианты ее использования в энергетических целях. Биомасса может применяться в качестве топлива для прямого сжигания или перерабатываться в твердое, жидкое и газообразное топливо более высокой калорийности с помощью газификации или пиролиза для силовых установок, в том числе для автотранспорта. Во многих странах мира топливо из биомассы используют также для совместного сжигания с углем, мазутом, что позволяет снизить уровень загрязнения атмосферы вредными выбросами.
Свойства твердых биотоплив Главные показатели качества пеллет полученных путем гранулирования на линиях гранулирования: теплотворная способность (калорийность, теплота сгорания); влажность; зольность (массовая доля золы); насыпная плотность (объемный вес); истираемость (массовая доля мелкой фракции пыли и опилок); размеры (диаметр, длина);
Именно они обеспечивают привлекательные потребительские качества топливных пеллет. Эти характеристики обычно определяются при проведении проверки качества ДТГ и фиксируются в соответствующих сертификатах. Теплотворная способность готового продукта это базовое свойство пеллет, определяющее их потребительскую ценность. Чем выше теплотворная способность, тем больше энергии получается при сжигании 1 кг, соответственно меньше расход гранул, а следовательно меньше затраты. Теплотворная способность также зависит и в меньшей мере от пород древесины.Напоминаем, что линии гранулирования гранулируют любую древесину. Поскольку содержание горючего компонента (С и Н) в древесине разных пород колеблется незначительно ( в хвойных породах древесины содержится углерода (С) 50,5 %, в лиственных 49,6%, водорода одинаковое-6,2%), влиянием пород древесины на теплотворную способность пеллет можно пренебречь. Влажность и зольность снижает теплотворную способность пеллет, уменьшая горючую массу в единице веса.
Влажность - показатель который оказывает влияние не только на теплотворную способность, но и на стабильность при хранении, исключая самовозгорание, минимизирование потерь. Это показатель, который влияет на работу топок снижает КПД.
Насыпная плотность - это показатель с которым связаны затраты на транспортировку и хранение гранул. Чем она меньше тем дороже перевозка. Насыпная плотность пеллет напрямую зависит от плотности топливных гранул и их диаметра.
Размеры гранул влияют на их прочность, насыпную массу, истираемость и объемы оборудования. Размер топливных гранул, как правило, имеет значение только для частных потребителей. Чаще всего, встречаются гранулы диаметром 6, 8 или 10 мм, реже 12 мм. Длина гранул имеет значение с точки зрения эффективного прохождения через шнековые системы подачи малого диаметра. Кроме того, по длине продукта можно судить о ее прочностных характеристиках. Как правило, длина гранулы составляет от 10 до 25 мм. Истираемость влияет на изменение качества во время транспортировки, а соответственно на потери и затраты, поэтому в большинстве европейских стандартов эта величина не должна превышать I %.
Типы древесного топлива. Древесина является самым древним видом топлива, ею пользовались древнейшие люди: при раскопках на их стоянках археологи находят очаги с золой. Сегодня из этого материала получают топливо с разнообразными свойствами, такие как дрова, щепа, древесный уголь, древесная пыль, древесные гранулы и брикеты. Измельчённая и спрессованная древесина имеет более высокую плотность, что увеличивает КПД, не подвергается действию влаги и плесени, чем выгодно отличается от дров. Это биотопливо рационально транспортировать, однако опасно и не всегда удобно, потому, что оно крошится и воспламеняется легче дров. К древесному топливу относят поленья, дрова, топливную щепу, древесный уголь и топливные брикеты.
Топливная щепа – это частицы, которые получают при помощи измельчения древесного сырья. Этот материал предназначен для сжигания с целью получения энергии. Получают древесную топливную щепу при помощи переработки древесного сырья, такого как, стволовая древесина, отходы лесопереработки, отходы деревообработки и порубочные остатки
Древе́сный у́голь — это микропористое высокоуглеродистое изделие, которое образуется в ходе пиролиза древесины без доступа воздуха. Топливные гранулы характеризуются экологической чистотой с небольшим процентом золы, чаще всего, не больше 3 %. Топливные брикеты используются как твердое топливо для каминов и печей всех видов, среди которых и твердотопливные котлы систем отопления.
Дата добавления: 2019-07-15; просмотров: 260; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!