Меню

Получение электрического тока из водорода



Водородная электростанция для домашних хозяйств

В современном домашнем хозяйстве все большей популярностью пользуются фотоэлектрические панели, которые помогают домовладельцам значительно экономить, получая альтернативную энергию из природных источников.

Группа ученых из Университета Дьюка во главе с Нико Хотцом усовершенствовала традиционные солнечные коллекторы, разработав принципиально новый продукт – гибридную электростанцию на основе водорода. Новая установка выглядит так же, как обычные солнечные батареи, и так же, как они, собирает солнечную энергию. Однако на этом сходство заканчивается.

Солнечный свет не аккумулируется в медных трубах, покрытых слоем алюминия и оксида алюминия и заполненных небольшим количеством воды с наночастицами, а нагревает специальную смесь из воды и биометанола, которая находится в герметичных стеклянных трубах, проложенных на крыше. В батареях происходят две каталитические реакции, в результате которых образуется водород. Полученное топливо можно сразу использовать для производства электроэнергии или направить в резервуар для хранения.

Новая разработка обладает несколькими важными преимуществами по сравнению со схемой «панель-аккумулятор». Прежде всего, водород может храниться в топливных элементах в течение долгого времени без весомых потерь. Также, полученное топливо может быть использовано не только в доме, но и за его пределами, например, в автомобиле. Еще один весомый плюс состоит в том, что новые топливные элементы занимают меньше места, чем системы на основе аккумуляторов.

Самым важным достоинством солнечной электростанции на основе водорода является ее высокая эффективность. По подсчетам ученых, КПД новой системы летом составляет примерно 28%, зимой – около 18%. Для сравнения, у традиционных фотоэлектрических панелей эти показатели колеблются от 5 до 15% летом и составляют 2-5% зимой.

Среди отрицательных сторон изобретения – его высокая стоимость: цена минимальной конфигурации стартует от восьми тысяч долларов. К тому же, чтобы получить энергию из водорода, нужно иметь дополнительное оборудование. Однако разработчики обещают в ближайшее время исправить эти недостатки.

Автор новой технологии Нико Хотц утверждает, что ученым уже удалось получить водород в презентационной модели устройства и выработать из него энергию. Следующим шагом разработчиков будет найти промышленного инвестора, на средства которого можно будет запустить производство установки в крупных масштабах.

В настоящее время ученые продолжают совершенствовать водородную электростанцию и обещают, что новые системы будут поглощать до 95% солнечного света и смогут нагревать воду до 200 градусов, что на 120 градусов больше, чем у первого поколения водородных установок. Помимо этого, разрабатываются новые катализаторы, которые позволят увеличить объемы вырабатываемого водорода.

Источник

Водородная энергетика: начало большого пути

Водородная энергетика — одна из самых перспективных отраслей. узнаем самые продвинутые и известные водородные технологии.

Водородная энергетика: начало большого пути

C ростом числа электротранспорта городам потребуется больше электричества, которое зачастую получают экологически небезопасными способами. К счастью, сегодня мир научился получать энергию при помощи ветра, солнца и даже водорода. Новый материал мы решили посвятить последнему из источников и рассказать об особенностях водородной энергетики.

Водородная энергетика

  • Водородные топливные элементы
  • Проблемы добычи
  • Водородное будущее

На первый взгляд, водород — идеальное топливо. Во-первых, он является самым распространенным элементом во Вселенной, во-вторых, при его сгорании высвобождается большое количество энергии и образуется вода без выделения каких-либо вредных газов. Преимущества водородной энергетики человечество осознало уже давно, однако применять ее в больших промышленных масштабах пока не спешит.

Водородные топливные элементы

Первый водородный топливный элемент был сконструирован английским ученым Уильямом Гроувом в 30-х годах XIX века. Гроув пытался осадить медь из водного раствора сульфата меди на железную поверхность и заметил, что под действием электрического тока вода распадается на водород и кислород. После этого открытия Гроув и работавший параллельно с ним Кристиан Шенбейн продемонстрировали возможность производства энергии в водородно-кислородном топливном элементе с использованием кислотного электролита.

Позже, в 1959 году, Фрэнсис Т. Бэкон из Кембриджа добавил в водородный топливный элемент ионообменную мембрану для облегчения транспорта гидроксид-ионов. Изобретением Бэкона сразу заинтересовалось правительство США и NASA, обновленный топливный элемент стал использоваться на космических аппаратах «Аполлон» в качестве главного источника энергии во время их полетов.

Водородная энергетика: начало большого пути

Водородный топливный элемент из сервисного модуля «Аполлонов», вырабатывающий электричество, тепло и воду для астронавтов.

Сейчас топливный элемент на водороде напоминает традиционный гальванический элемент с одной лишь разницей: вещество для реакции не хранится в элементе, а постоянно поставляется извне. Просачиваясь через пористый анод, водород теряет электроны, которые уходят в электрическую цепь, а сквозь мембрану проходят катионы водорода. Далее на катоде кислород ловит протон и внешний электрон, в результате чего образуется вода.

Принцип работы водородного топливного элемента.

С одной топливной ячейки снимается напряжение порядка 0,7 В, поэтому ячейки объединяют в массивные топливные элементы с приемлемым выходным напряжением и током. Теоретическое напряжение с водородного элемента может достигать 1,23 В, но часть энергии уходит в тепло.

С точки зрения «зеленой» энергетики у водородных топливных элементов крайне высокий КПД — 60%. Для сравнения: КПД лучших двигателей внутреннего сгорания составляет 35-40%. Для солнечных электростанций коэффициент составляет всего 15-20%, но сильно зависит от погодных условий. КПД лучших крыльчатых ветряных электростанций доходит до 40%, что сравнимо с парогенераторами, но ветряки также требуют подходящих погодных условий и дорогого обслуживания.

Читайте также:  Задачи по физике генераторы переменного тока

Как мы видим, по этому параметру водородная энергетика является наиболее привлекательным источником энергии, но все же существует ряд проблем, мешающих ее массовому применению. Самая главная из них — процесс добычи водорода.

Проблемы добычи

Водородная энергетика экологична, но не автономна. Для работы топливному элементу нужен водород, который не встречается на Земле в чистом виде. Водород нужно получать, но все существующие сейчас способы либо очень затратны, либо малоэффективны.

Самым эффективным с точки зрения объёма полученного водорода на единицу затраченной энергии считается метод паровой конверсии природного газа. Метан соединяют с водяным паром при давлении 2 МПа (около 19 атмосфер, т. е. давление на глубине около 190 м) и температуре около 800 градусов, в результате чего получается конвертированный газ с содержанием водорода 55-75%. Для паровой конверсии необходимы огромные установки, которые могут быть применимы лишь на производстве.

Водородная энергетика: начало большого пути

Трубчатая печь для паровой конверсии метана — не самый эргономичный способ добычи водорода.

Более удобный и простой метод — электролиз воды. При прохождении электрического тока через обрабатываемую воду происходит серия электрохимических реакций, в результате которых образуется водород. Существенный недостаток этого способа — большие энергозатраты, необходимые для проведения реакции. То есть получается несколько странная ситуация: для получения водородной энергии нужна… энергия. Во избежание возникновения при электролизе ненужных затрат и сохранения ценных ресурсов некоторые компании стремятся разработать системы полного цикла «электричество — водород— электричество», в которых получение энергии становится возможным без внешней подпитки. Примером такой системы является разработка Toshiba H2One.

Мобильная электростанция Toshiba H2One

Мы разработали мобильную мини-электростанцию H2One, преобразующую воду в водород, а водород в энергию. Для поддержания электролиза в ней используются солнечные батареи, а излишки энергии накапливаются в аккумуляторах и обеспечивают работу системы в отсутствие солнечного света. Полученный водород либо напрямую подается на топливные ячейки, либо отправляется на хранение во встроенный бак. За час электролизер H2One генерирует до 2 м3 водорода, а на выходе обеспечивает мощность до 55 кВт. Для производства 1 м3 водорода станции требуется до 2,5 м3 воды.

Пока станция H2One не способна обеспечить электричеством крупное предприятие или целый город, но для функционирования небольших районов или организаций ее энергии будет вполне достаточно. Благодаря своей мобильности она может использоваться также как и временное решение в условиях стихийных бедствий или экстренного отключения электричества. К тому же, в отличие от дизельного генератора, которому для нормального функционирования необходимо топливо, водородной электростанции достаточно лишь воды.

Сейчас Toshiba H2One используется лишь в нескольких городах в Японии — к примеру, она снабжает электричеством и горячей водой железнодорожную станцию в городе Кавасаки.

Монтаж системы H2One в городе Кавасаки

Водородное будущее

Сейчас водородные топливные элементы обеспечивают энергией и портативные пауэр-банки, и городские автобусы с автомобилями, и железнодорожный транспорт (более подробно об использовании водорода в автоиндустрии мы расскажем в нашем следующем посте). Водородные топливные элементы неожиданно оказались отличным решением для квадрокоптеров — при аналогичной с аккумулятором массе запас водорода обеспечивает до пяти раз большее время полета. При этом мороз никак не влияет на эффективность. Экспериментальные дроны на топливных элементах производства российской компании AT Energy применялись для съемок на Олимпиаде в Сочи.

Стало известно, что на грядущих Олимпийских играх в Токио водород будет использоваться в автомобилях, при производстве электричества и тепла, а также станет главным источником энергии для олимпийской деревни. Для этого по заказу Toshiba Energy Systems & Solutions Corp. в японском городе Намиэ строится одна из крупнейших в мире станций по производству водорода. Станция будет потреблять до 10 МВт энергии, полученной из «зеленых» источников, генерируя электролизом до 900 тонн водорода в год.

Водородная энергетика — это наш «запас на будущее», когда от ископаемого топлива придется окончательно отказаться, а возобновляемые источники энергии не смогут покрывать нужды человечества. Согласно прогнозу Markets&Markets объем мирового производства водорода, который сейчас составляет $115 млрд, к 2022 году вырастет до $154 млрд.

Но в ближайшем будущем массовое внедрение технологии вряд ли произойдет, необходимо еще решить ряд проблем, связанных с производством и эксплуатацией специальных энергоустановок, снизить их стоимость. Когда технологические барьеры будут преодолены, водородная энергетика выйдет на новый уровень и, возможно, будет так же распространена, как сегодня традиционная или гидроэнергетика. опубликовано econet.ru

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление — мы вместе изменяем мир! © econet

Понравилась статья? Напишите свое мнение в комментариях.
Подпишитесь на наш ФБ:

Читайте также:  Для возникновения тока в проводнике необходимо чтобы ответ был

Источник

Мирный атом и водородный мир: современная энергетическая революция

Давний интерес

Наш журнал не раз обращался к теме водородной энергетики: мы писали о российских разработках топливных элементов на водороде. Можно сказать, что это настоящее чудо: в батарее встречаются водород и атмосферный кислород, в итоге холодного сжигания водорода батарея производит ток, а выхлопом становится простая вода. Но топливные батареи — это современный хай-тек. На самом деле водородом в качестве перспективного топлива человечество интересуется уже десятилетиями. Если говорить об отечественном опыте, достаточно вспомнить, что первый советский автомобильный двигатель на водороде был запущен в 1942 году в блокадном Ленинграде. К началу 1980-х созданы и испытаны опытные образцы ВАЗ «Жигули», АЗЛК «Москвич», ГАЗ-24 «Волга» и ГАЗ-69, грузовые ЗИЛ-130, микроавтобусы РАФ и УАЗ, автопогрузчики и прочие виды техники, работающие на водороде и бензоводородных смесях. В 1987—1988 годах производились запуски носителя сверхтяжелого класса «Энергия» (проект «Энергия-Буран»), двигатели второй ступени которого работали на водороде. В 1988-м поднялся в небо экспериментальный Ту-155. Его силовые установки были настроены на сжигание криогенного топлива — жидкого водорода и СПГ.

Захватывающие перспективы

Использование водорода в качестве топлива или добавки к топливу рассматривается сегодня как один из инструментов для значительного снижения выбросов в атмосферу CO2, создающего парниковый эффект. Эксперты из Международного энергетического агентства IEA подсчитали, что добавление всего 20% водорода в европейскую газораспределительную сеть (для использования газоводородной смеси в промышленных целях) приведет к сокращению выбросов CO2 на 60 млн т в год.

Еще полтора десятилетия назад японская компания East Japan Railway Company объявила о разработках поезда на водородных топливных элементах. Первый в мире водородный поезд прошел тест-драйв в 2017 году в Нижней Саксонии. В следующем году в рамках предсерийного теста на линии вышли два состава Coradia iLint — эта программа благополучно завершилась в феврале 2020 года. За полтора года поезда, работая на маршруте протяженностью около 100 км, преодолели общее расстояние 180 тыс. км. Теперь правительство федеральной немецкой земли с административным центром в Ганновере рассчитывает получить к следующему году еще 14 поездов на водородной тяге. Водород в них хранится в закрепленных на крыше емкостях под высоким давлением.

Водород

Выход есть!

Все говорит в пользу водорода, идеального топлива будущего. Но вернемся все же к другому концу энергетической цепочки. Как получать водород? Беда в том, что в чистом виде он в природе не встречается: нет возможности открыть месторождение и качать H2 подобно нефти и природному газу. Базовая на сегодня технология получения водорода — это паровая конверсия метана, в ходе которой водород извлекают из углеводородного соединения в трубчатых печах (химических паровых реформерах) в присутствии пара. Технология энергозатратна, но главное — в процессе производства выделяется углекислый газ, ответственный за создание парникового эффекта. Есть и другой вариант — электролиз, диссоциация молекулы воды на кислород и водород под воздействием электричества. Но здесь мы возвращаемся к теме всеобщей электрификации. Откуда ток в розетке?

Благодаря разработкам ученых разных стран и не в последнюю очередь советских и российских специалистов на этот вопрос можно дать оптимистический ответ. Одним из решений для производства «зеленого» водорода наряду с использованием возобновляемых источников энергии (вода, солнце, ветер) может стать экологически чистая атомная энергия.

Новое поколение

Пока мы не перешли к теме ядерного хай-тека, заметим, что производство водорода может быть прекрасным подспорьем для ветряной и солнечной энергетики. Известно, что из-за климатических факторов — солнечной или пасмурной погоды, наличия ветра или безветрия — ветряки и солнечные батареи производят электроэнергию весьма нестабильно: есть пики и провалы. Отправляя на производство водорода излишки полученной энергии, можно отдать ее через водородную энергетику обратно в сеть, компенсируя тем самым всплески и падения.

Водород

На самом деле на российских АЭС работают электролизеры, которые производят водород для собственных нужд — он используется в технологических процессах, однако лучшим вариантом для масштабного производства водорода можно считать высокотемпературные газоохлаждаемые ядерные реакторы (ВТГР) нового поколения. «Газоохлаждаемый» означает, что для снятия тепла с твэлов используется инертный газ — гелий, который нагревается до температуры 950 °C. Это тепло может быть направлено для получения водяного пара, который раскрутит турбину электрогенератора. Также производимое ВТГР тепло может быть непосредственно задействовано для получения из природного газа метановодородной смеси и чистого водорода термохимическими методами.

Работы над созданием ВТГР ведутся в нашей стране с 1970-х годов. Еще в 1960-е экспериментальные образцы реакторов создавали в США, Великобритании и Западной Германии. Важной отличительной чертой ВТГР является экологическая чистота и высокий уровень безопасности. Прежде всего, это связано с особенностями «упаковки» расщепляющихся материалов. Дело в том, что ВТГР рассчитан на использование топлива на основе сферических микрочастиц с многослойными термо- и радиационностойкими покрытиями из углерода и карбида кремния, которые надежно удерживают продукты деления во всех режимах работы, включая аварийные. Активная зона реактора формируется на основе призматических тепловыделяющих сборок (с остановками на перегрузку) или шаровых тепловыделяющих элементов (которые можно перегружать без снижения мощности реактора).

Читайте также:  Соединение потребителей в цепи постоянного тока это

Необычное топливо

Многослойное покрытие топливных микрочастиц отличается высокой прочностью и способно выдерживать, не разрушаясь, сильное физическое воздействие — тепловое расширение или газовое давление при температуре до 1600 градусов. Таким образом, при аварии ядерное топливо останется упакованным и безопасным. Даже в случае полного отказа систем теплоотвода тепловыделяющие элементы на основе TRISO-микротвэлов не плавятся и не разрушаются, а медленно остывают, сохраняя форму. Немаловажен также и выбор теплоносителя: гелий, благодаря своим физическим свойствам, при протекании через активную зону реактора практически не становится радиоактивным, так что его аварийный выброс не будет представлять опасности.

Водород

Все это говорит о том, что использование ВТГР позволяет отказаться от многих ограничений, которые установлены для традиционных АЭС. Такие реакторы смогут работать вблизи населенных пунктов и не привязываться к крупным водоемам, как это необходимо для станций с водоохлаждаемыми реакторами. И одним из применений ВТГР станет создание экологически чистой производственно-энергетической базы для водородной экономики, широкого использования водорода в качестве топлива и реагента в топливных элементах.

Впечатляющие планы

На сегодня в России разработаны проекты ВТГР для производства электроэнергии для энерготехнологического применения, атомных станций средней и малой мощности. Экспериментально отработаны ключевые технологии реактора, керамического топлива, системы преобразования энергии, оборудования и конструкционных материалов. Значительную роль в реализации этих достижений сыграло знаменитое атомное конструкторское бюро — ОКБМ «Африкантов». С участием концерна «Росэнергоатом» разработаны проекты модульных реакторов, обладающих исключительными свойствами безопасности для энерготехнологического применения: МГР-Т для производства водорода и электричества (тепловая мощность блока — 600 МВт) и МГР-МВС для производства метановодородной смеси (тепловая мощность блока — 250 МВт).

В настоящее время в мире производится и потребляется порядка 80 млн т водорода. По оценкам международной организации Hydrogen Council через 30 лет эта цифра вырастет до 550 млн т. Госкорпорация «Росатом» имеет все возможности, чтобы производить миллионы и десятки миллионов тонн водорода (в виде чистого водорода и метановодородных смесей), а в перспективе способна занять до 10% мирового рынка, что сделает Россию одним из значимых участников новой энергетической революции.

Еще больше об атомной промышленности на www.atom75.ru

Кстати, у «Популярной механики» появился новый раздел «Блоги компаний». Если ваша организация хочет рассказать о том, чем занимается — напишите нам

Источник

Новое устройство одновременно производит электроэнергию и водород

Американские химики разработали устройство, способное одновременно вырабатывать топливо и электроэнергию. Новая система генерирует водородное топливо максимально экологичным и дешевым способом, используя для этого солнечную энергию. Ученые надеются, что их разработка сделает водородные автомобили более доступными. Результаты исследования были представлены в журнале Energy Storage Materials.

Традиционные водородные топливные элементы и ионисторы обладают двумя электродами — положительным и отрицательным. Однако ученые из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) создали систему, которая использует третий электрод. Он одновременно выполняет роль ионистора для хранения энергии и прибора для проведения электролиза воды, который разлагает воду на кислород и водород.

Все три электрода подсоединены к единому фотоэлементу, который обеспечивает систему энергией. Как отмечает Science Daily, полученное от солнца электричество можно в результате хранить двумя способами: электрохимическим методом в ионисторе или химическим методом в форме водорода.

Руководитель исследования, профессор химии, биохимии, материаловедения и инженерии UCLA Ричард Канер считает открытие революционным: «Соединение ионистора и технологии электролиза воды в одном устройстве сопоставимо с созданием первого смартфона, в которое одновременно были встроены веб-браузер, камера и функция звонка».

Ученые напечатали «невозможный» материал, придуманный математиками

Два главных преимущества разработки — это дешевизна и экологичность, считают американские химики. Разработанный учеными прибор производит водород, используя никель, железо и кобальт. Традиционные системы выработки водородного топлива чаще применяют более дорогие и редкие металлы, например, платину. «Наша технология позволит радикально снизить стоимость водородных автомобилей», — уверен Канер.

Кроме того, 95% существующих систем получения водорода используют ископаемое горючее, которое производит большое количество выбросов CO2. Новая разработка не использует ископаемое топливо и не загрязняет воздух.

Ученые считают, что технология может быть полезна жителям сельской местности или военным, так как она позволяет одновременно производить электроэнергию и топливо. Также система подойдет для энергосетей в крупных городах, которые накапливают излишки электроэнергии. «Если преобразовать электричество в водород, то его можно хранить бессрочно», — отметил Канер.

Илон Маск показал «выносящий мозг» грузовик и электрический суперкар

Источник

Adblock
detector