Водородное топливо что это такое

Водородное топливо

LH2 является самым экологически чистым видом моторного топлива, поэтому его перспективы очевидны

Водородное топливо

В Австралии на бурых углях в штате Виктория отрабатывается технология технология газификации угля с последующим выделением водорода, вернее удаления серы, ртути и двуокиси углерода (СО₂).

Водород

Водород (H) является самым распространенным элементом на Земле, но в обычных условиях он не встречается ни в виде водорода H, ни в виде газообразного водорода (H₂).

Благодаря своим характеристикам он легко вступает в реакцию с другими органическими соединениями с образованием, например, воды (H₂O).

Во время этой реакции образования воды из водорода и воздуха выделяется энергия, которую можно использовать в качестве электричества.

Чтобы сделать эту реакцию полезной для промышленного производства электроэнергии, необходимо произвести водород, например из воды путем разделения атомов на кислород и водород посредством электролиза.

Есть другие технологии:

Реакция взаимодействия водорода с кислородом происходит с выделением тепла.

Если взять 1 моль H₂ (2 г) и 0,5 моль O₂ (16 г) при стандартных условиях и возбудить реакцию, то согласно уравнению

после завершения реакции образуется 1 моль H₂O (18 г) с выделением энергии 285,8 кДж/моль.

1 м³ водорода весит 89,8 г (44,9 моль), поэтому для получения 1 м³ водорода будет затрачено 12832,4 кДж энергии.

1 кВт*ч = 3600 кДж, поэтому получим 3,56 кВт*ч электроэнергии.

Целесообразность перехода на водородное топливо можно оценить, сравнив имеющийся тариф на 1 кВт*ч электричества и, к примеру, стоимость 1 м³ газа или стоимость другого энергоносителя.

Получение водорода

2NaCl + 2H₂O → H2↑ + 2NaOH + Cl2

Конверсия с водяным паром: CH₄ + H₂O ⇄ CO + 3H₂ (1000 °C) Каталитическое окисление кислородом: 2CH₄ + O₂ ⇄ 2CO + 4H₂

Физические свойства

Химические свойства

Молекулы водорода Н_₂ довольно прочны, и для того, чтобы водород мог вступить в реакцию, должна быть затрачена большая энергия:

Поэтому при обычных температурах водород реагирует только с очень активными металлами, например с кальцием, образуя гидрид кальция:

С большинством же металлов и неметаллов водород реагирует при повышенной температуре или при другом воздействии, например при освещении.

Он может «отнимать» кислород от некоторых оксидов, например:

Реакция восстановления противоположна реакции окисления.

Обе эти реакции всегда протекают одновременно как 1 процесс: при окислении (восстановлении) одного вещества обязательно одновременно происходит восстановление (окисление) другого.

С галогенами образует галогеноводороды:

F₂ + H₂ → 2 HF, реакция протекает со взрывом в темноте и при любой температуре, Cl₂ + H₂ → 2 HCl, реакция протекает со взрывом, только на свету.

С сажей взаимодействует при сильном нагревании:

Источник

Почему водородные автомобили проигрывают электромобилям?

О том, как еще далек от нас водородный автомобиль

Водород (H2) – это химический элемент, самый легкий газ получаемый из углеводородов, биомассы, мусора. Водород используют в нефтепереработке для гидроочистки, гидрокрекинга, для производства аммиака, при гидрогенизации угля, нефти и как альтернативный источник топлива (электроэнергии) для автомобилей. В автомобили ставят топливные элементы вместо бензобака, и заправляют туда H2 под давлением. При нажатии на педаль газа, в воздухозаборник поступает кислород, который вступает в реакцию с водородным элементом, отчего вырабатывается электричество. Электричество раскручивает электромотор, автомобиль начинает движение.

H2 как альтернативное топливо

Чем интересен водород, как альтернативный источник топлива:

Преимущества водородных автомобилей над электромобилями:

Модели автомобилей на водороде

Выпускают ограниченной серией:

Испытывают:

Ограниченными сериями выпускаются BMW Hydrogen 7 и Mazda RX-8 hydrogen – двухтопливные модели использующие либо жидкий водород, хранящийся в баке при температуре не выше −253 °C, либо бензин. Принцип тот же, что и в автомобилях на газу. В отличие от FCEV двухтопливные модели выпускают вредные выхлопные газы, двигатели не такие мощные и быстрее изнашиваются.
На водородных топливных элементах (FCEV) конструируют спецтехнику: автобусы, погрузочно-разгрузочное оборудование (например, вилочные погрузчики), наземно-вспомогательное оборудование, средние и большие грузовики. Активно в этой сфере работает американская компания Plug Power Inc (PLUG). PLUG выпускает комплектующие для спецтехники на водороде. Недавно PLUG провела симпозиум, на котором заявила:

Honda огласила цель по поэтапному отказу от бензиновых двигателей в Северной Америке к 2040 году.
Daimler Trucks и Volvo стали партнерами в Европе, чтобы попытаться снизить себестоимость FCEV и сделать водород выгодным для дальних перевозок.

Водород и проблемы с экологией

Водород обилен в природе. Он хранится в воде (H2O), углеводородах (метан, CH4) и других органических веществах. Проблема водорода как топлива в эффективности его извлечения.
При извлечении водорода, в зависимости от источника, в атмосферу попадают вредные выбросы. При этом, сам автомобиль работающий на водороде, в качестве выхлопных газов выделяет только водяной пар и теплый воздух, у него нулевой уровень выбросов.

СПОСОБЫ ДОБЫЧИ ВОДОРОДА

Паровой риформинг метана

Способ отделения водорода путем парового метанового риформинга применим к ископаемому топливу, например, к природному газу – его нагревают и добавляют катализатор. Природный газ не возобновляемый источник энергии, но пока он есть и добывается из недр земли. Министерство энергетики США утверждает, что выбросы автомобилей, работающих на реформированном водороде, вдвое меньше, чем в бензиновых автомобилях. Производство реформированного водорода уже запущено на полную катушку и добывать водород таким способом дешевле, чем водород из других источников.

Газификация биомассы

Водород также добывают из биомассы – сельскохозяйственных отходов, отходов животноводства и сточных вод. Используя процесс называемый газификация, биомассу помещают под воздействие температуры, пара, кислорода, чтобы образовать газ, который после обработки дает чистый водород. «Существуют целые полигоны для сбора сельскохозяйственных отходов – готовые источники водорода, потенциал которых недооценен и тратится впустую», сетует директор по политике Ассоциации по исследованию водородной энергетики и топливных элементов, Джеймс Варнер.

Электролиз

Электролиз – процесс отделение водорода из воды электрическим током. Этот способ звучит проще, чем возня с ископаемым топливом и отходами животноводства, но у него есть недостатки. Электролиз конкурентоспособен в тех районах, где электричество дешевое (в России этом могла бы быть Иркутская область – 8 электростанций на область, 1 рубль 6 копеек за киловатт-час).
Солнечные водородные станции Honda используют энергию солнца и электролиз, чтобы отделить «Н» от «О» в Н2О. После отделения водород хранится в баке под давлением в 34.47 МПа (мегапаскаль). Используя только солнечную энергию, станция создает 5 700 литров водорода в год (этого топлива достаточно для одного автомобиля со средним годовым пробегом). При подключении к электрической сети, станция выдает до 26 тысяч литров в год.

Планы компаний по развитию производства H2

В Токио, недалеко от Токийского залива, построили завод для получения водорода из сточных вод и мусора.
PowerTap планирует построить на водородных АЗС помещения с оборудованием для получения водорода из природного газа и городской воды. Оставшийся углерод будут улавливать, и хранить там же.
Ways2H Inc. огласила планы построить небольшие заводы по переработке водорода возле мусорных свалок. Формула успеха компании Ways2H Inc.: мусор + термохимический процесс = водород. Завод стандартного размера обрабатывает 24 тонны отходов в день, получая от 1 до 1,5 тонны водорода.

Сколько стоит производство водорода

На сколько экономней водородный автомобиль?

В Европе заправка полного бака водорода емкостью в 4.7 килограмма обойдется в 3 369 ₽ (717 ₽ за килограмм). На полном баке Toyota Mirai в среднем проезжает 600 километров, итого 561 ₽ на 100 километров. Для сравнения, цена 95-го бензина в Европе равна 101 ₽, т.е. 10 л. бензина обойдется в 1010 ₽ или 6 060 ₽ за 600 километров [цены на 2018 год.] Из примера видим, что заправка водородного автомобиля в два раза дешевле, чем автомобиля с двигателем внутреннего сгорания.
В России активисты из г. Черноголовки Московской области, ради эксперимента сконструировали собственную водородную станцию, купили Toyota Mirai и посчитали, во сколько обойдется эксплуатация автомобиля. По расчетам владельца машины 100 километров на водороде ему обходится в 250 рублей.

Как заправляют топливные элементы водородом

В 1 килограмме газообразного водорода столько же энергии сколько в 1 галлоне бензина (4,5 литра = 2,8 килограмма). Поскольку в водороде низкая объемная плотность энергии, он хранится в резервуарах высокого давления (топливных элементах) – 5000 или 10000 фунтов на квадратный дюйм (psi) (340 или 680 атмосфер), в виде сжатого газа. Водородные диспенсеры на заправках заполняют такие резервуары за 5 минут. Разрабатываются и другие технологии хранения, включая химическое соединение водорода с металл-гидридом или низкотемпературными сорбционными материалами.

Как работает топливный элемент заполненный водородом

Прокачивая кислород и водород через катоды и аноды, контактирующие с платиновым катализатором, происходит химическая реакция, в результате которой получается вода и электрический ток. Набор из нескольких элементов (ячеек) необходим, чтобы увеличить заряд в 0,7 вольт в одной ячейке, что увеличивает напряжение.
Ниже смотрите схему работы топливного элемента.

Где заправлять автомобили водородом?

Карта заправочных станций здесь.
Революция FCEV не начнется без достаточного количества водородных АЗС, поэтому отсутствие инфраструктуры водородных заправочных станций по-прежнему тормозит развитие водорода как альтернативного вида топлива Развитие сетей водородных АЗС идет туго.
В Америке самый большой автопарк FCEV моделей, с концентрацией в штате Калифорния. Заправок там достаточно, но начались проблемы с поставкой водорода. Водители повально отказываются от водородных автомобилей, столкнувшись с пустыми заправками. Подробнее здесь.

Расходы на содержание водородных станций

Снижение стоимости водородных технологий за счет прогресса

Еще одно препятствие для производителей автомобилей на водородном топливе – цена водородных технологий. Например, набор топливных элементов для автомобилей до настоящего момента, опирается на платину в качестве катализатора. Покупали когда-нибудь колечко из платины для любимой? Цена Вам известна.
Ученые из Лос-Аламосской национальной лаборатории доказали, что замена дорогой платины на более распространенные – железо или кобальт, в качестве катализатора возможна. А ученые из Case Western Reserve University разработали катализатор из углеродных нанотрубок, которые в 650 раз дешевле, чем платина. Замена платины, заметно снизит себестоимость топливных элементов. Параллельно ученые пытаются снизить себестоимость производства аккумуляторов для электромобилей, подробней здесь.
На этом исследования по совершенствованию водородного топливного элемента не заканчиваются. Mercedes разрабатывает технологию сжатия водорода до давления в 68.95 МПа (мегапаскаль), чтобы эффективней заправлять топливный элемент большим количеством H2. В связке с передовым литий-ионным аккумулятором как дополнительным хранилищем энергии, это увеличит количество энергии на борту автомобиля. «Если все получится, у автомобилей на водороде диапазон движения превысит 1000 км.» считает доктор Герберт Колер, вице-президент Daimler AG.

Министерство энергетики США утверждает, что себестоимость сборки автомобилей с топливным элементом снижены на 30 % за последние три года и на 80 % за последнее десятилетие. Срок службы топливных элементов увеличился вдвое, но этого недостаточно. Для конкурентоспособности с электромобилями срок службы топливных элементов нужно увеличить еще в два раза. Нынешние водородные топливные элементы, «живут» около 2 500 часов (или примерно 120 000 км), но этого мало. «Чтобы конкурировать с другими технологиями, нужно продлить их жизнь до 5 000 часов, как минимум», говорит один из членов ученого совета министерской программы по топливным элементам.

Развитие технологий водородных топливных элементов снизит себестоимость производство автомобилей за счет упрощения механизмов и систем, но выгоду производители получат только при серийном выпуске. Препятствием на пути к массовому выпуску автомобилей на водороде, стоит отсутствие оптовых поставок запчастей для автомобилей с водородным топливным элементом. Даже автомобиль FCX Clarity, который уже выпускается серией, не обеспечен дополнительными запчастями по оптовым ценам. Автопроизводители решают проблему по-своему, устанавливают топливные элементы водорода в дорогие модели для обкатки. Дорогие автомобили выпускаются в меньшем количестве, чем бюджетные, поэтому и проблем с поставкой запчастей к ним нет. «Мы внедряем «водородную технологию» в люксовые автомобили и следим, как она себя показывают «в народе». Пока рынок принимает водородные автомобили, как лет 10 назад принимал технологию гибридов, автопроизводители в это время наращивают объемы водородных моделей, спускаясь по цепочке к бюджетным авто», говорит Стив Эллис, менеджер по продажам автомобилей с топливным элементом компании Honda.

В 2005 году канадский производитель протон-обменных топливных элементов, обещал, что к 2010 году будет продавать автокомпаниям от 200 000 до 500 000 топливных элементов в год. Цель так и не была достигнута, топливные элементы в таком количестве заводам были не нужны.

В 2009 году несколько производителей автомобилей подписали совместное письмо о намерениях к 2014 году продавать сотни тысяч автомобилей с водородным двигателем. Этого тоже не произошло.

Получит ли «водородная программа» поддержку государства

Производители автомобилей и строители заправочных сетей сходятся во мнении, что снизить затраты в краткосрочной перспективе без вмешательства со стороны государства не выйдет. Что в США, однако, представляется маловероятным, при всех описанных денежных вливаниях местной администрации Штатов и Министерств.

С министром энергетики Стивеном Чу, администрация Обамы не раз пыталась сократить финансирование программы развития водородных топливных элементов, но сокращения отменял конгресс.

Популярность электрических автомобилей сторонникам водорода кажется абсурдной. «Это взаимодополняющие технологии», говорит Стив Эллис, представитель Honda. Аккумулятор, разработанный для Honda FCX, например, устанавливают и на электромобиль Fit. «Считаем, что водородные топливные элементы в сочетании с электромобилями переплюнут все альтернативные источники энергии, возглавив список самых экономичных машин этого десятилетия».

Недовольны и те, кто платит из своего кармана за строительство новых заправочных станций. Говорят, что не отказались бы от помощи государства до тех пор, пока не увеличится спрос на водородное топливо и не снизятся затраты на возобновляемые источники энергии.

Том Салливан верит в энергетическую независимость настолько сильно, что вложил все деньги, полученные от сети супермаркетов в компанию SunHydro. SunHydro строит водородные заправочные станции на солнечных батареях. Том считает, что целевое снижение налогов могло бы стимулировать предпринимателей вкладывать деньги в строительство водородных станций, работающих от солнечной энергии. «Необходим стимул, чтобы люди вкладывались в такие предприятия», говорит Том. «Инвесторы в трезвом уме, вероятно, не станут вкладывать деньги в строительство водородных заправочных станций».

В России Правительство в 2020 году утвердило план по развитию водородной энергетики в Российской Федерации до 2024 года. В нем говорится:

ПОДВЕДЕМ ИТОГИ:

Минусы водородного топлива:

Плюсы водородного топлива:

Источник

Водород — топливо будущего

Проекты по использованию водорода в качестве топлива будущего в нашей стране, похоже, переходят из области научной фантастики в практическую плоскость. Россия, известная как крупный поставщик на международном рынке нефти и газа, в скором времени будет поставлять на европейские рынки водород. Продажи его сейчас только начинают набирать темпы роста. По расчетам специалистов, к 2050 году потребность в водороде увеличится в десятки раз и займёт 15−20% всего мирового рынка энергоресурсов. Начиная с 2040 года, в Великобритании и странах Европы планируют прекратить продажу машин с бензиновыми двигателями. Это решение должно простимулировать эволюцию водородной энергетики и всей её технической составляющей в целом.

Засучив рукава, за дело берутся российские атомщики. Так, в конце 2018 года госкорпорация «Росатом» заявила о своём решении включить водородную энергетику в состав своих «приоритетных направлений технологического развития в составе отраслевого национального проекта». А в роли основного заказчика технических решений для потребностей атомно-водородной энергетики выступает АО «ВНИИАЭС».

Тут важно будет пояснить, что для атомщиков водород – это скорее побочный продукт технологического процесса, как и попутный газ у нефтяников. Скапливаясь, он становится опасным, и его проще сжечь, чем найти какое-то практическое применение. Ох, не зря смесь водорода с кислородом называется «гремучий газ». Даже небольшая концентрация примеси кислорода в водороде делает его взрывоопасным. На АЭС типа ВВЭР в активной зоне реактора и в системе защитных оболочек происходит радиолиз воды с выделением водорода. Для нейтрализации этого опасного явления и обеспечения взрывобезопасности АЭС используют различные системы контроля и газоочистки. Разработкой таких систем занимается АО «ВНИИАЭС», с богатым опытом работы в направлении водородной энергетики и большим числом собственных наработок. Водород нейтрализуют различными способами, но чаще всего сжигают.

Системой «дожигания водорода» оснащены некоторые АЭС в европейской части России:
Кольская АЭС – 4 энергоблока;
Ростовская АЭС – 2 энергоблока;
Балаковская АЭС – 4 энергоблока;
Нововоронежская АЭС – 2 энергоблока;
Калининская АЭС – 3 энергоблока.

По всей видимости, светлые головы учёных-атомщиков решили эту проблему так же, как и известный персонаж фильма «Кавказская пленница»: «Тот, кто нам мешает, тот нам поможет!»

Зачем понапрасну сжигать водород, решили атомщики, когда можно зарабатывать на его продаже. Тем более что в Европе сейчас спрос на него возрастает год от года.

В течение 2019 года в АО «ВНИИАЭС» запланированы формирование заявок на аванпроекты и проработка технических требований технологии выработки, накопления и транспортировки водорода.

Планируются следующие инновационные разработки:
• металлогидридный термосорбционный компрессор с давлением водорода на выходе 80 МПа и производительностью 108 нм3Н2/час;
• электролизер-генератор водорода производительностью 108 нм3 Н2/час;
• установки производства сплавов (сорбентов) производительностью 500 кг/сут.;
• блок производства метилциклогексана гидрированием толуола и логистического центра транспортировки и доставки продуктов ВКЭК (водород/ кислород) к потребителям и водород-хабу.

Также следует отметить проблему, существующую в энергосистемах с неравномерным графиком нагрузок в течение суток. Пиковые нагрузки днём чередуются спадами потребления в ночное время. Переключая часть мощности АЭС на генерацию водорода в периоды спада потребления, можно будет уравнивать графики потребления мощности. Режим работы с равномерным распределением нагрузки является наиболее предпочтительным для всего генерирующего электрооборудования.

В одном из проектов прорабатывается возможная дозагрузка генерирующих мощностей части АЭС в европейской части России для производства товарного водорода под нужды потребителей. Для этих целей рассматривается Кольская АЭС и готовящаяся сейчас к вводу в эксплуатацию ПАТЭС (плавучая атомная теплоэлектростанция) «Академик Ломоносов». Летом 2019 года ПАТЭС планируют разместить у берегов Чукотского АО, в порту Певек. Планируется, что ПАТЭС сможет заменить собой два крупных энергообъекта – Билибинскую АЭС и Чаунскую ТЭЦ.

В заявлении сказано:

Что касается тепла, выделяемого при сжигании водорода с кислородом, то стоит отметить высокую температуру горения этой смеси (почти 3000 градусов Цельсия) с выделением большого количества энергии (до 24 000 Дж/Г). Это свойство применяется при плавлении тугоплавких металлов, кварца и т.п., для создания сплавов, резки и сварки металла. При сжигании водорода не происходит образование вредных веществ, а образуется лишь вода.

Остановимся отдельно на водородных топливных элементах, чтобы читателю было понятно, о чём идёт речь. Можете представить себе батарейку с «бесконечным» зарядом, в которой источником энергии являются не те компоненты, из которых состоит батарея, а постоянно протекающие через нее газы — водород и кислород. Внутри топливного элемента происходит окислительная реакция (2H₂ + O₂ → 2H₂O), а источником тока выступает движение электронов в ионной среде. В качестве катализатора здесь используется дорогостоящая платина, но в скором времени учёные её планируют заменить более дешевыми материалами на основе нанотехнологии.

Это не фантастика. Несколько лет назад начался первый серийный выпуск легкового автомобиля, работающего на водороде. Автомобиль имел гибридный электроводородный «двигатель». Энергия производится с помощью окислительной реакции водорода в электрохимическом генераторе. Вместо вредного выхлопа — вода.

Знакомьтесь, Toyota Mirai (что означает «будущее»). Мощность двигателя 154 л.с., крутящий момент 335 Нм. Время разгона машины от 0 до 100 км/ч всего 9 секунд. Заправка водородом занимает до 5 минут. В машине установлено 2 баллона высокого давления ёмкостью в 60 и 62,4 л водорода. Между прочим, сейчас практически каждый крупный производитель автомобилей ведет свои разработки на топливных элементах. Основным препятствием развития этого направления является отсутствие достаточного числа водородных АЗС, но это дело наживное.

Вот так это выглядит в реальности по всему миру.

Немцы даже выпустили детский набор H2-Sprinter, который представляет собой комплект: гоночный автомобиль с водородным топливным элементом, водородная заправка (электролизер) и солнечный модуль, вырабатывающий электроэнергию для электролиза.

Дети наливали из-под крана воду в «заправочную» станцию, ждали, пока солнце сделает всю работу, заправлялись и гоняли эту машинку на водородном топливе.

В Америке компания Hyundai в рекламных целях предлагает своим клиентам на Tucson FCEV заправляться водородом бесплатно.

А что, мы снова опоздали на этот «праздник жизни»? Где же наши разработки?

Об этом более подробно можно почитать здесь.

Серия экспериментальных автомобилей «Антэл»: был такой отечественный проект с участием отечественных НИИ и предприятий (концерн «АвтоВАЗ», РКК «Энергия» и др.). При разработке «Антэл-1» на базе ВАЗ-2131 все основные компоненты, разработанные, между прочим, для «Буранов», разместили в багажном отделении. Кроме водородных, в машине располагались и кислородные баллоны, что делало её эксплуатацию небезопасной. Тем более что рядом с кислородом находилось ещё и масло, повышая опасность возгорания и взрыва.

Следующую машину разработали на базе ВАЗ-2111, но главное — избавились от взрывоопасных баллонов с кислородом, заменив их воздушным компрессором. Машина стала значительно легче и улучшила свои характеристики. Пробег автомобиля до 350 км, максимальная скорость до 100 км/ч. Общий объём водородных баллонов — 90 л. Максимальная мощность электрического двигателя — 90 кВт.

Скорее всего, противниками проекта выступили крупнейшие нефтяные компании или наши злейшие друзья — «западные партнёры», хотя формально финансирование этих разработок на ВАЗ в 2004 году было прекращено из-за «сложного финансового положения». А когда в 2005 году сменилось руководство автозавода, то проект «Антэл» полностью свернул свою деятельность.

Теперь мы с завистью смотрим на зарубежные автомобили с водородными топливными элементами, когда могли бы их опередить в своё время. В других странах уже созданы электропоезда, яхты и даже самолёты на водородных топливных элементах. Да, они снова нас обогнали.

Наш президент совсем недавно говорил о необходимости «технологического прорыва» в развитии страны — так вот же эти технологии! Если мы их не будем внедрять, то это всё равно не остановит прогрессирующее развитие водородных технологий по всему земному шару. И всё-таки хочется надеяться, что мы будем не только продавать в другие страны свои углеводородные ресурсы или водород, а ещё и сами сможем в полной мере пользоваться «высокими технологиями» собственного производства.

Источник