Водородная энергетика что это

Новая энергия: почему водород перспективнее солнечных батарей и ветряков

В последний год водородные технологии стали одной из самых обсуждаемых тем в энергетике. Энтузиасты о наступающей эре водорода говорили довольно давно, но сейчас водородная энергетика стала одной из 42 стратегических инициатив по социально-экономическому развитию страны, представленных правительством. О том, что Россия будет активно участвовать в разработке водородных технологий, заявил премьер-министр Михаил Мишустин. Минэнерго разрабатывает соответствующую стратегию. В консорциум по содействию этой работе вошли более 30 компаний из разных отраслей.

Почему именно водородная стратегия может создать задел для сохранения позиций России в мировой энергетике в будущем?

Дело в том, что процесс декарбонизации, к которому подключились множество стран, столкнулся с рядом проблем. Предполагалось, что отказаться от сжигаемых видов топлива ради уменьшения углеродного следа и предотвращения изменений климата помогут солнечные панели и ветряки. Но выяснилось, что, во-первых, в такой энергосистеме необходимы значительные мощности хранения энергии на длительный срок, в частности, для прохождения осенне-зимних периодов, а это задача, на порядки превосходящая возможности аккумуляторных батарей. Во-вторых, для тяжелого транспорта, покрывающего большие расстояния, — самолетов, кораблей, грузовых автомобилей — возможностей аккумуляторов тоже недостаточно. И, наконец, в-третьих, есть промышленные процессы, где электричество малоприменимо — например, при выплавке стали.

Водород же можно хранить в баллонах и подземных соляных кавернах, есть ряд способов транспортировки водорода в танкерах и трубопроводами. При сжигании он не образует углекислого газа и дает высокие температуры. Водород может использоваться как восстанавливающий агент вместо угля в металлургии. С помощью водородных топливных ячеек можно получать электричество без сжигания.

Таким образом, использование водорода на сегодня выглядит чуть ли не единственным универсальным способом преодолеть проблемы, которые не удается решить с помощью возобновляемых источников энергии (ВИЭ).

Многие страны и Евросоюз начали разрабатывать и публиковать водородные стратегии как стратегии энергетического перехода. А технический прогресс работает таким образом, что если какое-то решение набирает популярность, то оно становится частью производственных цепочек и оказывается доминирующим. В новом энергетическом укладе, который сейчас начинает создаваться, по всей видимости, водород станет одним из таких элементов. Поэтому России, крупному игроку на мировой энергетической арене, надо участвовать в движении. Тем более что у страны есть все предпосылки для этого — большие запасы природного газа, геологические структуры, подходящие для закачки CO₂ (например, отработанные газовые месторождения), развитые компетенции в атомной энергетике. На этой базе вполне можно построить крупный экспортный бизнес. Кроме того, водород может оказаться необходимым для обеспечения конкурентоспособности традиционных российских экспортных отраслей — металлургии, производства азотных удобрений, которые без этого окажутся под риском все увеличивающегося трансграничного углеродного налога.

России предстоит непростой разговор с Евросоюзом, который декларирует, что он будет рад импортировать большие объемы водорода, но только «зеленого», полученного с помощью ВИЭ. А «голубой» из метана или «желтый» из атомного электричества приемлемы только в ограниченной временной перспективе, в качестве стартовых объемов для создания предложения для потенциальных европейских потребителей. Эта позиция выглядит не слишком справедливой ни по отношению к поставщикам, которым предлагается потратиться на создание производственных мощностей и компетенций с ограниченным сроком годности, ни к европейским потребителям (себестоимость «зеленого» водорода превышает себестоимость «голубого» в несколько раз). Да и рациональных объяснений такой позиции, кроме, конечно, традиционной нелюбви «зеленых» активистов и «зеленых» партий к нефтегазовым компаниям, найти трудно. Но можно надеяться, что возобладают фундаментальные принципы международной торговли, «цветовая слепота» и технологическая нейтральность, когда принимаются во внимание свойства товара и его воздействие на окружающую среду, а не способ производства.

Источник

Об эксперте: Флориан Виллерсхаузен, директор Creon Capital, управляющей компании люксембургского фонда Creon Energy Fund, инвестирующего в проекты «зеленых» технологий, возобновляемой энергетики и логистики. Фонд входит в структуру CREON Group, стратегического консультанта по переводу бизнесов на рельсы устойчивого развития с учетом факторов ESG.

Перспективы развития водородной энергетики

Перевод европейской промышленности и транспорта на водородное топливо сократит вредные выбросы, создаст новые рынки и сделает водородные технологии экспортным «шлягером».

Каждому, кто хоть раз задумывался о будущем энергопоставок в Европу, стоит пройтись по вокзалу Куксхафена в Нижней Саксонии. Отсюда в Букстехуде ежечасно отходит синяя электричка Coradia iLint. Бесшумный поезд французского производителя Alstom работает на водороде, климатически он совершенно нейтрален: вместо углекислого газа водородный привод выделяет всего несколько капель воды на метр движения. Пока этот поезд почти в три раза дороже дизельного, но Нижняя Саксония и другие федеральные земли активно субсидируют новую технологию. И не за горами тот час, когда водородные поезда отправят своих чадящих дизельных праотцов на запасной путь.

Водородная энергетика в Германии

Курс на водородную энергетику окончательно зафиксировала Национальная стратегия развития водородной энергетики ФРГ, опубликованная 10 июня 2020 года. Долгосрочная цель страны — создать нейтральную для климата экономику с сокращением выбросов СО₂ на 95% от уровня 1990 года. И водороду, на который будет переведен не только транспорт, но и металлургия с нефтехимической промышленностью, в этом процессе отводится центральная роль.

На развитие водородной энергетики Германия выделит более €10 млрд до 2023 года: €7 млрд на «запуск рынка» (то есть на создание рамочных условий и стимулирование внутреннего спроса), €2 млрд на международное сотрудничество и еще €1 млрд — на нужды промышленности, которая должна внедрить водородные технологии, чтобы в перспективе стать их экспортером номер один в мире.

Правда, стратегия признает, что Германия не сможет обеспечить свои потребности в водороде самостоятельно, и ей придется импортировать либо электроэнергию для производства «зеленого водорода», либо исходные продукты. И €2 млрд, выделенные на развитие международного сотрудничества, пойдут в первую очередь на пилотные проекты солнечной энергетики для производства «зеленого водорода» в Северной Африке и Марокко, где солнце светит круглый год.

Роль компаний из России в водородной энергетике

Однако для пилотных проектов подходит не только Северная Африка. Как показывает проект водородного трамвая, запущенного в Санкт-Петербурге в ноябре 2019 года, современные российские города прекрасно подходят в качестве «шоурумов» для водородных технологий. Такие яркие примеры внедрения инноваций будут иметь положительный имиджевый эффект не только для экономики России, но и для долгосрочного сотрудничества с Евросоюзом.

Потенциал этого сотрудничества частично отражен в энергетической стратегии Российской Федерации, опубликованной день в день с немецкой водородной стратегией. В документе водород обозначен как топливо с высоким экспортным потенциалом. К 2024 году российский экспорт водорода должен составить 0,2 млн т, а к 2035 вырасти до 2 млн т. По планам Минэнерго, Россия должна занять до 16% мирового рынка водорода.

В парадигме, когда уровень развития и благосостояния страны напрямую зависят от экспорта энергоресурсов, ставка на водород совершенно оправдана. Эта технология может стать дополнительным драйвером развития в общем балансе экспорта. Но чтобы реализовать эти амбициозные планы, российским корпорациям нужно уже сейчас развивать водородную энергетику и оперативно пересматривать свои бизнес-модели, ведь «энергетический переход», на который нацелились немцы, неминуемо приведет к снижению спроса на нефтепродукты и природный газ в ближайшем будущем.

Подкаст о водородной энергетике

В водородной экономике самая дорогая часть — это транспортировка и хранение водорода. В рыночной стоимости водорода эта часть может достигать 70%, рассказал доктор химических наук, профессор, руководитель Центра Компетенций НТИ при Институте проблем химической физики РАН «Технологии новых и мобильных источников энергии» Юрий Добровольский в подкасте «Что изменилось?».

Водород — очень легкий газ, который сжижается при очень низких температурах, из-за чего его нужно хранить или перевозить в жидком состоянии, либо транспортировать под давлением. Самый простой способ транспортировать водород — трубопровод, когда для транспортировки не используется высокое давление и не нужно тратить энергию на сжатие газа.

Достоинство России как страны экспортера нефти в наличии системы трубопровода в Европу. Задача — проверить газовую инфраструктуру на возможность перекачки по ней водорода. Для России это шанс остаться экспортерами энергоресурсов. Кроме того, сейчас, когда рынок водородной экономики еще только формируется, у России также есть шанс стать экспортером водородных технологий.

Драйвер водородной энергетики — внутренний рынок

Развитие водородной энергетики начинается с внутреннего рынка и его потребностей. В интересах общей энергетической безопасности нужно сначала определить собственные потребности в водороде, чтобы в перспективе обеспечить надежность поставок на внешние рынки.

Российским нефтегазовым компаниям необходимо подготовиться к производству водорода из возобновляемых источников в непосредственной близи от рынков сбыта — в первую очередь, в странах ЕС. Гигантские потребности Евросоюза в электроэнергии, которые многократно вырастут на фоне производства водорода и перевода общественного транспорта на электричество, невозможно будет покрыть только за счет энергии ветра и солнца.

Одновременно, российский бизнес должен развивать собственные международные инвестиционные проекты водородной инфраструктуры — строить пиролизные установки и сети водородных заправочных станций, разрабатывать концепции сбыта углерода, полученного в процессе переработки и принципы конкурентного ценообразования. В этом ему помогут европейские фонды и институциональные инвесторы, которые охотно инвестируют в водород и проекты «зеленой экономики», отвечающие принципам ESG — экологическим, социальным и управленческим факторам устойчивого развития и ведения бизнеса.

Нефтяники на службе «зеленой экономики»

В первую очередь о водороде стоит задуматься нефтяным компаниям, поскольку эта технология напрямую ударит по их бизнес-моделям. Первыми это осознали в Shell. Британско-нидерландский концерн осознанно выбрал путь перелома собственной бизнес-модели и начал инвестировать в возобновляемые источники энергии, синтетическое топливо и электромобили. На данном этапе эти направления полностью противоречат существующей бизнес-модели компании, основанной на добыче, переработке и торговле нефтяными продуктами. Однако в долгосрочной перспективе, с наступлением «зеленой экономики», эти технологии станут для корпорации точками колоссального роста.

О смене парадигмы пора задуматься и «Газпрому», тем более что водород не противоречит существующей бизнес-стратегии концерна, а наоборот дополняет ее. Компания обладает обширной сетью трубопроводов, которые могут транспортировать не только природный газ, но и водород. Впрочем, концерн уже изучает возможности водорода и заказал технико-экономическое обоснование его промышленного производства Немецкому технологическому институту Карлсруэ (KIT).

Источник

Водородная энергетика: начало большого пути

Ранее мы рассказывали про то, каким экологичным видом транспорта являются электробусы. Однако не упомянули один важный момент: 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.

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.

Водородный топливный элемент из сервисного модуля «Аполлонов», вырабатывающий электричество, тепло и воду для астронавтов. Источник: James Humphreys / Wikimedia Commons

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. Источник: Geek.com

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.

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.

Трубчатая печь для паровой конверсии метана — не самый эргономичный способ добычи водорода. Источник: ЦТК-Евро

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 м 3 водорода, а на выходе обеспечивает мощность до 55 кВт. Для производства 1 м 3 водорода станции требуется до 2,5 м 3 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.

Источник

Плюсы и минусы водородной энергетики — когда наступит будущее?

Что представляет собой водород?

Водород – это легкий газ, который при сжигании дает тепло, в несколько раз превышающее тепло от газа.

Главным его преимуществом при использовании в отопительной системе является относительно небольшая температура горения (всего 300°С). Это позволяет использовать газ в котле, выполненном из традиционных недорогих видов металла.

Сам по себе газ не имеет цвета и запаха, а при соединении с другими химическими компонентами он не образует опасных токсинов, вредных для здоровья человека. Поэтому его использование в быту крайне безопасно. Единственной опасностью является его повышенный уровень взрывоопасности.

Чем хорош водород и как его добывать

При окислении водорода, приводящем к выработке электроэнергии, образуется экологически чистая и во всех смыслах безопасная вода. Из неё снова можно добывать водород, и так без конца. К тому же КПД водородных элементов превышает аналогичный показатель всех остальных экологически чистых источников — он достигает 60 %, в то время как у солнечных электростанций едва дотягивает до 20 %, а у ветряных — до 40 %. И это при том, что и те и другие сильно зависят от погодных условий.

Несмотря на все эти достоинства водородная энергетика не торопится спускаться из космоса на землю. Причины этого заключаются, как ни странно, в сложности добычи самого распространённого в мире элемента. Точнее — в энергии, необходимой для выделения водорода из веществ, в которые он входит.

А вот простейший электролиз воды, знакомый каждому ученику средней школы, требует немало дополнительной энергии. В конечном итоге остаток получается не таким большим, как хотелось бы. Тем не менее, установки полного цикла на основе обычной воды уже существуют и успешно применяются на практике.

Работающие решения

Пример работающей компактной установки, использующей водород, — мобильная электростанция H2One, разработанная компанией Toshiba. Необходимую для электролиза энергию в ней вырабатывают солнечные батареи, причём избыток электричества накапливается в аккумуляторе на случай неблагоприятных погодных условий.

Вырабатываемый водород направляется либо непосредственно на производство энергии, либо на хранение в специальный бак. В результате станция всегда имеет запас как электроэнергии, так и водорода. Общие показатели станции H2One соответствует её относительно небольшим размерам. За час установка производит до 2 куб. м водорода, для чего потребляет 5 куб. м воды. Мощность установки составляет 55 кВт.

Невысокая мощность с лихвой компенсируется автономностью. Например, на основе станций H2One можно построить эффективную и экологически чистую систему энергоснабжения дома или даже небольшого района. В настоящее время она уже применяется на железнодорожной станции японского города Кавасаки, обеспечивая её электричеством и горячей водой.

Если пожертвовать автономностью, то при помощи водородных станций можно решать серьёзные экологические проблемы — например, утилизировать продукт переработки бытовых отходов. Для этого в 2018 году во всё том же городе Кавасаки была создана установка H2Rex, обеспечивающая электроэнергией гостиницу King SkyFront. Водород она получает не посредством электролиза, а по километровому трубопроводу с мусороперерабатывающего завода Showa Denko. Там он вырабатывается из пластиковых отходов, поступающих, в том числе, из самого отеля.

Кислород, необходимый для генерации электроэнергии, станция H2Rex берёт из атмосферного воздуха. Таким образом, коэффициент использования водорода достигает 96 %, а на выходе образуется обычная вода. Мощности такой установки достаточно для обеспечения электричеством около 100 домовладений.

Наконец, весной 2020 года в городе Фукусима была запущена самая крупная в мире экспериментальная электростанция, работающая на водороде. Для питания электролизных установок на ней используются солнечные батареи общей мощностью 20 МВт, занимающие площадь 180 тыс. кв. м. Всего станция вырабатывает 1,2 тыс. куб. м водорода в час.

Глобальные перспективы

Безусловно, пока доля водородной энергетики относительно невелика. Да и сам водород сегодня не столько топливо, сколько сырьё для производства аммиака и метанола. Однако существующее положение вещей меняется и не исключено, что уже в среднесрочной перспективе водород сможет заменить природный газ.

В частности, в Японии уже началось создание глобальной сети производства водорода для энергетических установок. Причём для его транспортировки в жидком виде стране потребуется около 80 танкеров.

В 2019 году в австралийском городе Гастингсе начато строительство специального водородного терминала. Сжиженный водород оттуда будет отправляться, в том числе и в Японию.

Все эти факты говорят о том, что о высоком потенциале водородной энергетики свидетельствуют не только прогнозы аналитиков, но и инвестиции крупных корпораций. А это означает, что традиционным энергоносителям рано или поздно придётся уступить своё место на пьедестале.

Водород в отопительной системе

Рассмотрим более детально, как преобразовать водород в энергоресурс. Как было сказано выше, этот газ получают путем электролиза воды, поэтому для его синтеза потребуется специальное оборудование, представляющее собой контейнер, в который погружены металлические пластины с водой. По пластинам подается ток определенной частоты, после воздействия которого выделяется водород и кислород, но не в чистом виде, а смешанные с водяным паром (он образуется в качестве побочного продукта электролиза). Чтобы отделить пар и вычленить водород, газовую смесь пропускают через химический сепаратор, способный отделить водород от других примесей.

Единственно, что нужно делать собственноручно – это периодически подливать воду в систему. На этом особенности эксплуатации водородного отопления завершаются.

Что такое водородная энергетика?

Само понятие «водородная энергетика» было сформировано в середине 1970-х годов.

Хотя впервые водород в качестве топлива для ДВС был применён в 1806 году. В СССР во время Великой Отечественной Войны, при блокаде Ленинграда, водород использовался на транспорте как альтернатива дефицитному бензину.

Направление водородной энергетики изучает полный жизненный цикл водородной отрасли, которая включает в себя: получение, хранение, транспортировку, полезное использование водорода, а также все сопутствующие проблемы каждого этапа в отдельности.

Однако, раньше 70-х годов особо никто не задумывался над водородной энергетикой. Тут можно проследить связь появления серьёзных работ по научным изысканиям применения водорода в энергетике и транспорте с мерами, принятыми в США и Европе (в середине 70-х) по экономии энергетических ресурсов и созданию первых стратегических нефтехранилищ. В это же время получили научный резонанс работы по изменению климата в связи с глобальным отеплением.

Фактически, бурное развитие исследований и разработок, проводимых в мире в области водородной энергетики и технологии, пришлось на период с 1974 по 1983годы и являлось прямым следствием энергетического кризиса, охватившего в то время большое число промышленно-развитых стран.

Важной вехой в развитии водородной энергетики и технологии явились результаты экономических исследований, проведённых в конце 1980-х годов в американском НИИ чистой энергии при университете Майями. В них было проведено детальное обоснование подсчёта экономического ущерба от загрязнения атмосферы промышленными и транспортными выбросами, и предложена методика введения соответствующих поправок в экономические расчёты. С учётом данных поправок, экологическая чистота водорода сделала его использование потенциально рентабельным в целом ряде производств.

В целом, период с середины 1970-х до конца 1990-х годов характеризовался углублёнными исследованиями и разработками, заложившими научно-технические основы современных водородных технологий.

Развитие водородной энергетики является одним из способов снижения антропогенных факторов на окружающую среду.

Да, именно так: водородная энергетика – это дорогая альтернатива традиционной энергетике, но более экологически чистая. Однако, этот факт почему-то упускается из виду даже адептами водородной энергетики.

Говорить, что водородная энергетика заменит все другие виды энергии, и что это наше энергетическое будущее – несколько опрометчиво. Правильнее будет сказать: водородная энергетика – это наше экологически чистое будущее.

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.
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.

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.

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.

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.

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.

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.

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

Плюсы и минусы отопления

Среди преимуществ, позволяющих использовать этот вид отопления в быту, служат следующие показатели:

Из недостатков можно выделить всего три показателя:

Технические характеристики водородных установок

Схема электролизной установки получения водорода­­

Процесс начинается с подготовки воды. Для процесса электролиза требуется так называемая деионизованная вода (также называемая обессоленная, деминерализованная). Это совершенно чистая вода, очищенная от механических и химических загрязнений. Обычная водопроводная вода поступает в «Блок водоподготовки» по трубопроводу «Тр-4». Вода последовательно проходит несколько стадий очистки: механический фильтр, ионообменные смолы, обратный осмос. Насосный блок «Н-1» подаёт готовую деионизованную воду в блок сепарации, через который вода попадает в «Блок электролиза».»Блок электропитания» понижает сетевое напряжение и преобразует переменный ток в постоянный, который необходим для электролизера. Кроме того, блок обеспечивает электропитание для остального оборудования водородной установки.
Схема электролизера для получения водорода­­ из воды В «Блоке электролиза» вода под действием постоянного электрического тока распадается в электролизере «Элз-1» на составляющие ее водород и кислород. Деионизованная вода практически не проводит электрический ток. Поэтому для придания воде проводящих свойств в неё добавляют гидроксид калия (KOH). То есть в электролизере циркулирует не чистая вода, а электролит в виде 30%-го раствора KOH в воде. Выделяющиеся газы (водород и кислород) далее идут по отдельным трактам.

Далее рассматривается водородный тракт, кислородный тракт аналогичен водородному.Водород из электролизера поступает в «Блок сепарации» по трубопроводу «Тр-1» в виде смеси с электролитом. Для выделения водорода от жидкости служит газожидкостный сепаратор «С-1». Сепаратор представляет собой сосуд, в который снизу подаётся электролит. Пузырьки газа выделяются из электролита, газ собирается в верхней части сосуда и уходит в трубопровод. Электролит сливается из сосуда и возвращается в блок электролиза по отдельному трубопроводу (на схеме не показан).

Водород на этом этапе содержит примеси щелочи. Для очистки от щелочи служит скруббер (промыватель) «Ск-1». Промыватель – это сосуд, в который снизу подаётся газ, а сверху из разбрызгивателя подаётся деионизованная вода. Капли воды падают вниз, очищая (промывая) встречный поток газа от капель щелочи. В верхней части сосуда установлен коалесцентный фильтр (пакет из мелкой металлической сетки). Мельчайшие капельки щелочи (туман) конденсируются в этом пакете и стекают вниз. Таким образом водород практически полностью очищается от следов щелочи.

Далее вода по отдельному трубопроводу (на схеме не показан) поступает в сепаратор «С-1», а оттуда – в блок электролиза.На данном этапе водород насыщен водяным паром и имеет довольно высокую температуру (порядка 50°С. Для его удаления служит конденсатор «К-1». Конденсатор – это теплообменник, в котором газ охлаждается хладоносителем поступающим от «Рефрижератора». Рефрижератор может быть часть оборудования водородной станции, но возможен вариант, когда хладоноситель подаётся от внешней системы охлаждения. Водяной пар конденсируется в конденсаторе после чего отводится из системы с помощью конденсатоотводчика «Ко-1». Водород, полученный на этом этапе называется «сырой», так он все еще содержит примеси воды (точка росы не ниже +3°С) и кислорода (на уровне 0,1-0,5%). Для дальнейшей очистки водород по трубопроводу «Тр-2» подаётся в «Блок очистки». Заметим, что кислород, в случае, если он не нужен потребителю, на аналогичном этапе по трубопроводу «Тр-5» сбрасывается в атмосферу.

В «Блоке очистки» водород сначала поступает в реактор каталитической очистки «Кт-1». Реактор представляет собой сосуд, заполненный мелкими гранулами катализатора на основе благородных металлов (платина, палладий). В присутствии катализатора примеси кислорода активно реагируют с водородом, обращаясь в воду. Таким образом водород практически полностью очищается от кислорода (содержание кислорода порядка 1-5 ppmv).

В отечественной традиции используется термин «установка по производству водорода». Наравне с этим используется термин «генератор водорода», который является калькой с английского языка. Под генератором водорода обычно понимают установку, в состав которой входят: электролизер, блок сепарации, блок очистки водорода. Термином «водородная станция» обычно обозначают здание или автономный блок-контейнер, в котором размещены генератор водорода и вспомогательные агрегаты, такие как блок водоподготовки, блок электропитания, система охлаждения и прочее.

Описание и принцип работы водородного генератора

Есть несколько методик выделения водорода и из других веществ, перечислим наиболее распространенные:

Из перечисленных вариантов последний наименее затратный, а первый наиболее доступный, именно он положен в основу большинства генераторов водорода, в том числе и бытовых. Их принцип действия заключается в том, что в процессе пропускания тока через раствор, положительный электрод притягивает отрицательные ионы, а электрод с противоположным зарядом – положительные, в результате происходит расщепление вещества.

Конструктивные особенности и устройство генератора водорода

Если с получением водорода проблем сейчас практически нет, то его транспортировка и хранение до сих пор остается актуальной задачей. Молекулы этого вещества настолько малы, что могут проникать даже сквозь металл, что несет определенную угрозу безопасности. Хранение в абсорбированном виде пока не отличается высокой рентабельностью. Поэтому наиболее оптимальный вариант – генерация водорода непосредственно перед его использованием в производственном цикле.

Для этой цели изготавливаются промышленные установки для генерации водорода. Как правило, это электролизеры мембранного типа. Упрощенная конструкция такого устройства и принцип работы приведен ниже.

Упрощенная схема водородного генератора мембранного типа

Обозначения:

Конструкция бытовых генераторов значительно проще, поскольку в большинстве своем они не вырабатывают чистый водород, а производят газ Брауна. Так принято называть смесь кислорода и водорода. Этот вариант наиболее практичен, не требуется разделять водород и кислород, то можно значительно упростить конструкцию, а значит и сделать ее дешевле. Помимо этого полученный газ сжигается по мере его выработки. Хранить и накапливать его в домашних условиях не только проблематично, но и небезопасно.

Обозначения:

Характерная особенность таких устройств – использование блоков электродов, поскольку не требуется сепарирование водорода и кислорода. Это позволяет сделать генераторы довольно компактными.

Метод электролиза

Как уже упоминалось выше, в мире практически нет таких же неиссякаемых энергоисточников, как водород. Не следует забывать, что Мировой океан на 2/3 состоит из этого элемента, а во всей Вселенной H2 на пару с гелием занимает наибольший объем. Но чтобы получить чистый водород, нужно расщепить воду на частицы, а сделать это не очень просто.

Ученые после многолетних ухищрений изобрели метод электролиза. Этот метод основывается на помещении в воду на близком расстоянии друг от друга двух пластин из металла, которые подсоединены к источнику большого напряжения. Далее подается питание – и большой электропотенциал фактически разрывает молекулу воды на компоненты, в результате чего высвобождается 2 атома водорода (HH) и 1 — кислорода (O).

Топливная ячейка Стенли Мейера

Ученый из США Стенли Мейер изобрел такую установку, которая использовала не сильный электропотенциал, а токи определенной частоты. Молекула воды раскачивается в такт изменяющимся электрическим импульсам и входит в резонанс. Постепенно он набирает мощность, которой хватает для разделения молекулы на составляющие. Для такого воздействия нужны в десятки раз меньшие токи, чем для функционирования стандартного электролизного агрегата.

Преимущества газа Брауна как источника энергии

Сферы применения водородного генератора

Ввиду проблем, связанных с транспортировкой и хранением водорода, такие устройства востребованы в производствах, где наличие этого газа требует технологический цикл. Перечислим основные направления:

Несмотря на то, что производство водорода в процессе переработки нефти дешевле, чем его получение путем электролиза, как уже указывалось выше, возникают сложности с транспортировкой газа. Строить опасные химические производства, непосредственно, рядом с перерабатывающими нефть заводами не всегда позволяет экологическая обстановка. Помимо этого водород, полученный путем электролиза, значительно чище, чем при крекинге нефти. В связи с этим на промышленные водородные генераторы всегда высокий спрос.

Бытовое применение

В быту также есть применение водороду. В первую очередь это автономные отопительные системы. Но здесь некоторые особенности. Установки по производству чистого водорода стоят значительно дороже, чем генераторы газа Брауна, последние даже можно собрать самостоятельно. Но при организации отопления дома необходимо учитывать, что температура горения газа Брауна значительно выше, чем у метана, поэтому потребуется специальный котел, который несколько дороже обычного.

В интернете можно встретить немало статей, в которых написано, что для гремучего газа можно использовать обычные котлы, это делать категорически нельзя. В лучшем случае они быстро выйдут из строя, а в худшем могут стать причиной печальных или даже трагических последствий. Для смеси Брауна предусмотрены специальные конструкции с более термостойким соплом.

Необходимо заметить, что рентабельность отопительных систем на основе водородных генераторов вызывает большое сомнение ввиду низкого КПД. В таких системах имеются двойные потери, во-первых, в процессе генерации газа, во-вторых, при нагреве воды в котле. Дешевле для отопления сразу нагревать воду в электрическом бойлере.

Не менее спорная реализация для бытового использования, при которой газом Брауна обогащают бензин в топливной системе двигателя автомобиля с целью экономии.

Обозначения:

Нужно заметить, что в некоторых случаях такая система даже работает (если ее собрать правильно). Но точные параметры, коэффициент прироста мощности, процент экономии вы не найдете. Эти данные сильно размыты, и достоверность их вызывает сомнения. Опять же не ясен вопрос, насколько уменьшится ресурс двигателя.

Но спрос порождает предложения, в интернетах можно найти подробные чертежи таких приспособлений и инструкцию по их подключению. Есть и готовые модели, сделанные в стране Восходящего Солнца.

Отдельные моменты использования

Прежде всего, хотелось бы отметить, что традиционный метод сжигания природного газа или пропана в нашем случае не подойдёт, поскольку температура горения HHO превышает аналогичные показатели углеводородов в три с лишним раза. Как вы сами понимаете, такую температуру конструкционная сталь долго не выдержит. Сам Стенли Мейер рекомендовал использовать горелку необычной конструкции, схему которой мы приводим ниже.

Вся хитрость этого устройства заключается в том, что HHO (на схеме обозначено цифрой 72) проходит в камеру сжигания через вентиль 35. Горящая водородная смесь поднимается по каналу 63 и одновременно осуществляет процесс эжекции, увлекая за собой наружный воздух через регулируемые отверстия 13 и 70. Под колпаком 40 задерживается некоторое количество продуктов горения (водяного пара), которое по каналу 45 попадает в колонку горения и смешивается с горящим газом. Это позволяет снизить температуру горения в несколько раз.

Второй момент, на который хотелось бы обратить ваше внимание — жидкость, которую следует заливать в установку. Лучше всего использовать подготовленную воду, в которой не содержатся соли тяжёлых металлов. Идеальным вариантом является дистиллят, который можно приобрести в любом автомагазине или аптеке. Для успешной работы электролизёра в воду добавляют гидроксид калия KOH, из расчёта примерно одна столовая ложка порошка на ведро воды.

В процессе работы установки важно не перегревать генератор. При повышении температуры до 65 градусов Цельсия и более электроды аппарата будут загрязняться побочными продуктами реакции, из-за чего производительность электролизёра уменьшится. Если же это всё-таки произошло, то водородную ячейку придётся разобрать и удалить налёт при помощи наждачной бумаги.

И третье, на чём мы делаем особое ударение — безопасность. Помните о том, что смесь водорода и кислорода не случайно назвали гремучей. HHO представляет собой опасное химическое соединение, которое при небрежном обращении может привести к взрыву. Соблюдайте правила безопасности и будьте особенно аккуратны, экспериментируя с водородом. Только в этом случае «кирпичик», из которого состоит наша Вселенная, принесёт тепло и комфорт вашему дому.

Надеемся, статья стала для вас источником вдохновения, и вы, засучив рукава, приступите к изготовлению водородной топливной ячейки. Разумеется, все наши выкладки не являются истиной в последней инстанции, однако, их вполне можно использовать для создания действующей модели водородного генератора. Если же вы хотите полностью перейти на этот вид отопления, то вопрос придётся изучить более детально. Возможно, именно ваша установка станет краеугольным камнем, благодаря которому закончится передел энергетических рынков, а дешёвое и экологичное тепло войдёт в каждый дом.

Как сделать генератор водорода в домашних условиях

Удорожание энергоносителей стимулирует поиск более эффективных и дешевых видов топлива, в том числе на бытовом уровне. Более всего умельцев–энтузиастов привлекает водород, чья теплотворная способность втрое превышает показатели метана (38.8 кВт против 13.8 с 1 кг вещества). Способ добычи в домашних условиях, казалось бы, известен – расщепление воды путем электролиза. В действительности проблема гораздо сложнее. Наша статья преследует 2 цели:

Краткая теоретическая часть

Водород, он же hydrogen, – первый элемент таблицы Менделеева – представляет собой легчайшее газообразное вещество, обладающее высокой химической активностью. При окислении (то бишь, горении) выделяет огромное количество теплоты, образуя обычную воду. Охарактеризуем свойства элемента, оформив их в виде тезисов

Для справки. Ученые, впервые разделившие молекулу воды на hydrogen и oxygen, назвали смесь гремучим газом из-за склонности к взрыву. Впоследствии она получила название газа Брауна (по фамилии изобретателя) и стала обозначаться гипотетической формулой ННО.

Из вышесказанного напрашивается следующий вывод: 2 атома водорода легко соединяются с 1 атомом кислорода, а вот расстаются весьма неохотно. Химическая реакция окисления протекает с прямым выделением тепловой энергии в соответствии с формулой:

2H2 + O2 → 2H2O + Q (энергия)

Здесь кроется важный момент, который пригодится нам в дальнейшем разборе полетов: hydrogen вступает в реакцию самопроизвольно от возгорания, а теплота выделяется напрямую. Чтобы разделить молекулу воды, энергию придется затратить:

Это формула электролитической реакции, характеризующая процесс расщепления воды путем подведения электричества. Как это реализовать на практике и сделать генератор водорода своими руками, рассмотрим далее.

Инструменты, которые потребуются в процессе работы

Прежде чем приступить к постройке топливной ячейки, подготовьте такие инструменты:

Кроме того, если вы будете самостоятельно заниматься постройкой ШИМ-генератора, то для его наладки потребуется осциллограф и частотомер. В рамках данной статьи мы этот вопрос поднимать не будем, поскольку изготовление и настройка импульсного блока питания лучше всего рассматривается специалистами на профильных форумах.

Проектирование водородного генератора: схемы и чертежи

Устройство состоит из реактора с установленными электродами, ШИМ-генератора для питания, водяного затвора, проводов и шлангов, соединяющих конструкцию. На сегодняшний день известны несколько схем электролизеров, где в качестве электродов применяются пластины или трубки.

Также популярностью пользуются аппараты сухого электролиза. В отличие от классического варианта, в этом агрегате не пластины помещаются в ёмкость с жидкостью, а сама вода направляется в щель между плоскими электродами.

Создание опытного образца

Чтобы вы поняли, с чем имеете дело, для начала предлагаем собрать простейший генератор по производству водорода с минимальными затратами. Конструкция самодельной установки изображена на схеме.

Из чего состоит примитивный электролизер:

Важный момент. Электролитическая водородная установка работает только от постоянного тока. Поэтому в качестве источника питания применяйте сетевой адаптер, автомобильное зарядное устройство или аккумулятор. Электрогенератор переменного тока не подойдет.

Принцип работы электролизера следующий:

Чтобы своими руками сделать показанную на схеме конструкцию генератора, потребуется 2 стеклянных бутылки с широкими горлышками и крышками, медицинская капельница и 2 десятка саморезов. Полный набор материалов продемонстрирован на фото.

Для запуска генератора водорода налейте в реактор подсоленную воду и включите источник питания. Начало реакции ознаменуется появлением пузырьков газа в обеих емкостях. Отрегулируйте напряжение до оптимального значения и подожгите газ Брауна, выходящий из иглы капельницы.

Второй важный момент. Слишком высокое напряжение подавать нельзя — электролит, нагревшийся до 65 °С и более, начнет интенсивно испаряться. Из-за большого количества водяного пара разжечь горелку не удастся. Подробности сборки и запуска импровизированного водородного генератора смотрите на видео:

О водородной ячейке Мейера

Если вы сделали и испытали вышеописанную конструкцию, то по горению пламени на конце иглы наверняка заметили, что производительность установки чрезвычайно низкая. Чтобы получить больше гремучего газа, нужно изготовить более серьезное устройство, называемое ячейкой Стэнли Мейера в честь изобретателя.

Принцип действия ячейки тоже основан на электролизе, только анод и катод выполнены в виде трубок, вставляющихся одна в другую. Напряжение подается от генератора импульсов через две резонансные катушки, что позволяет снизить потребляемый ток и увеличить производительность водородного генератора. Электронная схема устройства представлена на рисунке:

Для изготовления ячейки Мейера потребуется:

Нержавеющие трубки крепятся к основанию из диэлектрика, к ним припаиваются провода, подключаемые к генератору. Ячейка состоит из 9 или 11 трубок, помещенных в пластиковый либо плексигласовый корпус, как показано на фото.

Соединение элементов производится по всем известной в интернете схеме, куда входит электронный блок, ячейка Мейера и гидрозатвор (техническое название – бабблер). В целях безопасности система снабжена датчиками критического давления и уровня воды. По отзывам домашних умельцев, подобная водородная установка потребляет ток порядка 1 ампера при напряжении 12 В и обладает достаточной производительностью, хотя точные цифры отсутствуют.

Реактор из пластин

Высокопроизводительный генератор водорода, способный обеспечить работу газовой горелки, выполняется из нержавеющих пластин размером 15 х 10 см, количество – от 30 до 70 шт. В них просверливаются отверстия под стягивающие шпильки, а в углу выпиливается клемма для присоединения провода.

Кроме листовой нержавейки марки 316 понадобится купить:

Пластины нужно собрать в единый блок, изолировав друг от друга резиновыми прокладками с вырезанной серединой, как показано на чертеже. Получившийся реактор плотно стянуть шпильками и подключить к патрубкам с электролитом. Последний поступает из отдельной емкости, снабженной крышкой и запорной арматурой.

Примечание. Мы рассказываем, как сделать электролизер проточного (сухого) типа. Реактор с погружными пластинами изготовить проще – резиновые прокладки ставить не нужно, а собранный блок опускается в герметичную емкость с электролитом.

Последующая сборка генератора, производящего водород, выполняется по той же схеме, но с отличиями:

Для питания реактора проще всего задействовать сварочный инвертор, электронные схемы собирать не нужно. Как устроен самодельный генератор газа Брауна, расскажет домашний мастер в своем видео:

Водород в домашних условиях: есть ли выгода

Сразу отметим: использовать водородный генератор для отопления дома невыгодно. Вы потратите больше электричества на выделение чистого H2, чем получите энергии после его сжигания. Так, на 1 кВт теплоты затрачивается 2 кВт электроэнергии, то есть, выгоды никакой. Проще установить дома любой из электрических котлов.

Чтобы заменить 1 литр бензина для автомобиля, потребуется 4766 литров чистого водорода или 7150 л гремучего газа, 1/3 которого — это кислород. Пока что даже лучшие умы мира не разработали агрегат, способный выдать подобную производительность.

Обслуживание генераторов водорода

Оборудование подлежит тщательному уходу. Специалисты советуют придерживаться следующих советов:

Самодельный генератор позволяет получить водород, но применяется он в основном для экспериментов и газосварки. Чтобы обогреть немалое строение, КПД аппарата попросту не хватит. И при этом не стоит забывать о низком КПД устройства, а также хлопотах и затратах при его сборке.

Источник