Вода и водород в энергетике

Размещено на http://www.allbest.ru/

Иркутский национальный исследовательский технический университет

ВОДА И ВОДОРОД В ЭНЕРГЕТИКЕ

О.М. Стефановская, А.В. Чемезов

Аннотация

Актуальность данного исследования обусловлена глобальной проблемой человечества - нехваткой существующих источников получения энергии. Решением этой проблемы может стать производство энергии из природных источников - воды и водорода. Такой способ получения энергии отличается рациональностью и надежностью функционирования, высоким коэффициентом полезного действия, низкой токсичностью, бесшумностью, а также широким интервалом мощности. Указанный метод позволит ускорить и переход к «чистой энергетике», снизив зависимость страны от существующих энергоносителей.

Ключевые слова: вода; водород; гидроэлектростанции; волновая энергетика; электромобиль.

Annotation

WATER AND HYDROGEN IN POWER ENGINEERING

O. Stephanovskaya, A.Chemezov

Irkutsk National Research Technical University,

This study is important due to the global problem of mankind - the shortage of existing sources of energy. The solution to this problem can be the power generation from natural sources - water and hydrogen. This method of power generation is characterized by high rationality and operational reliability, high efficiency, low toxicity, noiselessness, and a wide power interval. The specified method will allow to accelerate also transition to "clean energy" decreasing dependence on existing energy carriers.

Keywords: water, hydrogen, hydroelectric power, wave energy, electric vehicle.

Основная часть

Одной из проблем современной энергетики является ограниченность существующих источников энергии. Для того чтобы получать топливо, когда на Земле будут исчерпаны запасы нефти и газа, необходимо переходить к новым источникам энергии и «чистой энергетике». Учитывая это, многие ученые и практики высказываются в пользу ускоренного поиска альтернативных нетрадиционных источников энергии. В частности, их интерес вызывают вода и водород, запасы которых неисчерпаемы. Неоспоримым достоинством такого рода источников являются относительная экологическая безопасность их использования, приемлемость для тепловых двигателей без существенного изменения конструкций, возможность долговременного хранения, транспортировки по существующей транспортной сети, нетоксичность и т.д.

Вода - источник жизни на Земле. Энергия воды - одна из первых энергий, которую люди научились использовать в своих целях. К примеру, принцип работы первых речных мельниц прост и в то же время гениален: движущийся поток воды вращает колесо, преобразуя кинетическую энергию воды в механическую работу колеса. В сущности все современные гидроэлектростанции работают именно таким образом, но с одним важным дополнением: далее механическая энергия преобразуется в электрическую [1].

Водород - удобное вещество для аккумулирования и более рационального использования энергии, получаемой от Солнца, ветра и других возобновляемых источников энергии. Главная цель - получение водорода из различных источников. Один из них - природное топливо: метан, уголь, древесина и т.д. При взаимодействии топлива с парами воды или воздухом образуется синтез-газ - смесь СО и Н2. Из нее затем выделяется водород. Другой источник - отходы сельскохозяйственного производства, из которых получают биогаз, а затем синтез-газ. Промышленно-бытовые отходы также используются для производства синтез-газа, что способствует одновременно и решению экологических проблем, поскольку отходов много, и их нужно утилизировать. В конечном счете образуется углекислый газ, водород и окись углерода. Далее происходит каталитическая очистка, электрохимическая конверсия и т.д. Водород можно получать также электролизом воды, то есть разложением ее под воздействием электрического тока. Очень важным элементом при преобразовании газа, содержащего водород, является очистка газа на палладиевых мембранах, в результате чего получается чистый водород.

Выработка электроэнергии с использованием водорода непосредственно связана с топливными элементами. Они представляют собой гальванические ячейки, в которых вырабатывается электроэнергия за счет протекания окислительно-восстановительных превращений реагентов, непрерывно поступающих к электродам извне. Причем в процессе электрохимической реакции это происходит напрямую, в отличие от традиционных источников, предполагающих сжигание твердого, жидкого и газообразного топлива. Такой способ преобразования топлива весьма эффективен с экологической точки зрения, так как в процессе преобразования выделяется минимальное количество вредных отходов, а также отсутствуют разрушающие шумы и вибрации. В простейшем топливном элементе, в котором используется чистый водород и чистый кислород, на аноде происходит разложение водорода и его ионизация. Из молекулы водорода образуются два иона водорода и два электрона. На катоде водород соединяется с кислородом, и возникает вода. Фактически в этом и состоит главная экологическая польза: в атмосферу выбрасывается водяной пар вместо огромного количества углекислого газа, образующегося при работе традиционных тепловых электростанций.

Водородная энергетика - отрасль энергетики, основанная на использовании водорода в качестве средства для аккумулирования, транспортировки и потребления энергии. Водород выбран как наиболее распространенный элемент на поверхности Земли, теплота сгорания которого очень высока, а продуктом сгорания в кислороде является вода (которая вновь вводится в оборот водородной энергетики). Для получения водорода необходим электролиз воды. Именно поэтому вода - это жидкое топливо, состоящее из связанных газов, кислорода и водорода.

Электролиз воды можно представить следующим уравнением:

2H₂O + энергия = 2H₂ + O₂.

Обратная реакция происходит в топливных элементах. Изначально они применялись только в космической отрасли, но сейчас приобретают все большую популярность и в других сферах (стационарные электростанции, автономные источники тепло- и электроснабжения зданий, двигатели транспортных средств, источники питания техники).

Данный вид использования водорода стал основой функционирования электромобилей. Так, компания Audi презентовала электромобиль с водородными топливными элементами. Он оснащен электрическим приводом, использующим в качестве источника энергии водородные топливные элементы, а также гибридной тяговой батареей и дополнительным электродвигателем. Его суммарная мощность составляет 170 КВт [2].

Также без воды невозможно получение энергии через гидроэлектростанции. Этот вид энергии стал доступным для человека благодаря совместной «работе» трех стихий: воды, воздуха и солнца. Солнце испаряет с поверхности озер, морей и океанов воду, образуя облака. Ветер перемещает газообразную воду к возвышенным областям, где она конденсируется и, выпадая в виде осадков, начинает стекать обратно к своим первоисточникам. На пути этих потоков ставятся гидроэлектростанции, которые перехватывают энергию падающей воды и преобразуют ее в электрическую. Мощность, вырабатываемая станцией, зависит от высоты падения воды, поэтому на ГЭС стали создаваться дамбы.

На данный момент большой интерес представляет энергия морских волн. На электростанциях, которые находятся в водной среде, происходит получение электроэнергии из кинетической энергии волн. Немаловажно то, что данная энергия превосходит по своей удельной мощности как ветровую, так и солнечную. Так, средняя мощность морских волн превышает 15 кВт на метр, а при высоте волны в 2 метра мощность ее может достигать около 80 кВт на метр. Теоретическое обоснование использования энергии морских волн было заложено еще в конце XIX века. Уже в 1890 г. была предпринята попытка практического использования энергии волн. Особенно ярко интерес к данной теме стал проявляться в последние 10 лет. Масштабные теоретические и практические исследования проводятся в Японии: на энергии морских волн действуют порядка 300 маяков [3]. Не отстает в изучении энергии волн и Англия - в Эдинбургском университете создана специальная лаборатория, оснащенная бассейном для имитации различных видов колебания морских волн.

Первая волновая электростанция, находящаяся на расстоянии 5 километров от берега, была открыта 23 сентября 2008 года в Португалии. Мощность этого сооружения равна 2,25 МВт, что позволяет обеспечивать электрической энергией примерно 1600 домов. Сейчас на электростанции работают 3 преобразователя электрической энергии волн, представляющие собой змеевидные устройства, которые погружены наполовину в воду. Длина каждого устройства равна 120 метрам, а диаметр составляет 3,5 метра. Вес сооружения - 750 тонн. Сущность работы станции заключается в том, что морские волны приводят в состояние движения секции сооружения, а сопротивление гидравлической системы помогает выработке электричества, которое по специальным линиям передач передается на берег. В данный момент ведутся практические работы по увеличению мощности этой станции с 2,25 МВт до 21 МВт: планируется добавить еще 25 преобразователей [4].

В России же волновая энергетика делает только первые шаги. В ноябре 2016 года на полуострове Гамова (Приморский край) была запущена первая волновая электрическая станция. Авторами идеи ее создания стали ученые Уральского федерального университета и исследователи Тихоокеанского океанологического института при Дальневосточном отделении РАН. Испытания при запуске станции показали, что волновая энергетика обладает большими перспективами. Бесперебойно выполняя качественную выработку электроэнергии, станция такого типа может осуществлять ряд дополнительных функций: стать волногасителем, который обеспечит защиту береговых сооружений и установок, а также производить автоматическую охрану морских границ. энергия топливный водород морской

Существуют также приоритетные направления работ, связанных с функционированием топливных элементов для получения водорода, академических институтов в рамках генерального соглашения между Российской академией наук и ОАО «Горно-металлургическая компания “Норильский никель”»:

* создание твердополимерных и твердооксидных топливных элементов, а также дальнейшее изучение возможностей щелочных топливных элементов, топливных процессоров для получения водорода из углеводородного топлива;

* разработка комплексов по производству, очистке, аккумулированию, хранению и транспортировке водорода;

* создание высокоэффективных экологически чистых энергетических установок и электрохимических генераторов широкого класса на основе топливных элементов, в том числе для использования в бытовых электронных устройствах;

* разработка ключевых элементов инфраструктуры водородной энергетики;

* разработка перспективных технологических процессов и изготовление высокотехнологичной продукции на основе использования палладия и металлов платиновой группы.

Таким образом, главная цель водородной и водной технологии - снижение зависимости от существующих энергоносителей. Получение энергии из воды и водорода - весьма рациональный и надежный метод. Несмотря на высокую стоимость оборудования, использование данных элементов в энергетике приобретает все большую популярность. К числу достоинств вышеуказанного способа получения энергии относятся: высокий КПД, низкая токсичность, бесшумность, модульная конструкция, многообразие первичных видов топлива, широкий интервал мощности.

Библиографический список

1. Беляевская Т.С., Конюхов В.Ю., Мозулева Ю.С. Поиск новых рынков сбыта для продукции энергетических компаний // Энергия - 2016. Экономические аспекты развития энергетики. 2016. С. 40-41.

2. Шамарова Н.А., Крупенев Д.С., Конюхов В.Ю. Влияние возобновляемых источников энергии на надежность электроснабжения потребителей // Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири: мат-лы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. Иркутск, 2016. С. 423-428.

3. Суслов К.В., Конюхов В.Ю., Субанова Н.В. Экономика и электроэнергетика - две вершины развития России // Информатизация и виртуализация экономической и социальной жизни: мат-лы II Межвузовской студенческой научно-практической конференции с международным участием. Иркутск: Изд-во ИРНИТУ, 2017. С. 76-81.

4. Щадов Г.И., Конюхов В.Ю., Шестакова М.И., Щадов И.М., Зотт Р.С., Чемезов А.В. Управление водными ресурсами горных предприятий. Иркутск: Изд-во ИРНИТУ, 2016. 168 с.

Размещено на Allbest.ru