Водорода схема: Строение атома водорода (H), схема и примеры

Строение атома водорода (H), схема и примеры

Общие сведения о строении атома водорода

Относится к неметаллам. Заряд ядра равен 1. Атомный вес может варьироваться: 1, 2, 3, что связано с наличием изотопов дейтерия и трития.

Электронное строение атома водорода

В атоме водорода имеется положительно заряженное ядро (+1), 1 протон и один электрон. Поскольку водород имеет самое простейшее строение атома из всех элементов Периодической системы, он хорошо изучен. В 1913 году Нильс Бор предложил схему строения атома водорода, согласно которой положительно заряженное ядро находится в центре, а вокруг него по единственной орбитали движется электрон (рис. 1). В соответствии с этой схемой он вывел спектр излучения этого химического элемента. Который был позже доказан с помощью квантово-механических расчетов уравнения Шредингера (1925-1930 годы).

Рис. 1. Схема строения атома водорода.

Электронная конфигурация атома водорода будет выглядеть следующим образом:

1s¹.

Водород относится к семейству s-элементов. Энергетическая диаграмма атома водорода имеет вид:

Единственный электрон, который имеется у водорода является валентным, т.к. участвует в образовании химических связей. В результате взаимодействия водород может как терять электрон, т.е. являться его донором, так и принимать, т.е. быть акцептором. В этих случаях атом превращается либо в положительно, либо отрицательно заряженный ион (H⁺/Н^—):

H⁰ –e →H⁺;

H⁰ +e →H^—.

Примеры решения задач

Как работает водородный двигатель и какие у него перспективы

Автомобили с водородными двигателями называют главными конкурентами электрокаров. Но у технологии пока что немало минусов, и, например, основатель Tesla Илон Маск называет ее «тупой и бесполезной». Прав он или нет?

С 2018 года в ЕС действует запрет на дизельные автомобили новейшего поколения в населенных пунктах [1]. Это стало поворотным моментом в развитии рынка электрокаров, а также — гибридных и водородных двигателей.

Великобритания еще в 2017-м высказывалась за полный запрет бензиновых авто к 2040 году. Тогда же, если верить исследованию Bloomberg New Energy Finance [2], на электрокары будет приходиться 35% от всех продаж автомобилей. Уже к 2030 году Jaguar и Land Rover планируют довести число электрокаров в своих линейках до 100% [3]. Часть из них тоже работает на водороде.

История развития рынка водородных двигателей

Первый двигатель, работающий на водороде, придумал в 1806 году французский изобретатель Франсуа Исаак де Риваз [4]. Он получал водород при помощи электролиза воды.

Первый патент на водородный двигатель выдали в Великобритании в 1841 году [5]. В 1852 году в Германии построили двигатель внутреннего сгорания (ДВС), который работал на воздушно-водородной смеси. Еще через 11 лет французский изобретатель Этьен Ленуар сконструировал гиппомобиль [6], первые версии которого работали на водороде.

В 1933 году норвежская нефтегазовая и металлургическая компания Norsk Hydro Power переоборудовала [7] один из своих небольших грузовиков для работы на водороде. Химический элемент выделялся за счет риформинга аммиака и поступал в ДВС.

В Ленинграде в период блокады на воздушно-водородной смеси работали около 600 аэростатов. Такое решение предложил военный техник Борис Шепелиц, чтобы решить проблему нехватки бензина. Он же переоборудовал 200 грузовиков ГАЗ-АА для работы на водороде.

Первый транспорт на водороде выпустила в 1959 году американская компания Allis-Chalmers Manufacturing Company — это был трактор [8].

Первым автомобилем на водородных топливных элементах стал Electrovan от General Motors 1966 года. Он был оборудован резервуарами для хранения водорода и мог проехать до 193 км на одном заряде. Однако это был единичный демонстрационный экземпляр, который передвигался только по территории завода.

В 1979-м появился первый автомобиль BMW с водородным двигателем. Толчком к его созданию послужили нефтяные кризисы 1970-х, и по их окончании об идее альтернативных двигателей забыли вплоть до 2000-х годов.

В 2007 году та же BMW выпустила ограниченную серию автомобилей Hydrogen 7, которые могли работать как на бензине, так и на водороде. Но машина была недешевой, при этом 8-килограммового баллона с газом хватало всего на 200-250 км.

Первой серийной моделью автомобиля с водородным двигателем стала Toyota Mirai, выпущенная в 2014 году. Сегодня такие модели есть в линейках многих крупных автопроизводителей: Honda, Hyundai, Audi, BMW, Ford и других.

Toyota Mirai 2016 года выпуска

Как работает водородный двигатель?

На специальных заправках топливный бак заправляют сжатым водородом. Он поступает в топливный элемент, где есть мембрана, которая разделяет собой камеры с анодом и катодом. В первую поступает водород, а во вторую — кислород из воздухозаборника.

Каждый из электродов мембраны покрывают слоем катализатора (чаще всего — платиной), в результате чего водород начинает терять электроны — отрицательно заряженные частицы. В это время через мембрану к катоду проходят протоны — положительно заряженные частицы. Они соединяются с электронами и на выходе образуют водяной пар и электричество.

Схема работы водородного двигателя

По сути, это — тот же электромобиль, только с другим аккумулятором. Емкость водородного аккумулятора в десять раз больше емкости литий-ионного. Баллон с 5 кг водорода заправляется около 3 минут, его хватает до 500 км.

Как работает водородный двигатель внутри Toyota Mirai

Где применяют водородное топливо?

• В автомобилях с водородными и гибридными двигателями. Такие уже выпускают Toyota, Honda, Hyundai, Audi, BMW, Ford, Nissan, Daimler;
• В поездах. Первый такой был выпущен в Германии компанией Alstom и ходит по маршруту Букстехуде — Куксхафен;
• В автобусах: например, в городских низкопольных автобусах марки MAN.
• В самолетах. Первый беспилотник на водороде выпустила компания Boeing, внутри — водородный двигатель Ford;
• На водном транспорте. Siemens выпускает подводные лодки на водороде, а в Исландии планируют перевести на водородное топливо все рыболовецкие суда;
• Во вспомогательном транспорте. Водород используют в электрокарах для гольфа, складских погрузчиках, сервисных автомобилях логистических компаний и аэропортов;
• В энергетике. Электростанции мощностью от 1 до 5 кВт, работающие на водороде, могут обеспечивать теплом и энергией небольшие города и отдельные здания. Например, после аварии на Фукусиме в 2018 году Япония активнее начала переходить на водородную энергетику [9], планируя перевести на водород 1,4 млн электрогенераторов;
• В смесях с обычным топливом. Например, с дизельным или газовым — чтобы удешевить производство.

Плюсы водородного двигателя

• Экологичность при использовании. Водородный транспорт не выбрасывает в атмосферу диоксид углерода;
• Высокий КПД. У двигателя внутреннего сгорания (ДВС) он составляет около 35%, а у водородного — от 45%. Водородный автомобиль сможет проехать на 1 кг водорода в 2,5-3 раза больше, чем на эквивалентном ему по энергоемкости и объему галлоне (3,8 л) бензина;
• Бесшумная работа двигателя;
• Более быстрая заправка — особенно в сравнении с электрокарами;
• Сокращение зависимости от углеводородов. Водородным двигателям не нужна нефть, запасы которой не бесконечны и к тому же сосредоточены в нескольких странах. Это позволяет нефтяным государствам диктовать цены на рынке, что невыгодно для развитых экономик.

Минусы водородного двигателя

• Высокая стоимость. Галлон бензина в США стоит около $3,1 [10], а эквивалентный ему 1 кг водорода — $8,6. Водородные батареи содержат платину — один из самых дорогих металлов в мире. Дополнительные меры безопасности также делают двигатель дорогим: в частности, специальные системы хранения и баки из углепластика, чтобы избежать взрыва.
• Проблемы с инфраструктурой. Для заправки водородом нужны специальные станции, которые стоят дороже, чем обычные.
• Не самое экологичное производство. До 95% сырья для водородного топлива получают из ископаемых [11]. Кроме того, при создании топлива используют паровой риформинг метана, для которого нужны углеводороды. Так что и здесь возникает зависимость от природных ресурсов.
• Высокий риск. Для использования в двигателях водород сжимают в 850 раз [12], из-за чего давление газа достигает 700 атмосфер. В сочетании с высокой температурой это повышает риск самовоспламенения.

Водород обладает высокой летучестью, проникает даже в небольшие щели и легко воспламеняется. Если он заполнит собой весь капот и салон автомобиля, малейшая искра вызовет пожар или взрыв. Так, в июне 2019 года утечка водорода привела к взрыву на заправке в Норвегии. Сила ударной волны была сопоставима с землетрясением в радиусе 28 км. После этого случая водородные АЗС в Норвегии запретили

Водород для топлива можно получать разными способами. В зависимости от того, насколько они безвредны, итоговый продукт называют [13] «желтым» или «зеленым». Желтый водород — тот, для которого нужна атомная энергия. Зеленый — тот, для которого используют возобновляемые ресурсы. Именно на этот водород делают ставку международные организации.

Самый безвредный способ — электролиз, то есть, извлечение водорода из воды при помощи электрического тока. Пока что он не такой выгодный, как остальные (например, паровая конверсия метана и природного газа). Но проблему можно решить, если сделать цепочку замкнутой — пускать электричество, которое выделяется в водородных топливных элементах для получения нового водорода.

Водородный транспорт в России

В России в 2014 году появился свой производитель водородных топливных ячеек — AT Energy. Компания специализируется на аккумуляторных системах для дронов, в том числе военных. Именно ее топливные ячейки использовали для беспилотников, которые снимали Олимпиаду-2014 в Сочи.

В 2019 году Россия подписала Парижское соглашение по климату, которое подразумевает постепенный переход стран на экологичные виды топлива.

Чуть позже «Газпром» и «Росатом» подготовили совместную программу развития водородной технологии на десять лет.

Главный фактор, который может обеспечить России преимущество на рынке водорода — это богатые запасы пресной воды [14] за счет внутренних водоемов, тающих ледников Арктики и снегов Сибири. Вблизи последних уже есть добывающая инфраструктура от «Роснефти», «Газпрома» и «Новатэка».

В конце 2020 года власти Санкт-Петербурга анонсировали [15] запуск каршеринга на водородном топливе совместно с Hyundai. В случае успеха проект расширят и на другие крупные города России.

Перспективы технологии

Вокруг водородных двигателей немало противоречивых заявлений. Одни безоговорочно верят в их будущее — например, Арнольд Шварценеггер еще в 2004 году, будучи губернатором Калифорнии, обещал [16], что к 2010 году весь его штат будет покрыт «водородными шоссе». Но этого так и не произошло. В этом отчасти виноват глобальный экономический кризис: автопроизводителям пришлось выживать в тяжелейших финансовых условиях, а подобные технологии требуют больших и долгосрочных вложений.

Другие, напротив, критикуют технологию за ее очевидные недостатки. Так, основатель Tesla Илон Маск назвал водородные двигатели «ошеломляюще тупой технологией» [17], которая по эффективности заметно уступает электрическим аккумуляторам. Отчасти он прав: сегодня водородным автомобилям приходится конкурировать с электрокарами, гибридами, транспортом на сжатом воздухе и жидком азоте. И пока что до лидерства им очень далеко.

С одной стороны, в Европе Toyota Mirai II стоит несколько дешевле, чем Tesla Model S (€64 тыс. против €77 тыс.) [18]. Полная зарядка водородного автомобиля занимает около 3 минут — против 30-75 минут для электрокара. Однако вся разница — в обслуживании: Toyota Mirai вмещает 5 кг водородного топлива [19] по цене $8-9 за кг. Таким образом, полный бак обойдется в $45, и его хватит на 500 км — получаем около $9 за 100 км пробега. Для Tesla Model S те же 100 км обойдутся всего в $3.

Но у водородного топлива есть существенное преимущество перед электрическими аккумуляторами — долговечность. Если аккумулятора в электрокаре хватает на три-пять лет, то водородной топливной ячейки — уже на восемь-десять лет. При этом водородные аккумуляторы лучше приспособлены для сурового климата: не теряют заряд на морозе, как это происходит с электрокарами.

Есть еще одна перспективная сфера применения водородного топлива — стационарное резервное питание: ячейки с водородом могут снабжать энергией сотовые вышки и другие небольшие сооружения. Их можно приспособить даже для энергоснабжения небольших автономных пунктов вроде полярных станций. В этом случае можно раз в год наполнять газгольдер, экономя на обслуживании и транспорте.

Основной упрек критиков — дороговизна водородного топлива и логистики. Однако Международное энергетическое агентство прогнозирует, что цена водорода к 2030 году упадет минимум на 30% [20]. Это сделает водородное топливо сопоставимым по цене с другими видами [21].

Если вспомнить, как развивался рынок электрокаров, то его росту способствовали три главных фактора:

1. Лобби со стороны развитых государств: в США [22], ЕС [23], Японии [24], России [25] и других странах приняты законы в поддержку экологичного транспорта.
2. Удешевление аккумуляторов: согласно исследованию Bloomberg New Energy Finance, за последние десять лет цены на литий-ионные аккумуляторы упали с $1200 до $137 за кВт·ч.
3. Развитие инфраструктуры: специальные электрозарядные станции и зарядки в крупных бизнес-центрах, на парковках ТЦ и аэропортов.

Водородные двигатели ждет примерно тот же сценарий. В Toyota видят главные перспективы [26] для водородных двигателей в компактных автомобилях, а также в среднем и премиум-классе. Пока что производство не вышло на тот уровень, чтобы бюджетные модели работали на водороде и оставались рентабельными. Современные водородные машины стоят вдвое дороже обычных [27] и на 20% больше, чем гибридные.

Согласно прогнозу Markets&Markets [28], к 2022 году объем мирового производства водорода вырастет со $115 до $154 млрд. Остается главный вопрос: как быть с инфраструктурой? Чтобы водородные двигатели стали массовыми, нужны сети заправок, трубопроводы для топлива, отлаженные логистические цепочки. Все это пока только зарождается. Но и тут есть позитивные сдвиги: например, канадская Ballard Power по заказу китайского Министерства транспорта запустила пилотный проект, в рамках которого водородное топливо можно будет заливать в обычные АЗС.

Как получают водород в промышленности: способы выделения

Водород считается одним из наиболее ценных видов сырья для синтеза аммиака и производства полимеров и нефтехимии. Он используется для получения твердых жиров из масел растительного происхождения. Из-за высокой химической активности вещество в чистом виде практически не встречается в природе. Основные источники для получения водорода в промышленности — метан, содержащийся в природном газе, и вода. Специалисты отмечают также перспективность разделения попутных газов коксового производства, которые на большинстве предприятий сжигаются.

Способы выделения водорода из соединений

Самые распространенные способы получения водорода в промышленности:

• паровая конверсия метана и его гомологов;
• газификация кокса;
• электролитическое разложение воды.

Особенности работы оборудования для получения водорода

Метановый конвертор

Оборудование для получения водорода в промышленности методом паровой конверсии имеет сложную конструкцию и компоновку. В его состав входят парогенератор, компрессорная станция, подогревающая установка, конверторы метана и угарного газа. Система подключена к подающей магистрали и потребителям. Извлечение водорода происходит при температуре до 1000° C под избыточным давлением и в присутствии катализатора. Перед этим сырье подогревается, очищается от серосодержащих примесей и перемешивается с водяным паром.

Восстановление водорода происходит в два этапа.

• После первой ступени конверсии продукт содержит до 10% метана, для разложения которого в смесь вводят атмосферный воздух.
• В конце процесса водород очищают от кислорода и оксидов углерода, а избыточное тепло направляют в котел-утилизатор для производства водяного пара.

Процесс полностью замкнут и энергетически независим, но требует применения сложных схем контроля. Несмотря на недостатки, большую часть водорода в промышленности получают как раз этим способом.

Установка газификации кокса

Технология заключается в пропускании перегретого водяного пара через слой кокса, каменного или бурого углей при температуре свыше 1000° C без доступа кислорода.Полученная смесь водорода и окиси углерода обрабатывается водяным паром. Один из наиболее перспективных способов применения продуктов газификации угля — сжигание на тепловых электростанциях, поскольку современные установки отчаются высокой производительностью, сравнительно низкой себестоимостью конечного продукта и способны работать в непрерывном режиме.

Электролизеры

При помощи электролитических установок водород получают как в промышленности, так и для коммерческого использования. На рынке присутствует оборудование разной производительности, а сырьем служит обычная вода. Установка представляет собой сосуд с раствором щелочи или средней соли, в который погружены два электрода. При пропускании постоянного тока на катоде выделяется водород. Вторичный продукт реакции — кислород — также используется для решения технологических задач. Доочистка позволяет получить на выходе технически и химически чистый водород. Электролизер с вспомогательным оборудованием для водоподготовки и осушения размещается на небольшой площади. Многие производители предлагают мобильные моноблочные и контейнерные установки.

Среди всех способов получения водорода в промышленности электролитический считается наиболее экологичным. Единственный его условный недостаток — зависимость от качества сети питания.

Установка производства водорода, назначение, технология, схема

Назначение

Установка производства водорода предназначена для обеспечения техническим водородом вновь вводимых установок:

1. изомеризации,
2. гидроочистки,
3. гидрокрекинга,
4. каталитического риформинга.

Строительство установки производства водорода позволит:

• ликвидировать недостающую потребность в водороде на НПЗ
• производить водород высокой чистоты (не менее 99,5 % об.), что сокращает объём газа в последующих схемах потребления водорода;
• улучшить экологические условия на территории предприятия за счёт применения в качестве топлива обессеренного газа с блока КЦА.

Установка производства водорода

 Методы производства водорода

• паровая конверсия метана и природного газа;
• газификация угля;
• электролиз воды;
• пиролиз;
• частичное окисление;
• биотехнологии.

 Сырье и продукты

На российских НПЗ наиболее распространенным методом получения водорода является паровая конверсия углеводородов (СУГ, нафты, природного газа).

Продуктами являются чистый водород с концентрацией >99% об., а также отдувочный газ, который чаще всего используется в качестве топлива для печей.

Катализаторы

Наиболее часто используемыми в промышленности катализаторами для процесса паровой конверсии являются катализаторы на основе никеля, однако в ряде специфических процессов допускается использование благородных металлов платиновой группы.

 Технологическая схема

 В состав установки производства водорода входят следующие блоки и узлы:

• блок подготовки и очистки сырья;
• блок предриформинга;
• блок парового риформинга;
• блок конверсии и охлаждения конвертированного газа;
• блок очистки водородсодержащего газа по технологии КЦА;
• блок утилизации тепла продуктовых потоков и дымовых газов.

Принципиальная схема установки производства водорода методом паровой конверсии 1 – печь риформинга; 2 – реактор гидрообессеривания; 3 – адсорберы; 4 – реактор предриформинга; 5 – реактор конверсии СО; 6 – блок короткоцикловой адсорбции (КЦА)

Очистка сырья

Природный газ поступает в подогреватель, нагревается до температуры 40 °С. Для гидрирования сернистых соединений, содержащихся в сырье, до серо­водорода, требуется небольшое количество водорода.

С этой целью часть водоро­да, полученного на установке, подается в качестве рециркуляционного водорода в поток сырья. Смесь сырья и рециркулирующего водорода, последова­тельно поступая в теплообменники, нагревается до температуры 380 °С, необходимой для предварительной очистки сырья.

Подогретая газосырьевая смесь поступает в реактор гидрообессеривания, где происходит гидрирование соединений серы до H₂S. Газосырьевая смесь из реактора последо­вательно проходит через адсорберы, где происходит улавливание хлоридов (НСl) и сернистых соединений (H₂S). В каждом из этих реакторов имеется три слоя катализатора:

• модифицирован­ный оксид алюминия для удаления НСl,
• оксид цинка,
• слой специального катализатора для эффективного и глубо­кого удаления H₂S.

 Предриформинг

Очищенная газосырьевая смесь смешивается с перегретым паром высокого давления. Соотношение расходов регулируется с поддержанием заданного мольного соотношения водяного пара и углерода. Величина значения этого соотношения зависит от типа сырья, подаваемого на установку.

Далее парогазовая смесь нагревается до температуры реакции 475 °С – 500 °С, в змеевике подогрева сырья предриформинга, расположенном в конвек­ционной секции печи парового риформинга и направляется в реактор пред­риформинга.

Предриформинг служит для превращения тяжелых углеводородов, содер­жащихся в сырье, в метан, а также для частичного проведения реакций рифор­минга, при этом эффективность процесса повышается.

В зависимости от типа перерабатываемого сырья, может наблюдаться уве­личение или снижение общей температуры по реактору. Так при переработке бен­зинов увеличивается общая температура по реактору, за счет преобладания про­текания реакций с экзотермическим эффектом, а при переработке природного газа температура по реактору падает, за счет протекания реакций с эндотермическим эффектом.

 Риформинг

Парогазовая смесь нагревается до температуры 650 °С в змеевике по­догрева сырья риформинга, расположенном в конвекционной секции печи парового риформинга, и затем поступает в коллектор, расположенный в радиантной секции печи парового риформинга.

В радиантной секции печи парового риформинга смесь сырья и пара посту­пает в катализаторные трубы, находящиеся в радиантной секции печи парового риформинга Н-1, проходит сверху вниз катализаторные трубы. В результате реак­ции, протекающей на катализаторе, загруженном в катализаторные трубы, полу­чается равновесная смесь, состоящая из Н₂, СО, СO₂, СН₄ и Н2O.

Для предотвращения образования кокса и отложения его на катализаторе технологический пар подается в избытке, превышая стехиометрическое количест­во, требуемого на реакцию.

Полученный конвертированный газ (парогазопродуктовая смесь) выходит из печи парового риформинга при температуре 888 °С и далее направляется в те­плообменник. В теплообменнике происходит охлаждение питательной воды до температуры 320-343 °С, регенерированное тепло используется для генериро­вания насыщенного пара высокого давления.

Общий тепловой эффект реакций парового риформинга является в сильной степени эндотермическим, поэтому для достижения требуемой степени конверсии необходим подвод тепла.

Конструкция печи парового риформинга

Печь парового риформинга

Печь имеет сложную конструкцию, разработанную с уче­том технологических требований процесса с целью обеспечения безопасной экс­плуатации и хорошими технико-экономическими показателями. Для обеспечения расчетной степени конверсии без перегрева внешней поверхности поддерживает­ся необходимая температура газа в катализаторных трубах. Благодаря небольшо­му диаметру труб увеличивается площадь теплообменной поверхности и улучша­ется перемешивание газа в слое катализатора. В результате печи риформинга ра­ботают при максимальных давлениях и температурах.

По конструкции печь состоит из двух одинаковых радиантных камер, рабо­тающих параллельно, и расположенной над ними общей конвекционной камеры. Процесс паровой конверсии метана осуществляется в реакционных трубах при температуре 780-888 °С за счет внешнего обогрева.

Конверсия окиси углерода и охлаждение синтез-газа

Водородсодержащий газ после парового риформинга и охлаждения поступает в реактор высокотемпе­ратурной конверсии, где избыточный пар превращает большую часть СО в С0₂ и Н₂ при прохождении через слой катализатора.

Синтез-газ, подвергнутый конверсии, охлаждается, отдавая тепло потокам системы выработки водяного пара. Далее частично охлажденный синтез-газ поступает в воздушный, а затем на доохлаждение в водяной холодильник, где охлаждается до температуры 35 °С и поступает в сепаратор для разделения смеси на неочищенный водород и технологический конденсат.

Технологический конденсат смешивается с химочищенной водой, посту­пающей из сетей завода и направляется в деаэратор, а неочищенный водород подается в блок короткоцикловой адсорбции.

Короткоцикловая адсорбция водородсодержащего газа

Поток неочищен­ного водородсодержащего газа поступает в блок короткоцикловой адсорбции (КЦА), где происходит удаление примесей в процессе циклической адсорбции. Для выполнения заданной степени концентрирования водорода и удаления при­месей в процессе используются многочисленные адсорбционные слои. Принятая схема блока позволяет извлечь водород с концентрацией 99,5 % (об.) из кон­вертированного газа, а сбросной газ направляется в качестве топлива в реакторную печь.

Блок короткоцикловой адсорбции (КЦА)

В блоке КЦА происходит очистка конвертированного водородсодержащего газа от примесей метана, окислов углерода путем адсорбции загрязнений на ад­сорбенте при высоком давлении и десорбции при низком давлении.

Блок утилизации тепла дымовых газов

В блоке утилизации тепла дымовых газов и продуктовых потоков произво­дится водяной пар высокого давления за счет охлаждения дымовых газов и про­дуктовых потоков. Одновременно с этим предусмотрено использование тепла дымовых газов для нагрева питательной воды, перегрева производимого водяного пара и подогрева воздуха, подаваемого к горелкам печи.

Материальный баланс

Достоинства и недостатки

 Недостатки

• Высокие выбросы дымовых газов в атмосферу
• Высокие капитальные затраты
• Высокая стоимость перегретого водяного пара

 Достоинства

• Наиболее проработанный и распространенный вид производства водорода в нефтехимической промышленности
• Относительно низкие температуры процесса
• Вариативность проекта установки в зависимости от требований заказчика

Существующие установки

Спрос на водород растет в связи с переходом на потребление более чистых и легких нефтяных топлив, в то время как нефтяное сырье становится все тяжелее. В связи с этим трудно представить современный НПЗ без установки производства водорода. УПВ может отсутствовать только в составе НПЗ, работающих по профилю первичной переработки нефти. Стоит отметить, что для производств, обладающих развитой архитектурой вторичных процессов, ресурсов одной УПВ может быть недостаточно.

Мы работали над водородными технологиями еще 30 лет назад

Если вы считаете, что разговоры о водородной энергетике – просто новомодная тема, то ошибаетесь. В Украине разработкой этой технологии занимаются уже более 30 лет. Какие наработки создали наши ученые, несмотря на мизерное финансирование, и какие перспективы это открывает каждому украинцу – Kosatka.Media рассказал член-корреспондент НАНУ, доктор технических наук, профессор, лауреат Государственной премии Украины, директор Института возобновляемой энергетики НАН Украины, заведующий кафедрой возобновляемых источников энергии факультета электроэнерготехники и автоматики НТУУ «Киевский политехнический институт им. Игоря Сикорского» Степан Кудря.

Степан Александрович, что украинская наука знает о водородных технологиях? Что делалось и делается в этом направлении?

Развитие возобновляемой энергетики в Украине началось в 80-х годах прошлого века в Киевском политехническом институте. 35 лет назад был создан экспериментальный полигон «Десна» в Черниговской области, где была построена первая ветроэлектростанция в Украине и дома, энергоснабжение которых обеспечивалось за счет энергии возобновляемых источников. Это все была идея, которая воплощалась под руководством ректора Политехнического института Григория Ивановича Денисенко. Он тогда отмечал, что, поскольку все возобновляемые источники непостоянны в работе (ночью нет солнца, ветер есть не всегда и тому подобное), необходимо проводить поиск соответствующих решений. А комплексное использование в энергоузлах на основе различных видов возобновляемых источников энергии и надежное аккумулирование электрической и тепловой энергии позволит на 100% обеспечить стабильное энергоснабжение потребителей.

В то время я руководил сектором аккумулирования. На полигон «Десна» была закуплена электроаккумуляторная станция, созданы системы теплового аккумулирования. Для межсезонного аккумулирования энергии был подготовлен проект водородной станции, была закуплена установка для получения водорода и соответствующее вспомогательное оборудование. Это был 1994 год. Но кто-то из «доброжелателей» шепнул Григорию Ивановичу, что это – «водородная бомба». Полигон, студенты… Все пустили «на тормозах».

Чуть позже мы сотрудничали с датским центром – «Фолькецентр», которые занимались такими же работами по комплексному использованию возобновляемых источников энергии. Когда на выполнение работ они получили деньги по программе TACIS, я предложил им сделать ветро-водородную станцию. Тогда еще никто не стыковал электролизер с ветроустановкой, и это была первая в Европе ветроводородная станция. Ветроустановка была их, электролизер – наш. Они построили домик, мы выполнили монтаж установки. У них автомобиль на водороде начал ездить – вместе с Харьковским институтом машиностроения мы переделали еще двигатель Стирлинга для работы на водороде (двигатель внутреннего сгорания). Разработали схему, которую сейчас в литературе описывают – комплексное использование водорода для автотранспорта, для сжигания в котлах, в газовых плитах, а также в топливных элементах, чтобы превращать водород в электроэнергию.

Потом перестали организованно этим заниматься, потому что еще не было использования водорода в энергетике. Но не отвергли полностью это направление − продолжали научные исследования, проводили занятия для студентов.

И только вот сейчас – в мире снова начался бум водородной энергетики. Безусловно, Украина, имея значительный задел в области водородной энергетики, не могла остаться в стороне. Институт возобновляемой энергетики активно включился в этот процесс совместно с Энергетической ассоциацией «Украинский водородный Совет». Значительные шаги были сделаны благодаря ее председателю Александру Репкину – он вкладывал свои деньги, сделал пиар водорода. Четыре года назад он начал спонсировать нам конференцию по водородной энергетике, направленную, в первую очередь, на привлечение молодежи – студентов, аспирантов, учащихся Малой академии наук, школьников. И сейчас мы каждый год проводим конференцию по водородной и возобновляемой энергетике для школьников. Они уже имеют хорошую подготовку и делают доклады очень высокого уровня, которые порой даже лучше, чем у аспирантов.

Также в Украине сейчас есть академическая программа, по разработке водородных технологий: электролиза воды, использование топливных ячеек, в которой принимают участие около 20 институтов НАН Украины. Финансирование там смешное. Но у нас ученые видят перспективу и умеют работать на энтузиазме. Основной институт по выполнению этой программы – Институт материаловедения им. Францевича, академик Солонин – руководитель этой программы.

Какие перспективы открываются для Украины с переходом на водородные технологии?

Вместе с Украинским Водородным Советом мы разработали Атлас энергетического потенциала всех ВИЭ, перспективных для использования на территории Украины, и определили потенциал водорода для Украины. Он получился очень большой. По данным IRENA – там порядка 300 млрд кубических метров водорода. По нашим расчетным данным – а мы и оффшорные ветростанции учли – получается около 500 млрд кубов водорода. Для сравнения – Украина потребляет около 40 млрд кубов газа.

Идея в том, чтобы перевести всю энергетику Украины на водород − универсальный и экологически чистый энергоноситель. Таким образом, решится целый ряд проблем. Во-первых – политических, мы не будем зависеть от России, когда заменим природный газ. Также – перевод автотранспорта и железнодорожного транспорта на водород. Сейчас в мире уже речь и про самолеты на водороде. Потому автобусы, грузовики уже есть.

Большие программы, дорожные карты в этих направлениях разработаны во всех передовых странах – Европейского Союза, США, Канаде, Японии, Южной Кореи и ряда других. В данном случае речь о так называемом «зеленом» водороде, который получают с использованием в качестве первичного энергоресурса возобновляемых источников энергии, а не о том, который получают из газа или из угля. Таким образом, полностью решается вторая проблема – экологическая. Безуглеродная энергетика, безопасный транспорт – вот к чему сейчас идет весь мир.

И мы стараемся. Тем более, что опыт есть. У нас была также создана ветро-водородная станция 3 года назад под Киевом, в Кийлове, на базе Института материаловедения – для опытов с ветроустановкой, там также наша система аккумулирования и электролизер Харьковского института машиностроения. Проверили все возможности работы электролизера с ветроустановкой. Сейчас мы будем исследовать работу электролизера с фотостанцией. Электролизер есть, фотобатареи трекерные нам господин Репкин производит. Причем, это ценная вещь – порядка $15 тыс. Идея в том, чтобы сделать зарядную станцию для электромобилей на водороде. Авто такие уже продаются – Toyota Mirai японская, есть BMW. И почти все крупные автомобильные концерны занимаются сейчас электромобилями именно на водороде, кроме электромобилей на литий-ионных аккумуляторах.

Также есть идея, что такие установки можно использовать для индивидуальных домов. Если у вас есть автомобиль на водороде, фотобатарея 15 кВт, электролизер и газгольдер, куда сбрасывается водород – вы можете заряжать авто, можете сжигать водород вместо газа, отапливать дом водородом. И сама водородная система – как аккумулятор служит. Если нужна электроэнергия – она может давать ее для дома. Словом, водород может позволить решить все энергетические вопросы частного хозяйства, что особенно важно для удаленных от линий электроснабжения районов.

Действительно ли Украина сможет продавать энергию и водород Европе?

Для Украины нужно порядка 150 млрд кВт•ч – сейчас сколько потребляем. Только ветер и солнце дают в 10 раз больше. Дальше девать «ненужную» электроэнергию – некуда. Энергетическая система Украины на сегодняшний день может принять, по расчетам, только 3 ГВт возобновляемых источников. По нашим подсчетам – 7 ГВт. Но уже сейчас есть отключения, потому что многовато возобновляемых энергосистем, нечем их поддерживать. А когда будет водород – он эти резервные мощности обеспечит. И наша больная энергосистема, благодаря таким накопителям, будет работать стабильно до тех пор, пока не выработают свой ресурс тепловые станции, угольные, в первую очередь. Потому что мир идет к тому, что угольных станций не станет через 20-30 лет. Будут возобновляемые источники. В частности, Германия к этому идет, да и весь Евросоюз. И наш министр Оржель недавно заявил, что в Украине к 2050 году угольной генерации не будет. Я думаю, что не будет и газовой. Будет 70% возобновляемой, и 25-30% – атомной.

Возобновляемые источники энергии и водород – это стабильные системы всего энергообеспечения государства. И мы еще и можем продавать водород в Европу. Идея Евросоюза была такая, чтобы строить в Африке (в Сахаре), энергосистемы для получения водорода – солнечные + электролизные станции, – и трубопроводом переправлять водород в Европу. Господин Репкин им предложил – у нас рядом граница Евросоюза, в Польше. Давайте, будем строить в Украине ветро – и солнечные станции, получать водород и трубопроводом передавать в Европу.

На сегодняшний день в Европе готовы покупать по 18 евроцентов за кВт•ч электроэнергии у нас. Но пока что по технологиям у нас получается где-то 23 евроцентов – дорого. Но по всем расчетам, экономическими и технологическими, уже в 2023 году кВт•ч, полученный от системы ветер-электролизер-транспортировка-топливный элемент, будет 8 евроцентов. Это уже бизнес-проект, который имеет право на жизнь. И это хорошая идея, потому что мы, ориентируясь на ВИЭ и водород, не только свое государство сможем обеспечить, а еще и зарабатывать очень большие деньги для Украины.

Сколько сейчас стоят водородные и другие системы?

На сегодняшний день 1 кВт установленной мощности ветроагрегата стоит порядка $1500, солнечной станции – уже порядка $600 за 1 квт установленной мощности. А если строить тепловую станцию с очистными сооружениями, – это $3000. Если атомную – то это от $6 до $10 тыс. за 1кВт мощности. И система аккумулирования: электролизер – 1000, топливный элемент и транспорт – по 1000. Всего – $3000 в комплексе. И мы решаем проблему энергетики и экологии, на 100%.

Я уверен, что лет через 50 у нас будет 100% возобновляемой энергии, все будет поставлено на водород. Литий-ионные аккумуляторы тоже будут. И будем ездить, летать, плавать – и будет чистая энергетика.

Можно ли для хранения водорода использовать газопроводы, которые есть?

Сейчас вся Европа идет к тому, чтобы добавлять примеси водорода в газовую систему. Норвежцы добавляют водород в газ до 18%, немцы − до 5%. По нашим расчетам можно добавлять до 25%. И этим мы уменьшаем зависимость от России. И так же – экологию поправляем, поскольку при сгорании водорода СО2 не будет выделяться.

При использовании трубопроводов есть аспект наводораживания металла. На кафедре электрохимии проводили такие опыты. Да, идет проникновение водорода. Но не во все материалы. Есть слабенькие металлы, как сталь, они могут поглощать водород, становятся хрупкие. Но на выставке в Ганновере были системы или из нержавеющей стали, или покрыты пластиком. И даже если не достаточно качественная сталь, которая будет наводораживаться  – это будет происходить 25-30 лет. Поэтому – это все решается.

Что должно делать государство, чтобы Украине перейти на водородные технологии?

Часть законов у нас есть: об энергетике, о «зеленом» тарифе. Разрабатывается закон о накоплении энергии. Правда, он не предполагает никаких доплат, стимулирования. Это должен делать тот, кто строит ветро- и солнечные станции, он должен еще включать в строительство электролизеры, топливные элементы, или транспортировать водород в газовую систему.

Поэтому основная помощь от государства – не мешать. Второе – помочь в создании отечественной нормативной базы. Сейчас почти все законы нужно не разрабатывать по-новому, а быть в нормативной базе Евросоюза, чтобы адаптировать все их законы для Украины. Если будут нормативные документы – уже можно будет строить и электролизные станции и прокладывать трубопроводы для чистого водорода, не смешивая его с газом, строить заправочные станции для автомобилей.

Также есть проблемы научные. Государство может и должно стимулировать науку. Потому что программа водородной энергетики, которая у нас есть, – заканчивается через год. А представьте, что там порядка 100 тыс. грн в год – для решения какой-то проблемы. Например, разработка электролизера. Но его нельзя за эти 100 тыс. разработать, а изготовить – тем более. И для таких научно-исследовательских работ необходима поддержка государства.

Мы с Водородным Советом самостоятельно разработали концепцию развития водородной энергетики Украины. Разработали проект дорожной карты водородной энергетики до 2035 года, который был презентован и одобрен 3 апреля 2019 года во время заседаний международного круглого стола главной промышленной выставки Европы «Hydrogen +FuelCells» в Ганновере.

Но здесь нужна помощь не только отечественных, но и иностранных экспертов, которые такие дорожные карты уже разработали – Штаты, Канада, Австралия. Поэтому здесь государство также должно помочь.

А все остальное – строительство, должен делать инвестор. Эта технология, возобновляемо-водородная, уже выходит на инвестиционно привлекательные технологии. Хочешь зарабатывать деньги – вкладывай. Например, можно создавать заправочные станции по Украине.

Хватает ли Украине кадров, которые бы разбирались в водородных технологиях?

Это одна из задач государства – готовить кадры. Можете представить себе, какой это объем рабочих мест, если переходить на водородную экономику, энергетику, транспорт.

Это очень важно.

У нас в НТУУ «Киевский политехнический институт им. Игоря Сикорского» есть кафедра возобновляемых источников энергии, которая работает уже 18 лет. Там есть курс, который включает изучение методов и средств аккумулирования энергии ВИЭ, в том числе электрохимических, тепловых и на основе водорода. Но сейчас мы думаем программу по водороду расширить и выделить как отдельный курс, чтобы выходили специалисты как раз из водородной энергетики. Молодежь – они как разведчики. К нам ежегодно желающих поступить в 2-2,5 раза больше, чем мы можем взять. Остальных мы отдаем на другие специальности. Хочу отметить, что проблем с трудоустройством у наших студентов нет. Уже с 3-го курса они работают, подрабатывают, в том числе принимают участие в научных разработках.

Перейдем к практическим вопросам. Как водород может обеспечить энергией отдельное домохозяйство?

Мы сейчас делаем эксперимент в институте – полностью энергетический блок, который бы обеспечивал частный дом. Это блок на 15 кВт от солнечных панелей, 8-10 кВт – топливные элементы, электролизер на 10 кВт и система хранения. Такая система, если это будет серия, будет стоить около $6-10 тыс. Но вы будете обеспечены автономно и электроэнергией, и теплом.

Уже сейчас это делается на аккумуляторах. У меня в доме система на 2 кВт и аккумуляторы. Она меня обеспечивает в аварийных случаях – электроэнергия всегда есть дома. И если аккумуляторы накопились на 100%, они отключают сеть от дома и идет питание от аккумулятора. Когда разряжаются на 50% – автоматика включает сеть. Вторая станция солнечная, на 15 кВт, крышная, подключена к сети. И я лишнюю электроэнергию продаю по «зеленому» тарифу. У меня дом полностью на электроэнергии. Зимой много энергии тратится на отопление, а солнца – нет. Поэтому за декабрь доплатил 1300 грн за электроэнергию. Но за год в том году вышло 32 тыс. грн прибыли по «зеленому» тарифу.

Поэтому люди сейчас активно строят у себя такие энергосистемы. В прошлом году было 154 МВт мощности крышных солнечных станций, сейчас – 400 МВт, за один год мощность выросла. Таких домохозяйств по количеству около 14 тысяч. Да, это благодаря «зеленому» тарифу. Но так упали цены на фотоэлементы, инверторы, что люди будут строить, например, фотостанции, для обеспечения своих потребностей от солнца.

Для многоквартирных домов тоже такое делают. 100% энергоснабжения в данном случае обеспечить нельзя, но можно уменьшить потребление от сети. Однако пока что выгоднее, наверное, брать электроэнергию из сети. Но так, как растет у нас тариф, то скоро выгоднее будет тоже устанавливать автономные системы. С каждым днем дешевеет фотоэнергетика. По сравнению с 10 лет назад цена фотоэлементов упала в 10 раз – кремний подешевел, появились новые технологии. Уже в Киеве есть фирмы, которые покрывают солнечными панелями фасады, крыши и тому подобное.

Сможет ли Украина самостоятельно изготавливать необходимое оборудование для возобновляемо-водородных энергетических систем?

70% оборудования для ветроустановок мы можем делать в Украине. У нас выполнялась комплексная программа строительства промышленных ветроэлектрических станций, научное сопровождение которой делал наш институт. Тогда дошло до того, что на 100% энергооборудование производилось в Украине. На «Южмаше» и еще на 22 военных заводах изготавливались детали.

Есть достаточно тонкие вещи, для которых нужно закупать точное оборудование.

Ранее в Украине были заводы, в частности, в Светловодске выращивали кремний, но все шло, в основном, на военные цели. Со временем все развалилось, но и технологии были достаточно старые. Сейчас построили завод в Виннице с изготовления своих фотоэлементов. И «Квазар» киевский этим занимается. Да, возможно, у них немного дороже. Но это выгодно для государства – рабочие места, налоги. Украина со своим потенциалом вполне может это освоить. Так же – и по ветру. Не говоря о биоэнергетике. Поэтому – нет проблем для наших машиностроительных заводов.

Возможно ли добывать чистый водород из земли в Украине, как заявили ученые Отделения наук о Земле НАНУ?

Это неплохо. В Мали есть такие скважины. Нужно бурить, но это будет не дешево. Хотя километр скважины стоит порядка $1 млн, этим тоже надо заниматься. Если там есть водород, можно подключить сразу в магистрали. Даже если он не будет такой чистый, как нужно для топливных элементов, то его можно будет сжигать в котлах, или доочистить и заправлять автомобили.

И нам нужно в этом направлении работать.

К слову о транспорте. Возможно ли общественный транспорт в Украине перевести на водородные технологии? Что для этого надо?

Да, это реально. Автобусы на водороде уже есть в Европе. Технология такая же, как у нас транспорт на сжатом газе метане  – балоны на крыше. Но это не совсем эффективно с точки зрения коэффициента преобразования энергии. Лучше это делать в топливных элементах – их КПД 60-80%. А КПД двигателя внутреннего сгорания – максимум 40%. В этом направлении уже работают.

Например, в Южной Корее «дорожная карта» предусматривает, что для производства «зеленого» водорода от солнечных и ветровых станций будет построено 23 завода. Будет проложено 700 километров трубопроводов. И будут выпускать 6,1 млн авто на водороде. Часть для своих нужд, а часть на продажу. Сейчас за их машинами Hyundai на водороде – очередь. Они дешевле, но качественно не хуже.

В Германии ходят электрички на водороде. И это дешевле, чем прокладывать линии электропередач. Сейчас у них 2, и хотят купить еще 10. В Канаде, в основном, большие грузовые автомобили работают на водороде, на топливных элементах. Электротранспорт у нас уже развивается.  И будет дальше развиваться.  Отличаться будут тем, что вместо аккумулятора будет устанавливаться топливный элемент и баллоны.

 Насколько на самом деле опасен водород?

 Водород – такой же взрывоопасный, как и природный газ.  Кислород и водород в определенных пропорциях могут взрываться.  Так же и газ – если кислород и газ.  Верхняя и нижняя граница у водорода на 1% больше, чем у природного газа.  И порядка 60 млрд тонн водорода сейчас в мире используются в различных направлениях – для производства удобрений, в нефтепереработке, при изготовлении пластмасс и др.  Технологии отработаны.  Кроме того, когда изготавливают тот же баллон с водородом для авто – проводят испытания.  Все остальное – страшилки.

Читайте также: Четвертая индустриальная революция: Как водородные технологии изменят Украину

Схема водорода — Справочник химика 21

    В главе II указывалось, что процесс гидрирования бензола в циклогексан можно проводить в адиабатическом реакторе, в котором поток водорода распределяется между всеми полками (см. рис. 10). В данной схеме водород на выходе реактора выделяется из реакционной смеси и поступает на вход аппарата, куда добавляют также некоторое количество свежего водорода. [c.149]

    В данной схеме водород играет роль газообразного катализатора. П. Сабатье и другие авторы неоднократно отмечали благоприятное действие водорода нри процессах дегидрирования, добавки водорода при этерификации спиртов повышают выход сложного эфира на 5—10%, но роль водорода остается неясной. Водород не является переносчиком или разбавителем, но непосредственно участвует в химическом процессе. Адсорбируясь на катализаторе, он образует с реагентами активированные комплексы, что способствует нормальному протеканию процесса. Как правило, при реакциях типа бескислотной этерификации, дегидроконденсациях или кето-низации первичных спиртов всегда должен присутствовать дополнительно вводимый водород, так как без него нарушается нормальное течение процесса, и катализаторы быстро теряют активность. [c.290]

    Установка и стабилизация расходов газа-носителя в двух независимых линиях (в хроматографах Цвет-500 — традиционная двухколоночная схема), водорода и воздуха выполняется блоком БПГ-1Б, [c.117]

    На рис. 184 схематично показано соотношение равновесных потенциалов материалов токоотводов в щелочной среде. Как видно из схемы, водород в контакте с цинком должен выделяться на стальных крышках и не будет выделяться на луженых крышках. [c.231]

    Представления об образовании промежуточного комплекса между кислотой и основанием подвергались серьезной критике. Так, согласно этой схеме, водород на внешней оболочке имеет 4 электрона, что с точки зрения квантовой механики невозможно. Вероятно, механизм образования промежуточного соединения другой кислоты присоединяются к воде за счет водородной связи. [c.513]

    Как видно из схемы, водород, освобожденный от СОа, сжимается до давления 175 ат и после этого осушается цеолитами в адсорбере. Осушенный и охлажденный водород промывается жидким азотом и после этого в адсорберах с активированным углем и цеолитом при низких температурах окончательно очищается от примесей, в частности метана и окиси углерода. Результаты осушки и очистки водорода показаны в табл. 17. Из приведенных данных видно, что на описанной установке достигается исключительно высокая степень очистки водорода. Стоимость очищенного цеолитами водорода, примерно, равна стоимости электролитического водорода. [c.51]

    Для снижения щелочности питательной воды используется схема водород — натрий катионитового умягчения. [c.221]

    При Сб-дегидроциклизации алканов и Сз-циклизациц алкенов на Pt/AbOa показано [84, 126], что скорость реакции в отсутствие Нг быстро падает, доходя фактически до нуля, и наоборот, в токе Нг проходит успешная циклизация как алканов, так и алкенов. Роль водорода при образовании циклопентанов в присутствии алюмоплатиновых катализаторов с низким содержанием Pt пока недостаточно ясна. Возможно, что влияние водорода на протекание реакции осуществляется по нескольким направлениям, часть которых обсуждалась выше. Не исключая этих возможностей и в случае нанесенных Pt-катализаторов, следует также обсудить ассоциативный механизм действия водорода [84], представляющийся авторам книги одним из наиболее вероятных. В соответствии с обсуждаемой схемой водород в случае реакции Сб-дегидроциклизации алканов играет ту же роль, что и в ряде других реакций, протекающих в присутствии металлсодержащих катализаторов, в частности в реакции миграции двойной связи в алкенах [127] и в конфигурационной изомеризации диалкилциклоалканов [128]. В этих реакциях водород входит в состав переходного комплекса, образующегося на поверхности катализатора по ассоциативной схеме. Можно полагать, что реакция Сз-дегидроциклизации, также протекающая при обязательном присутствии и, по-видимому, с участием Нг, проходит через промежуточные стадии образования и распада переходного состояния  [c.230]

    Получение водорода методом электролиза воды. Технологическая схема производства азотоводородной смеси для синтеза аммиака на основе электролитического водорода и азота, полученного разделением воздуха, является наиболее простой, поскольку получающиеся по этой схеме водород и азот не требуют дополнительной очистки. [c.14]

    Искусственно вызываемые термоядерные процессы были пока реализованы лишь Рис. ХУ1-31. Прннци- в форме т. н. водородной бомбы, пиальная схема водород- принципиальная схема которой показана ной бомбы. на рис. ХУ -31 (АБ — атомная бомба). [c.530]

    После того, как технология Пенекс НОТ вышла на коммерческий масштаб, фирма ЮОП начала подробную разработку процесса Бутамер, который изомеризирует С . На Рис.14 показана технологическая схема для Бутамер НОТ. В этой схеме, водород вводится в установку путем разбавления подпиточного газа в сырье жидкого бутана. Один до 2 моль-% водорода можно растворить в сырье жидкого бутана без сжатия подпиточного газа. Комбинированное сырье направляется в осушители жидкости, причем осушители газа устраняются. Реакции Бутамер потребляют меньше чем 1 моль-% водорода следовательно, водород присутствует на протяжении всей реакционной зоны. Эти низкие нормы потребления играют большую роль, так как водород т >ебуется для последующих реакций изомеризации. [c.78]

    Очевидно, было бы невыгодно сжигать и возвращать в цикл водород из 1 и 2 ступеней, поскольку он не богаче дейтерием, чем питающая вода. Чтобы определить, на какой ступени рациональнее сжигать и возвращать водород в цикл, было просчитано несколько различных схем основные результаты приведены в последних трех столбцах табл. И. 5. По первой схеме водород сжигается и возвращается в цикл на третьей и всех последующих ступенях, по второй схеме — на четвертой и всех последующих ступенях и т. д. В каждом случае производительность по несжигаемому водороду принималась постоянной и равной 10 0000 молям. Для каждой схемы рассчитывалось  [c.440]

    В схеме, приведенной на рис. Ж.15,в, продуктовый поток водорода охлаждается уяе в теплообменнике холодной зоны, проходя отдельный змеевик, и после этого направляется последовательно в первую ветвь теплоосйиенника 3, конвертор 2 и затш во вторую ветвь теплообменника 3. Продуктовый поток в этом случае соответствует получаемому жидкому параводороду. В такой схеме водород нормального состава циркулирует в замкнутом контуре и выполняет роль хладагента. Кроме того, в отличие от двух первых вариантов, в которых продуктовый водород выделяется в самостоятельный поток только после теплообменника холодной зоны, в третьем варианте можно провести орто-пара конверсию частично на уровне температур жидкого азота. В случае применения схемы с двумя ступенями конверсии удельный расход энергии снижается на 0,84 кДж ч/л [З] и выработка жидкого параводорода возрастает.  [c.84]

    В соответствии с этой схемой водород образуется неценным путем и отношение метан водород в продуктах реакции равно длине цепи. Скорость крекинга в это1М случае [c.152]

    Схема водород-катионитовой установки отличается от схемы натрий-катионитовой лишь наличием кислоторастворных баков вместо солерастворителя. [c.298]

    Установка и стабилизация расходов газа-носителя в двух независимых линиях (в хроматографах Цвет-500М сохранена традиционная двухколоночная схема), водорода и воздуха выполняются блоками БПГ-1Б, БПГ-2 или БПГ-167, БПГ-175. [c.134]

    Как следует из схемы, водород четыре раза используется как субстрат для восстановления углекислого газа до метана. В двойных обратных координатах экспериментальная зависимость скорости роста Ме1капоЬас1епит 1кегтоаиШгорк1сит от водорода представляет собой прямую линию (см. рис. 5.10). Это свидетельствует о том, что все четыре стадии активации водорода производятся несвязанными формами ферментов или, что то же самое, стадии ввода водорода в ферментный цикл разделены необратимыми реакциями. [c.551]

Японцы создали эффективный катализатор для добычи водорода из воды с помощью солнечного света

Добыча «зелёного» водорода с помощью солнечной энергии — это очень неэффективное занятие. Сначала электричество добывается панелями с низким КПД, а затем производится электролиз воды, что ещё сильнее снижает эффективность добычи. Учёные стремятся пропустить этап получения энергии и мечтают сразу превратить воду в водород и кислород, для чего нужны правильные катализаторы. И такие почти научились делать в Японии.

Источник изображения: MASASHI KATO/NAYOGA INSTITUTE OF TECHNOLOGY

Для расщепления воды на водород и кислород группа японских исследователей создала двухэлектродный фотоэлектрический катализатор с очень большой продолжительностью срока службы. Создаваемые сегодня в лабораториях фотоэлектрохимические катализаторы остаются работоспособными не больше одной недели. Японская разработка расщепляет воду на водород и кислород непрерывно в течение 100 дней, что может считаться рекордом по эффективности. Для автономных необслуживаемых систем в отдалённых районах — это важнейшее свойство.

Впрочем, КПД катализаторов остаётся очень низким — на уровне 0,74 %. Большинство технологий по преобразованию солнечной энергии в «зелёный» водород работают с эффективностью 1–2 %. В Министерстве энергетики США считают, что солнечные установки по добыче «зелёного» водорода выйдут на коммерческий уровень при достижении КПД 5–10 %. Поэтому учёным и промышленности есть к чему стремиться. Но японские катализаторы даже при таком низком КПД остаются рекордсменами по эффективности, поскольку могут работать довольно долго при более простой реализации процесса.

Идея разработки японцев заключается в том, что анод делается полупрозрачным и лежащий ниже катод также использует свет для фотоэлектрохимической реакции. Анод изготавливается из диоксида титана (TiO₂) — популярного сырья для производства белой краски, а катод делают из карбида кремния (SiC). Анод реагирует на ультрафиолетовый свет, а катод — на видимый. При этом на электроды подаётся определённое напряжение, чтобы запустить и поддерживать реакцию расщепления. Электроды опускаются в воду (очевидно, они должны быть едва покрыты водой), к ним подводится ток, а всё остальное делает падающий на катализаторы солнечный свет — очень простая схема.

Разработчики говорят, что проблема с низким КПД лежит в плоскости низкой эффективности диоксида титана. На следующем этапе учёные планируют найти замену этому материалу, чтобы к долговечности катализаторов добавить повышенный КПД.

Добавим, это не единственная перспективная разработка для добычи водорода с помощью солнечного света. Совместная работа итальянских и израильских учёных, например, привела к созданию катализаторов из полупроводниковых наностержней с покрытием из платиновых наносфер. КПД нанокатализаторов приблизился к 4 %. В 2019 году бельгийская исследовательская группа из KU Leuven сообщила о прототипе солнечной панели, которая поглощает влагу из воздуха и расщепляет её на водород и кислород с 15-процентной эффективностью. Есть и другие интересные разработки, что в итоге приведёт к желаемому результату — миру, где дышать станет чуточку легче.

Если вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER.

Базовый обзор технологии топливных элементов

Водород и топливные элементы: наука о топливных элементах

Щелкните по ссылкам ниже, чтобы узнать больше о водородных топливных элементах:

Что такое водородный топливный элемент?

SEPUP Моделирование топливных элементов

Часто задаваемые вопросы

Водородный топливный элемент преобразует химическую энергию, запасенную водородным топливом, в электричество.

Во многих отношениях топливные элементы похожи на батареи, такие как те, которые вы можете найти в автомобиле или портативном электронном устройстве, таком как MP3-плеер. Однако между батареями и топливными элементами есть некоторые важные различия.

Подобно батарее, топливный элемент с источником водорода и кислорода может использоваться для питания устройств, использующих электричество. В то время как и батареи, и топливные элементы преобразуют химическую энергию в электрическую, батареи хранят эту химическую энергию внутри самой батареи.Это означает, что аккумулятор разрядится или потребует подзарядки, когда накопленной химической энергии больше не будет для производства электроэнергии, достаточной для питания устройства, подключенного к аккумулятору. Вместо того, чтобы накапливать химическую энергию внутри себя, водородный топливный элемент получает химическую энергию извне. Эта химическая энергия хранится в водороде, который подается на анод топливного элемента. Водородный топливный элемент по существу потребляет водород и кислород. Когда топливный элемент непрерывно снабжается водородом и кислородом, а вода, образующаяся в результате, удаляется, топливный элемент может вырабатывать электричество.

Водородные топливные элементы и батареи являются электрохимическими элементами. У каждого из них есть два электрода, контактирующих с материалом, который может проводить ионы, называемым электролитом. Один электрод является анодом, а другой — катодом. В водородном топливном элементе электроны высвобождаются из водорода, который подается на анод, тогда как в батарее электроны высвобождаются из материала самого анода. Поскольку электроды батареи активно участвуют в преобразовании химической энергии в электрическую, со временем это может повредить электроды и, следовательно, эффективность батареи.В отличие от батарей, электроды в водородных топливных элементах относительно стабильны, поскольку они действуют как катализаторы при высвобождении или принятии электронов и не изменяются химически во время этого процесса.

Когда в качестве топлива используется чистый водород, единственными побочными продуктами, образующимися в топливном элементе, являются чистая вода и тепло. Это делает топливные элементы потенциально очень эффективными устройствами с минимальным воздействием на окружающую среду. Часто оба этих побочных продукта могут найти какое-то применение.Например, тепло можно использовать везде, где требуется теплоснабжение. Топливные элементы использовались в космических кораблях НАСА со времен программы Gemini в 1960-х годах, и даже сегодня они обеспечивают электричеством и питьевой водой астронавтов во время полетов космических шаттлов.

Поскольку водород не встречается в окружающей среде естественным образом, водородное топливо должно производиться из других веществ, содержащих водород, таких как метанол, бензин, природный газ и вода. Большая часть водорода, производимого сегодня, поступает из природного газа.Если водород производится из воды, единственным побочным продуктом является чистая вода. Если ископаемое топливо будет использоваться в качестве исходного источника водорода, будет больше побочных продуктов, таких как диоксид углерода. Когда водород производится из воды, для расщепления молекулы воды используется электричество. Если это электричество поступает из возобновляемых источников энергии, таких как энергия ветра или солнца, то полученный водород является возобновляемым топливом с нулевым уровнем выбросов.

Кислород обычно получают из воздуха, хотя он может быть получен непосредственно в виде чистого кислорода.

Как работает водородный топливный элемент?

Газообразный водород подается на анод топливного элемента. Анод покрыт платиной, которая действует как катализатор для расщепления водорода на протоны и электроны. Если цепь подключена между анодом и катодом, электроны могут перемещаться по цепи и обеспечивать питание любой нагрузки, которая подключена как часть цепи.

Реакция на аноде:

2H ₂ → 4H ⁺ + 4e ^—

Это пример реакции окисления.

Поток электронов через нагрузку — это электрический ток, который генерируется топливным элементом.

Ионы водорода (протоны), которые образуются из водорода на аноде, проходят через электролит в топливном элементе к катоду. Кислород, подаваемый на катод, реагирует с этими ионами водорода и электронами, поступающими через внешнюю цепь, с образованием воды и тепла, которые удаляются из топливного элемента.

Реакция на катоде:

O ₂ + 4H ⁺ + 4e ^— → 2H ₂ O

Это пример реакции восстановления.

В топливном элементе PEM биполярные пластины расположены по обе стороны от элемента. Они помогают распределять газы, а также служат токоприемниками. Электролит содержится в мембране между анодом и катодом, которые все зажаты между биполярными пластинами.Мембрана позволяет проходить только протонам и называется протонообменной мембраной или PEM. Для правильной работы мембрана должна быть влажной.

Типичный водородный топливный элемент вырабатывает от 0,5 В до 0,8 В на элемент. Для увеличения напряжения отдельные ячейки можно соединять последовательно. Эта конструкция называется батареей топливных элементов. Площадь поперечного сечения топливного элемента влияет на его способность производить ток. Большая площадь означает больше участков реакции, и это позволяет генерировать больший ток.Ток, умноженный на напряжение, равен мощности. Таким образом, путем последовательного наложения ячеек для повышения напряжения и увеличения площади ячеек для повышения тока можно генерировать очень большое количество электроэнергии, достаточное для снабжения жилого дома, больницы или транспортного средства, такого как автомобиль, автобус. , даже подводную лодку или космическую капсулу!

Щелкните мышью на SEPUP Fuel Cell Simulation справа, чтобы запустить моделирование в вашем браузере.Adobe Flash требуется для доступа к этому моделированию. Если у вас возникли проблемы с доступом к нему, убедитесь, что на вашем компьютере установлена ​​последняя версия Flash. По-прежнему возникают проблемы? Свяжитесь с нами по электронной почте.

Водород — это источник энергии?

Водород не является источником энергии, в отличие от солнца, ветра, природного газа и нефти. На Земле нет природных источников или резервуаров водорода. Водород может быть извлечен из ископаемого топлива или может быть получен с помощью процесса электролиза для разделения воды на водород и кислород.Оба эти процесса требуют энергии. Эта энергия может быть получена за счет ископаемого топлива или возобновляемых источников энергии, таких как солнце или ветер. Водород должен храниться в подходящем контейнере до тех пор, пока он не будет готов к использованию в топливном элементе для производства электроэнергии. В этом смысле водород — это способ хранения и транспортировки энергии, но не сам источник энергии.

Уже существует много известных типов устройств, вырабатывающих электричество, почему мы должны рассматривать другой тип?

Каждое устройство имеет преимущества и недостатки, которые влияют на его пригодность для использования в конкретном приложении или месте.Водородные топливные элементы обладают некоторыми уникальными характеристиками, которые делают их более подходящими для определенных целей, чем другие источники электроэнергии. Сам топливный элемент работает бесшумно, хотя оборудование, используемое для подачи водорода и кислорода, может быть не таким тихим, в зависимости от типа используемого оборудования. Низкий уровень шума делает топливные элементы особенно подходящими, когда они используются в местах, близких к людям. Кроме того, топливные элементы не выделяют загрязняющих веществ или токсинов, поэтому их можно использовать в закрытых помещениях без ущерба для здоровья человека.Они также являются модульными, что означает, что их можно штабелировать для выработки различной мощности по мере необходимости. Топливные элементы также очень эффективны при преобразовании химической энергии в электрическую.

Топливные элементы могут предложить много потенциальных преимуществ по сравнению с батареями. Батареи можно заряжать так же, как можно заправлять канистру с водородом, но емкость батарей уменьшается в течение многих циклов перезарядки. С другой стороны, емкость для водорода и топливный элемент не разрушаются со временем.Кроме того, когда батареи полностью заряжены, они постоянно «пропускают» энергию, когда они не используются, в то время как контейнер с водородом не протекает и имеет более длительный срок хранения. Кроме того, емкость для водорода обычно можно пополнить водородом из внешнего источника намного быстрее, чем можно полностью зарядить аккумулятор. Когда в электромобиле используются батареи, его рабочие характеристики ухудшаются по мере разряда батареи. Напротив, характеристики топливного элемента остаются неизменными, пока в баке есть водородное топливо.

Безопасны ли водородные топливные элементы для людей и окружающей среды?

Водород очень горюч, как и бензин. Однако контейнеры, подходящие для хранения водорода, проходят множество строгих испытаний, чтобы убедиться, что они безопасны для населения. Водород состоит из очень маленьких легких молекул и намного менее плотен, чем воздух. Это означает, что утечка водорода будет иметь тенденцию очень быстро распространяться вверх в воздух, в отличие от утечки бензина, которая скапливается под автомобилем и остается опасной, пока не испарится.Те же меры предосторожности, которые люди применяют на заправочных станциях, необходимо соблюдать и на заправочных станциях водородом, например, не курить и не пользоваться мобильным телефоном.

Единственными побочными продуктами объединения водорода и кислорода в топливном элементе являются вода и тепло, поэтому водородные топливные элементы не выделяют парниковые газы или другие загрязнители воздуха, как это делают двигатели, работающие на ископаемом топливе. Однако для производства водорода необходимо использовать другой источник энергии. Если ископаемое топливо используется либо в качестве источника водорода, либо в качестве источника энергии для производства водорода, то чистый процесс действительно производит парниковые газы.Если в качестве источника водорода используется вода, а процесс производства водорода осуществляется за счет возобновляемых источников энергии, таких как солнце или ветер, то использование водородных топливных элементов является полностью экологически чистым и экологически безопасным и не добавляет парниковых газов в атмосферу. .

Водородные топливные элементы — новая идея?

Сэр Уильям Гроув продемонстрировал концепцию топливного элемента в 1839 году. Однако только в 1932 году Фрэнсис Бэкон разработал первый успешный топливный элемент.За следующую четверть века был достигнут ограниченный прогресс. Темпы разработки увеличились примерно в то время, когда НАСА начало исследовать технологию для использования в программах Gemini, а затем и Apollo. Топливные элементы также используются во флоте космических челноков.

Можно ли использовать водородные топливные элементы для питания автомобиля?

Водородные топливные элементы могут использоваться для питания любого устройства, использующего электричество. Таким образом, их можно использовать для питания транспортных средств, работающих от электричества.

В транспортном средстве, которое работает от двигателя внутреннего сгорания, поток энергии следующий:

Химическая энергия → Тепловая энергия → Механическая энергия

В транспортном средстве, которое работает от топливного элемента, поток энергии составляет:

Химическая энергия → Электрическая энергия → Механическая энергия

Насколько эффективен водородный топливный элемент по сравнению с другими устройствами, вырабатывающими электричество?

Топливные элементы преобразуют химическую энергию непосредственно в электрическую.

Химическая энергия → Электроэнергия

Сравните это с преобразованиями энергии, которые происходят, когда тепловой двигатель (например, газовый генератор) производит электричество:

Химическая энергия → Электрическая энергия → Механическая энергия → Электрическая энергия

Поскольку каждое преобразование энергии включает в себя некоторую потерю энергии, топливный элемент более эффективен при производстве электроэнергии, чем тепловой двигатель.

Топливные элементы работают с КПД от 40 до 50%. Сравните это с электростанцией, работающей на ископаемом топливе, которая обычно имеет КПД 35%, и с двигателем внутреннего сгорания в большинстве транспортных средств, который работает с КПД от 15% до 20%.

Используются ли сегодня водородные топливные элементы?

Водородные топливные элементы сегодня можно найти во многих местах. Поскольку технология все еще развивается, большинство применений топливных элементов на сегодняшний день предназначалось для демонстрационных проектов.Приложения включали небольшие портативные устройства, такие как сотовые телефоны и портативные компьютеры, электромобили, от легковых автомобилей до автобусов, а также стационарные источники питания для офисных зданий, больниц и других крупных коммерческих и институциональных объектов. Они особенно полезны в закрытых складских помещениях для работы с вилочными погрузчиками, поскольку не выделяют ядовитых паров. Они также используются в удаленных местах, где доступ к обычному источнику питания ограничен или невозможен, например, на автономных домашних объектах и ​​полевых метеостанциях.В настоящее время топливные элементы можно найти как над Землей (в космических шаттлах), так и под поверхностью океана (на некоторых из последних подводных лодок), и они, вероятно, будут больше использоваться в будущем.

Для общественности

Для студентов

Учителям

Обновления

Основы водорода — Топливные элементы

Топливный элемент преобразует химическую энергию водорода и кислорода в электрическую энергию постоянного тока посредством электрохимических реакций.Топливные элементы — это устройства, которые преобразуют газообразный водород непосредственно в электричество постоянного тока низкого напряжения. В камере нет движущихся частей.

Процесс по существу является обратным электролитическому методу расщепления воды на водород и кислород. В топливном элементе катодный вывод заряжен положительно, а анодный вывод — отрицательно.Эти электроды разделены мембраной. Газообразный водород преобразуется в электроны и протоны (положительные ионы водорода) на аноде. Протоны проходят через мембрану к катоду, оставляя за собой отрицательно заряженные электроны. Это создает поток электричества постоянного тока между клеммами при подключении к внешней цепи. Этот ток может питать электродвигатель, включенный в эту цепь. Ионы водорода, электроны и кислород объединяются на катоде с образованием воды, единственного побочного продукта процесса.

Ключевым элементом топливного элемента является ионообменная (протонная) мембрана. Его цель — разделить анод и катод, чтобы предотвратить смешивание топлива и окислителя и обеспечить путь для протонов с ионной проводимостью. Таким образом, его требуемые свойства — высокая ионная проводимость (и нулевая электронная проводимость) в условиях эксплуатации элемента, долговременная химическая и механическая стабильность при повышенных температурах в окислительной и восстановительной средах, хорошая механическая прочность с сопротивлением набуханию, низкий уровень перехода окислителя и топлива, точечное отверстие. свободная структура, межфазная совместимость со слоями катализатора и низкая стоимость.

Топливные элементы обладают отличным КПД и могут преобразовывать до 75 процентов энергии топлива. Когда топливный элемент используется в автомобиле, автомобильная силовая передача должна быть преобразована в электричество. Топливные элементы также могут использоваться в качестве стационарного источника энергии, поставляющего электроэнергию коммунальным предприятиям или отдельным потребителям.

В автомобилях топливный элемент имеет два основных преимущества по сравнению с двигателем внутреннего сгорания. Во-первых, топливный элемент примерно вдвое экономичнее (в пересчете на топливо). Второе преимущество — автомобили следующего поколения могут быть электрическими. Хранить электроэнергию для использования в автомобилях можно только с помощью топливных элементов. Аккумуляторная технология не может соответствовать весу, объему и запасу хода, необходимым для современного автомобиля.

С другой стороны, топливный элемент будет стоить от 3000 до 5000 долларов за кВт по сравнению с 50 долларами за кВт для двигателя внутреннего сгорания.Таким образом, снижение стоимости топливных элементов является основной задачей НИОКР.

Топливный элемент может работать на промышленном отработанном водороде, водороде из пропана или метане, образующемся на очистных сооружениях. В конечном итоге водород, полученный из возобновляемых ресурсов, таких как энергия солнца, ветра или биомассы, станет устойчивым и чистым источником водорода для производства энергии на топливных элементах.

Доступно пять типов топливных элементов:

Топливный элемент с мембраной с полимерным электролитом (PEMFC) — Топливный элемент PEMFC использует мембрану из твердого органического полимера из полиперфторсульфоновой кислоты и работает при температурах 60-100 ° C.Приложения PEMFC включают в себя электроэнергетику, портативные источники энергии и транспорт. Его основные преимущества заключаются в том, что твердый электролит снижает коррозию, работает при низких температурах и обеспечивает быстрый запуск. Его недостатки заключаются в том, что для ячейки требуются дорогие катализаторы, а ячейка имеет высокую чувствительность к примесям топлива.

Щелочной топливный элемент (AFC) — AFC использует водный раствор гидроксида калия, пропитанного матричным электролитом, и работает при температурах 90–100 ° C.Приложения AFC включают в себя военное дело и космос, и эта технология используется НАСА более 25 лет. Его главное преимущество состоит в том, что в щелочном электролите катодная реакция протекает быстрее, что обеспечивает высокую производительность. Его недостаток — потребность в чистом водороде, требующая дорогостоящего удаления CO ₂ из топливных и воздушных потоков.

Топливный элемент на основе фосфорной кислоты (PAFC) — PAFC использует матрицу, пропитанную жидкой фосфорной кислотой. Он работает при температурах 175-200 ° C. Применения PAFC включают электроэнергетику и транспорт. Его основные преимущества заключаются в том, что он имеет КПД до 85% при когенерации электричества и тепла и может использовать нечистый водород в качестве топлива. Его основные недостатки заключаются в том, что он требует платинового катализатора, имеет низкий ток и мощность, а также требует большого размера и веса.

Топливный элемент с расплавленным карбонатом (MCFC) — MCFC использует жидкий раствор карбонатов лития, натрия и / или калия, пропитанных матрицей. Он работает при температуре 600-1000 ° C. Основное применение MCFC — это электроэнергетика. Его преимущества — высокая эффективность, топливная гибкость и возможность использования различных катализаторов. Его недостаток состоит в том, что высокая температура усиливает коррозию и разрушение компонентов ячейки.

Твердооксидный топливный элемент (ТОТЭ) — В ТОТЭ используется твердый оксид циркония, к которому добавлено небольшое количество оксида иттрия.Он работает при температуре 600–1000 ° C. Его основными преимуществами являются высокая эффективность, топливная гибкость, возможность использования различных катализаторов и снижение коррозии. Его главный недостаток заключается в том, что высокая температура вызывает разрушение компонентов ячейки. Для транспортных средств тремя основными проблемами топливных элементов являются стоимость (менее 50 долларов США / кВт мощности двигателя), долговечность (не менее 5000 часов) и быстрый запуск (менее 30 секунд).

Для получения дополнительной информации о топливных элементах см .:
http: // www.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/ fuelcells / basics.html

Производство возобновляемого водорода из двухконтурной проточной окислительно-восстановительной батареи

Проточные окислительно-восстановительные батареи (RFB) особенно хорошо подходят для хранения периодических избыточных запасов возобновляемой электроэнергии, так называемой «мусорной» электроэнергии. Обычные RFB заряжаются и разряжаются электрохимически, а электричество сохраняется в виде химической энергии в электролитах. В описываемой здесь системе RFB электролиты обычно заряжаются, но затем химически разгружаются через каталитические слои в отдельных внешних контурах.Каталитическая реакция, представляющая особый интерес, приводит к образованию газообразного водорода в качестве вторичного накопителя энергии. Для демонстрации был проведен непрямой электролиз воды с выделением водорода и кислорода в отдельных каталитических реакциях. Электролит, содержащий V ( II ), химически разряжался путем восстановления протонов до водорода на катализаторе из карбида молибдена, тогда как электролит, содержащий Се ( IV ), аналогичным образом разряжался при окислении воды до кислорода на катализаторе из диоксида рутения.Этот подход разработан для дополнения электрохимического накопления энергии и может обойти низкую плотность энергии RFB, особенно потому, что водород может производиться непрерывно, пока RFB заряжается.

У вас есть доступ к этой статье

Подождите, пока мы загрузим ваш контент…

Что-то пошло не так. Попробуйте снова?

Toyota протестирует безуглеродный водородный двигатель на гоночной трассе

Toyota Motor Corp. не замедляет своих усилий по созданию общества без выбросов углерода, но даже ускоряет свои усилия.

22 апреля автопроизводитель объявил, что он будет участвовать в гонках на автомобиле с безуглеродным водородным двигателем.

Toyota заявила, что может использовать существующие технологии для разработки водородного двигателя, который, как ожидается, обеспечит нулевые выбросы при низкой стоимости. Он будет использовать гоночную трассу в качестве испытательного полигона для разработки необходимых технологий в долгосрочной перспективе.

«Япония обладает накопленным (ноу-хау) в автомобильной (технологии), и есть способы использовать его для сокращения выбросов углерода», — сказал президент Toyota Акио Тойода.«Водородный двигатель — один из них».

Водородные двигатели сжигают водород вместо бензина. Механизм аналогичен бензиновым двигателям, что позволяет автопроизводителю отключать большинство компонентов.

Toyota собирается участвовать в 24-часовой гонке на выносливость, которая стартует 21 мая на трассе Fuji Speedway в Ояме, префектура Сидзуока. Он войдет в гоночный автомобиль на базе Corolla Sport, оснащенный водородным двигателем. Он также будет участвовать в других гонках на выносливость для сбора данных для развития технологий.

Toyota уже выпустила серийно автомобиль, работающий на водороде. Mirai — это автомобиль на топливных элементах, который представляет собой тип электромобиля, который работает на электричестве, генерируемом в результате химической реакции между водородом и кислородом в воздухе.

Транспортные средства, работающие на водороде и топливных элементах, не выделяют углекислый газ во время движения. Но водородные двигатели выделяют выхлопные газы, в состав которых входит оксид азота.

Toyota не представила перспектив коммерциализации водородного двигателя в своем заявлении от 22 апреля.

Но на фоне глобальной тенденции к декарбонизации Япония, США и другие страны представили свои амбициозные цели по сокращению выбросов углерода во время Саммита лидеров по климату, который начался в тот же день.

В этих условиях автопроизводители наращивают усилия по разработке электромобилей. Но такие автомобили дорого производить, потому что в них используются дорогие аккумуляторы, а для разработки новых технологий требуются серьезные инвестиции.

(Эту статью написали Такуро Чиба и Джумпей Миура.)

10 Применения водородных топливных элементов

Когда-нибудь скоро вы сможете сесть в автомобиль с нулевыми выбросами углерода или парниковых газов. Вы можете проложить дорогу по шоссе рядом с эффективными автобусами, грузовыми автофургонами и полуприцепами, которые одинаково хорошо горят. Даже ваш офис может быть оборудован аварийными резервными генераторами, которые работают не на ископаемом топливе, а на водородных топливных элементах.

Эти технологические чудеса — не просто оптимистичное видение будущего, они все действительно доступны прямо сейчас.

Сегодня мир вовлечен в гонку за чистую энергию будущего. Окончательный победитель остается неизвестным, но водород стал явным лидером, предлагая универсальные возможности для производства, распределения и применения энергии.

Что находится в водородном топливном элементе?

Водородные топливные элементы объединяют водород и кислород, создавая только чистую воду в качестве выхлопных газов. Преобразуя химическую энергию, хранящуюся в газах, в электрическую энергию, эту энергию можно использовать для питания электродвигателей, временных аккумуляторных батарей или множества других конечных приложений.

В водородном топливном элементе молекулы водорода h3 расщепляются на положительно заряженные протоны (синий) и отрицательно заряженные электроны (желтый). Протоны проходят через электролитную мембрану, но электроны должны проходить через внешнюю цепь, создавая электричество. В конечном итоге протоны, электроны и молекулы кислорода объединяются, чтобы создать воду. Анимация любезно предоставлено BMW.

Электромобили, работающие на водородных топливных элементах (HFCEV), возможно, не пользовались ажиотажем в отношении электромобилей с аккумуляторными батареями (BEV), но эта технология предназначена не только для личного использования.Фактически, текущие проблемы хранения и логистики в настоящее время означают, что водород часто лучше подходит для более крупных коммерческих применений, таких как грузовые перевозки большой грузоподъемности.

Водородное топливо легко доступно и эффективно производится как побочный продукт нефти или путем электролиза с использованием энергии, вырабатываемой из возобновляемых источников. В качестве жидкости или газа под давлением его относительно легко транспортировать и быстро заправлять, минуя длительное время зарядки, необходимое для современных аккумуляторов.

Поскольку производство водорода продолжает переходить на возобновляемые источники, электролизеры и топливные элементы представляют собой многообещающий вариант для мощного, эффективного, 100% экологически чистого хранения и распределения энергии по всему миру.

Toyota Mirai — это один из типов электромобилей на водородных топливных элементах, которые производятся уже несколько лет. Его можно увидеть в дороге и использовать покупатели в Калифорнии. Изображение любезно предоставлено USA Today.

10 Промышленное применение водородных топливных элементов.

Давайте рассмотрим 10 применений водородных топливных элементов, о некоторых из которых вы, возможно, не знаете!

1. Складская логистика

Десятки компаний с большими складскими помещениями и потребностями в сбыте обращаются к водородным топливным элементам для питания экологически чистых грузовиков, вилочных погрузчиков, домкратов для поддонов и многого другого.

2. Глобальное распространение

Топливные элементы могут похвастаться как дальностью действия, так и мощностью, необходимой для грузовых перевозок на дальние расстояния и местного распределения. Такие компании, как Nikola, Hyundai, Toyota, Kenworth и UPS, уже строят полуприцепы и фургоны с водородным двигателем.

3. Автобусы

Водородная энергия рассматривается для других приложений общественного транспорта, включая автобусы на водородных топливных элементах. Несколько крупных городов, включая Чикаго, Ванкувер, Лондон и Пекин, экспериментировали с автобусами, работающими на водороде.

4. Поезда

Поезда на водородных топливных элементах

уже появились в Германии, а в следующие пять лет ожидается, что другие модели появятся в Великобритании, Франции, Италии, Японии, Южной Корее и США.

5. Личный транспорт

Девять основных производителей автомобилей разрабатывают электромобили на водородных топливных элементах (HFCEV) для личного пользования. Известные модели включают Toyota Mirai, Honda Clarity, Hyundai Nexo и BMW I Hydrogen Next.

6. Самолеты

Несколько экспериментальных проектов, таких как прототипы Pathfinder и Helios, исследовали применение водородных топливных элементов в аэрокосмической отрасли. В этих беспилотных транспортных средствах дальнего действия использовалась гибридная система с водородными топливными элементами, которые пополнялись за счет электроэнергии от солнечных батарей, что теоретически позволяло осуществлять непрерывный полет днем ​​и ночью.

7. Резервное производство электроэнергии

На местном уровне стационарные топливные элементы используются как часть систем бесперебойного электропитания (ИБП), где постоянное время безотказной работы имеет решающее значение.И больницы, и центры обработки данных все чаще обращаются к водороду для удовлетворения своих потребностей в источниках бесперебойного питания. Недавно Microsoft попала в заголовки новостей об успешном испытании своих новых резервных генераторов водорода, в ходе которых серверы одного центра обработки данных работали только на водороде в течение двух дней.

8. Мобильная энергетика

Hydrogen предлагает разнообразные возможности для мобильной выработки электроэнергии. Фактически, некоторые из самых первых водородных топливных элементов были разработаны НАСА для обеспечения электричеством ракет и шаттлов в космосе.

9. Беспилотные летательные аппараты (БПЛА)

От доставки посылок до поисково-спасательных операций, многие новые применения БПЛА (например, дронов) значительно ограничены мощностью и дальностью действия, обеспечиваемыми традиционными батареями. И военная, и частная промышленность планируют преодолеть эти проблемы с помощью водородных топливных элементов, диапазон которых в три раза больше, чем у систем на основе батарей. Топливные элементы также имеют более высокое соотношение энергии к массе и могут быть заправлены за несколько минут.

10.Лодки и подводные лодки

Водородные топливные элементы нашли свое применение в различных морских применениях. Некоторые лодки, такие как Energy Observer, даже используют бортовые солнечные панели и ветряные турбины для выработки собственного водорода для системы топливных элементов. Для военных малозаметных подводных лодок, таких как немецкий Тип 212, водородные топливные элементы предлагают альтернативу ядерной энергии с большой дальностью, бесшумным плаванием и низким тепловыделением выхлопных газов.

Toyota и Hino в настоящее время разрабатывают серию электрических грузовиков на водородных топливных элементах.Изображение любезно предоставлено Toyota.

Проблемы безопасности, создаваемые системами водородных топливных элементов

Прежде чем водород получит широкое распространение в качестве альтернативного топлива, водород должен преодолеть несколько ключевых препятствий на пути его внедрения.

• Экстремальные условия: Водород имеет относительно низкую плотность энергии, что означает, что он должен храниться в больших количествах для любого практического применения в качестве топлива. Чтобы компенсировать это, современные транспортные приложения расширяют границы технологий с более высоким давлением и экстремальными криогенными температурами.
• Общественное мнение: Известные инциденты, такие как инцидент в Гинденбурге (хотя водород на самом деле не был основным виновником инцидента), оставили свой след в отрасли. Несмотря на то, что сегодняшние применения водорода сильно отличаются, промышленность должна будет усердно работать, чтобы исправить общественное мнение и обновить многие местные правила, ограничивающие использование водорода.
• Инфраструктура: Города, автомагистрали, аэропорты и многое другое потребуют значительных изменений инфраструктуры для размещения хранения, транспортировки и заправки водорода.Обращение с водородом в таких больших масштабах представляет собой логистические проблемы и опасность пожара / взрыва.

Рендеринг поезда с приводом от водородных топливных элементов, который планируется использовать в Великобритании уже в 2022 году. Изображение любезно предоставлено Alsom.

ВАЗ поддерживает технологию водородных топливных элементов

На протяжении десятилетий WHA работала с промышленностью над решением проблем безопасности, связанных с водородом. Наши ученые и инженеры хорошо знакомы с уникальными рисками, связанными с водородом, поскольку участвовали в создании множества глобальных стандартов.

Многие инженеры-основатели WHA начали свою карьеру в НАСА, а главный химик ВАЗ доктор Гарольд Бисон работал в группе, которая разработала Стандарт НАСА для водорода и водородных систем. Позднее это руководство было адаптировано в Руководство AIAA по безопасности водородных и водородных систем.

WHA Инженер-механик и судебно-медицинский эксперт, доктор Дэни Мерфи , также привнесла богатый опыт из NREL (Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии), где она участвовала в исследованиях водородных топливных элементов и инфраструктуры, включая проектирование и безопасность станций хранения.

Мы сотрудничаем как с государственными, так и с частными организациями, чтобы обеспечить анализ отказов, анализ опасностей и поддержку проектирования, индивидуальные испытания и техническое обучение для водорода.

По мере роста водородной экономики растут и риски. WHA гордится тем, что вместе с отраслевыми партнерами помогает обеспечить более безопасное и чистое будущее для всех.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности.Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались.Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, используйте кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г.,
  браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie
потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта.