3. 3
1974 год: экономический кризис, прогнозы
истощения запасов нефти и создание Мировой
водородной ассоциации
Темпы добычи
традиционных видов топлива
Водородная энергетика
- система
энергообеспечения,
которая основана на
применении водорода в
качестве вторичного
энергоносителя
4. 4
Традиционная энергетика и экология
Распределение валового выброса
по отраслям промышленности (Воронеж)
Теплоэнергетика
Пищевая
2,8%
Строительных
материалов
3,1%
Машиностроение 65,5%
Изменение средней температуры на Земле
9,6%
Химическая
8,3%
Транспортная
2,6%
Другие отрасли
8,1%
Выхлоп водородного автобуса в Лондоне –
это водяной пар
5. Современное производство Н2
Сейчас в мире производится 400 миллиардов
кубических метров водорода
– Это соответствует 10 процентам производства
нефти
– В основном этот водород идет в химическую и
пищевую промышленность
По прогнозам, к 2050 году треть
производимой энергии должна быть
покрыта водородом как источником топлива.
5
6. Задачи водородной энергетики
1. Производство водорода
– традиционное направление — получение водорода
с помощью обычных процессов реформинга натурального
газа или реформинга угля с последующим транспортом
водорода и использование его в разной форме
– второе направление — получение водорода из воды
с помощью электролиза
Ветер, солнце, геотермальное тепло могут обеспечить
электроэнергией производство необходимого количества
водорода в мире с помощью обычного электролиза. При таких
методах получения водорода минимизируется использование
углеродосодержащего сырья (видео – Исландия)
6
8. Задачи водородной энергетики
2. Хранение водорода
А) Сжижение
Плюсы данного метода: он позволяет накапливать водород с
наименьшим балластом (отношение массы ёмкости к массе
запасённого водорода), не используется высокое давление. Есть
возможность дозаправки
Минусы: сверхнизкая температура хранения, постоянная утечка
водорода, необходимость использования специальных
материалов. Кроме того, водород тяжело сжижается, так что
процесс в целом получается очень затратным.
8
9. Задачи водородной энергетики
2. Хранение водорода
Б) Баллоны
Плюсы: высокая надёжность метода. Долговечность хранения.
Возможность дозаправки.
Минусы: большая балластная масса, высокое рабочее давление
– Балластная масса составляет порядка 100 г на каждый грамм водорода
– Диффузия водорода и утечки через дефекты уплотнений
9
10. Задачи водородной энергетики
2. Хранение водорода
В) Гидриды d-элементов
Одним из первых гидридов, использованных для хранения
водорода, был FeTiH2. Это компактный материал, обратимо
связывающий водород. При хранении этого гидрида не
развивается высокого давления, и он способен храниться очень
длительное время.
Плюсы: высокая надёжность метода. Долговечность хранения.
Низкое рабочее давление
Минусы: большая балластная масса.
– балластная масса, которая составляет 52 грамма на грамм водорода
10
11. Задачи водородной энергетики
2. Хранение водорода
Г) Активные металлы
Для получения водорода можно использовать порошки
активных металлов и воду.
Плюсы: низкое рабочее давление, малая балластная масса,
возможность длительного хранения, высокая надёжность метода.
Минусы: - невозможность перезаправки данного элемента,
высокая цена используемых металлов.
11
12. Задачи водородной энергетики
2. Хранение водорода
Д) Гидриды активных металлов
Гидриды щелочных и щелочноземельных металлов активно
реагируют с водой, выделяя водород. При этом водорода
выделяется в два раза больше, чем просто из металла.
Рекордсмен литий — для него балластная масса составит только
3,5 грамма.
Плюсы: низкое рабочее давление, малая балластная масса,
возможность длительного хранения, высокая надёжность метода.
Минусы: невозможность перезаправки данного элемента,
высокая цена используемых материалов.
12
13. Задачи водородной энергетики
2. Хранение водорода
Е) Органические накопители
Многие органические вещества способны вступать в реакцию
дегидрирования, то есть реакцию с выделением водорода.
Простой пример — дегидрирование циклогексана с образованием
бензола. Реакция обратима, а это значит, что подобные вещества
потенциально являются накопителями водорода
Плюсы: возможность длительного хранения, возможность
перезаправки данного элемента, низкое рабочее давление, малая
балластная масса.
Минусы: возможно, высокая цена используемых катализаторов.
13
14. Заправимся бензином?
рассчитаем массу ёмкостей или материалов, длительно запасающих 2 кг
водорода. Это:
200 кг стальных баллонов
80 кг пластиковых баллонов сверхвысокого давления
106 кг смешанного гидрида титана
54 кг алюминия и воды
21 кг гидрида кальция (и 18 кг воды для реакции (!))
8 кг гидрида лития (и 18 кг воды для реакции)
порядка 40 кг органических накопителей.
самым экономичным из вариантов является гидрид лития, но он необратимо
реагирует с водой и дорог. Второе место делят система из гидрида кальция с
водой и органические накопители водорода. Из всех вышеописанных систем
только органические накопители можно использовать повторно, то есть
«перезаряжать» их водородом.
Итак, заправим водородный 14 автомобиль бензином?!
16. 16
1941 год, СССР: зарождение
водородной энергетики (видео)
масштабное практическое
применение водорода в
качестве моторного топлива
началось в Великую
Отечественную войну
в блокадном Ленинграде
техник-лейтенант Шелищ
Борис Исаакович (1908-1980)
предложил использовать
водород, "отработавший" в
аэростатах, как топливо для
работы нескольких сотен
автомобилей ГАЗ-АА
17. Задачи водородной энергетики
3. Использование водорода в качестве
топлива
– Электрохимическое направление
В будущем основным устройством для использования
водорода станут топливные элементы
17
19. 19
Очень дорого
Автомобиль
– Мощность 50 кВт
– Стоимость топливного
элемента
250 тыс.долл.
Автобус
– Мощность 200 кВт
– Стоимость топливного
элемента
1 млн.долл.
20. 20
Современные проблемы водородных
автомобилей на топливных элементах
проблемы коммерциализации
– высокая стоимость
– недостаточный срок службы
проблемы получения и хранения Н2 на
борту автомобиля
отсутствие инфраструктуры
21. 21
2009 год: Америка признала водород
нерентабельным автомобильным топливом
Президент США Барак Обама
ликвидировал “Фонд развития
автомобилей с водородными
двигателями”
Министр энергетики США
Стивен Чу считает, что
автомобили на
водородных топливных
элементах появятся на
дорогах в большом
количестве лет через 15-20, в
отличие от гибридных
автомобилей
22. 22
Водородный автомобиль на
топливных элементах
водород окисляется в
топливном элементе (fuel
cell, FC): его химическая
энергия напрямую
преобразуется в
электрическую энергию
вместо бензинового
двигателя внутреннего
сгорания (д.в.с.) для
приведения автомобиля в
движение используется
электродвигатель
23. 23
Гибридный автомобиль
используются два
двигателя: бензиновый
д.в.с. и электродвигатель
д.в.с. приводит в движение
электрогенератор,
вырабатывающий
электроэнергию для
заряда аккумуляторов
аккумуляторы,
разряжаясь, передают
энергию на
электродвигатели,
приводящие автомобиль в
движение
24. Водород + бензин
BMW и Mazda: нужно
сохранить в водородном
автомобиле возможность
ездить на бензине
– активно
разрабатываются
системы хранения Н2,
наиболее близкие к
серийному производству:
баллоны с газообразным
водородом,
находящимся под
высоким давлением
(Mazda)
топливные баки с
жидким водородом,
находящимся при низкой
(–253 °С) температуре
(BMW)
24
25. Водород + бензин
Национальная ассоциация водородной
энергетики (Россия):
– нужно применять водород в качестве
добавки к основному (бензиновому)
топливу
это способствует улучшению топливной
экономичности д.в.с. и снижению
выброса вредных веществ
25
