Home » Misc » Из чего состоит водородное топливо

Из чего состоит водородное топливо


Что такое Водородное топливо - Техническая Библиотека Neftegaz.RU

Lh3 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).

В Норвегии - Nel Hydrogen отрабатывает технологию использования ВИЭ для высокотемпературного электролиза для разделения воды на водород и кислород, который будет выбрасываться в атмосферу.

Kawasaki Heavy Industries разрабатывает морской танкер - водородовоз для транспортировки жидкого водорода ( LH 2).

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:

  • использование газов, оставшихся от химических процессов, например метана, угля, нефти и биомассы. 

Для производства водорода существуют разные способы, которые сильно различаются как с точки зрения экологичности, так и с точки зрения стоимости.
Экологичность - важный критерий производства водорода.
Чем больше оксидов углерода выделяется при производстве водорода, тем менее экологичным он будет считаться.
Для простоты каждый «сорт» произведенного по разным технологиям принято обозначать цветом, хотя правильнее - по углеродному следу.

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

Н2 + 0,5 О2= Н2О

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

Для сравнения: теплота сгорания ацетилена - 1300 кДж/моль, пропана - 2200 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.

При сжигании водорода получается чистая вода. 
То есть водородное топливо производится без вреда для окружающей среды, в отличие от газа или бензина.

Получение водорода

Для получения водорода используют химические методы, в тч реакции разложения воды электрическим током.
Основной промышленный способ получения водорода - реакция с водой метана, который входит в состав природного газа.
Она проводится при высокой температуре:

СН4 + 2Н20 = CO2 + 4Н2 - 165 кДж

  • 1.Электролиз водных растворов солей:

2NaCl + 2H2O → h3↑ + 2NaOH + Cl2

  • 2.Пропускание паров воды над раскаленным коксом при температуре около 1000°C:

h3O + C ⇄ h3 + CO

  • 3.Из природного газа.

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

  • 4. Крекинг и реформинг углеводородов в процессе переработки нефти.
  • 5. Действие разбавленных кислот на металлы. Для проведения такой реакции чаще всего используют цинк и соляную кислоту:

Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2↑

  • 6.Взаимодействие кальция с водой:

Ca + 2H2O → Ca(OH) 2 + H2↑

  • 7.Гидролиз гидридов:

NaH + H2O → NaOH + H2↑

  • 8.Действие щелочей на цинк или алюминий:

2Al + 2NaOH + 6H2O → 2Na[Al(OH)4] + 3H2↑ Zn + 2KOH + 2H2O → K2[Zn(OH)4] + h3↑

  • 9 . С помощью электролиза. При электролизе водных растворов щелочей или кислот на катоде происходит выделение водорода, например:

2H3O+ + 2e- → H2↑ + 2H2O

  • Биореактор для производства водорода

Физические свойства

Газообразный водород может существовать в 2х формах (модификациях) - в виде орто - и пара-водорода.
В молекуле ортоводорода (т. пл. −259,10 °C, т. кип. −252,56 °C) ядерные спины направлены одинаково (параллельны), а у параводорода (т. пл. −259,32 °C, т. кип. −252,89 °C) - противоположно друг другу (антипараллельны).
Разделить аллотропные формы водорода можно адсорбцией на активном угле при температуре жидкого азота.
При очень низких температурах равновесие между ортоводородом и параводородом почти нацело сдвинуто в сторону параводорода.
При 80 К соотношение форм приблизительно 1:1. Десорбированный параводород при нагревании превращается в ортоводород вплоть до образования равновесной при комнатной температуре смеси (орто-пара: 75:25).
Без катализатора превращение происходит медленно, что дает возможность изучить свойства отдельных аллотропных форм.
Молекула водорода двухатомна - Н₂. При обычных условиях - это газ без цвета, запаха и вкуса.
Водород - самый легкий газ, его плотность во много раз меньше плотности воздуха. Очевидно, что чем меньше масса молекул, тем выше их скорость при одной и той же температуре.
Как самые легкие, молекулы водорода движутся быстрее молекул любого другого газа и тем самым быстрее могут передавать теплоту от одного тела к другому.
Отсюда следует, что водород обладает самой высокой теплопроводностью среди газообразных веществ. Его теплопроводность примерно в 7 раз выше теплопроводности воздуха.

Химические свойства

Молекулы водорода Н₂ довольно прочны, и для того, чтобы водород мог вступить в реакцию, должна быть затрачена большая энергия:

Н2=2Н - 432 кДж

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

Ca + Н2 = СаН2 и с единственным неметаллом - фтором, образуя фтороводород:

F2+H2=2HF

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:

CuO + Н2 = Cu + Н20

Записанное уравнение отражает реакцию восстановления - процесс, в результате которого от соединения отнимается кислород; вещества, отнимающие кислород, называются восстановителями (при этом они сами окисляются).

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.

N2 + 3H2 → 2 NH3

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:

C + 2H2 → CH4

Оксиды восстанавливаются до металлов:

CuO + H2 → Cu + H2O Fe2O3 + 3H2 → 2 Fe + 3H2O WO3 + 3H2 → W + 3H2O

Геохимия водорода

Водород - самый распространенный элемент, и все элементы образуются из него в результате термоядерных и ядерных реакций.
На Земле содержание водорода понижено по сравнению с Солнцем.
Свободный водород H2 относительно редко встречается в земных газах, но в виде воды он принимает исключительно важное участие в геохимических процессах.
В состав минералов водород может входить в виде иона аммония, гидроксил-иона и кристаллической воды.
В атмосфере водород непрерывно образуется в результате разложения воды солнечным излучением.
Он мигрирует в верхние слои атмосферы и улетучивается в космос.

Применение кроме энергетики:
  •  для атомно-водородной сварки,
  •  в пищевой промышленности, как пищевая добавка E949- упаковочный газ, для производства маргарина из жидких растительных масел,
  •  химической промышленности - при производстве аммиака, мыла и пластмасс,
  •  в качестве ракетного топлива,

Водородная энергетика

Водороду уделяется такое пристальное внимание не зря.
Подобно батареям, водород в основном используется как форма хранения энергии.
Они оба зависят от первичной энергии, такой как солнечная и ветровая, для зарядки или генерации, и при необходимости могут быть преобразованы в электричество.
Тем не менее, водород превосходит батареи по многим параметрам:

  • более чистый производственный процесс, 
  • нулевое загрязнение после утилизации; более высокая плотность энергии.  

Водород можно производить с помощью воды и электричества, а батареи часто зависят от токсичных материалов, таких как цинк, никель и марганец, которые оказывают неблагоприятное воздействие на окружающую среду при их добыче в открытых карьерах или на морском дне и после их утилизации.
При преобразовании водорода в электричество производится только вода и тепло.
Водород также имеет гораздо более высокую плотность энергии (33 кВт*ч / кг), чем батареи (около 1 кВт*ч / кг), и чем бензин и дизельное топливо (около 12 кВт*ч / кг), что делает его особенно выгодным для транспорта и в качестве мобильного энергоносителя

Пожароопасность и взрывоопасность

Водород при смеси с воздухом образует взрывоопасную смесь - гремучий газ. 
Наибольшую взрывоопасность - при объемном отношении водорода и кислорода 2:1, или водорода и воздуха приближенно 2:5, так как в воздухе кислорода содержится примерно 21%.
Водород пожароопасен.

Как работает водородный двигатель и какие у него перспективы

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

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

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

История развития рынка водородных двигателей

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Toyota Mirai 2016 года выпуска

Как работает водородный двигатель?

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

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

Схема работы водородного двигателя

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

Как работает водородный двигатель внутри Toyota Mirai

Где применяют водородное топливо?

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

Плюсы водородного двигателя

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

Минусы водородного двигателя

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

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

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

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

Водородный транспорт в России

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

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

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

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

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

Перспективы технологии

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Основы водородного топлива | Департамент энергетики

Управление технологий водорода и топливных элементов

Водород — это чистое топливо, при потреблении которого в топливном элементе образуется только вода. Водород можно производить из различных внутренних ресурсов, таких как природный газ, атомная энергия, биомасса и возобновляемые источники энергии, такие как солнечная энергия и ветер. Эти качества делают его привлекательным вариантом топлива для транспорта и производства электроэнергии. Его можно использовать в автомобилях, в домах, в портативных источниках питания и во многих других областях.

Водород — энергоноситель, который можно использовать для хранения, перемещения и доставки энергии, произведенной из других источников.

Сегодня водородное топливо можно производить несколькими способами. В настоящее время наиболее распространенными методами являются конверсия природного газа (термический процесс) и электролиз. Другие методы включают солнечные и биологические процессы.

Термические процессы

Термические процессы для производства водорода обычно включают паровой риформинг, высокотемпературный процесс, в котором пар реагирует с углеводородным топливом с образованием водорода. Многие виды углеводородного топлива могут быть преобразованы для производства водорода, включая природный газ, дизельное топливо, возобновляемое жидкое топливо, газифицированный уголь или газифицированную биомассу. Сегодня около 95% всего водорода производится путем паровой конверсии природного газа.

Узнайте больше о:

  • Конверсия природного газа
  • Газификация угля
  • Газификация биомассы
  • Конверсия возобновляемого жидкого топлива.

Электролитические процессы

Воду можно разделить на кислород и водород с помощью процесса, называемого электролизом. Электролитические процессы происходят в электролизере, который во многом похож на топливный элемент, но наоборот: вместо того, чтобы использовать энергию молекулы водорода, как это делает топливный элемент, электролизер создает водород из молекул воды.

Узнайте больше о производстве электролитического водорода.

Солнечные процессы

Процессы, основанные на использовании солнечной энергии, используют свет в качестве агента для производства водорода. Есть несколько процессов, управляемых солнечными лучами, в том числе фотобиологические, фотоэлектрохимические и солнечные термохимические. Фотобиологические процессы используют естественную фотосинтетическую активность бактерий и зеленых водорослей для производства водорода. В фотоэлектрохимических процессах используются специальные полупроводники для разделения воды на водород и кислород. Солнечное термохимическое производство водорода использует концентрированную солнечную энергию для запуска реакций расщепления воды, часто вместе с другими веществами, такими как оксиды металлов.

Узнайте больше о фотобиологических процессах, солнечных термохимических процессах и фотоэлектрохимических процессах.

Биологические процессы

В биологических процессах используются микробы, такие как бактерии и микроводоросли, и они могут производить водород посредством биологических реакций. При микробной конверсии биомассы микробы расщепляют органические вещества, такие как биомасса или сточные воды, с образованием водорода, а в фотобиологических процессах микробы используют солнечный свет в качестве источника энергии.

Узнайте больше о производстве биологического водорода путем преобразования микробной биомассы и фотобиологических процессов.

Производство водорода: Электролиз | Департамент энергетики

Электролиз — многообещающий вариант безуглеродного производства водорода из возобновляемых и ядерных ресурсов. Электролиз — это процесс использования электричества для расщепления воды на водород и кислород. Эта реакция происходит в устройстве, называемом электролизером. Размер электролизеров может варьироваться от небольшого оборудования размером с прибор, которое хорошо подходит для мелкомасштабного распределенного производства водорода, до крупномасштабных центральных производственных объектов, которые могут быть напрямую связаны с возобновляемыми или другими формами энергии, не выделяющими парниковых газов. производство электроэнергии.

Как это работает?

Как и топливные элементы, электролизеры состоят из анода и катода, разделенных электролитом. Различные электролизеры работают по-разному, в основном из-за разного типа используемого электролита и ионных частиц, которые он проводит.

Электролизеры с мембраной из полимерного электролита

В электролизере с мембраной из полимерного электролита (ПЭМ) электролит представляет собой твердый специальный пластиковый материал.

  • Вода реагирует на аноде с образованием кислорода и положительно заряженных ионов водорода (протонов).
  • Электроны проходят через внешнюю цепь, а ионы водорода избирательно перемещаются через ФЭУ к катоду.
  • На катоде ионы водорода объединяются с электронами из внешней цепи, образуя газообразный водород. Анодная реакция: 2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e - Катодная реакция: 4H + + 4e - → 2H

    0 1 20 2 20 2 20 2 20 2 20

Щелочные электролизеры

Щелочные электролизеры работают за счет транспорта ионов гидроксида (OH -) через электролит от катода к аноду с образованием водорода на стороне катода. Электролизеры, использующие жидкий щелочной раствор гидроксида натрия или калия в качестве электролита, уже много лет имеются в продаже. Новые подходы с использованием твердых щелочных обменных мембран (AEM) в качестве электролита показывают многообещающие результаты в лабораторных масштабах.

Электролизеры твердого оксида

Электролизеры твердого оксида, в которых в качестве электролита используется твердый керамический материал, избирательно проводящий отрицательно заряженные ионы кислорода (O 2-) при повышенных температурах генерируют водород несколько другим способом.

  • Пар на катоде соединяется с электронами из внешней цепи с образованием газообразного водорода и отрицательно заряженных ионов кислорода.
  • Ионы кислорода проходят через твердую керамическую мембрану и реагируют на аноде, образуя газообразный кислород и генерируя электроны для внешней цепи.

Твердооксидные электролизеры должны работать при температурах, достаточно высоких для нормального функционирования твердооксидных мембран (около 700–800°C, по сравнению с электролизерами PEM, которые работают при 70–90°C и коммерческие щелочные электролизеры, которые обычно работают при температуре ниже 100°C). Усовершенствованные лабораторные твердооксидные электролизеры на основе протонпроводящих керамических электролитов демонстрируют перспективность снижения рабочей температуры до 500–600°C. Твердооксидные электролизеры могут эффективно использовать тепло, доступное при этих повышенных температурах (из различных источников, включая ядерную энергию), для уменьшения количества электроэнергии, необходимой для производства водорода из воды.

Почему рассматривается этот путь?

Электролиз — это ведущий способ производства водорода для достижения цели Hydrogen Energy Earthshot по снижению стоимости чистого водорода на 80% до 1 доллара за 1 килограмм за 1 десятилетие («1 1 1»). Водород, полученный с помощью электролиза, может привести к нулевым выбросам парниковых газов, в зависимости от используемого источника электроэнергии. Источник необходимой электроэнергии, включая его стоимость и эффективность, а также выбросы в результате производства электроэнергии, необходимо учитывать при оценке преимуществ и экономической целесообразности производства водорода с помощью электролиза. Во многих регионах страны сегодняшняя электросеть не идеальна для обеспечения электроэнергией, необходимой для электролиза, из-за выбросов парниковых газов и количества необходимого топлива из-за низкой эффективности процесса производства электроэнергии. Производство водорода с помощью электролиза используется для возобновляемых источников (ветер, солнце, гидро, геотермальная энергия) и ядерной энергии. Эти пути производства водорода приводят к практически нулевым выбросам парниковых газов и загрязняющих веществ; тем не менее, стоимость производства должна быть значительно снижена, чтобы быть конкурентоспособным с более зрелыми способами, основанными на углероде, такими как риформинг природного газа.

Потенциал для синергии с производством энергии из возобновляемых источников
Производство водорода посредством электролиза может предложить возможности для синергии с динамической и прерывистой выработкой энергии, которая характерна для некоторых технологий возобновляемых источников энергии. Например, хотя стоимость энергии ветра продолжает снижаться, присущая ветру изменчивость является препятствием для эффективного использования энергии ветра. Водородное топливо и производство электроэнергии могут быть интегрированы в ветряную электростанцию, что позволит гибко переключать производство, чтобы наилучшим образом соответствовать доступности ресурсов с эксплуатационными потребностями системы и рыночными факторами. Кроме того, во времена избыточного производства электроэнергии ветряными электростанциями вместо того, чтобы сокращать электроэнергию, как это обычно делается, можно использовать эту избыточную электроэнергию для производства водорода путем электролиза.

Важно отметить...

  • Электроэнергия в настоящее время не является идеальным источником электроэнергии для электролиза, поскольку большая часть электроэнергии вырабатывается с использованием технологий, которые приводят к выбросам парниковых газов и являются энергоемкими. Выработка электроэнергии с использованием технологий возобновляемой или ядерной энергии, либо отдельно от сети, либо в качестве растущей части сети, является возможным вариантом преодоления этих ограничений для производства водорода с помощью электролиза.
  • Министерство энергетики США и другие организации продолжают усилия по снижению стоимости производства электроэнергии на основе возобновляемых источников и развитию более эффективного производства электроэнергии на основе ископаемого топлива с улавливанием, утилизацией и хранением углерода. Производство электроэнергии на основе ветра, например, быстро растет в Соединенных Штатах и ​​во всем мире.

Исследования сосредоточены на преодолении проблем