Водородная энергетика и роль химии в водородной энергетике

Федеральное агентство  по образованию РФ

ГОУВПО «Пермский Государственный  Национальный Исследовательский Университет»

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

 

 

Водородная  энергетика

и

роль химии  в водородной энергетике

 

 

 

 

 

 

                                                                                    Работа выполнена студенткой химического

факультета 1М курса

                                                                                   Маленьких Юлией Андреевной

 

 

 

 

 

Пермь – 2011

Содержание

Введение.............................................................................................................. 3-4

1. Водород – источник энергии?  ………………………………………………5-6

2. Производство водорода…………………………………………………….7-15

2.1 Производство водорода  из органического сырья…………………..7-10

2.2 Физические методы  извлечения водорода из водородосодержащих    смесей………………………………………………………………………..11

2.3 Получение водорода  из воды………………………………………12-15

2.3.1 Прямой термолиз  воды …………………………………………12

2.3.2 Термохимические циклы……………………………………12-13

2.3.3 Электролиз воды……………………………………………..13-14

2.3.4 Плазмохимический метод получения  водорода …………..14-15

3. Хранение и транспортировка  водорода………………………………….16-24

3.1 Традиционные способы  хранения…………………………………16-20

3.2 Хранение водорода с использованием  наноматериалов………….21-24

4. Использование водорода………………………………………………….25-27

5. «Водородная экономика» ………………………………………………..28- 29

6. Проблемы, препятствующие становлению  водородной энергетики…..30-32

 

Заключение ………………………………………………………………………33

Список литературы ………………………………………………..………...34-35

Введение   

Понятие «водородная энергетика»  появилось в литературе более 30 лет  назад в период так называемого  энергетического кризиса. В это  время широким слоям общества развитых стран мира стало ясно то, о чем и ранее говорили специалисты – запасы органического топлива, и в первую очередь, дешевого топлива, на Земле ограничены, а темпы их расходования столь велики, что пора задуматься об альтернативных системах энергообеспечения человека [1]. Следует отметить тот факт, что в период с  1900 по 2000 г. потребление энергии в мире увеличилось почти в 15 раз - с 21 до 320 экоДж (1 экоДж = 27х10⁶ м³ нефти). В качестве первичных источников используются нефтепродукты (34.9%), уголь (23.5%), природный газ (21.1%), ядерное топливо (6.8%) и возобновляемые источники - ветер, солнце, гидро- и биотопливо (13.7%) [2].

В последние десятилетия наблюдается  необычно большой интерес к водородной энергетике и топливным элементам. В 1984 г. была опубликована книга «Введение в водородную энергетику». Особый оптимизм утвердился после появления в Интернете статьи известного американского ученого Амори Ловинса [3], названной «Двадцать водородных мифов». В ней делается попытка опровержения различных сомнений (а их насчитано 20), касающихся перспективности водородной энергетики. На фоне этой работы с энтузиазмом была встречена идея создания российской комплексной программы по водородной энергетике и топливным элементам в рамках соглашения между РАН и ОАО «ГМК Норильский никель», которая могла быть основой подобной российской национальной программы[4].

Можно заметить, что тезис "водород - топливо будущего" звучит всё  чаще. Ежегодные затраты на научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы исчисляются несколькими миллиардами долларов. Существует огромное количество информации, посвященной данной проблеме. Достаточно сказать, что поиск в информационной системе Google  лишь по ключевому слову «топливый элемент» обнаруживает свыше 9 млн. источников. Возникает вопрос, что стоит за этим бумом? Действительно ли водород может стать принципиально новым источником энергии, имеющим неоспоримые преимущества перед используемыми в настоящее время энергетическими источниками? Находится ли сегодня человечество на пороге очередной технологической революции, предполагающей переход к водородной энергетике? Если ответ на предыдущий вопрос положительный, то почему до сих пор не происходит замена традиционных источников энергии на альтернативные? Если же, напротив, ответ отрицательный, то способна ли химическая наука решить проблемы и преодолеть существующие недостатки, связанные с внедрением водородных технологий?

Итак, в данной работе мы постараемся  отчасти ответить на вышеозначенные вопросы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Водород – источник энергии?

Для начала, прежде чем начинать обсуждение перспектив водородной энергетики, необходимо напомнить о некоторых специфических свойствах водорода.

В первую очередь, водород – это самый распространенный элемент в космосе. Он содержится в межзвездном газе, газовых туманностях, а также входит в состав звезд. Соответственно он есть и на Земле. Он обычно и существует в комбинации с другими элементами, например, кислорода в воде, углерода в метане и в органических соединениях. Поскольку водород химически чрезвычайно активен, он редко присутствует как несвязанный элемент. В соответствии с этим необходимо сделать замечание о том, что водород не является первичным источником энергии, а используется в качестве вторичного энергоносителя.

В свободном состоянии и при  нормальных условиях водород — бесцветный газ, без запаха и вкуса. Относительно воздуха водород имеет плотность 1/14. При нормальных условиях 1кг водорода занимает объем 11 м³. В газообразном состоянии при любом давлении водород обладает меньшей энергией, чем природный газ, метанол, пропан, не говоря уже о бензине (на единицу объема).

Охлажденный до жидкого состояния водород занимает 1/700 объема газообразного состояния. При давлении 80 МПа газообразный водород практически сравнивается с жидким водородом по показателю удельного объемного энергетического содержания и значительно уступает жидким топливам. В частности, 1 л  жидкого водорода содержит столько же энергии, сколько 0,28 бензина, 0,22 дизельного топлива или керосина, 0,4 жидкого пропана и 0,54 метанола. Однако, по удельному массовому энергосодержанию, водород при соединении с кислородом имеет самое высокое значение: 120.7 ГДж/т, что почти в 3,5 раза превышает показатель нефтяных видов топлива. Это — одна из причин, почему жидкий водород используется как топливо для ракет и энергетики космического корабля, для которой малая молекулярная масса и высокое удельное энергосодержание водорода имеют первостепенное значение.

При сжигании в чистом кислороде  единственные продукты — высокотемпературное  тепло и вода. Таким образом, при  использовании водорода не образуются парниковые газы, и не нарушается даже круговорот воды в природе [5].

Таким образом, привлекательность  водорода как универсального энергоносителя многие специалисты определяют его экологической чистотой, гибкостью и эффективностью процессов преобразования энергии с его участием.

Наряду с этим с технологической точки зрения водород имеет и ряд недостатков. Он в 8 раз легче природного газа, а 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 сжижения при атмосферном давлении (20 К) существенно ниже, чем у природного газа (у метана - 108 К) [6].

Эти обстоятельства привели к тому, что по мере развития идей водородной энергетики стали говорить не только о водороде, но и о возможных синтетических энергоносителях на его основе, свободных от его недостатков.

Итак, водород следует рассматривать  как искусственный промежуточный энергоноситель, и для его широкого использования в энергетике должны быть решены проблемы:

- эффективного производства водорода;

- методов его хранения и транспортировки;

- высокоэкономичного использования  водорода в электрохимических   процессах и термодинамических циклах для конечного получения электрической, механической энергии и тепла (рис. 1)[7].

 

Рис.1. Водород  как энергоноситель

 

 

2. Производство водорода

Водород имеет обширную диверсифицированную  ресурсную базу. Действительно, водород  можно получить из первичной энергии всех видов, включая практически все ископаемые топлива и первичную электроэнергию (ядерную, гидравлическую, фотоэлектричество и ветровую). Именно это достоинство придает водороду особую стратегическую значимость с точки зрения возможностей снижения зависимости стран-импортеров органических топлив (США, Япония, стран ЕС, а в последнее время и Китая) от внешних поставок углеводородов, в первую очередь, нефти, используемой для обеспечения топливом транспорта.

На данный момент освоено несколько технологий производства. Все они имеют свои преимущества и недостатки; одни уже долгое время применяются в промышленности, другие пока находятся на стадии реализации.

2.1 Производство водорода из органического сырья

Применительно к ископаемым топливам речь идет о конверсии различных углеводородов, чаще всего метана и попутного нефтяного газа, угля и биомассы, относящейся к категории возобновляемых источников энергии. Помимо этого, источником водорода могут служить преобразованные виды синтетического жидкого углеводородного топлива: метанол, этанол, диметил-эфир, бензин и др., а также некоторые распространенные в природе соединения, например сероводород.

На сегодняшний день именно риформинг углеводородов получил в мире промышленное распространение. На его долю приходится 96% мирового производства водорода, из которых 48 производится риформингом метана, 30 – нефти, 18 – угля [3].

Простым решением будет получение  водорода с помощью паровой конверсии (реакция 1) — этот процесс известен почти сто лет и хорошо изучен, для него есть очень хорошие катализаторы, и его отлично умеют проектировать сотни фирм. Более того, оборудование для него не очень дорого по сравнению с конкурентными технологиями. В уравнении видно, что процесс происходит в две стадии: первая — сильно эндотермическая реакция метана с водой, потом конверсия СО. В паровой конверсии топливо потребуется непосредственно на получение из него водорода, а также для поддержания эндотермической реакции (смесь надо подогревать) и на образование пара в двух местах. Это немало.

Предлагается усовершенствование основного традиционного метода получения Н₂, которое заключается в том, что процесс проводят в кипящем слое катализатора, тепло подводят от высокотемпературного ядерного газоохлаждаемого реактора (ВТГР). Применение этого метода позволит более чем в 10 раз увеличить объемную скорость процесса, снизить температуру в хим. реакторе на 150°С, уменьшить затраты на производство Н₂ на 20-25%.

Второй способ — парокислородная конверсия (комбинированная). Ее проводят в одном или нескольких реакторах с водой и кислородом, предварительно выделенным из воздуха на криогенных установках. Реакция тоже слабо эндотермическая (то есть требует подогрева), и после первой стадии надо опять же проводить конверсию СО. В этом случае топливо расходуется так же, как и в первом процессе (на технологию, подогрев, парообразование), а еще и на получение кислорода из воздуха. И наконец, новый, еще не очень освоенный процесс — парциальное окисление, который требует доработки, особенно в наиболее выгодном мембранном варианте. Но в нем топливо будет нужно только на технологию и парообразование.

Почему обманчива выгода паровой  конверсии? Кажется, будто на одну молекулу метана получается четыре молекулы водорода, а при парциальном окислении всего 2,5. Но если учесть, что природный газ метан помимо стехиометрии используется еще и на другое, то картина получится совсем обратная, и малоосвоенный процесс парциального окисления требует почти на 10% меньше метана [8].

С учетом полных капитальных и эксплуатационных затрат себестоимость производства водорода может варьироваться от 1 до 4,5 дол/кг на крупных промышленных заводах и малых децентрализованных установках [9].

Считая риформинг углеводородов  основным способом получения водорода, мы можем поставить под сомнение утверждение о водородном топливе как об отличающемся экологической чистотой. И вот почему. При получении водорода конверсией общие выбросы в атмосферу углекислого газа возрастают пропорционально потерям риформинга, оцениваемым в 30-35%[10], не говоря уже об энергетических потерях, обусловленных транспортированием, распределением и хранением. Поэтому можно говорить лишь об отсутствии загрязнений окружающей среды только на месте использования водорода.

Таким образом, в  долгосрочной перспективе, необходим переход на возобновляемые источники энергии, так как одной из главных целей внедрения водородной энергетики является снижения выброса парниковых газов в соответствии с Киотским протоколом.

Другой способ извлечения водорода из органических источников - газификация угля. Это 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.  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.