В каких отраслях промышленности применяют водород

Все тесты

Перспективы развития водородной энергетики

Водородная энергетика сформировалась как одно из направлений развития научно-технического прогресса в середине 70-х гг. XX столетия. По мере того как расширялась область исследований, связанных с  получением, хранением, транспортировкой и использованием водорода, становились все более очевидными экологические преимущества водородных технологий.

Успехи в развитии ряда водородных технологий (таких как топливные элементы, транспортные системы на водороде, системы хранения и др.) продемонстрировали, что использование водорода приводит к качественно новым показателям в работе установок и систем, а выполненные технико-экономические исследования выявили, что, хотя водород является вторичным энергоносителем, то есть стоит дороже, чем природные топлива, его применение в ряде случаев экономически целесообразно уже в настоящее время.

Направления разрабатываемых новых водородных технологий гражданского назначения в разных странах различаются. Это связано и с неодинаковой обеспеченностью природными энергоресурсами, и с особенностями технологического развития тех или иных государств.

Например, в проектах новых водородных технологий, осуществляемых в США, Германии и России, используется опыт ракетной техники, атомной и химической промышленности, специальной металлургии, криогенной и оборонной промышленности, в Японии — опыт высоких технологий электронной, электротехнической, металлургической и металлообрабатывающей промышленности и зарубежный опыт криогенной и авиационно-космической техники.

Наблюдаемое в мире в последние десятилетия резкое увеличение интереса к водороду как к горючему и энергоносителю определяется следующими его основными особенностями:

• запасы водорода практически неограниченны;
• водород — универсальный вид энергоресурса, так как может использоваться в качестве горючего для производства электричества в рабочих циклах различного типа и в качестве энергоносителя для транспортировки в газообразном, жидком и связанном состояниях;
• при помощи водорода возможна аккумуляция энергии;
• среди прочих видов органического топлива водород отличается наибольшей теплотворной способностью на единицу массы и наименьшим отрицательным воздействием на окружающую среду.

Энергосодержание 1 г водорода эквивалентно энергосодержанию 2,8 г бензина при расчете по низшей теплоте сгорания. Если же в расчете принять для водорода высшую теплоту сгорания, а для бензина — низшую, как это имеет место в действительности, то эта величина составит 3,3.

Ключевым звеном в энергоустановках на водородном топливе является топливный элемент. Топливные элементы относятся к химическим источникам тока. Они не подчиняются закону Карно и осуществляют прямое превращение энергии топлива в электрическую энергию, минуя малоэффективные, идущие с большими потерями обычные процессы горения.

Топливные элементы с твердополимерным электролитом имеют ряд достоинств, в том числе:

• большую удельную мощность и компактность;
• сравнительно простое управление;
• высокие динамические показатели;
• сравнительно простую систему удаления продуктов реакции.

Использование водорода для автономных электрохимических энергетических установок получило наибольшее развитие в космической технике, где накоплен определенный опыт эксплуатации. В последнее время резко возрос интерес к использованию таких установок в наземном и морском транспорте.

Твердополимерные топливные элементы (РЕМFC) по своему техническому уровню находятся на пороге коммерциализации. В настоящее время их высокая стоимость (стоимость энергоустановки ~ 104 дол/кВт) пока еще сдерживает этот процесс. Многие компании прогнозируют снижение стоимости энергоустановок с РЕМFС на порядок и более при их массовом производстве.

Для массового применения РЕМРС в автотранспорте их стоимость должна быть снижена до 30—100 дол/кВт (при современной стоимости бензина и отсутствии финансовых механизмов, учитывающих вредное влияние выбросов на окружающую среду). В недалекой перспективе в  результате ужесточения стандартов на выбросы, повышения стоимости бензина и снижения стоимости ТЭ ожидается изменение конъюнктуры рынка в пользу автомобилей и автономных энергоустановок мощностью до 100—300 кВт с РЕМРС. В этих направлениях НИОКР развиваются с возрастающей активностью.

Дальнейшее развитие водородной энергетики, особенно транспортной, зависит от решения трех научно-технических проблем, связанных: с появлением экономичной и экологически безопасной технологии получения водорода, с разработкой методов его безопасного и компактного хранения и с развитием собственно электрохимических генераторов.

Создание компактных, надежных и недорогих систем хранения и транспортировки водорода является одной из важнейших проблем транспортной водородной энергетики. Сложность этой задачи связана с тем, что в свободном состоянии водород — самый легкий и один из самых низкокипящих газов.

В настоящее время наиболее активно исследуются 3 способа хранения водорода — это баллонный, криогенный и способ химически связанного хранения водорода, в том числе с использованием для этого углеродных нанотрубок. По крайней мере 8 крупных научно-исследовательских институтов (НИИ)

Наиболее известный способ хранения водорода — баллонный, когда водород хранится в сжатом газообразном состоянии, — по своим массогабаритным параметрам и по характеристикам взрывопожаробезопасности не вполне удовлетворяет условиям безопасности в наземном транспорте и на кораблях, хотя и продолжает активно исследоваться и совершенствоваться.

Еще более взрывопожароопасным в условиях эксплуатации автомобилей, подводных лодок и надводных кораблей представляется применяемый в космических установках способ хранения водорода в криогенном состоянии — из-за постоянного испарения этого газа. Поскольку параметры взрывопожаробезопасности определяются в значительной степени объемом хранимого водорода и временем хранения, этот метод малопригоден для морского и наземного транспорта.

Способ хранения водорода, основанный на применении углеродных нанотрубок (длинных цилиндров, стенки которых состоят из одного или нескольких молекулярных графитовых слоев), интенсивные исследования которого начаты в 1998 г., пока ограничен технологическими сложностями.

Применение веществ – егэ по химии

Свойства

Строе­ние внеш­ней элек­трон­ной обо­лоч­ки ато­ма К. 2s²2p⁴; в со­еди­не­ни­ях про­яв­ля­ет сте­пе­ни окис­ле­ния –2, –1, ред­ко 1, 2; элек­тро­от­ри­ца­тель­ность по По­лин­гу 3,44 (наи­бо­лее элек­тро­от­ри­ца­тель­ный эле­мент по­сле фто­ра); атом­ный ра­ди­ус 60 пм; ра­ди­ус ио­на О^2– 121 пм (ко­ор­ди­нац. чис­ло 2). В га­зо­об­раз­ном, жид­ком и твёр­дом состояни­ях К. су­ще­ст­ву­ет в ви­де двух­атом­ных мо­ле­кул О₂. Мо­ле­ку­лы О₂ па­ра­маг­нит­ны. Су­ще­ст­ву­ет так­же ал­ло­троп­ная мо­ди­фи­ка­ция К. – озон, со­стоя­щая из трёх­атом­ных мо­ле­кул О₃.

В осн. со­стоя­нии атом К. име­ет чёт­ное чис­ло ва­лент­ных элек­тро­нов, два из ко­то­рых не спа­ре­ны. По­это­му К., не имею­щий низ­кой по энер­гии ва­кант­ной d-ор­би­та­ли, в боль­шин­ст­ве хи­мич. со­еди­не­ний двух­ва­лен­тен. В за­ви­си­мо­сти от ха­рак­те­ра хи­мич. свя­зи и ти­па кри­стал­лич. струк­ту­ры со­еди­не­ния ко­ор­ди­нац. чис­ло К. мо­жет быть раз­ным: 0 (ато­мар­ный К.), 1 (напр., О₂, СО₂), 2 (напр., Н₂О, Н₂О₂), 3 (напр., Н₃О ), 4 (напр., ок­со­аце­та­ты Ве и Zn), 6 (напр., MgO, CdO), 8 (напр., Na₂O, Cs₂O). За счёт не­боль­шо­го ра­диу­са ато­ма К. спо­со­бен об­ра­зо­вы­вать проч­ные π-свя­зи с др. ато­ма­ми, напр. с ато­ма­ми К. (О₂, О₃), уг­ле­ро­да, азо­та, се­ры, фос­фо­ра. По­это­му для К. од­на двой­ная связь (494 кДж/моль) энер­ге­ти­че­ски бо­лее вы­год­на, чем две про­стые (146 кДж/моль).

Па­ра­маг­не­тизм мо­ле­кул О₂ объ­яс­ня­ет­ся на­ли­чи­ем двух не­спа­рен­ных элек­тро­нов с па­рал­лель­ны­ми спи­на­ми на два­ж­ды вы­ро­ж­ден­ных раз­рых­ляю­щих π*-ор­би­та­лях. По­сколь­ку на свя­зы­ваю­щих ор­би­та­лях мо­ле­ку­лы на­хо­дит­ся на че­ты­ре элек­тро­на боль­ше, чем на раз­рых­ляю­щих, по­ря­док свя­зи в О₂ ра­вен 2, т. е. связь ме­ж­ду ато­ма­ми К. двой­ная. Ес­ли при фо­то­хи­мич. или хи­мич. воз­дей­ст­вии на од­ной π*-ор­би­та­ли ока­зы­ва­ют­ся два элек­тро­на с про­ти­во­по­лож­ны­ми спи­на­ми, воз­ни­ка­ет пер­вое воз­бу­ж­дён­ное со­стоя­ние, по энер­гии рас­по­ло­жен­ное на 92 кДж/моль вы­ше ос­нов­но­го. Ес­ли при воз­бу­ж­де­нии ато­ма К. два элек­тро­на за­ни­ма­ют две раз­ные π*-ор­би­та­ли и име­ют про­ти­во­по­лож­ные спи­ны, воз­ни­ка­ет вто­рое воз­бу­ж­дён­ное со­стоя­ние, энер­гия ко­то­ро­го на 155 кДж/моль боль­ше, чем ос­нов­но­го. Воз­бу­ж­де­ние со­про­во­ж­да­ет­ся уве­ли­че­ни­ем меж­атом­ных рас­стоя­ний О–О: от 120,74 пм в осн. со­стоя­нии до 121,55 пм для пер­во­го и до 122,77 пм для вто­ро­го воз­бу­ж­дён­но­го со­стоя­ния, что, в свою оче­редь, при­во­дит к ос­лаб­ле­нию свя­зи О–О и к уси­ле­нию хи­мич. ак­тив­но­сти К. Оба воз­бу­ж­дён­ных со­стоя­ния мо­ле­ку­лы О₂ иг­ра­ют важ­ную роль в ре­ак­ци­ях окис­ле­ния в га­зо­вой фа­зе.

К. – газ без цве­та, за­па­ха и вку­са; t_пл –218,3 °C, t_кип –182,9 °C, плот­ность га­зо­об­раз­но­го К. 1428,97 кг/дм³ (при 0 °C и нор­маль­ном дав­ле­нии). Жид­кий К. – блед­но-го­лу­бая жид­кость, твёр­дый К. – си­нее кри­стал­лич. ве­ще­ст­во. При 0 °C те­п­ло­про­вод­ность 24,65·10^—3 Вт/(м·К), мо­ляр­ная те­п­ло­ём­кость при по­сто­ян­ном дав­ле­нии 29,27 Дж/(моль·К), ди­элек­трич. про­ни­цае­мость га­зо­об­раз­но­го К. 1,000547, жид­ко­го 1,491. К. пло­хо рас­тво­рим в во­де (3,1% К. по объ­ё­му при 20 °C), хо­ро­шо рас­тво­рим в не­ко­то­рых фто­рор­га­нич. рас­тво­ри­те­лях, напр. пер­фтор­де­ка­ли­не (4500% К. по объ­ё­му при 0 °C). Зна­чит. ко­ли­че­ст­во К. рас­тво­ря­ют бла­го­род­ные ме­тал­лы: се­реб­ро, зо­ло­то и пла­ти­на. Рас­тво­ри­мость га­за в рас­плав­лен­ном се­реб­ре (2200% по объ­ё­му при 962 °C) рез­ко по­ни­жа­ет­ся с умень­ше­ни­ем темп-ры, по­это­му при ох­ла­ж­де­нии на воз­ду­хе рас­плав се­реб­ра «за­ки­па­ет» и раз­брыз­ги­ва­ет­ся вслед­ст­вие ин­тен­сив­но­го вы­де­ле­ния рас­тво­рён­но­го ки­сло­ро­да.

К. об­ла­да­ет вы­со­кой ре­ак­ци­он­ной спо­соб­но­стью, силь­ный окис­ли­тель: взаи­мо­дей­ст­ву­ет с боль­шин­ст­вом про­стых ве­ществ при нор­маль­ных ус­ло­ви­ях, в осн. с об­ра­зо­ва­ни­ем со­от­вет­ст­вую­щих ок­си­дов (мн. ре­ак­ции, про­те­каю­щие мед­лен­но при ком­нат­ной и бо­лее низ­ких темп-рах, при на­гре­ва­нии со­про­во­ж­да­ют­ся взры­вом и вы­де­ле­ни­ем боль­шо­го ко­ли­че­ст­ва те­п­ло­ты). К. взаи­мо­дей­ст­ву­ет при нор­маль­ных ус­ло­ви­ях с во­до­ро­дом (об­ра­зу­ет­ся во­да Н₂О; сме­си К. с во­до­ро­дом взры­во­опас­ны – см. Гре­му­чий газ), при на­гре­ва­нии – с се­рой (се­ры ди­ок­сид SO₂ и се­ры три­ок­сид SO₃), уг­ле­ро­дом (уг­ле­ро­да ок­сид СО, уг­ле­ро­да ди­ок­сид СО₂), фос­фо­ром (фос­фо­ра ок­си­ды), мн. ме­тал­ла­ми (ок­си­ды ме­тал­лов), осо­бен­но лег­ко со ще­лоч­ны­ми и щё­лоч­но­зе­мель­ны­ми (в осн. пе­рок­си­ды и над­пе­рок­си­ды ме­тал­лов, напр. пе­рок­сид ба­рия BaO₂, над­пе­рок­сид ка­лия KO₂). С азо­том К. взаи­мо­дей­ст­ву­ет при темп-ре вы­ше 1200 °C или при воз­дей­ст­вии элек­трич. раз­ря­да (об­ра­зу­ет­ся мо­но­ок­сид азо­та NO). Со­еди­не­ния К. с ксе­но­ном, крип­то­ном, га­ло­ге­на­ми, зо­ло­том и пла­ти­ной по­лу­ча­ют кос­вен­ным пу­тём. К. не об­ра­зу­ет хи­мич. со­еди­не­ний с ге­ли­ем, не­оном и ар­го­ном. Жид­кий К. так­же яв­ля­ет­ся силь­ным окис­ли­те­лем: про­пи­тан­ная им ва­та при под­жи­га­нии мгно­вен­но сго­ра­ет, не­ко­то­рые ле­ту­чие ор­га­нич. ве­ще­ст­ва спо­соб­ны са­мо­вос­пла­ме­нять­ся, ко­гда на­хо­дят­ся на рас­стоя­нии не­сколь­ких мет­ров от от­кры­то­го со­су­да с жид­ким ки­сло­ро­дом.

К. об­ра­зу­ет три ион­ные фор­мы, ка­ж­дая из ко­то­рых оп­ре­де­ля­ет свой­ст­ва отд. клас­са хи­мич. со­еди­не­ний: $ce{O2^-}$– су­пер­ок­си­дов (фор­маль­ная сте­пень окис­ле­ния ато­ма К. –0,5),  $ce{O2^2^-}$ – пе­рок­сид­ных со­еди­не­ний (сте­пень окис­ле­ния ато­ма К. –1, напр. во­до­ро­да пе­рок­сид Н₂О₂), О^2– – ок­си­дов (сте­пень окис­ле­ния ато­ма К. –2). По­ло­жи­тель­ные сте­пе­ни окис­ле­ния 1 и 2 К. про­яв­ля­ет во фто­ри­дах O₂F₂ и ОF₂ со­от­вет­ст­вен­но. Фто­ри­ды К. не­ус­той­чи­вы, яв­ля­ют­ся силь­ны­ми окис­ли­те­ля­ми и фто­ри­рую­щи­ми реа­ген­та­ми.

Мо­ле­ку­ляр­ный К. яв­ля­ет­ся сла­бым ли­ган­дом и при­сое­ди­ня­ет­ся к не­ко­то­рым ком­плек­сам Fe, Co, Mn, Cu. Сре­ди та­ких ком­плек­сов наи­бо­лее ва­жен же­ле­зо­пор­фи­рин, вхо­дя­щий в со­став ге­мо­гло­би­на – бел­ка, ко­то­рый осу­ще­ст­в­ля­ет пе­ре­нос К. в ор­га­низ­ме те­п­ло­кров­ных.

Энергетические затраты на различных этапах жизненного цикла водорода

При переходе на водородное топливо неизбежно появление новых проблем. Водород представляет собой искусственный энергоноситель, который получают из существующих в природе веществ. Поэтому прежде всего нужно провести анализ затрат энергии, требуемых для этой цели на всех стадиях жизненного цикла водорода как энергоносителя — от его производства до использования (рис. 2.1) как средства получения электрической энергии или механической работы, необходимой для движения транспортных средств.

При этом оказывается, что высококачественная электрическая энергия из возобновляемых или ядерных источников необходима не только для того, чтобы генерировать водород, но также и для осуществления всех других этапов (стадий) цикла. Из-за молекулярной структуры и фазового состояния водорода при нормальных условиях требуется намного более энергоемкая инфраструктура, чем в экономике природного газа и нефти.

В водородной экономике водород, подобно любому другому коммерческому продукту, проходит несколько стадий между получением и использованием. После получения он должен быть упакован путем сжатия или сжижения, транспортирован наземными или морскими транспортными средствами и оставлен в системах хранения до передачи потребителю.

Водород, централизованно полученный или электролизом, или химическим путем, или произведенный непосредственно на автозаправочных станциях, газообразный или жидкий, должен подвергнуться всем рыночным процессам, прежде чем может использоваться потребителем. Водород также может быть получен химически по относительно низкой цене из природного газа или других углеводородов.

Фактическое потребление электрической энергии, необходимой для того, чтобы получить, упаковать и транспортировать водород, может легко превысить полезную энергию, получаемую за счет его использования.

Однако полезная энергия может быть сохранена и в водороде, упакованном в синтетическом жидком углеводороде, например метаноле или этаноле. При этом можно избежать использования ископаемого топлива, применяя биомассу. Процесс электролиза может быть частично заменен менее энергоемким химическим преобразованием воды и углекислого газа в естественные углеводороды — биометанол или биоэтанол. Следовательно, могут использоваться замкнутые естественные циклы воды и углекислого газа.

Водород — один из самых распространенных химических элементов на планете, не существующий в природе в элементной (свободной) форме. Он может быть получен электролизом из воды или химическим путем из углеводородов либо других водородосодержащих веществ.

В настоящее время максимальное внимание уделяется стадиям хранения и использования водорода, которые справедливо считаются критическими для развития водородной энергетики. Значительно меньшее внимание уделяется энергетическому, экологическому и экономическому анализу всех остальных звеньев цепочки получение — использование водорода.

Водород, как уже отмечалось, должен быть получен, упакован, транспортирован и передан пользователю. Реализация этих процессов требует затрат энергии.

В современной нефтегазовой экономике энергия, потерянная между производством горючего и его потреблением, составляет приблизительно 12 % для нефти и 5 % — для газа. Очевидно, что необходимо оценить эти потери и для вариантов использования водорода в качестве горючего.

Фактически значительное количество водорода уже производится, обрабатывается, транспортируется и используется в химической промышленности. Но этот водород — химическое вещество, а не товар-энергоноситель. В химической промышленности затраты на производство водорода, затраты на транспортировку и другие входят в цену синтезируемых химических продуктов.

Однако если водород должен использоваться как энергоноситель, энергетические и экологические проблемы нужно учитывать наравне с экономическими.

В таблице 2.1 представлены теплотворные способности и плотности водорода и метана, а на рис. 2.2 — данные для наиболее известных энергоносителей.

Из таблицы 2.1 и рис. 2.2 видно, что при любом заданном давлении водородный газ содержит меньше энергии в единичном объеме, чем метан (представляющий природный газ), метанол, этанол, пропан или октан (представляющий бензин). При давлении 80 МПа газообразный водород достигает объемной плотности энергии жидкого водорода.

Даже в этом случае его объемное содержание энергии ниже, чем у метана при 80 МПа, в 3,2 раза. Обычные жидкие энергоносители, подобно метанолу, этанолу, пропану и октану, превосходят жидкий водород с коэффициентами в 1,8, 2,3, 2,5 и 3,4 соответственно.

При этом водород под давлением 80 МПа или в жидком состоянии должен содержаться в высоко технологичных сосудах высокого давления или в криогенных контейнерах, в то время как жидкие углеводородные топлива могут храниться в простых резервуарах под атмосферным (пропан — немного более высоким) давлением.

Необходимо иметь в виду, что водород — синтетический энергоноситель. Он только переносит энергию, сгенерированную другими процессами. Например, как уже отмечалось, водород может быть произведен с помощью электричества электролизом воды. Далее высококачественная (в термодинамическом смысле) электрическая энергия должна использоваться для сжатия или сжижения водорода, обеспечения транспортировки и хранения его у потребителя.

Во многих случаях на стадии использования водорода в электрохимических генераторах, несмотря на их высокий КПД, не удается скомпенсировать все эти потери. Например, в стационарных приложениях водород, получаемый электролизом, не смог бы конкурировать с электричеством сети, которое могло быть распределено непосредственно пользователям с намного меньшими потерями первичной энергии.

Очевидно, что стоимость водорода должна быть как можно более низкой. Однако этого недостаточно. У водородной экономики есть будущее только в том случае, если водород сможет конкурировать с традиционными энергоносителями.

Существующая инфраструктура способна обработать почти любой синтетический (жидкий) углеводород, в то время как водород требует полностью новой дистрибутивной сети. Переход к элементной водородной экономике затронул бы общую поставку энергии и дистрибутивную систему.

Фундаментальный вопрос о том, сколько энергии необходимо, чтобы использовать водородную экономику, должен быть обязательно изучен. Для этого необходимо проанализировать ключевые стадии жизненного цикла водорода как горючего: производство, упаковку (первичное хранение), транспортировку, хранение на заправочной (или раздаточной) станции, передачу элементного водорода потребителю — и сравнить энергию, использованную на этих стадиях, с количеством энергии водорода, поставленным потребителю.