Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Водородное топливо является нулевым углеродом топливо сжигается с кислородом. Его можно использовать в топливных элементах или двигателях внутреннего сгорания . Он начал использоваться в коммерческих транспортных средствах на топливных элементах , таких как легковые автомобили, и уже много лет используется в автобусах на топливных элементах . Он также используется в качестве топлива для двигателей космических кораблей .

По состоянию на 2018 год большая часть водорода (∼95%) производится из ископаемого топлива путем парового риформинга или частичного окисления метана и газификации угля с использованием лишь небольшого количества альтернативными способами, такими как газификация биомассы или электролиз воды [1] [2 ] или солнечная термохимия, [3] солнечное топливо без каких - либо выбросов углекислого газа.

Водород находится в первой группе и первом периоде периодической таблицы , то есть это самый легкий и первый элемент из всех. Поскольку вес водорода меньше веса воздуха, он поднимается в атмосфере и поэтому редко встречается в чистом виде, H 2 . [4] В пламени чистого газообразного водорода, горящего на воздухе, водород (H 2 ) реагирует с кислородом (O 2 ) с образованием воды (H 2 O) и выделяет энергию.

2H 2 (г) + O 2 (г) → 2H 2 O (г) + энергия

Если сжигание водорода проводится в атмосферном воздухе, а не в чистом кислороде, как это обычно бывает, сжигание водорода может давать небольшие количества оксидов азота вместе с водяным паром.

Выделяемая энергия позволяет водороду действовать как топливо. В электрохимической ячейке эту энергию можно использовать с относительно высокой эффективностью. Если он используется просто для тепла, применяются обычные термодинамические ограничения на тепловой КПД .

Водород обычно считается энергоносителем, например электричеством, поскольку он должен производиться из первичного источника энергии, такого как солнечная энергия, биомасса, электричество (например, в форме солнечных фотоэлектрических систем или с помощью ветряных турбин) или углеводородов, таких как природный газ или каменный уголь. [5] Обычное производство водорода с использованием природного газа оказывает значительное воздействие на окружающую среду; как и при использовании любого углеводорода, выделяется углекислый газ. [6] В то же время добавление 20% водорода (оптимальная доля, не влияющая на газовые трубы и приборы) в природный газ может снизить выбросы CO2, вызванные отоплением и приготовлением пищи. [7]

Производство [ править ]

Основная статья: Производство водорода

Поскольку чистый водород не встречается на Земле в больших количествах, для его производства в промышленных масштабах обычно требуется ввод первичной энергии . [8] Водородное топливо можно производить из метана или путем электролиза воды. [9] По состоянию на 2020 год большая часть водорода (∼95%) производится из ископаемого топлива путем парового риформинга или частичного окисления метана и газификации угля, и лишь небольшое количество водорода производится другими способами, такими как газификация биомассы или электролиз воды. [1] [2] [10]

Паровой риформинг метана, ведущая в настоящее время технология производства водорода в больших количествах [11], извлекает водород из метана . Однако в результате этой реакции в атмосферу выделяются углекислый газ и окись углерода, которые являются парниковыми газами, экзогенными по отношению к естественному круговороту углерода и, таким образом, способствуют изменению климата. [4] При электролизе электричество пропускается через воду для разделения атомов водорода и кислорода. Этот метод может использовать ветер, солнечную энергию, геотермальную энергию, гидроэнергетику, ископаемое топливо, биомассу, ядерную энергию и многие другие источники энергии. [5] Получение водорода с помощью этого процесса изучается как жизнеспособный способ производства его внутри страны по невысокой цене.

Синдзо Абэ совершит поездку по объекту FH2R в марте 2020 г.

Самым крупным в мире предприятием по производству водородного топлива, как утверждается [12], является Фукусимский исследовательский центр по водородной энергии (FH2R), установка по производству водорода мощностью 10 МВт, открытая 7 марта 2020 года в Намиэ , префектура Фукусима . [13] Участок занимает 180 000 квадратных метров земли, большая часть которой занята солнечными батареями ; но энергия из сети также используется для проведения электролиза воды для производства водородного топлива. [12]

Продукция обычно классифицируется по цвету; «серый водород» производится как побочный продукт промышленного процесса, «синий водород» производится в процессе производства, в котором также производится CO2, который затем улавливается с помощью CCS, и, наконец, «зеленый водород» производится полностью из возобновляемых источников.

Энергия [ править ]

Водород в огромных количествах заключен в воде, углеводородах и других органических веществах. Одна из проблем использования водорода в качестве топлива связана с возможностью эффективного извлечения водорода из этих соединений. Теперь паровой риформинг, который сочетает в себе высокотемпературный пар с природным газом, составляет большую часть производимого водорода. [14] Этот метод производства водорода происходит при температурах 700–1100 ° C, а его эффективность составляет 60–75%. [15] Водород также может быть получен из воды посредством электролиза, который менее углеродоемок, если электричество, используемое для запуска реакции, поступает не от электростанций, работающих на ископаемом топливе, а вместо этого используется возобновляемая или ядерная энергия. Эффективность электролиза воды составляет около 70-80%,[16] [17] с целью достичь эффективности 82-86% к 2030 году с использованием электролизеров с протонообменной мембраной (PEM). [18] После производства водород можно использовать во многом так же, как и природный газ - его можно доставлять в топливные элементы для выработки электроэнергии и тепла, использовать в газовой турбине с комбинированным циклом для производства большего количества электричества, производимого централизованно, или сжигать. запустить двигатель внутреннего сгорания; все методы без выбросов углерода или метана . [19]В каждом случае водород объединяется с кислородом с образованием воды. Это также одно из важнейших его преимуществ, поскольку водородное топливо экологически безвредно. Тепло в водородном пламени - это лучистое излучение вновь образованных молекул воды. Молекулы воды при начальном образовании находятся в возбужденном состоянии, а затем переходят в основное состояние; переход, испускающий тепловое излучение. При горении на воздухе температура составляет примерно 2000 ° C (как у природного газа). Исторически углерод был наиболее практичным носителем энергии, так как водород и углерод вместе взятые имеют большую объемную плотность, хотя сам водород имеет в три раза большую плотность энергии.на массу как метан или бензин. Хотя водород является самым маленьким элементом и, следовательно, имеет немного более высокую склонность к утечке из традиционных труб для природного газа, таких как железные, утечки из пластиковых (полиэтилен PE100) труб, как ожидается, будут очень низкими и составляют около 0,001%. [20] [21]

Причина, по которой паровой риформинг метана традиционно предпочтительнее электролиза, заключается в том, что в то время как риформинг метана напрямую использует природный газ, электролиз требует электричества. Поскольку стоимость производства электроэнергии (с помощью ветряных турбин и солнечных панелей) ниже стоимости природного газа, электролиз становится дешевле, чем SMR. [22]

Использует [ редактировать ]

Основная статья: Водородная экономика

Водородное топливо можно использовать для электростанций или в качестве альтернативы природному газу для отопления.

Водородное топливо также может обеспечивать движущую силу для жидкостных ракет , автомобилей, грузовиков, поездов, лодок и самолетов, приложений переносных топливных элементов или стационарных топливных элементов , которые могут приводить в действие электродвигатель. [23] Проблемы использования водородного топлива в автомобилях возникают из-за того, что водород трудно хранить ни в резервуаре высокого давления, ни в криогенном резервуаре. [24] Альтернативные носители информации, такие как сложные гидриды металлов, находятся в стадии разработки.

Топливные элементы [ править ]

Основная статья: Автомобиль на топливных элементах

Топливные элементы представляют собой наиболее привлекательный выбор для преобразования энергии из водорода непосредственно в электричество из-за их высокой эффективности, низкого уровня шума и ограниченного количества движущихся частей. Топливные элементы представляют интерес как для стационарного, так и для мобильного производства электроэнергии из водорода. Топливные элементы часто рассматриваются как часть силовой установки транспортного средства.

Использование топливного элемента для питания электрифицированной трансмиссии, включая аккумулятор и электродвигатель, в два-три раза более эффективно, чем использование двигателя внутреннего сгорания, хотя некоторые из этих преимуществ связаны с электрифицированной трансмиссией (т.е. включая рекуперативное торможение). Это означает, что при использовании водорода в топливном элементе достигается гораздо большая экономия топлива по сравнению с водородным двигателем внутреннего сгорания.

Преобразование двигателя внутреннего сгорания на водород [ править ]

Основная статья: Автомобиль с водородным двигателем внутреннего сгорания

Наряду со сжиганием водорода на одном топливе двигатели внутреннего сгорания в коммерческих транспортных средствах могут быть преобразованы для работы на водородно-дизельной смеси. Это было продемонстрировано на прототипах в Великобритании [ когда? ], где до 70% выбросов CO2 были сокращены при нормальных условиях вождения. Эта двухтопливная гибкость устраняет опасения по поводу дальности полета, поскольку в качестве альтернативы автомобили могут заправляться только на дизельном топливе, когда заправка водородом недоступна. Требуются относительно небольшие модификации двигателей, а также добавление баков с водородом при сжатии до 350 бар. [25] Также проводятся испытания эффективности 100% преобразования грузовика Volvo FH16 большой грузоподъемности на использование только водорода. Ожидаемая дальность полета составит 300 км / 17 кг; [26]что означает эффективность лучше , чем стандартный дизельный двигатель [27] (где воплощенная энергия из 1 галлона бензина равна 1 кг водорода ).

По сравнению с обычным топливом, при низкой себестоимости водорода (5 евро / кг) [28] за счет такого перехода в Европе или Великобритании может быть получена значительная экономия топлива. Чтобы конкурировать с дизельным топливом / бензином в США, потребуется более низкая цена, поскольку это топливо не облагается высокими налогами на заправку.

Двигатели внутреннего сгорания, использующие водород, представляют интерес, поскольку эта технология предлагает менее существенные изменения для автомобильной промышленности и потенциально снижает первоначальную стоимость транспортного средства по сравнению с полностью электрическими альтернативами или альтернативами на топливных элементах. Однако характер двигателя с ненулевым уровнем выбросов означает, что он не сможет работать в городских зонах с нулевым уровнем выбросов , если он не является частью гибридной трансмиссии.

Недостатки [ править ]

Хотя водород имеет высокое энергосодержание на единицу массы, при комнатной температуре и атмосферном давлении он имеет очень низкое энергосодержание на единицу объема по сравнению с жидким топливом или даже с природным газом . По этой причине его обычно либо сжимают, либо сжижают, понижая его температуру до менее 33 К. Баки высокого давления весят намного больше, чем водород, который они могут вместить. Например, в Toyota Mirai 2014 года полный бак содержит только 5,7% водорода, а остальная часть веса приходится на бак. [29]

Водородное топливо опасно из-за низкой энергии воспламенения и высокой энергии сгорания водорода, а также потому, что оно имеет тенденцию легко вытекать из резервуаров. [30] Сообщалось о взрывах на водородных заправочных станциях. [31] Водородные заправочные станции обычно получают водород грузовиками от поставщиков водорода. Прерывание работы на водородном предприятии может привести к остановке нескольких заправочных станций. [32]

См. Также [ править ]

  • Автомобиль на топливных элементах
  • HCNG
  • Водородный компрессор
  • Водородная безопасность
  • Хранение водорода
  • Водородные технологии
  • Водородный автомобиль
  • Кислородно-водородное пламя
  • Фотокаталитическое расщепление воды для выделения водорода
  • Синтетическое топливо

Ссылки [ править ]

Заметки [ править ]

  1. ^ a b Робертс, Дэвид (16.02.2018). «Эта компания, возможно, решила одну из самых сложных проблем в области чистой энергии» . Vox . Проверено 30 октября 2019 .
  2. ^ a b Огден, JM (1999). «Перспективы построения инфраструктуры водородной энергетики» . Ежегодный обзор энергетики и окружающей среды . 24 : 227–279. DOI : 10.1146 / annurev.energy.24.1.227 .
  3. ^ "Вопросы и ответы: Кристиан Сэттлер из DLR о роли солнечной термохимии в производстве зеленого водорода" . SolarPACES.org .
  4. ^ Б Altork, LN и Басби, JR (2010 октябрь). Водородные топливные элементы: часть решения. Учитель технологий и инженерии, 70 (2), 22-27.
  5. ^ a b Центр солнечной энергии Флориды. (nd). Основы водорода. Получено с: http://www.fsec.ucf.edu/en/consumer/hydrogen/basics/index.htm.
  6. ^ Zehner, Оззи (2012). Зеленые иллюзии . Линкольн и Лондон: Университет Небраски Press. С. 1–169, 331–42.
  7. ^ "Надежда на изменение климата для водородного топлива" . BBC News . 2 января 2020.
  8. ^ Ван, Фэн (март 2015). «Термодинамический анализ высокотемпературного риформинга гелиевого топлива для производства водорода». Международный журнал энергетических исследований . 39 (3): 418–432. DOI : 10.1002 / er.3263 .
  9. Перейти ↑ Jones, JC (март 2015 г.). «Возврат энергии, вложенной в водородное топливо парового риформинга природного газа». Топливо . 143 : 631. DOI : 10.1016 / j.fuel.2014.12.027 .
  10. ^ «Выбросы водорода за жизненный цикл» . 4-е поколение . Энергия . Проверено 27 мая 2020 .
  11. ^ Министерство энергетики США. (2007 фев). Потенциал производства водорода из основных возобновляемых источников в США. (Технический отчет NREL / TP-640-41134). Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии Голден, Колорадо: Милбрандт, А. и Манн, М. Получено с: http://www.afdc.energy.gov/afdc/pdfs/41134.pdf
  12. ^ a b «В настоящее время в городе Намиэ на Фукусиме завершено производство водорода самого крупного класса в мире, Фукусимская область исследований водородной энергии (FH2R)» . Пресс-релизы Toshiba Energy . Корпорации Toshiba Energy Systems and Solutions. 7 марта 2020 . Проверено 1 апреля 2020 года .
  13. ^ "Церемония открытия поля исследования водородной энергии Фукусимы (FH2R), проведенная премьер-министром Абэ и министром METI Кадзиямой" . Пресс-релизы METI . Министерство экономики, торговли и промышленности. 9 марта 2020 . Проверено 1 апреля 2020 года .
  14. ^ «Центр данных по альтернативным видам топлива: основы водорода» . www.afdc.energy.gov . Проверено 27 февраля 2016 .
  15. ^ Каламарас, Христос М .; Эфстатиу, Ангелос М. (2013). «Технологии производства водорода: текущее состояние и перспективы развития» . Материалы конференций по энергетике . 2013 : 1–9. DOI : 10.1155 / 2013/690627 .
  16. ^ Stolten, Детлеф (4 января 2016). Водородная наука и инженерия: материалы, процессы, системы и технологии . Джон Вили и сыновья. п. 898. ISBN 9783527674299. Проверено 22 апреля 2018 года .
  17. ^ «ITM - Инфраструктура для заправки водородом - февраль 2017 г.» (PDF) . level-network.com . п. 12 . Проверено 17 апреля 2018 года .
  18. ^ "Снижение затрат и повышение производительности электролизеров PEM" (PDF) . fch.europa.eu . Совместное предприятие по топливным элементам и водороду. п. 9 . Проверено 17 апреля 2018 года .
  19. ↑ Оно, Кацутоши (январь 2015 г.). «Фундаментальные теории комбинированного энергетического цикла электролитического элемента с электростатической индукцией и топливного элемента для производства полностью устойчивой водородной энергии». Электротехника в Японии . 190 (2): 1–9. DOI : 10.1002 / eej.22673 .
  20. ^ «Энергетические мысли и сюрпризы» . 2016-11-17 . Проверено 22 апреля 2018 года .
  21. ^ Сэдлер, Дэн (2018-04-06). «100% водород открывает все» . medium.com . cH2ange . Проверено 22 апреля 2018 года .
  22. ^ Филибер, Седрик. «Комментарий: Производство промышленного водорода из возобновляемых источников энергии» . iea.org . Международное энергетическое агентство . Проверено 22 апреля 2018 года .
  23. ^ Colella РГ (октябрь 2005). «Переход к американскому парку автомобилей на водородных топливных элементах: результирующее изменение выбросов, энергопотребления и парниковых газов». Журнал источников энергии . 150 (1/2): 150–181. Bibcode : 2005JPS ... 150..150C . DOI : 10.1016 / j.jpowsour.2005.05.092 .
  24. ^ Зубрин, Роберт (2007). Энергетическая победа: победа в войне с террором, освободившись от нефти . Амхерст, Нью-Йорк: Книги Прометея. п. 121 . ISBN 978-1-59102-591-7.
  25. ^ Dalagan, Мария Терезия. «ULEMCO разрабатывает автомобили на водородном топливе» . Cargowaves.com . Проверено 22 апреля 2018 года .
  26. ^ "Британская фирма продемонстрирует" первый в мире "грузовик с водородным двигателем внутреннего сгорания" . theengineer.co.uk . Centaur Media plc. 2018-04-17 . Проверено 22 апреля 2018 года .
  27. ^ Mårtensson, Ларс. «Выбросы грузовых автомобилей Volvo» (PDF) . volvotrucks.com . п. 3 . Проверено 22 апреля 2018 года .
  28. ↑ Андре Лёкке, Джон. «Широкое распространение конкурентоспособных водородных решений» (PDF) . nelhydrogen.com/ . Nel ASA. п. 16 . Проверено 22 апреля 2018 года .
  29. ^ Майк Милликин (2014-11-18). «Toyota FCV Mirai запускается в Лос-Анджелесе; первоначальные спецификации TFCS; аренда 57 500 или 499 долларов; опираясь на аналогию с Prius» . Конгресс зеленых автомобилей . Проверено 23 ноября 2014 .
  30. ^ Utgikar, Vivek P; Тизен, Тодд (2005). «Безопасность резервуаров для сжатого водородного топлива: утечки из стационарных транспортных средств». Технологии в обществе . 27 (3): 315–320. DOI : 10.1016 / j.techsoc.2005.04.005 .
  31. ↑ Добсон, Джефф (12 июня 2019 г.). «Взрыв водородной станции приводит к остановке ТТС» . Е.В. Разговор.
  32. ^ Вудроу, Мелани. «Район залива из-за взрыва испытывает нехватку водорода» , ABC news, 3 июня 2019 г.

Библиография [ править ]

  • Маккарти, Джон. «Водород» .
  • Управление энергетической информации. «Водород объяснил юной аудитории» . Официальная энергетическая статистика EIA от правительства США.
  • Милбрандт, А. «Производство водорода из основных возобновляемых ресурсов в США» (PDF) . Министерство энергетики США, Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии . Проверено 13 сентября 2013 года .
  • Водород как топливо будущего, доклад DLR