Водородное топливо - Hydrogen fuel

Водородное топливо это нулевой выброс топливо горел кислородом. Его можно использовать в топливные элементы или двигатель внутреннего сгорания. Его начали использовать в коммерческих автомобили на топливных элементах, такие легковые автомобили, и был использован в автобусы на топливных элементах на протяжении многих лет. Он также используется в качестве топлива для двигательная установка космического корабля.

По состоянию на 2018 год большая часть водорода (∼95%) производится из ископаемого топлива на паровой риформинг или частичное окисление метан и газификация угля с небольшим количеством альтернативными способами, такими как газификация биомассы или электролиз воды[1][2] или солнечная термохимия,[3] а солнечное топливо без выбросов углерода.

Водород находится в первой группе и первом периоде в периодическая таблица, т.е. это самый легкий и первый элемент из всех. Поскольку водород весит меньше воздуха, он поднимается в атмосфере и поэтому редко встречается в чистом виде, H2.[4] В пламени чистого газообразного водорода, горящего на воздухе, водород (H2) реагирует с кислород (O2) сформировать воды (ЧАС2O) и высвобождает энергию.

2H2 (г) + O2 (г) → 2H2O (г) + энергия

Если сжигание водорода проводится в атмосферном воздухе вместо чистого кислорода, как это обычно бывает, можно получить небольшие количества оксиды азота, вместе с водяным паром.

Выделяемая энергия позволяет водороду действовать как топливо. В электрохимическом элементе эту энергию можно использовать с относительно высокой эффективностью. Если его использовать просто для обогрева, обычный термодинамика ограничения на тепловая эффективность подать заявление.

Водород, как и электричество, обычно считается энергоносителем, поскольку он должен производиться из первичного источника энергии, такого как солнечная энергия, биомасса, электричество (например, в форме солнечные фотоэлектрические или через ветряные турбины), или углеводороды, такие как природный газ или уголь.[5] Обычное производство водорода с использованием природного газа оказывает значительное воздействие на окружающую среду; как и при использовании любого углеводорода, выделяется диоксид углерода.[6] В то же время добавление 20% водорода (оптимальная доля, не влияющая на газовые трубы и приборы) к природному газу может снизить выбросы CO2, вызванные отоплением и приготовлением пищи.[7]

Производство

Основная статья: Производство водорода

Поскольку чистый водород не встречается на Земле в больших количествах, обычно требуется первичная энергия ввод для производства в промышленных масштабах.[8] Водородное топливо можно производить из метана или электролизом воды.[9] По состоянию на 2020 год большая часть водорода (∼95%) производится из ископаемого топлива на паровой риформинг или частичное окисление метан и газификация угля только в небольшом количестве другими способами, такими как газификация биомассы или электролиз воды.[10][2][11]

Паровой риформинг метана, ведущая в настоящее время технология производства водорода в больших количествах,[12] извлекает водород из метан. Однако эта реакция высвобождает ископаемые углекислый газ и монооксид углерода в атмосферу, которая парниковые газы экзогенный к естественному цикл углерода, и тем самым способствуют изменению климата.[4] При электролизе электричество пропускается через воду, чтобы разделить атомы водорода и кислорода. Этот метод может использовать ветер, солнце, геотермальную энергию, гидроэнергетику, ископаемое топливо, биомассу, ядерную энергию и многие другие источники энергии.[5] Получение водорода с помощью этого процесса изучается как жизнеспособный способ производства его внутри страны по невысокой цене.

Синдзо Абэ совершит поездку на объект FH2R в марте 2020 г.

Заявлен крупнейший в мире завод по производству водородного топлива.[13] будет Фукусимским исследовательским центром водородной энергетики (FH2R), установкой по производству водорода мощностью 10 МВт, торжественно открывшейся 7 марта 2020 года в г. Namie, Префектура Фукусима.[14] Участок занимает 180 000 квадратных метров земли, большую часть которой занимает солнечная батарея; но энергия из сети также используется для проведения электролиз воды производить водородное топливо. [13]

Энергия

Водород в огромных количествах заключен в воде, углеводородах и других органических веществах. Одна из проблем использования водорода в качестве топлива связана с возможностью эффективного извлечения водорода из этих соединений. Теперь на паровой риформинг, который сочетает высокотемпературный пар с природным газом, приходится большая часть производимого водорода.[15] Этот метод производства водорода происходит при температурах 700–1100 ° C, а его эффективность составляет 60–75%.[16] Водород также может быть получен из воды посредством электролиза, который менее углеродоемок, если электричество, используемое для запуска реакции, поступает не от электростанций, работающих на ископаемом топливе, а вместо этого используется возобновляемая или ядерная энергия. Эффективность электролиза воды составляет около 70-80%,[17][18] с целью достичь к 2030 году эффективности 82-86% с использованием электролизеров с протонообменной мембраной (PEM).[19] После производства водород можно использовать почти так же, как и природный газ - его можно доставлять в топливные элементы для выработки электричества и тепла, использовать в газовой турбине с комбинированным циклом для производства большего количества электроэнергии, производимой централизованно, или сжигать для сжигания двигатель; все методы без выбросов углерода или метана.[20] В каждом случае водород объединяется с кислородом с образованием воды. Это также одно из его важнейших преимуществ, поскольку водородное топливо экологически безвредно. Тепло в водородном пламени - это лучистое излучение вновь образованных молекул воды. Молекулы воды при начальном образовании находятся в возбужденном состоянии, а затем переходят в основное состояние; переход, испускающий тепловое излучение. При горении на воздухе температура составляет примерно 2000 ° C (как у природного газа). Исторически углерод был наиболее практичным носителем энергии, так как водород и углерод вместе взятые имеют большую объемную плотность, хотя сам водород имеет в три раза больше плотность энергии на массу как метан или бензин. Хотя водород является самым маленьким элементом и, таким образом, имеет немного более высокую склонность к утечкам из труб для природного газа, таких как железные, утечки из пластиковых (полиэтилен PE100) труб, как ожидается, будут очень низкими и составляют около 0,001%.[21][22]

Причина, по которой паровой риформинг метана традиционно предпочтительнее электролиза, заключается в том, что в то время как риформинг метана напрямую использует природный газ, для электролиза требуется электричество. Поскольку стоимость производства электроэнергии (с помощью ветряных турбин и солнечных фотоэлектрических установок) ниже стоимости природного газа, электролиз становится дешевле, чем SMR.[23]

Использует

Основная статья: Водородная экономика

Водородное топливо может обеспечить сила мотивации за Жидкостные ракеты, автомобили, поезда, лодки и самолеты, портативные топливные элементы или стационарные топливные элементы, который может питать электродвигатель.[24] Проблемы использования водородного топлива в автомобилях возникают из-за того, что водород трудно хранить в резервуаре высокого давления или в криогенном резервуаре.[25]

Преобразование двигателя внутреннего сгорания на водород

Двигатели внутреннего сгорания в коммерческих автомобилях были переведены на водородно-дизельную смесь в Великобритании.[когда? ] где до 70% выбросов были сокращены при нормальных условиях движения. Это устраняет опасения по поводу дальности полета, поскольку автомобили могут заправляться дизельным двигателем. Требуются незначительные модификации двигателей, а также добавление баков с водородом на сжатие до 350 бар.[26] В настоящее время проводятся испытания эффективности 100% -ного преобразования тяжелого грузовика Volvo FH16 на использование только водорода. Ожидается, что дальность полета составит 300 км / 17 кг;[27] что означает эффективность лучше, чем у стандартного дизельного двигателя[28] (где внутренная энергия из 1 галлон бензина равен 1 килограмму водорода. ). При низкой себестоимости водорода (5 евро / кг),[29] Значительная экономия топлива может быть достигнута за счет такого переоборудования в Европе или Великобритании. Чтобы конкурировать с бензином в США, потребуется более низкая цена, поскольку бензин не облагается высокими налогами на заправке.

Топливные элементы

Основная статья: Автомобиль на топливных элементах

Используя топливная ячейка для питания электрический двигатель в два-три раза эффективнее, чем при использовании двигателя внутреннего сгорания. Это означает, что при использовании водорода в топливном элементе достигается гораздо большая экономия топлива.

Критика

Водородное топливо опасно из-за низкой энергии воспламенения и высокой энергии сгорания водорода, а также из-за того, что оно имеет тенденцию легко вытекать из резервуаров.[30] Сообщалось о взрывах на водородных заправках.[31] Водородные заправочные станции обычно получают водород грузовиками от поставщиков водорода. Прерывание работы на водородном предприятии может привести к остановке нескольких заправочных станций.[32]

Смотрите также

Рекомендации

Примечания

  1. ^ Робертс, Дэвид (16.02.2018). «Эта компания, возможно, решила одну из самых сложных проблем в области чистой энергии». Vox. Получено 2019-10-30.
  2. ^ а б Огден, Дж. М. (1999). «Перспективы построения инфраструктуры водородной энергетики». Ежегодный обзор энергетики и окружающей среды. 24: 227–279. Дои:10.1146 / annurev.energy.24.1.227.
  3. ^ «Вопросы и ответы: Кристиан Саттлер из DLR о роли солнечной термохимии в производстве зеленого водорода». SolarPACES.org.
  4. ^ а б Альторк, Л. И Басби, Дж. Р. (октябрь 2010 г.). Водородные топливные элементы: часть решения. Учитель технологий и инженерии, 70 (2), 22-27.
  5. ^ а б Флоридский центр солнечной энергии. (нет данных). Основы водорода. Полученное из: http://www.fsec.ucf.edu/en/consumer/hydrogen/basics/index.htm
  6. ^ Зенер, Оззи (2012). Зеленые иллюзии. Линкольн и Лондон: Университет Небраски Press. С. 1–169, 331–42.
  7. ^ «Надежда на изменение климата на водородное топливо». Новости BBC. 2 января 2020.
  8. ^ Ван, Фэн (март 2015 г.). «Термодинамический анализ высокотемпературного риформинга гелиевого топлива для производства водорода». Международный журнал энергетических исследований. 39 (3): 418–432. Дои:10.1002 / er.3263.
  9. ^ Джонс, Дж. К. (март 2015 г.). «Возврат энергии, вложенной в водородное топливо парового риформинга природного газа». Топливо. 143: 631. Дои:10.1016 / j.fuel.2014.12.027.
  10. ^ Робертс, Дэвид (16.02.2018). «Эта компания, возможно, решила одну из самых сложных проблем в области чистой энергии». Vox. Получено 2019-10-30.
  11. ^ «Выбросы водорода за жизненный цикл». 4-е поколение. Энергия. Получено 2020-05-27.
  12. ^ Министерство энергетики США. (2007 фев). Потенциал производства водорода из основных возобновляемых источников в США. (Технический отчет NREL / TP-640-41134). Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии Голден, Колорадо: Милбрандт, А. и Манн, М. Получено из: http://www.afdc.energy.gov/afdc/pdfs/41134.pdf
  13. ^ а б «В городе Намиэ на Фукусиме завершено производство крупнейшего в мире водорода, Фукусимского исследовательского месторождения водородной энергии (FH2R)». Пресс-релизы Toshiba Energy. Корпорации Toshiba Energy Systems and Solutions. 7 марта 2020 г.. Получено 1 апреля 2020.
  14. ^ «Церемония открытия поля исследования водородной энергетики Фукусимы (FH2R) с премьер-министром Абэ и министром METI Кадзиямой». Новости METI. Министерство экономики, торговли и промышленности. 9 марта 2020 г.. Получено 1 апреля 2020.
  15. ^ «Центр данных по альтернативным видам топлива: основы водорода». www.afdc.energy.gov. Получено 2016-02-27.
  16. ^ Kalamaras, Christos M .; Эфстатиу, Ангелос М. (2013). «Технологии производства водорода: текущее состояние и перспективы развития». Материалы конференций по энергетике. 2013: 1–9. Дои:10.1155/2013/690627.
  17. ^ Столтен, Детлеф (4 января 2016 г.). Водородная наука и инженерия: материалы, процессы, системы и технологии. Джон Вили и сыновья. п. 898. ISBN  9783527674299. Получено 22 апреля 2018.
  18. ^ «ITM - Инфраструктура заправки водородом - февраль 2017» (PDF). level-network.com. п. 12. Получено 17 апреля 2018.
  19. ^ «Снижение затрат и повышение производительности электролизеров из ПЭМ» (PDF). fch.europa.eu. Совместное предприятие по топливным элементам и водороду. п. 9. Получено 17 апреля 2018.
  20. ^ Оно, Кацутоши (январь 2015). «Фундаментальные теории комбинированного энергетического цикла электролитического элемента с электростатической индукцией и топливного элемента для производства полностью устойчивой водородной энергии». Электротехника в Японии. 190 (2): 1–9. Дои:10.1002 / eej.22673.
  21. ^ «Энергетические мысли и сюрпризы». 2016-11-17. Получено 22 апреля 2018.
  22. ^ Сэдлер, Дэн (2018-04-06). «100% водород открывает все». medium.com. cH2ange. Получено 22 апреля 2018.
  23. ^ Филибер, Седрик. «Комментарий: Производство промышленного водорода из возобновляемых источников энергии». iea.org. Международное энергетическое агентство. Получено 22 апреля 2018.
  24. ^ Колелла, W.G. (октябрь 2005 г.). «Переход на парк транспортных средств с водородными топливными элементами в США: результирующее изменение выбросов, энергопотребления и парниковых газов». Журнал источников энергии. 150 (1/2): 150–181. Bibcode:2005JPS ... 150..150C. Дои:10.1016 / j.jpowsour.2005.05.092.
  25. ^ Зубрин Роберт (2007). Энергетическая победа: победа в войне с террором, освободившись от нефти. Амхерст, Нью-Йорк: Книги Прометея. п.121. ISBN  978-1-59102-591-7.
  26. ^ Далаган, Мария Тереза. «ULEMCO разрабатывает автомобили на водороде». Cargowaves.com. Получено 22 апреля 2018.
  27. ^ "Британская фирма продемонстрирует" первый в мире "грузовик с водородным двигателем внутреннего сгорания". theengineer.co.uk. Centaur Media plc. 2018-04-17. Получено 22 апреля 2018.
  28. ^ Мортенссон, Ларс. «Выбросы от грузовиков Volvo» (PDF). volvotrucks.com. п. 3. Получено 22 апреля 2018.
  29. ^ Андре Локке, Джон. «Широкое распространение конкурентоспособного водородного раствора» (PDF). nelhydrogen.com/. Nel ASA. п. 16. Получено 22 апреля 2018.
  30. ^ Утгикар, Вивек П.; Тизен, Тодд (2005). «Безопасность резервуаров для сжатого водородного топлива: утечки из стационарных транспортных средств». Технологии в обществе. 27 (3): 315–320. Дои:10.1016 / j.techsoc.2005.04.005.
  31. ^ Добсон, Джефф (12 июня 2019 г.). «Взрыв водородной станции приводит к остановке ТТС». Е.В. Разговор.
  32. ^ Вудроу, Мелани. «Район залива после взрыва испытывает нехватку водорода», Новости ABC, 3 июня 2019 г.

Библиография