Потенциальные области применения водорода очень разнообразны. От промышленности до транспортного сектора водород может удовлетворить широкий спектр потребностей. Благодаря характеристикам производства водорода водородные системы могут обеспечить более экологичную и интеллектуальную энергетическую систему.
Водород и топливные элементы могут внести наиболее важный вклад в транспортный сектор, где внедрение альтернативных источников энергии, таких как возобновляемые источники энергии, было наиболее труднодостижимым.
В то время как водород, полученный из возобновляемых источников энергии, является единственным устойчивым решением в долгосрочной перспективе, использование водорода на основе природного газа может представлять собой удобное переходное решение.
Свойства водорода
Водород имеет атомный номер один в периодической таблице элементов, что означает, что он самый простой и легкий (что делает его полезным для воздушных шаров). Он также является самым распространенным элементом, составляющий 75% массы всей Вселенной.
Из-за своей реакционной способности он обычно образует двухатомную молекулу (H2) или соединения с другими элементами. При комнатной температуре и давлении он существует в виде бесцветной молекулы без запаха с плотностью в 14 раз меньше плотности воздуха.
Эта низкая плотность позволяет ему быстро рассеиваться при попадании в воздух. Чтобы водород существовал в виде жидкости, температура должна быть снижена до 20,3 К. Он имеет одну из самых высоких плотностей энергии на единицу массы (между 120 и 142 МДж кг-1) и, поскольку он имеет более высокую энергию сгорания на единицу массы чем другие виды топлива, он стал интересен сообществу возобновляемых источников энергии.
Одной из самых привлекательных черт водорода является его присутствие в воде (H2O), которая покрывает около 71% поверхности Земли. Если водород можно будет экономично выделять из воды, он станет источником энергии будущего и значительно сократит выбросы парниковых газов на Земле.
Одним из его главных сдерживающих факторов является его воспламеняемость (что, с другой стороны, означает, что это хорошее топливо).
В то время как пределы воспламеняемости для такого топлива, как природный газ, находятся в диапазоне 5,0–15% (объемное отношение газа к воздуху), водород имеет диапазон от 4,0% до 75,0%. Водород имеет относительно низкую энергию воспламенения (0,02 мДж).
Основным преимуществом использования водорода для производства, например, электроэнергии является то, что он преобразуется в воду топливными элементами, а это означает, что он не считается загрязнителем. Кроме того, он нетоксичен и быстро рассеивается при высвобождении.
Хотя водород имеет множество применений (например, в химических процессах и реакциях), эта статья будет сосредоточено на его использовании в качестве энергоносителя.
Водородные технологии
Водород можно сжигать в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) или преобразовывать в электричество в топливных элементах.
Топливный элемент — это устройство, которое использует химическую реакцию между водородом и кислородом для производства электроэнергии.
Работа топливного элемента связана с реакцией, называемой окислением-восстановлением.
Сердце батареи состоит из трех элементов: двух электродов (окислительного анода, который испускает электроны, и восстановительного катода, который собирает электроны) и электролита, который их разделяет.
Принцип работы топливного элемента
Центральный электролит обладает способностью переносить молекулы, заряженные ионами, от одного электрода к другому и блокировать их, чтобы затем они могли пройти через внешнюю цепь батареи.
Резервуар также снабжает два электрода топливом. Если это водородный топливный элемент, то анод будет получать водород, а катод — кислород. Анод окисляет топливо, затем высвобождает электроны, которые электролит заставит пройти через внешнюю цепь и создает постоянный электрический ток. Этот процесс называется «окисление».
Со своей стороны, кислород, присутствующий в катоде, будет реагировать при контакте с электронами, высвобождаемыми в результате реакции, описанной выше. Это «восстановление», производящее тепло и воду.
Водородный топливный элемент
Электрическая энергия полученная с помощью водородных топливных элементов может использоваться непосредственно для питания электромобиля или любыми другими пользователями, такие как дома или промышленные предприятия.
Существует несколько различных технологий топливных элементов, но топливный элемент с полимерно-электролитной мембраной (PEM), также называемый топливным элементом с протонообменной мембраной, представляет собой технологию, предлагаемую для использования в автомобилях.
Приложения для конечного использования
В мире производится около 50 миллионов тонн водорода в год. До недавнего времени (последние 100 лет) водород в основном использовался для производства удобрений и гидрокрекинга. Ситуация изменилась с появлением водородной экономики. Сейчас люди рассматривают водород как замену ископаемому топливу.
Применение водорода в целом можно разделить на категории:
- стационарные установки (от электростанций до топливных элементов),
- мобильные системы (наземный, воздушный, водный и космический транспорт),
- резервные системы (портативные системы),
- специальные устройства (иногда самые интересные), в зависимости от выбранной платформы.
Обратите внимание, что категории часто пересекаются, потому что, например, водородный топливный элемент может быть помещен в производственное помещение (стационарное), автомобиль (мобильное), резервный генератор (резервный) или портативный компьютер (специальный).
Следует различать непосредственное использование водорода и использование водорода в топливных элементах. Например, водород можно использовать непосредственно, например, при сгорании в автомобилях или электростанциях, но его также можно использовать вторично, например, в топливных элементах.
Обсуждаемые выше категории включают оба этих вариантов применения водорода, иногда в комбинации.
Что касается транспорта, то на рынке уже представлены автомобили малой грузоподъемности на топливных элементах (FCEV), включая личные автомобили, такси и автопарки. Они хорошо конкурируют с обычными автомобилями по пробегу (250–350 миль на бак) и опыту заправки.
Благодаря дополнительному преимуществу, заключающемуся в бесшумности и отсутствии выбросов в выхлопной трубе, они являются главным дополнением к водородной экономике.
Водородный автомобиль
По прогнозам, автомобили с прицепным парком будут «более конкурентоспособными в 2030 году, чем автомобили, работающие на дизельном топливе, сжатом природном газе и биометане, со значительным отрывом».
Более крупные транспортные средства, такие как автобусы, демонстрируются по всей Европе и в Соединенных Штатах Америки, что должно привести к их увеличению в следующем десятилетии.
Использование водорода в других транспортных средствах, таких как вилочные погрузчики и большегрузные автомобили, растет, и капитальные затраты на водородные вилочные погрузчики теперь конкурентоспособны по сравнению с вилочными погрузчиками с батарейным питанием (смотрите — Тенденции и перспективы водородных топливных элементов для экологически чистого транспорта).
Поезда и легкорельсовый транспорт становятся еще одним способом использования водорода. Лодки с водородным двигателем вызывали интерес, по крайней мере, пятьдесят десятилетий назад, и в настоящее время ВМС США вновь проявляют интерес к подводным лодкам, переправам и другим судам. Это направление отстает от других, но набирает обороты.
Хотя водород лишь в минимальной степени рассматривался в отношении полета, в настоящее время он проникает в нишу дронов и авиации.
Что касается использования водорода в качестве энергии и топлива, то он находит все больше применений в энергетическом секторе, в частности, в качестве среды хранения после электролиза воды с использованием возобновляемой электроэнергии.
Некоторые организации и страны также комбинируют водород с другими видами топлива для производства электроэнергии и тепла.
Водородная энергетика будущего
Проблемы
Основные проблемы, с которыми сталкивается водород, включают проблемы хранения, чистоту (для топливных элементов) и инфраструктуру, включая безопасность.
Кроме того, хотя водород сам по себе является «чистым» энергоносителем, для его производства необходимо использовать другие источники энергии. Эта проблема решается с помощью возобновляемых источников энергии, таких как солнечная и ветровая.
Еще одна проблема, связанная с водородом, — отсутствие консенсуса в отношении его преимуществ — устраняется созданием Совета по водороду, о котором было объявлено на Всемирном экономическом форуме в 2017 году. По пронозам форума 18% конечной потребности в энергии в мире может быть удовлетворено с помощью водородных технологий.
Стоимость часто указывается как одна из проблем, но недавно было высказано предположение, что производство водорода электролизом стало рентабельным.
Фактически, производство водорода, который затем объединяется с молекулами на основе углерода для создания синтетического природного газа и заменителей автомобильного и авиационного топлива, может принести пользу как окружающей среде (за счет сокращение выбросов углерода) и замена существующих видов топлива.
А как только водород будет производиться электролизом с использованием чистых возобновляемых источников энергии, снизятся как стоимость, так и производство нежелательных побочных продуктов.
В 2010 году Министерство энергетики США подсчитало, что затраты на производство водорода с помощью ветряных электростанций и электролиза стали конкурентоспособными по сравнению с бензином.
Смотрите также: Какие бывают топливные элементы