Разное

Добыча водорода: технологии и перспективы в России

26.12.2021

Содержание

Урок 26. Получение водорода и его применение – HIMI4KA

У нас вышел новый курс, где всё объясняется ещё проще. Подробннее по ссылке

В уроке 26 «Получение водорода и его применение» из курса «Химия для чайников» узнаем о получении водорода в лабораториях и в промышленности, а также выясним в каких отраслях промышленности его применяют.

Водород находит широкое применение в технике и лабораторных исследованиях. Мировое промышленное производство водорода из меряется десятками миллионов тонн в год.

Выбор промышленного способа получения простых веществ зависит от того, в какой форме соответствующий элемент находится в природе. Водород находится в природе преимущественно в соединениях с атомами других элементов. Поэтому для его получения необходимо использовать химические методы. Эти же методы применяют для получения водорода и в лабораторной практике.

Получение водорода в лаборатории

В лабораториях водород получают уже известным вам способом, действуя кислотами на металлы: железо, цинк и др. Поместим на дно пробирки три гранулы цинка и прильем небольшой объем соляной кислоты. Там, где кислота соприкасается с цинком (на поверхности гранул), появляются пузырьки бесцветного газа, которые быстро поднимаются к поверхности раствора:

Атомы цинка замещают атомы водорода в молекулах кислоты, в результате чего образуется простое вещество водород Н2, пузырьки которого выделяются из раствора. Для получения водорода таким способом можно использовать не только хлороводородную кислоту и цинк, но и некоторые другие кислоты и металлы.

Соберем водород методом вытеснения воздуха, располагая пробирку вверх дном (объясните почему), или методом вытеснения воды и проверим его на чистоту. Пробирку с собранным водородом наклоняем к пламени спиртовки. Глухой хлопок свидетельствует о том, что водород чистый; «лающий» громкий звук взрыва говорит о загрязненности его примесью воздуха.

В химических лабораториях для получения относительно небольших объемов водорода обычно применяют способ разложения воды с помощью электрического тока:


Из уравнения процесса разложения следует, что из 2 моль воды образуются 2 моль водорода и 1 моль кислорода. Следовательно, и соотношение объемов этих газов также равно:

Получение водорода в промышленности

Очевидно, что при огромных объемах промышленного производства сырьем для получения водорода должны быть легкодоступные и дешевые вещества. Такими веществами являются природный газ (метан СН4) и вода. Запасы природного газа очень велики, а воды — практически неограниченны.

Самый дешевый способ получения водорода — разложение метана при нагревании:

Эту реакцию проводят при температуре около 1000 °С.

В промышленности водород также получают, пропуская водяные пары над раскаленным углем:

Существуют и другие промышленные способы получения водорода.

Применение водорода

Водород находит широкое практическое применение. Основные области его промышленного использования показаны на рисунке 103.

Значительная часть водорода идет на переработку нефти. Около 25 % производимого водорода расходуется на синтез аммиака NH3. Это один из важнейших продуктов химической промышленности. Производство аммиака и азотных удобрений на его основе осуществляется в нашей стране на ОАО «Гродно Азот». Республика Беларусь поставляет азотные удобрения во многие страны мира.

В большом количестве водород расходуется на получение хлороводородной кислоты. Реакция горения водорода в

кислороде используется в ракетных двигателях, выводящих в космос летательные аппараты. Водород применяют и для получения металлов из оксидов. Таким способом получают тугоплавкие металлы молибден и вольфрам.

В пищевой промышленности водород используют в производстве маргарина из растительных масел. Реакцию горения водорода в кислороде применяют для сварочных работ. Если использовать специальные горелки, то можно повысить температуру пламени до 4000 оС. При такой температуре проводят сварочные работы с самыми тугоплавкими материалами.

В настоящее время в ряде стран, в том числе и в Беларуси, начаты исследования по замене невозобновляемых источников энергии (нефти, газа, угля) на водород. При сгорании водорода в кислороде образуется экологически чистый продукт — вода. А углекислый газ, вызывающий парниковый эффект (потепление окружающей среды), не выделяется.

Предполагают, что с середины XXI в. должно быть начато серийное производство автомобилей на водороде. Широкое применение найдут домашние топливные элементы, работа которых также основана на окислении водорода кислородом.

Краткие выводы урока:

  1. В лаборатории водород получают действием кислот на металлы.
  2. В промышленности для получения водорода используют доступное и дешевое сырье — природный газ, воду.
  3. Водород — это перспективный источник энергии XXI в.

Надеюсь урок 26 «Получение водорода и его применение» был понятным и познавательным. Если у вас возникли вопросы, пишите их в комментарии. Если вопросов нет, то переходите к следующему уроку.

Хотите ещё проще? Мы создали новый курс, где максимум за 7 дней вы овладете химией с нуля. Подробннее по ссылке

начало большого пути / Блог компании Toshiba / Хабр

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.

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


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 h3One.   

Мобильная электростанция Toshiba h3One


Мы разработали мобильную мини-электростанцию h3One, 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 h3One 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 h3One 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 h3One используется лишь в нескольких городах в Японии — к примеру, она снабжает электричеством и горячей водой железнодорожную станцию в городе Кавасаки.


Обсуждение

Радж Айер
Год назад
1. Вы генерируете смесь h3 + 02 в соотношении 2: 1. 2. Для чистого газообразного водорода вы должны использовать бутылку с раствором каустической соды, в которую добавляются алюминиевые кусочки. Такая компоновка будет работать, обеспечивая хорошие объемы газа при низком давлении. Однако будьте осторожны, чтобы избежать пламени. Однажды у меня был взрыв, когда я экспериментировал в детстве. Вспышка бутылки и коррозионная щелочь были разбросаны по всему дому. Алюминий превращается в высоковязкую желатиновую соль, называемую натриево-мета-алюминатом. 3. Я хочу, чтобы вы придумали конструкцию, которая разделяет катод и анод, используя некоторую мембрану, которая может выдерживать температуры 100 градусов +, потому что при более высоких токах вода нагревается. 4. Вы не должны наносить много соли в воду. Щепотка соли в 1 литре более чем достаточна для проведения. Если вы используете больше соли, вы фактически генерируете водород вместе с хлором на аноде. Вода будет щелкать, так как ионы натрия будут реагировать с водой с образованием NaOH. Хлор будет генерировать на аноде и разъедать электрод. Поэтому вам нужно использовать углеродные электроды.

Дуайт Уилбанкс
Год назад
Несколько мыслей. Мысль 1, если лезвия были вертикальными, пузыри будут течь на вершину быстрее. Отделившись от ваших тарелок, ваши тарелки снова контактируют с вашим электролитом и могут начать делать следующий пузырь. Вторая мысль касается эффективности напряжения. Идеальное напряжение составляет от 2 до 2,5 вольт, так как вы опускаетесь ниже этого напряжения, производство падает. Когда вы поднимаете выше идеала, вы все равно получаете больше пузырьков, но, кроме того, выделяется больше тепла. Чем дальше от идеала, тем меньше эффективность. Если у вас 5-вольтовый источник, вы должны использовать нейтральную пластинку (много объяснений Google). Итак, пластина 1 положительна, пластина 2 не прикреплена ни к чему, пластина 3 отрицательна, затем повторите. Общая разница в 5 вольт разделяется на два отдельных сегмента в 2,5 вольта. Очевидно, что ваша цель состоит не в том, чтобы сделать самый эффективный инструмент промышленного класса, но с очень небольшими изменениями в вашем дизайне вы можете повысить эффективность. Поскольку соединений меньше, его фактически немного меньше работает как побочный эффект.

piranha031091
2 года назад
Вам НИКОГДА не следует делать это с помощью стеклянного контейнера: в этом контейнере вы получите взрывоопасную смесь водорода и кислорода, поэтому у вас есть очень важная вероятность возникновения обратного огня, который заставит контейнер взорваться. Если он сделан из стекла, взрыв вызовет стеклянную осколку, которая может быть смертельной. (мой коллега несколько месяцев назад взял стеклянную осколку в горло и чуть не умер от того, что в противном случае было очень незначительным взрывом). Пластик для этого гораздо безопаснее.

Shadi2
2 года назад
он добавил соль, поэтому вместо водорода + кислород образует водород + газообразный хлор + гидроксид натрия. Вторая стадия превращает газообразный хлор в соляную кислоту, а гидроксид натрия нагревает воду. Поэтому во введении вода выглядит такой же желтой. За исключением питьевой воды, заливки ее на глаза или выпивки минутного количества хлорного газа, который ускользает, обращение с бритвенными лезвиями является самой опасной частью.

Как превратить воду в водород: простейший опыт

Солнечный генератор водорода / кислорода DIY – простой “электролиз” с использованием солнечного света! (превращает воду в топливо).

Соблюдайте безопасность в опытах с воспламеняющимися веществами!

Я покажу вам, как сделать простое устройство, которое превращает / расщепляет воду на водород и кислород. Это удивительно просто и прекрасно работает. (не забудьте посмотреть видео, так как оно показывает много дополнительных деталей – в том числе пузырьки, просто вылетающие из карандашей). Видео показывает, что генератор водорода питается от солнечной батареи, батареи 9 В и трансформатора переменного / постоянного тока.

Шаг 1: Посмотрите наглядное видео …

Шаг 2: Механизм генератора водорода

Простой эксперимент по «электролизу» показывает, как «расщеплять воду» на кислород / водород с помощью солнечной панели (или батареи) и воды. Графит в карандашах проводит электричество (от солнечной батареи или акб). В результате вода «расщепляется» на кислород / водород (процесс, известный как электролиз). Это видео в основном посвящено использованию солнечной панели, но также показывает батарею на 9 В в качестве источника питания, а также сравнение «нескольких напряжений» (ближе к концу видео) с использованием регулируемого источника питания постоянного тока (установленного через несколько интервалов – 3 В, 4,5 В, 6 В, 7,5 В, 9 В и 12 В).

Посмотрите, как увеличивается объем пузырьков с напряжением. Обратите внимание, что это обычный научный эксперимент в начальной школе, и он абсолютно безопасен. Можно представить, если этот мелкомасштабный эксперимент был «расширен» и усовершенствован, он мог бы стать хорошим способом хранения солнечной / ветровой энергии для последующего использования. очень «зеленая» технология в целом, если источником электричества является солнечный или ветровой (и когда используется водород (в качестве топлива и т. д.), единственным побочным продуктом является вода).

Шаг 3: Необходимые предметы …


1.) 2 карандаша
2.) стакан
3.) маленький кусочек картона
4.) пара проводов (я использовал черные / красные провода с зажимами типа «крокодил»)
5.) маленькая солнечная панель или батарея 9 В или трансформатор переменного / постоянного тока

Шаг 4: Во-первых, точить карандаши …


Заточите карандаши на обоих концах. Затем сделайте 2 маленьких отверстия в куске картона (на расстоянии около 1 дюйма) и протолкните карандаши в отверстия (см. фото выше).

Шаг 5: добавь воды в стакан …


Долейте воды в стакан и поместите деталь (картон и карандаш) поверх стекла.

Шаг 6: Теперь подключите провода …


Теперь просто подключите провода от конца карандашей к источнику питания. Пузыри начнут формироваться немедленно. Одна интересная вещь об этом проекте – многие люди уже будут иметь все необходимое, чтобы сделать это дома. Не нужно ничего покупать (за исключением солнечной панели … но батарея 9v работает хорошо). Сделать водород и кислород дома бесплатно возможно, и все с обычными предметами домашнего обихода.

Получайте удовольствие от создания и использования! Снова посмотрите видео, чтобы увидеть, как пузыри просто стекают с карандашей. Строго соблюдайте технику безопасности!
Источник

РЫВОК В ВОДОРОДНОЕ БУДУЩЕЕ | Наука и жизнь

На протяжении XX века человечество интенсивно наращивало потребление нефти и газа. Постоянное сжигание природных углеводородов обернулось весьма неприятны ми последствиями для окружающей среды — от смога над крупными городами до парникового эффекта в масштабах всей планеты. Причиной экологических катастроф нередко становится транспортировка нефтепродуктов. Из-за достаточно частых аварий с танкерами или разрывов трубопроводов нефть попадает в водоемы, просачивается в почву, отравляя все живое вокруг. Да и запасы нефти не безграничны — по самым оптимистичным прогнозам, при нынешних темпах добычи ее хватит от силы лет на сто. Ясно, что современной экономике нужен другой, альтернативный бензину и мазуту энергоноси тель, и, по всей видимости, эта роль уготована водороду.

Преобразование химической энергии традиционным и электрохимическим способами.

За последние 5—7 лет количество работающих стационарных установок на топливных элементах увеличилось многократно.

Схема твердополимерного (протонообменного) топливного элемента.

Типы топливных элементов.

В ноябре 2003 года в Москве произошло знаменательное событие. Российская академия наук и горно-металлургическая компания “Норильский никель” подписали Генеральное соглашение о сотрудничестве в области водородной энергетики. В соответствии с этим документом компания будет выделять на исследования от 20 до 40 миллионов долларов ежегодно. 9 декабря 2003 года на совместном заседании Президиума Российской академии наук и правления компании “Норильский никель” президент РАН Ю. С. Осипов и генеральный директор горно-металлургической компании “Норильский никель” М. Д. Прохоров утвердили комплексную “Программу научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по водородной энергетике и топливным элементам”. Руководить российской водородной программой будет вице-президент РАН академик Г. А. Месяц. В ней примут участие около 20 академических и отраслевых институтов: Институт электрохимии РАН, Институт катализа СО РАН, Институт высокотемпературной электрохимии УРО РАН, институты Сарова, Снежинска, РНЦ “Курчатовский институт” и многие другие.

“Совместная работа с Российской академией наук в области водородной энергетики и топливных элементов — это уникальная возможность для нашей страны вернуться в число ведущих экономически развитых держав мира”, — считает М.  Д. Прохоров. В США, государствах Европейского союза и многих других странах исследования по водородной энергетике относятся к приоритетным направлениям развития науки и техники и получают финансовую поддержку как со стороны государства, так и от представителей бизнеса. Основная цель развития водородных технологий — снижение зависимости от существующих энергоносителей — нефти и газа, составляющих сегодня основу российской экономики. Если через 15 лет мир перейдет на водород, то Россия может оказаться далеко позади. Мы не должны этого допустить, тем более что, по мнению участников водородной программы, у нашей страны есть конкурентные преимущества: во-первых, уникальные научные разработки в области водородных технологий, а во-вторых, богатые запасы палладия — металла, который может служить прекрасным катализатором в энергетических установках на основе водорода. Используя и то и другое, участники водородной программы надеются уже в ближайшие годы занять нишу высоких технологий на базе водородной энергетики.

Напомним читателям: основные преимущества водорода — экологическая безопасность и высокая энергетическая отдача. При горении водорода образуется только вода, а теплота его сгорания составляет 143 кДж/г, то есть примерно в 5 раз выше, чем у углеводородов (29 кДж/г). Водород — самое распространенное вещество во Вселенной (по оценкам, он составляет около половины массы звезд и большую часть межзвездного газа), однако на Земле в свободном виде его практически нет. Небольшое количество водорода выбрасывают вулканы, но газ этот настолько легкий, что его молекулы очень быстро улетают из атмосферы в космическое пространство. Строго говоря, водород не источник энергии, а лишь ее носитель. Чтобы использовать водород в качестве топлива, надо сначала извлечь его из другого вещества.

Сейчас водород получают, главным образом, из природного газа методом каталитической конверсии с водяным паром. Пока это самый дешевый способ, но в конечном итоге такой путь ведет в тупик, ведь запасы газа рано или поздно тоже закончатся. Неиссякаемым источником водорода может служить вода. Электролиз воды технически осуществить довольно просто, но этот процесс требует значительных энергозатрат. Технология будет экономически выгодной только в том случае, если использовать дешевую электроэнергию, получаемую желательно из возобновляемых источников, — за счет энергии воды, ветра, солнца.

В последнее время появился интерес к технологиям получения водорода из биомассы, остающейся после переработки сельскохозяйственного сырья. Здесь есть несколько возможностей: конверсия спресованной биомассы, ферментация либо использование бактерий, способных продуцировать водород.

Каким бы методом ни получали водород, его надо как-то хранить. Наиболее известный способ — в баллонах, в сжатом виде. Сейчас уже существуют сверхлегкие баллоны, рассчитанные на давление до 450 атм. Можно ли сжать водород сильнее? Атом водорода настолько мал, что при очень высоких давлениях способен просто “просочиться” сквозь стенки баллона. Ученым из Института физики твердого тела РАН удалось преодолеть эту трудность: они разработали пионерскую методику, которая позволяет сжимать водород до огромных давлений.

При обычных условиях водород — это газ, но при низких температурах он превращается в жидкость, и тогда его можно хранить и транспортировать в теплоизолированных сосудах-криостатах. Уже испытаны криогенные баки для автомобилей с экранно-вакуумной изоляцией, которые продлевают срок автономного хранения водорода до двух с лишним недель (и это при разности температур между жидким водородом и окружающей средой более 250°С).

Но все-таки наиболее перспективны способы хранения водорода с помощью твердых носителей, например в виде гидридов металлов. Молекула водорода так мала, что она легко “вписывается” в пустоты кристаллической решетки многих металлов. Некоторые металлы и сплавы “впитывают” водород, подобно тому, как губка — воду. Например, кусок палладия определенного объема способен поглотить до 800 таких же объемов водорода! Водород, “застрявший” в кристаллической решетке, образует с атомами металлов химические соединения — гидриды. При образовании гидридов выделяется тепло. Соответственно, чтобы извлечь водород из металлической “губки”, ее нужно нагреть. Особый интерес представляют интерметаллические сплавы титана, железа, магния, никеля, лантана, ванадия.

Главный недостаток металлогидридов в том, что накопители водорода на их основе слишком много весят. Но для “впитывания” и хранения водорода можно использовать и более легкие вещества — например, углеродные нанотрубки и стеклянные микросферы. В российских научных институтах есть уникальные достижения в этой области.

Основное условие перехода к водородной энергетике — создание надежных и экономически выгодных топливных элементов на основе водорода. В таком элементе химическая энергия, высвобождающаяся в реакции водорода с кислородом, превращается непосредственно в электрическую. Коэффициент полезного действия топливного элемента может достигать 90%. Это дает огромную выгоду по сравнению с любой тепловой машиной, где процесс превращения энергии топлива в электрическую включает несколько промежуточных стадий: сначала образование теплоты в результате сгорания, затем переход тепловой энергии в механическую энергию турбины или двигателя и, наконец, выработка электричества с помощью генератора.

Топливный элемент, как и любой другой химический источник тока, включает в себя электроды и электролит. Но если в гальваническом элементе (обычной батарейке) электричество образуется за счет расходования активных веществ электродов, то в топливном элементе химические реагенты (например, водород и кислород) подаются извне. Электроды топливных элементов обычно делают из пористых материалов с высокоразвитой поверхностью. Для ускорения химических реакций электроды активируют катализаторами на основе платины, палладия, никеля и некоторых других материалов.

Принцип работы топливного элемента открыт еще в 1839 году английским исследователем Уильямом Гроувом. Но в то время реализовать его на практике не удалось. В середине XX века началась активная разработка устройств, позволяющих напрямую преобразовывать химическую энергию топлива в электричество. В России первый электрохимический генератор “Волна” на основе водородных топливных элементов появился в 1970 году, а вскоре ему на смену пришел более долговечный и эффективный “Фотон” (см. “Наука и жизнь” № 9, 1990 г.). Поначалу топливные элементы нашли практическое применение в космических проектах (“Аполлон” и “Шаттл” в США, “Буран” — в нашей стране). Был создан и самолет-лаборатория Ту-155 с двигателем, работающим на жидком водороде (см. “Наука и жизнь” № 1, 1989 г.; № 3, 2001 г.).

В первых топливных элементах использовался щелочной электролит. Такая конструкция требует тщательной очистки водорода и кислорода, поскольку примеси, особенно углекислый газ, реагируют со щелочью. Позднее появились менее капризные устройства с электролитом на основе фосфорной кислоты и графитовыми электродами; окислителем в таких топливных элементах может служить кислород воздуха. Разработаны также высокотемпературные топливные элементы двух типов: в одном — электролит состоит из расплава карбонатов щелочных металлов (лития, калия, натрия), а в другом — используется твердый электролит на основе оксидов циркония и иттрия.

Для транспортных средств и портативных источников тока наиболее перспективны топливные элементы с твердополимерным электролитом. В таком устройстве электроды разделены полимерной мембраной, которая пропускает только протоны и не дает пройти электронам.

Пока что топливные элементы не находят широкого применения из-за непомерно высокой цены: стоимость 1 квт.ч составляет несколько тысяч долларов. Другая проблема — короткий срок службы топливных элементов, и над этим предстоит работать. Тем не менее во всем мире создаются опытные устройства, работающие на водороде, причем самого разного калибра — от электростанций до портативных источников питания для микрокалькуляторов. Образцы автомобилей на водородной тяге выпускают многие крупные автомобильные компании — “Даймлер-Крайслер”, “Форд”, “Мазда”, “Тойота”, “БМВ”, “Рено”. Есть новые модели автомобилей на топливных элементах и у нас в стране, например “АНТЭЛ”, изготовленный на Волжском автомобильном заводе (см. “Наука и жизнь” № 8, 2003 г.).

Говоря о развитии водородной энергетики, нельзя не упомянуть о проблемах безопасности. Водород нетоксичен, но пожаро- и взрывоопасен, при высокой температуре он способен самовоспламеняться на воздухе. Чтобы обеспечить меры безопасности, требуются дополнительные затраты, однако развитые страны готовы пойти и на эти расходы.

В Европейском союзе своеобразным полигоном по освоению водородной энергетики станет Исландия, где для производства водорода можно использовать дешевую энергию геотермальных источников и гидроэлектростанций. Стране выделено 60 млн евро, чтобы она в ближайшие 15—20 лет перешла в основном на водородное топливо. Форсируют развитие водородной энергетики и в США: к 2020 году надеются перевести американскую автомобильную промышленность на водород. На эти цели в ближайшее время будет выделено около 5 млрд долларов.

По фундаментальным научным разработкам российские ученые во многом опережают западных коллег. Но чтобы эти достижения не остались на уровне лабораторных экспериментов, необходим технический рывок. Именно такую задачу и ставит российская водородная программа.

Получение водорода — Основы химии на Ида Тен

Содержание статьи

История открытия водорода История водорода начинается с XVI века, когда было замечено, что при действии кислот на железо и другие металлы выделяется некий неизвестный газ. Первоначально его назвали «горючим воздухом». Такое название газ получил из-за способности гореть. Во второй половине XVIII века английский ученый Генри Кавендиш получил водород при действии соляной кислоты HCl на цинк:

Zn + 2HCl = ZnCl2 + h3­

Что же такое кислота с точки зрения химии? Кислота – это сложное вещество, в состав которого всегда входят атомы водорода. В формулах кислот атомы водорода принято писать на первом месте. Атомы, следующие в формуле за водородом, называют кислотным остатком. Так, в соляной кислоте HCl кислотный остаток – Cl.

Например, в серной кислоте h3SO4, кислотный остаток – SO4. Кислота – сложное вещество, в состав которого входят атомы водорода и кислотный остаток Генри Кавендиш изучил свойства «горючего воздуха». Он установил, что этот газ намного легче воздуха, а при сгорании на воздухе образует прозрачные капли жидкости. Этой жидкостью оказалась вода.

Генри Кавендиша считают первооткрывателем водорода. Вывод о том, что «горючий воздух» представляет собой простое вещество, был сделан в 1784 году французским химиком Антуаном Лораном Лавуазье. Антуан Лоран Лавуазье дал этому веществу латинское название (Hydrogenium), которое происходило от греческих слов «хюдор» – вода и «геннао» – рождаю. В те годы под элементами подразумевали простые вещества, которые нельзя далее разложить на составные части. Поэтому у химического элемента водорода такое же название, как и у просто вещества h3. Русское слово водород – это точный перевод латинского названия Hydrogenium.

Получение водорода в лаборатории

Современный лабораторный способ получения водорода не отличается от того, которым его получал Генри Кавендиш. Это реакции металлов с кислотами. В лаборатории водород получают в аппарате Киппа (рисунок 152).

Аппарат Киппа изготовляется из стекла и состоит из нескольких частей:

  1. реакционная колба с резервуаром;
  2. воронка с длинной трубкой;
  3. газоотводная трубка.

Реакционная колба имеет верхнюю шарообразную часть с отверстием, в которое вставляется газоотводная трубка, снабженная краном или зажимом, и нижний резервуар в виде полусферы. Нижний резервуар и реакционная колба разделены резиновой или пластиковой прокладкой с отверстием, через которое проходит в нижний резервуар длинная трубка воронки, доходящая почти до дна. На прокладку через боковое отверстие шпателем насыпают твёрдые вещества (мрамор, цинк). Отверстие закрывается пробкой с газоотводной трубкой. Затем при открытом кране или зажиме в верхнюю воронку заливается раствор кислоты. Когда уровень жидкости достигает вещества на прокладке, начинается химическая реакция с выделением газа. При закрытии крана давление выделяющегося газа выдавливает жидкость из реактора в верхнюю часть воронки. Реакция прекращается. Открытие крана приводит к возобновлению реакции. Поместим в реакционную колбу кусочки цинка. В качестве кислоты воспользуемся серной кислотой. При контакте цинка и серной кислоты протекает реакция:

Zn + h3SO4 = ZnSO4 + h3­

Водородом можно заполнить мыльный пузырь.

Для этого необходимо опустить газоотводную трубку в мыльный раствор. На конце трубки начнется формирование мыльного пузыря, заполненного водородом; со временем пузырь отрывается и улетает вверх, что доказывает легкость водорода. Соберем выделяющийся водород. С учетом того, что водород намного легче воздуха, для сбора водорода сосуд, в котором собирается газ, необходимо располагать вверх дном, или производить собирание методом вытеснения воды. Как обнаружить водород? Заполним пробирку водородом, держа ее вверх дном, по отношению к газоотводной трубке. Поднесем пробирку отверстием к пламени спиртовки – слышится характерный хлопок.

Хлопок – это признак того, что в пробирке содержится водород. При поднесении пробирки к пламени водород вступает в реакцию с кислородом, содержащимся в воздухе. При малых количествах реакция кислорода и водорода сопровождается хлопком. Более подробно об этой реакции будет рассказано в следующем параграфе.

Получение водорода в промышленности

Одним из промышленных способов получения водорода является реакция разложения воды под действием электрического тока:

2h3O эл.ток → 2h3­ + O2­.

Данный метод позволяет получить чистый водород и кислород. Процесс превращения химических веществ в другие вещества под действием электричества называется электролизом.

Электролиз – химическая реакция, протекающая под действием электрического тока Проведем электролиз воды. В стакан наполненный водой, опустим металлические электроды. Поверх электродов опустим в стакан пробирки, заполненные водой. Подсоединим электроды к источнику тока – батарейке. В пробирках наблюдается выделение газов – водорода и кислорода, которые вытесняют воду. Наблюдая за процессом электролиза, можно заметить, что в одной из пробирок газа собирается в два раза больше, чем в другой. Проанализировав уравнение реакции электролиза воды, можно сделать вывод, в какой пробирке выделяется водород, а в какой – кислород. Попробуйте это сделать самостоятельно.

Существуют и другие способы получения водорода. Железо-паровой метод долгое время широко применялся в промышленности. Через электрическую трубчатую печь проходит трубка из нержавеющей стали, заполненная железными стружками. Через трубку с железными стружками пропускают водяной пар. При температуре около 800°С пары воды взаимодействуют с железом, образуя оксид Fe3O4 (железную окалину) и газообразный водород:

3Fe + 4Н2О = 4Н2­ + Fe3O4.

Можно получить Н2, пропуская Н2О через слой раскаленного угля. При этом образуется смесь двух газов – СО и Н2 (водяной газ):

Н2О + С = CO­ + Н2­

В настоящее время водород получают взаимодействием углеводородов (в основном метана, СН4) с водяным паром или неполным окислением метана кислородом:

СН4 + Н2О = СО + 3Н2

2СН4 + О2 = 2СО + 4Н2

Итог статьи:

  • В лаборатории водород получают в аппарате Киппа
  • Исходными веществами для получения водорода в лаборатории являются некоторые металлы и кислоты
  • Собирать водород нужно методом вытеснения воды, или методом вытеснения воздуха, расположив пробирку вверх дном по отношению к газоотводной трубке
  • Кислота – сложное вещество, в состав которого входят атомы водорода и кислотный остаток
  • Обнаружить водород можно по характерному хлопку при поднесении пробирки с водородом к пламени
  • Одним из промышленных способов получения водорода является электролиз воды
  • Электролиз – химическая реакция, протекающая под действием электрического тока

Производство и доставка водорода | Водород и топливные элементы | Водородные и топливные элементы

Исследователи из NREL разрабатывают передовые процессы для экономичного производства водорода. из устойчивых ресурсов.

Узнайте, как NREL развивает и продвигает ряд путей к возобновляемому водороду производство.Текстовая версия

Биологическое расщепление воды

Некоторые фотосинтетические микробы используют световую энергию для производства водорода из воды в виде часть их метаболических процессов. Поскольку кислород образуется вместе с водородом, Фотобиологическая технология производства водорода должна преодолеть присущую ему чувствительность к кислороду ферментативных систем, выделяющих водород. Исследователи NREL решают эту проблему скрининг на естественные организмы, которые более устойчивы к кислороду и создание новых генетических форм организмов, способных поддерживать производство водорода в наличие кислорода. Исследователи также разрабатывают новую систему, в которой используется метаболический переключение (лишение серы) на цикл клеток водорослей между фотосинтетическим ростом фаза и фаза производства водорода.

Контактное лицо: Мария Гирарди

Ферментация

Ученые NREL разрабатывают технологии предварительной обработки для преобразования лигноцеллюлозного биомасса в сырье, богатое сахаром, которое можно непосредственно ферментировать для получения водорода, этанол и ценные химикаты.Исследователи также работают над определением консорциума. Clostridium, которые могут напрямую сбраживать гемицеллюлозу до водорода. Другое исследование области включают биоразведку эффективных целлюлолитических микробов, таких как Clostridium thermocellum, который может сбраживать кристаллическую целлюлозу непосредственно до водорода, чтобы снизить затраты на сырье. Как только модельная целлюлолитическая бактерия идентифицирована, ее потенциал для генетических манипуляций, включая чувствительность к антибиотикам и простоту генетического трансформация, будет определена.Будущие проекты ферментации NREL будут сосредоточены по разработке стратегий создания мутантов, которые селективно блокируются от производства отработанные кислоты и растворители для максимального увеличения выхода водорода.

Контактное лицо: Пин-Чинг Манесс

Конверсия биомассы и отходов

Водород можно производить путем пиролиза или газификации ресурсов биомассы, таких как сельскохозяйственные остатки, такие как скорлупа арахиса; бытовые отходы, включая пластмассы и отходы смазка; или биомасса, специально выращенная для использования в энергии. Пиролиз биомассы производит жидкий продукт (био-масло), содержащий широкий спектр компонентов, которые можно разделены на ценные химические вещества и топливо, включая водород. Исследователи NREL в настоящее время сосредоточены на производстве водорода путем каталитического риформинга пиролиза биомассы продукты. Конкретные области исследований включают реформирование потоков пиролиза и разработку и испытание псевдоожижаемых катализаторов.

Контактное лицо: Ричард Френч

Фотоэлектрохимическое разделение воды

Самый чистый способ получения водорода — использование солнечного света для прямого разделения воды. в водород и кислород.Технология многопереходных ячеек, разработанная фотоэлектрическими промышленность используется для фотоэлектрохимических (PEC) систем сбора света, которые генерируют достаточное напряжение для разделения воды и стабильны в среде вода / электролит. Система PEC, разработанная NREL, производит водород из солнечного света без дополнительных затрат. и усложнение электролизеров, при КПД преобразования солнечной энергии в водород На 12,4% ниже теплотворная способность при использовании отраженного света.Ведутся исследования, чтобы выявить больше эффективные, недорогие материалы и системы, долговечные и устойчивые к коррозии в водной среде.

Контактное лицо: Джон Тернер или Тодд Дойч

Гелиотермальное деление воды

Исследователи NREL используют реактор High-Flux Solar Furnace, чтобы концентрировать солнечную энергию и генерировать температуры от 1000 до 2000. градусов Цельсия.Для термохимической реакции требуются сверхвысокие температуры. циклы для производства водорода. Такой высокотемпературный, высокопоточный, термохимический процессы предлагают новый подход к экологически безопасному производству водорода. Очень высокие скорости реакции при таких повышенных температурах приводят к очень быстрой реакции скорости, которые значительно увеличивают производительность и более чем компенсируют прерывистый характер солнечного ресурса.

Контактное лицо: Джуди Неттер

Возобновляемый электролиз

Возобновляемые источники энергии, такие как фотоэлектрическая, ветровая, биомассовая, гидро- и геотермальная. может обеспечить нашу страну чистой и устойчивой электроэнергией. Однако возобновляемая энергия источники естественным образом изменчивы, требуют накопления энергии или гибридной системы для размещения ежедневные и сезонные изменения.Одним из решений является получение водорода путем электролиза — расщепления с помощью электрического тока — воды и использовать этот водород в топливном элементе для производства электричество в периоды низкого производства электроэнергии или пикового спроса, или для использования водорода в транспортных средствах на топливных элементах.

Исследователи из Центра интеграции энергетических систем NREL и Центра испытаний и исследований водородной инфраструктуры изучают вопросы, связанные с использованием возобновляемых источников энергии для производства водород путем электролиза воды.NREL тестирует интегрированные системы электролиза и исследует варианты дизайна для снижения капитальных затрат и повышения производительности.

Узнайте больше об исследованиях электролиза возобновляемых источников энергии NREL.

Контактное лицо: Кевин Харрисон

Надежность шланга дозатора водорода

С акцентом на снижение затрат и повышение надежности и безопасности, NREL выполняет ускоренные испытания и циклическое тестирование шлангов для подачи водорода на 700 бар на предприятии по интеграции энергетических систем с использованием автоматизированной робототехники для моделирования полевых условий. Посмотрите видео с роботом, который имитирует повторяющееся напряжение человека, сгибающегося и скручивающегося. шланг для подачи водорода в бортовой накопительный бак транспортного средства на топливных элементах. Исследователи проводить механические, термические испытания и испытания под давлением для новых и бывших в употреблении систем подачи водорода шланги. Материал шланга анализируется для выявления проникновения водорода, охрупчивания, и зарождение / распространение трещины.

Контактное лицо: Кевин Харрисон

Анализ путей производства и доставки водорода

NREL выполняет анализ на системном уровне в различных областях устойчивого производства водорода. и пути доставки.Эти усилия сосредоточены на определении улучшений статуса, в результате от технологических достижений, стоимости как функции объема производства и потенциала для снижения затрат. Результаты помогают выявить препятствия на пути к успеху этих путей. основные факторы затрат и остающиеся проблемы НИОКР. Разработанные NREL тематические исследования по анализу водорода обеспечивают прозрачные прогнозы текущих и будущих затрат на производство водорода. Узнайте больше о работе NREL по системному анализу.

Контактное лицо: Женевьева Заур

Сеть энергетических материалов HydroGEN

NREL служит ведущей лабораторией консорциума HydroGEN Energy Materials Network (EMN).

Последние публикации

Прямое преобразование солнечной энергии в водород с помощью инвертированного метаморфического многопереходного полупроводника Архитектура, Nature Energy (2017)

Замечательная стабильность немодифицированных фотокатодов GaAs при выделении водорода в Кислотный электролит, Журнал химии материалов A (2016)

Эффективность преобразования солнечной энергии в водород: яркий свет на производительность фотоэлектрохимических устройств, Энергетика и экология (2016)

Обратимая пассивация поверхности GaInP2 за счет адсорбции воды: модельная система для зависимости от окружающей среды Фотолюминесценция, Журнал физической химии C (2016)

CO2-фиксирующий метаболизм одного углерода в разрушающей целлюлозу бактерии Clostridium thermocellum, Труды Национальной академии наук (2016)

Путь фосфокетолазы способствует метаболизму углерода у цианобактерий, Nature Plants (2016)

Контакт

Huyen Dinh

Электронная почта | 303-275-3605

8. Технологии производства водорода | Водородная экономика: возможности, затраты, препятствия и потребности в исследованиях и разработках

часов потребления за счет использования накопленного водорода для выработки дополнительной энергии; этот водород может генерироваться в непиковые часы.

Технологические опции

Современные технологии электролиза делятся на две основные категории: (1) твердый полимер с использованием протонообменной мембраны (PEM) и (2) жидкий электролит, чаще всего гидроксид калия (KOH).В обеих технологиях вода вводится в реакционную среду и подвергается воздействию электрического тока, вызывающего диссоциацию, после чего образующиеся атомы водорода и кислорода пропускаются через механизм ионного переноса, который заставляет водород и кислород накапливаться в отдельных физических потоках.

Электролизер PEM — это буквально топливный элемент PEM, работающий в обратном режиме. Когда вода вводится в ячейку электролизера PEM, ионы водорода (протоны) втягиваются внутрь и через мембрану, где они рекомбинируют с электронами с образованием молекул водорода.Газообразный кислород остается в воде. Поскольку эта вода рециркулирует, кислород накапливается в резервуаре для разделения и затем может быть удален из системы. Газообразный водород отдельно отводится от батареи ячеек и улавливается.

В системах с жидким электролитом обычно используется щелочной раствор для выполнения функций, аналогичных функциям электролизера с ПЭМ. В таких системах ионы кислорода мигрируют через электролитический материал, оставляя газообразный водород растворенным в потоке воды. Этот водород легко извлекается из воды, когда его направляют в разделительную камеру.

Полная стоимость водорода из систем PEM и KOH сегодня примерно сопоставима. Эффективность реакции обычно выше для систем КОН, потому что ионное сопротивление жидкого электролита ниже, чем сопротивление нынешних мембран PEM. Но преимущество систем КОН по эффективности реакции по сравнению с системами ПЭМ нивелируется более высокими требованиями к очистке и сжатию, особенно при малых масштабах (от 1 до 5 кг в час). Более подробная информация представлена ​​в Приложении G.

Электролиз может особенно хорошо подходить для удовлетворения начальных потребностей в топливе на рынке транспортных средств на топливных элементах. Электролизеры достаточно хорошо масштабируются; эффективность реакции электролиза не зависит от размера задействованных элементов или стопок элементов. Компактный размер электролизеров делает их подходящими для размещения на существующих заправочных станциях или рядом с ними, и они могут использовать существующую инфраструктуру водоснабжения и электроснабжения, сводя к минимуму потребность в новой инфраструктуре.

Будущие усовершенствования технологии электролиза

Целью Министерства энергетики США для электролиза является капитальные затраты в размере 300 долларов США / кВт для установки мощностью 250 кг / день (при 5000 фунтов на квадратный дюйм [фунт / кв. Дюйм] с КПД системы 73%, базис более низкой теплотворной способности [DOE, 2003b, стр. 3- 15]). Такая установка могла бы быть интегрирована с возобновляемым источником энергии для производства водорода по цене 2,50 доллара за кг к 2010 году. Тогда большая центральная станция могла бы производить водород по цене 2 доллара за кг (DOE, 2003b, стр.3-16). Исследовательская программа Министерства энергетики сосредоточена на способах снижения затрат, повышения эффективности и интеграции электролизных установок с возобновляемыми источниками электроэнергии. Министерство энергетики также продолжает разработку материалов для обратимых твердооксидных электролизеров, которые могут работать при более высоких температурах, чем PEM, и с потенциально очень высокой эффективностью. Министерство энергетики сообщило, что его бюджетный запрос на 2004 финансовый год включал приблизительно 3,2 миллиона долларов на исследования электролиза в водород. 5 , 6

Комитет считает правдоподобным, что капитальные затраты на электролизеры PEM могут упасть в восемь раз — с 1000 долларов США / кВт в ближайшем будущем до 125 долларов США / кВт в течение следующих 15-20 лет, в зависимости от аналогичного снижения затрат, происходящего в топливных элементах PEM.Если капитальные затраты снизятся до этого уровня, по оценке комитета, водород можно будет производить примерно по 4 доллара за кг с использованием электроэнергии из сети и электролиза, что делает его привлекательным в переходный период 2010–2030 годов, пока не будут построены централизованные объекты и необходимая система распределения. Многолетний план исследований, разработок и демонстраций Министерства энергетики (DOE, 2003b) включает технический план по топливным элементам, в котором рассматриваются технологические и ценовые барьеры — барьеры, которые, если их преодолеть, пойдут на пользу и электролизерам.Элементы плана топливных элементов включают, например: разработку высокотемпературных мембран для топливных элементов PEM, разработку более дешевых полимерных мембран, имеющих более высокую ионную проводимость, и разработку альтернативных рецептур и структур катализаторов.

Кроме того, эффективность системы электролизера может повыситься с нынешних 63,5 процентов до 75 процентов (более низкая теплотворная способность) в будущем. Среди приоритетов исследований, которые могут повысить эффективность и / или снизить стоимость будущих электролизных заправочных устройств и которые могут стать частью программы электролиза Министерства энергетики, следующие:

  1. Снижение других (паразитных) потерь энергии в системе. Различные паразитные нагрузки, такие как регулировка мощности, могут быть уменьшены за счет изменения конструкции и оптимизации системы.

  2. Уменьшение плотности тока. Эффективность преобразования зависит от плотности электрического тока, поэтому замена электролита на большее количество электролита или на большую площадь поверхности элемента приводит к снижению общих требований к мощности на единицу производимого водорода.

  3. Разработка гибридов электролиза / окисления .Гибридная концепция использует окисление природного газа как средство усиления миграции ионов кислорода через электролит и, таким образом, снижения эффективного количества электроэнергии, необходимой для транспортировки иона кислорода. Концепт

Прорыв в производстве водорода может означать получение дешевой зеленой энергии

(Phys.org) — Ученые сделали важный шаг вперед в производстве водорода из воды, что может привести к новой эре дешевой, чистой и возобновляемой энергии.

Химики из Университета Глазго сообщают сегодня в новой статье Science о новой форме производства водорода, которая в 30 раз быстрее, чем современные методы. Этот процесс также решает общие проблемы, связанные с выработкой электроэнергии из возобновляемых источников, таких как энергия солнца, ветра или волн.

Водород легко получается из воды путем электролиза — процесса, при котором электричество разрывает связи между составляющими водой элементы, водородом и кислородом, и выделяет их в виде газа.Газообразный водород можно сжигать для производства электроэнергии без негативного воздействия на окружающую среду, в отличие от энергии, производимой за счет сжигания ископаемого топлива.

Одна из проблем производства электроэнергии с помощью возобновляемых источников энергии состоит в том, что выработку необходимо либо немедленно использовать, либо хранить. Использование возобновляемых источников энергии для производства водорода позволяет получать электроэнергию в экологически безопасном состоянии, которое легко хранится и распределяется.

В настоящее время промышленное производство водорода в основном зависит от ископаемого топлива, которое используется в процессе электролиза.Самый продвинутый метод производства водорода с использованием возобновляемых источников энергии использует метод, известный как протонообменные мембранные электролизеры (PEME). Для достижения оптимальной эффективности PEME требуют, чтобы катализаторы из драгоценных металлов содержались в контейнерах под высоким давлением и подвергались воздействию высоких плотностей электрического тока, чего может быть трудно надежно достичь из колеблющихся возобновляемых источников.

Новый метод позволяет производить больше, чем когда-либо, количество водорода при атмосферном давлении с использованием более низких энергетических нагрузок, типичных для тех, которые вырабатываются возобновляемыми источниками энергии.Он также решает проблемы внутренней безопасности, которые до сих пор ограничивали использование периодических возобновляемых источников энергии для производства водорода.

Исследовательскую группу возглавлял профессор Ли Кронин из Химической школы Университета Глазго. Профессор Кронин сказал: «В этом процессе используется жидкость, которая позволяет водороду удерживаться в неорганическом топливе на жидкой основе. Используя жидкую губку, известную как окислительно-восстановительный медиатор, которая может впитывать электроны и кислоту, мы смогли создать система, в которой водород может производиться в отдельной камере без дополнительных затрат энергии после электролиза воды.

«Связь между скоростью окисления воды и производством водорода была преодолена, что позволило водороду высвобождаться из воды в 30 раз быстрее, чем в ведущем процессе PEME на основе одного миллиграмма катализатора».

Исследование было проведено в рамках Группы солнечного топлива Университета Глазго, которая работает над созданием искусственных фотосинтетических систем, которые производят значительные количества топлива за счет солнечной энергии.

Профессор Кронин добавил: «Около 95% мировых запасов водорода в настоящее время получают из ископаемого топлива, ограниченного ресурса, который, как мы знаем, наносит вред окружающей среде и ускоряет изменение климата.Часть этого водорода используется для производства аммиачных удобрений, и поэтому ископаемый водород помогает прокормить более половины населения мира ».

«Потенциал для надежного производства водорода из возобновляемых источников огромен. Солнце, например, дает больше энергии за один час солнечного света, чем все население мира использует за год. Если мы сможем извлечь и сохранить хотя бы часть этой энергии в ближайшие годы и уменьшение нашей зависимости от ископаемых видов топлива станет чрезвычайно важным шагом к замедлению изменения климата.«

Доктор Грейг Чизхолм, доктор Марк Саймс и Бенджамин Рауш из Университета Глазго также внесли свой вклад в работу «Отделенное каталитическое выделение водорода от окислительно-восстановительного медиатора молекулярного оксида металла при расщеплении воды», опубликованной в Science .


Расщепление воды: растения — образец дешевого производства водорода
Дополнительная информация: «Отделение каталитического выделения водорода от окислительно-восстановительного медиатора оксида металла при расщеплении воды.»Бенджамин Рауш, Марк Д. Саймс, Грейг Чисхолм, Лерой Кронен. Science 12 сентября 2014 г .: Том 345, № 6202, стр. 1326-1330. DOI: 10.1126 / science.1257443 Предоставлено Университет Глазго

Ссылка : Прорыв в производстве водорода может означать появление дешевой зеленой энергии (2014 г., 12 сентября) получено 14 января 2021 г. с https: // физ.org / news / 2014-09-Hydro-production-breakthrough-herald-cheap.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, нет часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

применений водорода —

использований

Водород — самый легкий и самый распространенный элемент в космосе.Его атомный номер равен 1. В элементарном состоянии водород встречается редко. Но это одна из составляющих воды и жизненно необходима.

Общие виды использования водорода

В основном используется для создания воды. Газообразный водород можно использовать для восстановления металлических руд. Химическая промышленность также использует его для производства соляной кислоты. Такой же газообразный водород требуется для сварки атомарным водородом (AHW).

В электрических генераторах газ используется в качестве охлаждающей жидкости ротора. На этот элемент полагаются на многих заводах-изготовителях для проверки на утечки.Водород можно использовать отдельно или с другими элементами. Другие приложения включают переработку ископаемого топлива и производство аммиака. Аммиак входит в состав многих бытовых чистящих средств. Это также гидрогенизирующий агент, используемый для превращения нездоровых ненасыщенных жиров в насыщенные масла и жиры.

Водород также используется для производства метанола. Тритий образуется в ядерных реакциях. Это радиоактивный изотоп, из которого делают водородные бомбы. Его также можно использовать в качестве источника излучения светящейся краски. Тритий используется в биологических науках как изотопная метка.

Водородные и топливные элементы

Элемент часто используется в качестве топлива из-за его высокой теплотворной способности. Горение генерирует много энергии. Водородные топливные элементы вырабатывают электричество из кислорода и водорода. Эти электрохимические элементы производят только водяной пар, поэтому они считаются экологически безопасными.

Топливные элементы используются в космических аппаратах, удаленных метеостанциях и подводных лодках. В жидком виде он используется как ракетное топливо. Дейтерий — это тяжелый водород.Этот изотоп используется для реакции ядерного синтеза в ядерных реакторах.

Использование в метеорологических шарах

Поскольку водород легкий, ученые могут использовать его с метеозондом. Этот элемент установлен на метеозондах метеорологов. Эти воздушные шары оснащены оборудованием для записи информации, необходимой для изучения климата. Во время Первой мировой войны они использовались в воздушных шарах-дирижаблях.

Промышленное применение

Водород также используется в производстве удобрений и красок.Он также используется в пищевой и химической промышленности. Пищевая промышленность использует этот элемент для производства гидрогенизированных растительных масел, таких как маргарин и сливочное масло. В этой процедуре растительные масла сочетаются с водородом. Используя никель в качестве катализатора, производятся твердые жировые вещества.
В нефтехимической промышленности водород необходим для очистки сырой нефти.

Сварочные предприятия используют элемент для сварочных горелок. Эти горелки используются для плавки стали. Водород необходим в качестве восстановителя в химической промышленности.Химическая промышленность использует их для добычи металлов. Например, водород необходим для обработки добываемого вольфрама, чтобы сделать его чистым.

Химические соединения

Этот элемент используется для образования нескольких химических соединений. Помимо аммиака, водород можно использовать и другими способами. Его можно использовать для производства удобрений, соляной кислоты и различных оснований. Этот же элемент требуется для производства метилового спирта. Метиловый спирт используется в чернилах, лаках и красках.Перекись водорода — еще одно жизненно важное соединение.

Перекись водорода используется во многих отношениях. В первую очередь его используют для приема лекарств. Он входит в состав большинства аптечек. Он в основном используется для лечения ран и порезов. Перекись также является дезинфицирующим средством от грибка ногтей на ногах. Перекись водорода можно разбавлять водой. Он может убить бактерии и микробы, если использовать его как средство для побелки. Этот же элемент можно использовать для отбеливания зубов и лечения язв.

Перекись водорода можно использовать в немедицинских целях.Другие области применения включают средство борьбы с вредителями в садах, удаление пятен с одежды и функцию отбеливающего средства для уборки дома.

Способы производства водорода

Элемент изготавливается несколькими способами. Их можно собирать для использования в качестве водородных топливных элементов. Его также можно получить в промышленных процессах. Другие методы включают производство био-водорода, термолиз или электролиз. Водородный пинч и паровой риформинг также используются во многих отраслях промышленности.Наиболее распространенный метод сбора этого элемента — паровой риформинг.

Пар реагирует с метанолом с образованием окиси углерода и водорода. Этот процесс происходит при высоких температурах. При понижении температуры образуется окись углерода. Он может производить углекислый газ и водород. Коэффициент полезного действия составляет около 75%. Щипок — еще одна техника.

Этот метод перемещает элемент через секции гидрокрекинга. Цель состоит в том, чтобы произвести заключительную процедуру, чтобы больше не выделялся водород.Любой образовавшийся водород сохраняется. Их используют для других целей.

Термолиз и электролиз

Они используются для производства водорода в промышленных целях. Этот метод также известен как расщепление воды. В этом методе молекулы водорода и кислорода разделяются с помощью электрического тока. Для электролиза нагрев не требуется.

Однако высокие температуры приводят к лучшему выходу водорода. Иногда вместо воды используют мочу. Этот метод используется во многих случаях использования водорода.

Есть еще био водород. Созданный им элемент пригоден для использования. Процесс включает электрогидрогенез, ферментативные реакции и ферментацию. При брожении биологические материалы разрушаются.

Производство водорода | BOConline UK

Перейти к основному содержанию
  • Linde
  • О BOC
  • Карьера
  • Войти | Зарегистрировать
  • Поиск магазинов
  • COVID-19: Последние
  • Промышленные газы
    Великобритания

Переключить меню

  • Официальный BOC UK Online | Промышленные газы | Продукты и решения
  • Магазин
    • Баллонный газ
    • Гелий газ
    • Топливный газ
    • Сварочный газ
    • Распределение газа
    • Продувочный газ
    • Газ хладагента
    • Специальный газ
    • Газ для здравоохранения
    • Газ для консервирования пищевых продуктов
    • Упакованные химикаты
    • Оборудование и аксессуары
    • СИЗ и спецодежда
    • Здравоохранение
  • Отрасли
    • Аэрокосмическая промышленность и оборона
    • Аквакультура
    • Химикаты
    • Строительство и инфраструктура
    • Криоконсервация
    • Снос и демонтаж
    • Электроника
    • Службы спасения
    • Энергия
    • Стакан
    • Окружающей среды
    • Еда и напитки
    • Производство медицинского оборудования и оборудования
    • Здравоохранение
    • Гостеприимство
    • Производство
    • Производство и обработка металлов
    • Фарма и биотехнологии
    • Пластмассы и резина
    • Рафинирование
    • Холодильное оборудование и кондиционирование воздуха
    • Сварка и изготовление металлов
    • Университеты и исследования

Часто задаваемые вопросы по водороду — California Hydrogen Business Council

Загрузите ответы на часто задаваемые вопросы по водороду в формате PDF здесь >>

Что такое водород?

Водород — самый распространенный элемент во Вселенной.Однако встречающийся в природе атомарный водород встречается редко, поскольку он легко соединяется с другими элементами с образованием молекул, таких как вода, метан (природный газ) и метанол. Водород «производится» путем разрыва химических связей в молекулах, образующих эти вещества. Сегодня большая часть водорода производится из природного газа, часть — путем электролиза воды, а часть — из биометана. Поскольку водород может быть получен из множества различных источников, каждый регион мира может производить собственное топливо, что в конечном итоге приносит пользу окружающей среде и местной экономике.

Исторически НАСА было основным пользователем водородных ресурсов для своей космической программы — оно заправляло шаттлы жидким водородом и использует резервные водородные топливные элементы для выработки электроэнергии. В последние годы в центре внимания оказались электромобили на топливных элементах (FCEV), которые имеют более низкие выбросы парниковых газов, чем их бензиновые аналоги. Водород также может использоваться в качестве стационарного источника энергии (для зданий), резервного источника питания, хранения энергии, полученной с помощью процессов ветра и солнца, а также в качестве портативного источника энергии, подобного батареям (сегодня чаще всего используется в вилочных погрузчиках).

Почему водород?

Водород — очень универсальное и уникальное топливо, обладающее множеством свойств, которые сделают его идеальным топливом для любого развитого энергетического общества. Это топливо с нулевым уровнем выбросов, что означает, что использование водорода не создает каких-либо выбросов, что значительно улучшает здоровье местного населения вблизи дорог, межштатных автомагистралей и областей с высоким уровнем выбросов, таких как промышленные центры или порты. Водород, как и электричество, является энергоносителем, и его можно производить практически из любого энергоресурса, включая возобновляемые ресурсы, такие как ветер, солнце, биомасса и т. Д.и, таким образом, помочь создать энергетическую экономику, которая не способствует изменению климата. Водородные топливные элементы работают бесшумно, снижая шумовое загрязнение в транспортном потоке и повышая уровень жизни населения. Водород масштабируем и может приводить в действие любой автомобиль любого размера, от велосипедов до тяжелых грузовиков дальнего следования, автобусов, кораблей и самолетов. Заправка водородом происходит быстро, как и в автомобилях с бензиновым двигателем, и поэтому не требует изменения поведения со стороны тех, кто использует эту технологию.

Водородные топливные элементы можно безопасно использовать внутри помещений, например.г. большие склады, и не теряют производительности, как батареи, когда они почти разряжены. Водород
можно хранить в течение длительного времени, в отличие от батарей, которые теряют заряд. Топливные элементы не разлагаются так быстро при использовании в течение более длительных периодов времени и различных циклов использования, что позволяет использовать их более 10 лет без необходимости замены. Водородные топливные элементы также довольно легки в обслуживании, поскольку в них очень мало движущихся частей.

Что такое топливный элемент?

Топливный элемент — это электрохимическое устройство, преобразующее водород и кислород в электричество.В электромобилях на топливных элементах используется топливный элемент PEM — протонообменная мембрана. В своей простейшей форме топливный элемент PEM представляет собой два электрода — анод и катод, разделенных мембраной, покрытой катализатором. Катализатор разделяет водород на составляющие — протон и электрон. Протон движется через мембрану, чтобы достичь анода, тогда как электрон вынужден следовать альтернативному пути, который создает полезную электроэнергию для двигателя транспортного средства и других приложений. Как только протон и электрон достигают анода, они соединяются с кислородом и в конечном итоге создают воду — единственное излучение этих транспортных средств.

Один топливный элемент не может обеспечить достаточно электроэнергии для питания автомобиля, поэтому используется батарея топливных элементов. Пакет топливных элементов состоит из множества топливных элементов PEM, которые сложены вместе, как ломтики в буханке хлеба. Стек вырабатывает электричество, которое питает автомобиль до тех пор, пока есть топливо. Когда в баке заканчивается топливо, вы останавливаетесь на водородной станции и заправляете его через несколько минут. Тогда вы снова в пути и готовы к работе!

Каковы преимущества водородных и топливных элементов?

Ключевые преимущества водородных и топливных элементов включают:

  • Возможность быть более чем в два раза более эффективной по сравнению с традиционными технологиями сжигания
  • Более низкие выбросы парниковых газов во время работы автомобиля
  • Тихая работа
  • Меньше движущихся частей и так ниже вероятность неисправности
  • Хорошо подходит для различных применений (строительство зданий, мощность транспортных средств и т. д.)
  • Может использоваться в сочетании с технологиями солнечной и ветровой энергии для хранения энергии
  • Снижает зависимость от импорта нефти, поскольку водород может использоваться внутри страны производится из различных источников
  • Более низкие выбросы твердых частиц из выхлопных газов автомобилей
  • Выбросы NOx отсутствуют
  • По сути, безграничный запас водорода из комбинации источников (вода, природный газ и т. д.)
  • Использование возобновляемых источников энергии, таких как солнце или ветер с электролиз воды для производства водорода устраняет углекислый газ emmi изменения в течение всего цикла производства и использования, что означает отсутствие чистых выбросов углекислого газа

Что все это на самом деле означает?

Это означает, что водородные топливные элементы как источник энергии более экологичны, чем их бензиновые и ископаемые аналоги.Общее сокращение выбросов углерода и других вредных и нежелательных выбросов в стране и во всем мире; ведет к более здоровой окружающей среде и населению. Кроме того, использование топливных элементов для хранения энергии позволяет беспрепятственно передавать энергию в энергосистему в случае отказа электростанции или отключения электроэнергии. Общее снижение зависимости от импорта энергии из-за рубежа, что в долгосрочной перспективе будет стимулировать внутреннюю экономику.

Электромобили на топливных элементах (FCEV)

Что такое электромобили на топливных элементах (FCEV)?

FCEV и BEV являются «транспортными средствами с электроприводом», то есть движение полностью обеспечивается электродвигателями.FCEV вырабатывает электричество из водорода, хранящегося на борту транспортного средства, для питания электродвигателей. BEV используют электроэнергию, хранящуюся в батареях. Топливные элементы используются как в дорожных, так и в внедорожных транспортных средствах, включая автомобили, автобусы, грузовики и промышленные автомобили, такие как вилочные погрузчики и наземное вспомогательное оборудование аэропорта. И топливные элементы, и батареи вырабатывают электричество посредством химических реакций. Используя хранящиеся химические реагенты, аккумулятор необходимо перезарядить или заменить, когда реагенты истощены. В топливных элементах реагенты (водород и кислород) хранятся извне (водород на борту транспортного средства и кислород в атмосфере).Пока топливный элемент снабжен топливом и кислородом, топливный элемент будет вырабатывать электричество.

Чем топливный элемент отличается от аккумулятора?

Старый термин для топливного элемента — «газовая батарея», и по сути обе системы очень похожи. Топливный элемент имеет анод, катод и мембрану, покрытую катализатором. Мембрана — это электролит. Реагенты (водород и кислород) хранятся снаружи. Водород поступает со стороны анода топливного элемента, а кислород — со стороны катода.Когда молекулы водорода входят в контакт с катализатором, химическая реакция преобразует энергию, запасенную в водороде, в электрический ток. Топливный элемент будет создавать ток, пока в нем есть топливо. Когда подача топлива прекращается, реакция прекращается, а следовательно, и ток. Батарея имеет анод, катод и электролит, который позволяет протекать химической реакции. Реагенты находятся внутри батареи. Когда батарея работает, химическая реакция высвобождает электроны через внешнюю цепь, обеспечивая ток.Некоторые типы батарей можно перезаряжать, что обращает вспять химическую реакцию и позволяет снова накапливать энергию в батарее.

Насколько распространены топливные элементы?

Топливные элементы были впервые разработаны в 19 веке, но получили большее внимание, когда стали неотъемлемой частью космической программы в 1960-х годах. С тех пор технический прогресс позволил топливным элементам стать меньше и дешевле, что сделало их готовыми для массовой коммерциализации. Сегодня топливные элементы используются во множестве приложений, включая промышленные транспортные средства, такие как вилочные погрузчики и наземное вспомогательное оборудование аэропортов, резервные генераторы для телекоммуникационных вышек, автомобили, автобусы, грузовики, генераторы энергии, дроны, поезда и т. Д.

Что происходит, когда топливный элемент изнашивается?

Топливные элементы проектируются с расчетом на срок службы транспортного средства — около 150 000-200 000 миль. Демонстрационные автомобили на топливных элементах уже накопили более 100 000 миль в реальном вождении
. Автопроизводители предполагают, что, как и сегодня, когда транспортное средство преодолеет расстояние в 150 000 миль, большинство людей обменят свой автомобиль на топливных элементах на более новую модель. Однако некоторые люди могут выбрать замену топливного элемента, так же как некоторые люди предпочитают заменять двигатель в обычном автомобиле.По окончании срока службы топливный элемент будет разобран, а материалы переработаны, подобно тому, как это происходит сегодня с компонентами автомобилей.

Работают ли топливные элементы в холодную и жаркую погоду?

Топливные элементы одинаково работают в большинстве погодных, температурных и высотных условий, хотя возможны небольшие изменения в характеристиках. Однако они значительно меньше, чем, например, Аккумулятор
деградирует в условиях холодного климата.

Заправить FCEV труднее, чем бензиновый автомобиль?

Нет, на самом деле это очень похоже на заправку бензинового или дизельного автомобиля с небольшими отличиями.Это видео объясняет все за 45 секунд.

Когда электромобили на топливных элементах будут доступны покупателям автомобилей в США?

Тысячи имеющихся в продаже FCEV сегодня находятся на дорогах Калифорнии. Honda, Toyota и Hyundai продают или сдают в аренду автомобили FCEV. Многие производители автомобилей, в том числе Nissan, Renault, Daimler, BMW, Ford и General Motors, объявили или совместно работают над электромобилями на топливных элементах, которые будут выпущены в 2020 году. Также были объявлены автомобили средней и большой грузоподъемности, которые тестируются или продаются компанией Toyota, U.С. Гибрид, Loop Energy, Nikola Motors и Kenworth.

Производство водорода

Как производится водород?

Водород — одно из самых универсальных видов топлива. Существуют технологии для производства водорода из любого исходного сырья, включая солнечную энергию, ветер, ископаемое топливо, уголь, биомассу, электричество. В настоящее время от 37% до 44% водорода, используемого для транспорта в Калифорнии, являются возобновляемыми. Однако много водорода производится из ископаемого топлива, особенно для нефтепереработки, химической промышленности и производства удобрений.

Длинный ответ:
Это одна из замечательных особенностей водорода — его можно производить из любого доступного нам источника энергии. В настоящее время и в будущем мы будем производить водород из экологически чистых возобновляемых источников энергии. Кроме того, что примечательно в водородной энергетической системе, так это то, что мы не «используем» водород, а только «заимствуем» его. Рассмотрим электролиз воды, когда электричество получают за счет энергии солнца или ветра. Мы используем эту энергию для разделения молекулы воды (h3O) на водород и кислород.Транспортируйте водород туда, где мы хотим его использовать, например, в топливный бак автомобиля, и выпускайте кислород в атмосферу. Затем в электромобиле на топливных элементах (FCEV) водород с кислородом из воздуха объединяются для производства воды, тепла и электричества для питания вашего автомобиля. В принципе, эту воду можно уловить и снова использовать для производства водорода. Химический состав выглядит следующим образом (e — электричество, q — тепло):

2h3O + e-> 2h3 + O2 + q: поместите h3 в бак вашего автомобиля и выпустите O2 в воздух:

Затем возьмите h3 в баке и O2 из воздуха

2h3 + O2> 2h3O + q + e-: высвобождаемая энергия (e-) используется для питания вашего электромобиля на водороде, а q
(тепло) может использоваться для нагрева машина или…

Ничего не потребляется.

Как сегодня производится водород и где он используется?

Водород, как и электричество, является скорее энергоносителем, чем энергоресурсом. Как электричество, так и водород можно производить из всех доступных энергоресурсов (включая природный газ, нефтепродукты
, уголь, солнечную энергию, ветер, биомассу и другие). Водород и электричество можно производить из источников, нейтральных к парниковым газам, что позволяет решить проблемы изменения климата и качества воздуха в городах. Как и в случае с электричеством, водород может быть получен из устойчивых внутренних и возобновляемых источников энергии, что повышает нашу долгосрочную энергетическую безопасность.

Поскольку водород является энергоносителем, он не расходуется; он только используется. Например, водород можно получить, разделив воду (h3O) на два атома водорода и один атом кислорода. Кислород, образующийся в этой реакции, выбрасывается в атмосферу, а водород хранится в резервуаре. Этот накопленный водород затем можно использовать для заполнения FCEV. Когда FCEV работает, его топливный элемент забирает водород, хранящийся на борту, а также кислород из атмосферы и вырабатывает электроэнергию (для питания электродвигателей транспортного средства), воду и тепло.В этом процессе не расходуются кислород, водород и вода. В конце процесса существует такое же количество водорода, кислорода и воды, как и в начале.

Сегодня 37% -44% водорода, используемого в транспорте, являются возобновляемыми, но 95% всего водорода, производимого в Соединенных Штатах, производится путем переработки природного газа в промышленных масштабах. Этот процесс называется риформингом ископаемого топлива или паровым риформингом метана (SMR). В процессе используется природный газ (ПГ) и пар для образования потока продуктов, состоящего из диоксида углерода (CO2) и водорода (h3).Крупномасштабный SMR — это эффективный процесс с тепловым КПД более 70%. Большая часть водорода производится для химических веществ и процессов нефтепереработки, в которых использование более дорогого возобновляемого водорода нежелательно.

Выбросы парниковых газов можно полностью избежать, если CO2, произведенный в SMR, улавливается и хранится в процессе, известном как улавливание и хранение углерода (CCS). Ожидается, что по мере развития устойчивой возобновляемой энергетики в Соединенных Штатах производство водорода с низким или нулевым содержанием углерода станет более обычным явлением.

В Соединенных Штатах ежегодно производится более 10 миллионов метрических тонн водорода, чего достаточно для заправки десятков миллионов FCEV. Однако в настоящее время водород в основном используется в нефтяной, аммиачной, химической и пищевой промышленности.

Где взять водород?

Калифорния активно строит кластеры водородных заправочных станций (HFS), стратегически расположенные таким образом, чтобы обеспечить удобство заправки топливом FCEV. Эти кластеры расположены в столичном районе Лос-Анджелеса, районе залива Сан-Франциско и Сакраменто.Также были развернуты несколько соединительных станций на межштатной автомагистрали 5 в Санта-Барбаре и на трассе I15, ведущей в Лас-Вегас. Северо-восток США также будет строить HFS, стратегически расположенные со станциями подключения, аналогично тому, как это было принято в Калифорнии.

Длинный ответ:
Есть три лидера, которые активно развертывают инфраструктуру заправки водородом: Япония, Германия и Калифорния. Некоторые штаты на северо-востоке США также активно развертывают водородные заправочные станции, однако это только начало.В Калифорнии в настоящее время имеется 31 коммерческая станция, стратегически расположенная. Владелец FCEV может подъехать и, очень похоже на заправку автомобиля на бензине, заправить свой автомобиль. В Калифорнии действуют грантовые контракты на 65 станций с обязательным финансированием в размере 20 миллионов долларов в год для 100 станций. Эти станции сгруппированы в стратегически важных местах в регионах, где производители автомобилей предлагают автомобили для покупки. Эти станции обеспечивают удобную заправку топливом в количестве, достаточном для поддержки развертывания транспортных средств.Есть также стратегически расположенные «соединительные» станции вверх и вниз по Калифорнии. Эта же стратегия обсуждается для размещения станций на Северо-Востоке. California Fuel Cell Partnership ведет карту заправочных станций в Калифорнии и их статус. http://cafcp.org/stationmap.

Экономика

Водород дороже (или дешевле) бензина?

Сейчас цена на коммерческий водород выше, чем, например, на обычное топливо; бензин по цене за милю.Но по мере роста коммерческой отрасли цена будет снижаться.

Длинный ответ:
Цены на водород варьируются в зависимости от закупленного количества, метода производства и т. Д. Например: можно обосновать производство очень недорогого водорода, если использовать электричество
, произведенное из избыточной электроэнергии, произведенной из возобновляемая солнечная энергия. Стоимость этого водорода может составлять 0,00 долл. / Кг. Коммерческая цена в 2017 году составляет около 10-17 долларов за кг, но на самом деле это неверная метрика.В транспортных приложениях электромобили на топливных элементах (FCEV) примерно в два раза эффективнее обычных транспортных средств, работающих на бензине — FCEV проедет примерно вдвое больше на килограмме водорода (энергетический эквивалент галлона бензина). Таким образом, в расчете на милю 10 долларов за килограмм равны 5 долларам за галлон по сравнению с бензиновым двигателем внутреннего сгорания. Ожидается, что по мере роста коммерческого рынка это число будет уменьшаться. DOE FCTO ставит цель затрат на килограмм коммерческого водорода в размере 3-5 долларов за килограмм.Если эти цифры будут достигнуты, стоимость мили для FCEV будет меньше, чем у современного автомобиля с бензиновым двигателем.

Сколько будет стоить водород по сравнению с бензином?

На основании текущего анализа стоимость водорода будет сопоставима с ценой на бензин в расчете на одну милю. По мере развития инфраструктуры и увеличения объемов затраты будут снижаться, а водород будет дешевле бензина. В настоящее время килограмм водорода на водородных станциях в Калифорнии стоит от 10 до 17 долларов, что составляет от 5 до 8 долларов.50 за галлон бензина, однако производители включают бесплатное водородное топливо в течение нескольких лет при продаже FCEV.

Сколько стоят FCEV?

По состоянию на 2017 год Toyota Mirai доступна по цене от 57 500 долларов до льгот. При наличии действующих стимулов стоимость снижается примерно до 45 000 долларов, включая 15 000 долларов на топливо на первые три года. Аренда автомобилей Hyundai, Honda и Toyota FCEV доступна по цене от 2900 до 2500 долларов и от 369 до 350 долларов в месяц с включенным топливом.

Разве топливные элементы не слишком дороги, чтобы стать мейнстримом?

Топливные элементы становятся все ближе к конкурентоспособности за счет повышения производительности и объема. Исследования и разработки Министерства энергетики помогли снизить стоимость топливных элементов вдвое с 2007 года, а их долговечность увеличилась в четыре раза2. Они широко используются в самых разных областях, от транспортных средств до погрузочно-разгрузочных работ. Например, теперь вы можете купить или арендовать автомобиль на водородных топливных элементах в Калифорнии, а такие компании, как FedEx, Sysco, Walmart и Coca-Cola, используют топливные элементы для работы вилочных погрузчиков.Кроме того, Sprint и AT&T используют их в качестве аварийных резервных копий для питания вышек сотовой связи по всей стране.

Зачем строить автомобили на водородных топливных элементах, если уже есть бензиновые, дизельные и электрические автомобили?

Транспортные средства как на водородных топливных элементах, так и на батареях являются электромобилями, и электромобили не производят выбросов из выхлопной трубы, что значительно снижает воздействие выбросов на здоровье. Мало того, что все электромобили не имеют выбросов, они также могут быть произведены с использованием возобновляемых источников энергии, что позволяет снизить значительный вклад выбросов парниковых газов транспортным сектором в изменение климата.Однако аккумуляторные электромобили имеют определенные ограничения, которые могут препятствовать их широкому распространению во всех транспортных секторах. BEV, как правило, имеют более короткие диапазоны и требуют больше времени для полной перезарядки, чтобы обеспечить полный диапазон. Электромобили на водородных топливных элементах (FCEV) обеспечивают те же впечатления от вождения, что и обычные бензиновые или дизельные автомобили, и могут заправляться за аналогичное время (3-5 минут) и могут обеспечивать высокую мощность (более крупные автомобили) и большие расстояния ( От 300 до 400 миль).

Длинный ответ:
И электромобили на аккумуляторных батареях (BEV), и электромобили на топливных элементах (FCEV) являются электромобилями.Разница в том, что BEV хранят энергию, необходимую на борту, в батареях, а FCEV хранят энергию в баке с водородом, как в автомобилях с бензиновым двигателем. Время заправки для FCEV составляет 3-5 минут, в отличие от часов для BEV. Диапазон значений FCEV зависит от того, сколько водорода хранится на борту; текущие автомобили от 300 до 400 миль. Даже самые продвинутые BEV (такие как Tesla) имеют порядка 270 миль для 85D в 5-тактном диапазоне EPA. Производители автомобилей признают, что BEV хорошо вписываются в сегмент рынка с малой мощностью и малым радиусом действия (городские автомобили), а FCEV удовлетворит остальную часть рынка (легковые автомобили большего размера, внедорожники, грузовики, даже грузовики с прицепами класса 8).Это оба электромобиля, которые предлагают привлекательные впечатления от вождения электромобиля (без прерывания крутящего момента, постоянный полный привод, захватывающее ускорение).

Инфраструктура

Рентабельно ли создание водородной инфраструктуры?

Да. Требования к инфраструктуре для водорода аналогичны требованиям к инфраструктуре сжатого природного газа (КПГ), которая в настоящее время разрабатывается для обслуживания транспортных средств, работающих на природном газе. Предполагая, что срок службы FCEV составляет 100000 миль, оценки развертывания водородной инфраструктуры на зрелом рынке колеблются от 1000 до 2600 долларов за автомобиль, или около 0 долларов.01 до 0,03 доллара за милю. Стоимость водородной инфраструктуры, наряду со стоимостью водорода, неуклонно снижается и на зрелом рынке, по оценкам, будет аналогична зарядной инфраструктуре BEV для каждого автомобиля. Действительно, на зрелом рынке, когда бизнес-модель заправочных станций приносит прибыль владельцу станции, инфраструктура будет расти вместе с повышенным спросом без дальнейшей государственной поддержки.

Сколько будет стоить первоначальный запуск водородной инфраструктуры для покрытия?

Строительство инфраструктуры водородного топлива на начальных этапах для обеспечения необходимого покрытия не так дорого, как можно было бы подумать.Согласно McKinsey & Company, общественные затраты на развертывание инфраструктуры h3 для каждого автомобиля аналогичны стоимости инфраструктуры подзарядки BEV. Ранние станции могут не достичь рентабельности до тех пор, пока рынок FCEV не вырастет и не появится больше автомобилей. Тем не менее, общепризнано, что эти ранние станции «охвата» должны быть созданы до того, как будет создан рынок FCEV. Энергетическая независимость Сейчас изучает вопрос для штата Калифорния. Государственная поддержка важна на ранних этапах развертывания инфраструктуры.Калифорния выделила 20 миллионов долларов в год в течение следующих 10 лет для поддержки первоначального строительства 68 станций для покрытия, а затем еще 32 станций для увеличения мощности (всего 100 станций). Эти средства также помогут поддержать эксплуатацию и техническое обслуживание станций, чтобы обеспечить их работу на ранних этапах создания инфраструктуры. Предполагается, что первые станции «охвата» (0 <68) будут обслуживать до 20 000 FCEV, при этом 100 станций должны поддерживать 20 000–30 000 FCEV.Hyundai недавно получила более 20 000 заявок на аренду для своей программы лизинга автомобилей FCEV в Лос-Анджелесе, что является показателем раннего спроса на автомобили, которые будут использовать водородную инфраструктуру.

Капитальные затраты в Калифорнии, где сегодня строится водородная инфраструктура, оцениваются от 0,9 миллиона долларов для станции 100–170 кг / день до 1,4 миллиона долларов для станции 250 кг / день для заправки топливом на раннем этапе (2013 г.) . Для станций, построенных в 2015–2017 годах, капитальные затраты оцениваются в 0 долларов.9 миллионов для станции 250 кг / день и от 1,5 до 2,0 миллионов долларов для станции 400-500 кг / день.

Могу ли я проехать через Калифорнию на автомобиле FCEV?

Развертывание водородных станций в Калифорнии адаптировано к тому, как большинство людей водят машину и заправляются топливом: несколько станций рядом с домом, работой, станции в популярных местах назначения и «соединительные» точки, чтобы клиенты могли ездить по всему штату. К 2022 году ожидается 100 станций по всему штату.

Сколько водородных заправочных станций потребуется в Калифорнии и США.S. создать надежную инфраструктуру сети?

Хотя на этапе развития рынка FCEV еще слишком рано определять точное количество, цель состоит в том, чтобы установить достаточное количество стратегически расположенных станций, чтобы удовлетворить ожидания потребителей в отношении местоположения, удобства и доступности. Эти стратегически расположенные станции обеспечат покрытие, чтобы обеспечить развертывание рынка FCEV. По мере развития рынка увеличивающееся количество водородных станций будет удовлетворять растущий спрос со стороны парка FCEV на обеспечение необходимой мощности.Однако модель демонстрирует, что водородные станции не нужно строить в том же масштабе, что и существующая бензиновая инфраструктура, чтобы поддерживать покрытие, необходимое для первоначального внедрения FCEV.

В Калифорнии к 2022 году планируется профинансировать 100 станций, которые будут обслуживать 68 000 автомобилей.

Какие нормативные изменения необходимы для ускорения расширения водородной инфраструктуры?

Многое было изучено при разработке первых водородных установок в результате частного и государственного сотрудничества, включая работу отрасли с U.S. Управление технологий топливных элементов Министерства энергетики. Были разработаны и приняты на национальном уровне оправданные и технически обоснованные кодексы моделей. Хотя кодексы и дальше будут развиваться вместе с технологией, они уже облегчают развертывание водородной инфраструктуры, поскольку они принимаются и внедряются на местном уровне.

Хотя процесс выдачи разрешений и строительства водородной заправочной станции аналогичен процессу заправочной бензоколонки, местным властям, имеющим юрисдикцию, потребуется просвещение в отношении поведения водорода и национальных кодексов, связанных с водородом.

Кроме того, поскольку водород и бензин имеют разные свойства, заправочные станции будут иметь разную конструкцию. Ожидается, что будут внесены муниципальные изменения в разрешенные процедуры, спецификации проекта
и установки. Однако разработчики станций переходят от уникальных конструкций станций к более стандартизированным объектам, чтобы упростить местные процессы получения разрешений и строительства.

Также ведутся работы по модификации дилерских центров, облегчающих техническое обслуживание автомобилей FCEV.Как и в случае с заправочными станциями, информирование местных властей об автомобилях, топливе, обновленных правилах и стандартах является ключом к эффективному развертыванию FCEV.

Как я могу найти станцию ​​в моем районе?

Большинство станций Калифорнии получают софинансирование от Комиссии по энергетике Калифорнии. Конкурсный процесс предоставления грантов CEC обычно определяет области, которые являются приоритетными для водородных станций. Разработчики АЗС часто ищут существующие АЗС, которые:

1. Имеют достаточно места для оборудования
2.Зонированы, чтобы разрешить использование альтернативных видов топлива. (Во многих городах указано, что станция выдает
жидкое топливо.)
3. Имеют хорошие отношения с окружающим населением.

Это также полезно, если город является сторонником транспортных средств с нулевым уровнем выбросов. Стимулы и льготы для водителей транспортных средств со штепсельной розеткой должны распространяться на автомобили FCEV. Рекомендуется работать с деловым сообществом города, которым может быть Торговая палата или Департамент экономического развития, а также с группами устойчивого развития, которые планируют и готовят к установке подключаемых транспортных средств.Большая часть работы PEV может включать в себя FCEV, просто заменив «p» на «z».

Экологические аспекты

Создает ли водород загрязнение?

Все виды топлива в той или иной форме загрязняют окружающую среду. Исследования «от скважины к колесам», в которых сравниваются различные пути подачи топлива и типы транспортных средств, показывают, что водород, производимый из природного газа и используемый в транспортных средствах на топливных элементах, вдвое эффективнее и на 55% чище, чем бензин, применяемый в обычных транспортных средствах. Еще лучше водород, полученный из возобновляемых источников энергии.

Сколько водорода можно возобновить?

В Калифорнии не менее 33% всего водорода, используемого для транспортировки, вырабатывается из возобновляемых источников, поскольку это требуется в процессе разработки заправочных станций. Прямо сейчас возобновляемый водород по-прежнему дороже, отчасти из-за отсутствия крупномасштабных предприятий по производству возобновляемого водорода, которые снижают цену на водород. С более широким внедрением водорода в Калифорнии цена на возобновляемый водород снизится.

Зачем производить водород из возобновляемых источников энергии?

Использование избыточной возобновляемой энергии для производства водорода — отличный способ увеличить производство возобновляемой энергии, а также производить транспортное топливо без парниковых газов. В Калифорнии 350 из 365 дней в году производство возобновляемой энергии сокращается или тратится впустую. Это будет только увеличиваться с увеличением доли возобновляемой электроэнергии в сети.

Приложения для водородной энергетики и топливных элементов

Насколько универсальны водородная энергия и топливные элементы?
Топливные элементы

имеют множество применений и могут быть разделены на три группы:

Portable Power Generation — это компактные портативные системы топливных элементов, которые можно использовать для подзарядки батарей или непосредственного питания бытовой электроники (например.г. ноутбуки и смартфоны).
Портативные топливные элементы также могут обеспечивать резервное питание вне сети в удаленных местах или в дороге.

Стационарная выработка электроэнергии может быть важной частью распределенной генерации и часто используется в качестве основного или резервного источника питания для крупных энергетических инфраструктур. Это высокоэффективное использование
топливных элементов, 50% выработки электроэнергии и более 90% рекуперации тепла. Стационарная электроэнергетика не нуждается в длинных линиях электропередачи, которые вызывают потери мощности.
Есть три основных применения стационарных топливных элементов:

Системы когенерации мощностью от 0,5 киловатт (кВт) до нескольких мегаватт (мВт) используют тепло и электричество, вырабатываемые топливными элементами, для максимального повышения эффективности использования топлива. Тепло (которое теряется в других системах) можно использовать для нагрева воды и / или для обогрева помещения. Система топливных элементов ТЭЦ работает с КПД 80-95 процентов. В Японии в домах установлено более 120 000 ТЭЦ. В США были установлены установки в продуктовых магазинах, офисных зданиях, больницах и других учреждениях мощностью от 200 кВт до 1 МВт.Системы ИБП
обеспечивают бесперебойное питание и в основном используются для резервного питания во время отключений сети. Системы ИБП предлагают замену дизельным аварийным генераторам в больницах и серверных фермах. Во время урагана «Сэнди» системы ИБП, установленные на вышках сотовой связи, поддерживали связь между собой.
Первичные энергоблоки — большие стационарные блоки, которые могут выступать в качестве основного источника энергии для объекта или сети. Многие крупные корпорации (Apple, Verizon и eBay) используют топливные элементы в качестве основных источников энергии.В 2013 году компания Dominion открыла крупнейшее предприятие по производству топливных элементов мощностью 14,9 МВт. Самая большая в мире находится в Сеуле, Южная Корея, мощностью 59 МВт.

Электроэнергия для транспорта: топливные элементы могут использоваться для питания любого транспортного средства (скутеры, вилочные погрузчики, грузовики, автобусы, поезда, лодки, самолеты и автомобили). Вилочные погрузчики на топливных элементах популярны на складах по всему миру. Автопроизводители внедряют топливные элементы и уже вышли на рынок США.

Что такое Power-to-Gas?

Power-to-Gas (P2G) — единственная технология, способная обеспечить хранение в масштабе тераватт-часа без ограничений по местоположению.Возобновляемая электроэнергия используется для создания водорода, который затем хранится в системе хранения, такой как резервуары, пещеры или сеть природного газа. Использование сети природного газа позволит очень экономно хранить очень большие объемы возобновляемого водорода, так как требуется очень мало новой инфраструктуры.

Безопасность

Безопасен ли водород?

Водород так же безопасен, как и любое другое транспортное топливо (например, бензин, дизельное топливо и природный газ). Танки проходят тщательные испытания, включая краш-тесты, стрельбу и эксплуатационные требования.Они также сделаны из высокопрочных композитных материалов, которые намного прочнее стали. Например, испытательные резервуары подвергаются более чем вдвое большему максимальному давлению, которое они испытывают при нормальных условиях эксплуатации, чтобы гарантировать высокое качество работы. Кроме того, водородные заправочные станции имеют резервные системы защиты, поэтому создать избыточное давление в топливной системе транспортного средства практически невозможно. FCEV и заправочные станции для подачи водорода сегодня так же безопасны, как и обычные системы.Все автомобили FCEV должны соответствовать тем же строгим федеральным стандартам безопасности, которые применяются ко всем легковым автомобилям.

Водород безопасно производится и используется в промышленном секторе США более полувека. Как и с любым топливом, требуются безопасные методы обращения, но водород нетоксичен и не представляет угрозы для здоровья человека или окружающей среды в случае его выброса.

Водородные нормы и стандарты действуют на национальном уровне, чтобы гарантировать, что водородные заправочные станции будут такими же безопасными, как и их бензиновые аналоги.Эти национальные кодексы и стандарты принимаются на местном и региональном уровне.

Длинный ответ:
Насколько безопасны бензин, природный газ, пропан, ацетилен и любые другие энергоносители? Любое летучее вещество, которое при сочетании с окислителем (чаще всего воздухом) в правильных пропорциях, может воспламенить, выделяя энергию в виде тепла. Именно эта реакция приводит в действие наши автомобили (обычные двигатели внутреннего сгорания), обогревает наши дома, готовит пищу и обрабатывает тепло для производства стали и т. Д.Мы научились проектировать системы, которые безопасно используют эти энергетические вещества; водородные системы разработаны так, чтобы быть не более опасными, чем их обычные топливные аналоги.

Например; заправка на водородной заправочной станции, и риск, связанный с заправкой водородного транспортного средства на одной из этих станций, ниже, чем риск ходьбы через улицу, построенный в соответствии с кодом NFPA 2, дает не больший риск, чем заправка топливом на обычной заправочной станции .

Взрыв «Гинденбург» — может ли это случиться и с другими видами использования водорода?

Причина аварии в Гинденбурге — распространенное недоразумение. Причиной аварии является не водород.Причиной стал выброс статического заряда на обшивку воздушного корабля. Этот материал обшивки имел состав, аналогичный составу ракетного топлива. Обратите внимание, что дирижабль не «взорвался», он сгорел — в соответствии с дискуссией о смешивании окислителя с водородом, воздух не попал в носовую часть воздушного корабля — он оставался в воздухе во время горения — без взрыва — водород сгорел.

«Гинденбург» стал ужасной аварией — это была авария, в которой 62 из 97 пассажиров выжили, а 35 человек погибли.Многие из этих смертельных случаев произошли, когда пассажиры прыгнули на землю. Во многих других авиационных происшествиях смертность была значительно выше, и о них гораздо меньше вспоминают, например авария рейса 592 компании ValuJet в Майами, Флорида, в результате которой 110 человек погибли из-за пожара, который начался в грузовом отделении. Инцидент с ValuJet, с точки зрения потерянных жизней, был намного хуже, чем инцидент с Гинденбургом, и все же люди садятся в самолеты каждый день.

Могут ли водородные или топливные элементы взорваться или самовоспламениться?

Если позволить водороду смешаться с воздухом перед воспламенением, это может привести к взрыву.Однако, если произойдет выброс и произойдет немедленное возгорание, взрыва не произойдет, и водород просто сгорит. Большое внимание уделяется тому, чтобы в случае такой утечки водород сбрасывался в безопасное место, где он мог безопасно сгореть.

Длинный ответ:
Большинство энергетических веществ необходимо смешать с окислителем, прежде чем они смогут вступить в реакцию с высвобождением накопленной химической энергии. Например, бензин без окислителя (воздуха) не загорится (взорвется), как и природный газ (в основном, метан).Водород ничем не отличается, в отсутствие окислителя он не может вступать в реакцию. Что особенно интересно в транспортном применении, так это то, что в случае прокола резервуара с водородом (что маловероятно) водород улетучится, но свойства водорода и поведение этого непреднамеренного выброса предотвращают попадание воздуха (кислорода) в резервуар. Даже если выделяющийся водород загорится, это пламя не сможет распространиться в резервуар, воспламеняя водород внутри. В баке нет окислителя, только топливо.Это не относится ко всем другим распространенным энергетическим веществам, таким как бензин, природный газ, пропан… для этих веществ воздух может попасть в резервуар, смешаться с энергетическим топливом и воспламениться внутри резервуара.

Что происходит при утечке водорода?

Водородные системы предназначены для безопасного устранения утечек водорода.

Длинный ответ:
Это зависит от типа утечки. Типичные системы хранения водорода — это герметичные или жидкие. Есть и другие технологии, но самые распространенные.Для крупных водородных установок предпочтительна жидкость, для небольших и находящихся на борту электромобиля на топливных элементах в настоящее время предпочтительны системы под давлением.

Хранение жидкости:

Жидкий водород очень холодный и требует хорошо изолированных резервуаров для хранения водорода. Эти резервуары имеют двойные стенки с вакуумным уплотнением и находятся под низким давлением. Это очень развитая отрасль с десятилетиями безопасной эксплуатации — космический шаттл использует жидкий водород. Обращением с жидким водородом в обозримом будущем будут заниматься только обученные специалисты.

Хранение под высоким давлением:

В стационарных хранилищах водород может храниться под высоким давлением. В соответствии с NFPA 2 объект спроектирован таким образом, что в случае утечки он будет направлен в сторону от любых других опасностей, где ее можно безопасно уменьшить. Хотя вероятность такой утечки крайне маловероятна, она произошла, и системы безопасности отреагировали точно так, как предполагалось, без серьезных последствий.

Легковые автомобили (легковые автомобили) используют системы высокого давления для хранения водорода на борту транспортного средства.Автобусы и другие транспортные средства также используют системы высокого давления, хотя и не такие высокие, как легковые автомобили. Это полезно для увеличения дальности езды. Эти баки — чрезвычайно прочные баки, обтянутые углеродным волокном. Эта технология была разработана для космической программы и усовершенствована для коммерческих приложений. Эти резервуары должны пройти очень обширные испытания в соответствии с требованиями Глобальных технических правил 13 (GTR 13) и SAE 2579. Эти испытания намного более обширны, чем испытания, используемые для резервуаров для природного газа.Они проходят огневые испытания, испытания на цикл давления, температурные циклы, возгорание боеприпасов, падающую вышку и многое другое. Эти баки выдерживают серьезные автокатастрофы, поскольку по своей конструкции, если транспортное средство попадет в аварию с другим (бензиновым) транспортным средством и произойдет возгорание бензина, которое охватит водородный автомобиль, откроется предохранительный клапан давления (TPRD), управляемый температурой, и уйдет водород. направлен на землю. Все это мероприятие рассчитано на 5 минут для полного бака 4 кг. Из-за свойств водорода и поведения этих выбросов воздух не может попасть в резервуар, что исключает возможность взрыва резервуара.Этот сценарий возникает только при наличии пожара, который намного хуже, чем контролируемое пламя водородной струи.

На борту транспортного средства водород передается из резервуара высокого давления в систему подачи низкого давления, а затем в топливный элемент. В случае выхода из строя этой системы низкого давления, например, в результате аварии, топливная система немедленно отключается и закрывает клапан в баке, чтобы исключить утечку водорода под высоким давлением. При этом остается очень небольшое количество водорода низкого давления, который может выйти из топливной системы.Водород, который в 14,4 раза легче воздуха и диффундирует в 3,8 раза быстрее, чем метан, в этом потоке с преобладанием плавучести будет подниматься вверх и очень быстро диффундировать до концентраций ниже бедного предела опасной воспламеняемости. Если он воспламенится, то количества водорода будет недостаточно.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.