Водородная энергетика. Технологии и оборудование

Производство водорода. Характер и масштабы проблем при производстве водорода обусловлены тем, что в настоящее время получение до 95 % массы водорода проводится с использованием органического сырья — паровой конверсией метана, парокислородной конверсией, газификацией угля и т. д. Результаты изучения технических характеристик и технологических параметров установок по производству водорода показывают, что наиболее приемлемыми для решения задач в комплексе с возобновляемыми источниками энергии в настоящее время являются электролизные установки, на которых водород получают методом разложения воды.

Процесс производства водорода электролизом воды выгодно отличается от других методов одностадийностью и относительно простым аппаратурным и технологическим оформлением. Основным сырьем в данном случае является вода — наиболее доступный и практически неисчерпаемый источник Суммарное уравнение показывает, что при электрохимическом разложении воды выделяются водород и кислород в соотношении 2:1. Полученные газы имеют высокую степень чистоты — количество примесей (кислорода в водороде и водорода в кислороде) не превышает 0,1 %. Экономичность и конкурентоспособность метода зависят от наличия дешевой электроэнергии, стоимость которой в промышленности, как правило, составляет примерно 85 % общих затрат на производство водорода.

Ресурсы современной электроэнергетики недостаточны для производства водорода. Водородная энергетика занимается поисками дешевых первичных источников энергии, а также усовершенствованием процессов преобразования электроэнергии в водород и обратно.

Энергопотребление в традиционных электролизных системах по производству водорода в среднем составляет 4,8 кВт х х ч/нм3, что значительно выше теоретических минимальных затрат (3 кВт * ч/нм3 Н2). Современные усовершенствованные электролизеры щелочного типа работают при давлении 3 МПа и потребляют 4,3…4,6 кВт — ч/нм3 Н2; мембранные с перегородкой, проводящей протоны, и высокотемпературные паровые электролизеры потребляют 3,2 кВт — ч/нм3 Н2.

Основной проблемой при создании усовершенствованных электролизеров щелочного типа, работающих при температурах 100…120° С и давлении 0,1…0,5 МПа, является создание новых электродных и сепарационных материалов, которые могут стабильно функционировать в растворах КОН концентрацией 10 М. В качестве основы электродов используют никель Ренея, полученный по оригинальной технологии.

Очень важным аспектом является стоимость водорода, которая в значительной мере зависит от стоимости оборудования для его производства. В стоимость электролизной установки входят:

• собственно электролизер — 35…65 % стоимости;
• установка выпрямления тока (25..32 %);
• сопутствующие агрегаты (насосы. теплообменники) — 3…6 %;
• монтаж установки — 5…9 %.

Современной наукой предлагаются следующие возможности повышения эффективности и удешевления электролиза воды:

• проведение электролиза воды при повышенных температурах (127… 1027 °С);
• использование высокого давления;
• активация и увеличение поверхности электродов для снижения перенапряжения и интенсификации процесса электролиза;
• уменьшение расстояния между электродами и диафрагмой;
• использование твердых электролитов;
• повышение плотности тока на электродах;
• укрупнение единичных электролизных аппаратов.

Применение высокотемпературного электролизера НОТ-ELLV, в котором используется водяной пар, значительно понижает стоимость произведенного водорода: процесс проводится при температуре 1000 °С и имеет высокий КПД равный 93 %. Уже созданы экспериментальные установки, имеющие многотысячную часовую наработку с высокой производительностью.

Анализ технических характеристик ряда электролизных установок показал, что для применения в нетрадиционной энергетике наиболее приемлемыми являются электролизеры WERDER MODEL (Италия).

В водородной энергетике на современном уровне ее развития рассматриваются возможности использования в качестве первичных источников энергии Солнца, ветра и гидроэнергии. Изучение энергосистем с аккумулированием водорода при использовании этих источников энергии показывает, что стоимость генерирования электроэнергии в настоящее время еще достаточно высока (особенно это касается солнечной энергии). Наиболее эффективным в данном случае является использование в качестве первичных источников энергии ветра и гидроэнергии. Уже разрабатываются и испытываются модели водородных энергетических систем, в которых применяются эти источники энергии.

Хранение и транспортирование водорода. Как и большинство газов, водород может достаточно эффективно храниться и транспортироваться в любом состоянии. В настоящее время используются и находятся в стадии разработки следующие формы хранения и транспортирования водорода:

• газообразный водород (газгольдеры, подземные хранилища);
• сжатый газообразный водород (баллоны, рессиверы, подземные хранилища);
• водород в связанном состоянии в виде химических соединений и гидридов металлов;
• водород в жидком состоянии (криогенная форма).

Основным показателем при сравнении методов хранения водорода является плотность энергии. При этом водород, находясь в различных состояниях (газообразном, жидком или в форме гидрида), имеет разные физико-химические и технологические параметры.

Транспортирование водорода по приблизительной оценке только на 20…50 % дороже транспортирования природного газа. Затраты энергии для транспортирования водорода по трубопроводам в сжатом состоянии составляют около 1 % перенесенной водородом энергии, а стоимость транспортирования равна примерно 10 % стоимости водорода, переданного трубопроводом.

При передаче электроэнергии с помощью кабеля максимальное расстояние, на которое передача может быть экономически выгодна, равно 100 км. При передаче на большие расстояния затраты могут быть снижены, если энергию на начальной стадии преобразовывать в водород, а потом передавать его по трубопроводу.

Удельные приведенные расходы на транспорт энергии водорода и других энергоносителей на различные расстояния (в руб./т у. т. — цены на 1990 г.) представлены.

Дата публикации: 26.04.2013

Похожие записи:

• Водородная энергетика
• Геотермальная энергетика. Производственная база
• Геотермальная энергетика. Состояние в Украине
• Геотермальная энергетика. Состояние в странах мира
• Геотермальная энергетика. Технологии и оборудование
• Геотермальная энергетика. Классификация ресурсов