Обзор на тему: «Водородная энергетика»
Составил: Лозицкий Ю.В.
Уже давно не новость, что дальнейшее интенсивное развитие современной энергетики и транспорта ведет человечество к крупномасштабному энергетическому и экологическому кризису.
Сейчас в качестве первичных источников используются нефтепродукты (34.9%), уголь (23.5%), природный газ (21.1%), ядерное топливо (6.8%) и возобновляемые источники - ветер, солнце, гидро- и биотопливо (13.7%). Это привело к тому, что за 50 лет выбросы углекислого газа в атмосферу возросли в 4.5 раза и сегодня составляют 20 х 1012 м3/год. Естественно, что одна из основных задач современной энергетики - поиски путей преодоления экологических проблем.
Вторая и, наверное, главная проблема состоит в том, что существующие источники энергии ограничены. Считается, что нефти и газа хватит не более чем на 100 лет, угля - примерно на 400 лет. Для того чтобы иметь топливо, когда на Земле будут исчерпаны запасы нефти и газа, и решить экологические проблемы, необходимо переходить к новым источникам энергии.
Надежда на "мирный атом" пока не оправдывается, из-за проблем, связанных с утилизацией ядерных отходов, предотвращением распространения атомного оружия, борьбой с возможным ядерным терроризмом; перспектива овладения термоядерной энергетикой и её использования в ближайшем будущем также весьма призрачна. При этом по самым оптимистическим оценкам , ядерного топлива хватит примерно на 1000-1200 лет.
Одним из решений может стать водородная энергетика.
(Под водородной энергетикой принято понимать систему энергообеспечения, основанную на применении водорода в качестве вторичного энергоносителя.)
Водород, самый простой и легкий из всех химических
элементов, можно считать идеальным топливом. Он имеется всюду, где есть вода.
При сжигании водорода образуется вода, которую можно снова разложить на водород
и кислород, причем этот процесс не вызывает никакого загрязнения окружающий
среды. Водородное пламя не выделяет в атмосферу продуктов,
которыми неизбежно сопровождается горение любых других видов топлива:
углекислого газа, окиси углерода, сернистого газа, углеводородов, золы и
т. п. Водород обладает очень высокой теплотворной способностью: при сжигании
Сейчас существует два возможных направления развития водородной энергетики :
- Создание водородных топливных элементов
- Осуществление термоядерного синтеза
Об этих двух основных направлениях и будет рассказано ниже.
1. Водородный топливный элемент.
Топливный элемент (электрохимический генератор) — устройство, которое преобразует химическую энергию топлива (водорода) в электрическую в процессе электрохимической реакции напрямую, в отличие от традиционных технологий, при которых используется сжигание твердого, жидкого и газообразного топлива. Прямое электрохимическое преобразование топлива очень эффективно и привлекательно с точки зрения экологии, поскольку в процессе работы выделяется минимальное количество загрязняющих веществ, а также отсутствуют сильные шумы и вибрации.
1.1. История развития топливных элементов
Принцип действия топливных элементов был открыт в 1839 году. Английский ученый Уильям Гроув (William Robert Grove, 1811—1896) обнаружил, что процесс электролиза — разложения воды на водород и кислород посредством электрического тока — обратим, т. е. водород и кислород можно объединять в молекулы воды без горения, но с выделением тепла и электрического тока. Прибор, в котором удалось провести такую реакцию, Гроув назвал «газовой батареей» («gas battery»), которая представляла собой первый топливный элемент.
В простейшем топливном элементе, где используются чистый водород и чистый кислород, на аноде происходит разложение водорода и его ионизация (рис. 3). Из молекулы водорода образуются два иона водорода и два электрона. На катоде водород соединяется с кислородом и возникает вода. Фактически в этом и состоит главный экологический выигрыш: в атмосферу выбрасывается водяной пар вместо огромного количества углекислого газа, образующегося при работе традиционных тепловых электростанций.
Рисунок. 1. Принцип действия топливного элемента - превращения химической энергии водорода-в электроэнергию
Для производства электрической энергии может использоваться не только чистый водород, но и другое водородосодержащее сырье, например, природный газ, аммиак, метанол или бензин. В качестве источника кислорода, также необходимого для реакции, используется обычный воздух.
Напряжение, возникающее на отдельном ТЭ, не превышает 1,1 вольта. Для получения необходимой величины напряжения ТЭ соединяются последовательно в батареи, а для получения необходимой мощности батареи ТЭ соединяются параллельно. Такие батареи ТЭ вместе с элементами газораспределения и терморегулирования монтируются в единый конструктивный блок, называемый электрохимическим генератором (ЭХГ).
При использовании чистого водорода в качестве топлива продуктами реакции помимо электрической энергии являются тепло и вода (или водяной пар), т. е. в атмосферу не выбрасываются газы, вызывающие загрязнение воздушной среды или вызывающие парниковый эффект. Если в качестве топлива используется водородосодержащее сырье, например, природный газ, побочным продуктом реакции будут и другие газы, например, оксиды углерода и азота, однако его количество значительно ниже, чем при сжигании такого же количества природного газа.
(Процесс химического преобразования топлива с целью получения водорода называется реформингом, а соответствующее устройство — реформером.)
Активное развитие технологий использования топливных элементов началось после Второй мировой войны, и связано оно с аэрокосмической отраслью. В это время велись поиски эффективного и надежного, но при этом достаточно компактного источника энергии.
|
Рисунок2. Топливный элемент с щелочным электролитом, установленный на космическом корабле «Space Shuttle» производства «ONSI Corporation» (сейчас «United Technologies, Inc.») |
В 1960-х годах специалисты НАСА (National Aeronautics and Space Administration, NASA) выбрали
топливные элементы в качестве источника энергии для космических кораблей
программ «Apollo» (пилотируемые полеты к Луне),
«Apollo-Soyuz», «Gemini» и «Skylab».
На корабле «Apollo» были использованы три установки
мощностью 1,5 кВт (пиковая мощность 2,2 кВт), использующие криогенный водород и
кислород для производства электроэнергии, тепла и воды. Масса каждой установки
составляла
|
Рисунок3. Топливный элемент на основе технологии PEM мощностью 5 кВт («United Technologies, Inc.»), установленный в багажнике автомобиля BMW 7-й серии, продемонстрированного на автосалоне во Франкфурте-на-Майне в 1999 году |
1.2. Топливные элементы на транспорте
Создание автомобилей с принципиально новыми типами
двигателей требует больших денег и практически невозможно без государственной
поддержки. Программа, по которой в США осуществляется финансирование
исследовательских и опытно-конструкторских работ, направленных на создание
семейного седана с эквивалентным удельным пробегом в три раза выше, чем у
американского семейного седана образца
В настоящее время топливные элементы применяются в космических кораблях многоразового использования «Space Shuttle», где используются три установки мощностью 12 Вт, которые вырабатывают всю электрическую энергию на борту космического корабля (рис. 2). Вода, получаемая в результате электрохимической реакции, используется в качестве питьевой, а также для охлаждения оборудования.
В СССР также велись работы по созданию топливных элементов для использования в космонавтике. Например, топливные элементы использовались для энергоснабжения советского корабля многоразового использования «Буран».
Разработки методов коммерческого использования топливных элементов начались в середине 1960-х годов. Эти разработки частично финансировались государственными организациями.
Первые созданные образцы использовали водород в
баллонах. Затем появились автомобили с водородом, химически связанным в
метиловом спирте (метаноле). В
|
Рисунок 3. Автомобиль Daimler Chrysler NECAR 5 на базе Мерседес Бенц А класса в штате Вайоминг во время пробега через территорию США (20 мая - 4 июня 2002). Для поставки водорода к ЭХГ на 75кВт используется метанол, который разработчики называют метанолизированный водород или МН2 . |
По оценкам специалистов, массовое применение топливных элементов будет возможно, если их стоимость составит 1–2,5 тыс. долл. за кВт. В настоящее время ряд компаний-производителей уже объявили о возможном скором достижении таких показателей.
Реальная экономическая эффективность зависит от стоимости электроэнергии и природного газа (либо другого топлива) в месте эксплуатации установки, а также от возможности использования тепловой энергии, эксплуатационных расходов и ожидаемого срока службы установки. Кроме этого, при оценке эффективности использования топливных элементов учитывается экономический эффект таких факторов, как высокая надежность (отказоустойчивость) установки и отсутствие протяженных коммуникаций.
Уже многие годы ведущие физики многих стран пытаются решить проблему термоядерного синтеза.
Ниже приведены ядерные реакциях синтеза гелия и трития из - изотопов водорода:
d + t = 4He + n + 17,6 МэВ,
d + d = 3He + n + 3,3 МэВ,
d + d = t + p + 4,0 МэВ,
p + d = 3He + g + 5,5 МэВ.
где p, n, d, t, He, g отвечают протону, нейтрону, ядрам дейтерия, трития, гелия и g-кванту соответственно.
Подобные реакции являются основой ядерного синтеза и источником излучения Солнца и многих других звезд.
Необходимым условием протекания таких реакций является сближение ядер водорода на малые расстояния, сравнимые с размерами ядер. Это возможно лишь при громадной кинетической энергии атомов водорода. Подобные энергии возможны лишь при нагреве водорода до сотен миллионов градусов.
В сущности подобные реакции человечество научилось осуществлять ещё в 60-е годы ХХ века посредством термоядерного взрыва. Но – это был неуправляемый термоядерный синтез. В результате подобного взрыва почти вся энергия заряда расходовалась в течение 10-9 сек. Для промышленного применения необходимо поддерживать подобную реакцию в течение длительного времени, причём термоядерный синтез должен быть стабильным иначе термоядерный генератор энергии превратится в бомбу.
До высокой температуры вещество может быть нагрето двумя способами:
- путём удержания вещества в магнитных ловушках;
- взрывным способом, где вещество удерживается за счёт инерционных сил.
Поэтому проблема промышленного получения энергии с помощью ядерных реакций синтеза получила название термоядерной.
В настоящее время известны два способа осуществления самоподдерживающейся термоядерной реакции:
1. Медленная реакция, самопроизвольно происходящая в недрах Солнца и других звезд. В этом случае количество реагирующего вещества настолько колоссально, что оно удерживается и сильно уплотняется (до 100 г/см3 в центре Солнца) гравитационными силами.
2. Быстрая реакция неуправляемого характера, происходящая при взрыве водородной бомбы. В качестве ядерного взрывчатого вещества в водородной бомбе используются ядра легких элементов (например, ядра дейтерия и лития). Высокая температура, необходимая для начала термоядерного процесса, достигается в результате взрыва атомной бомбы, которая входит в состав водородной бомбы.
Условие существования реакции синтеза состоит в том, чтобы выделившаяся энергия превышала энергию, уносимую из плазмы электромагнитным и корпускулярным излучением. При равенстве этих величин реакция синтеза будет протекать, но генерации избытка энергии для полезного использования происходить не будет. Это равенство называется условием зажигания термоядерной реакции. В оценочном аналитическом виде оно впервые было получено американским физиком Дж.Д. Лоусоном в 1957 году и называется критерием Лоусона:
nt ~ L(T ),
где t - среднее время удержания плазмы в активной зоне реактора; L(T ) - коэффициент Лоусона, зависящий от температуры, типа легких ядер и потерь на излучение.
Исследования показали, что критерий Лоусона должен быть nt ~ 1014 с/см3.
Таким образом, для осуществления реакции синтеза в дейтерий-тритиевой плазме необходимо обеспечить высокую температуру (нагреть) и концентрацию ионов (сжать) в течение определенного времени (удержать). Детально рассматриваются два способа решения проблемы УТС:
- длительный (t ~ 0,17 с) нагрев дейтерий-тритиевой плазмы низкой плотности (n ~ 1014 см-3) в определенном объеме при температуре порядка 108 К;
- высокоскоростной (около 10-9 с) нагрев малых объемов конденсированного термоядерного топлива (n ~ 1023 см- 3).
Первое направление исследований с плазмой высокой концентрации начало развиваться учеными США и СССР в начале 60-х годов. Сущность этого направления выражается в том, что его разработчики предложили не преодолевать огромные трудности по удержанию неустойчивых плазменных сгустков, а создать такие условия, при которых значимая часть термоядерного топлива сгорела бы быстрее, чем оно разлетится. Временные параметры этого процесса определялись инерцией топливной смеси. Это направление получило название инерциального термоядерного синтеза (ИТС). Идея заключалась в том, что дейтерий-тритиевая смесь в конденсированном (замороженном) состоянии сверхбыстро нагревается до температуры порядка 108 К.
Большинство исследований по проблеме УТС проведено с плазмой малой концентрации. Основной задачей этого направления является обеспечение длительного времени удержания плазмы. Для предотвращения соприкосновения со стенками рабочего объема используются магнитные поля различной конфигурации. Из магнитных ловушек в настоящее время специалисты считают наиболее перспективной ловушку, называемую ТОКАМАКом (тороидальная камера с магнитными катушками).
На этих двух путях физики добились примерно одинакового уровня- физика процессов ясна, но впереди большие инженерно-технические трудности.Помимо описанных способов существует принципиально другой способ получения ядерной энергии синтеза – мезонный катализ, позволяющий обойтись без использования высоких температур. Основная идея m-катализа состоит в следующем. Находящийся в водородной среде, содержащей ядра-изотопы d и t, свободный мюон образует сначала мюонный атом (dm , tm), а затем и мезомолекулярный ион. В таком ионе благодаря его малым размерам достаточно быстро протекает соответствующая ядерная реакция синтеза. При этом происходит высвобождение мюона (если его не подхватит образующееся в реакции заряженное ядро) и цепочка описанных превращений повторяется до момента распада мюона.
2.1 Последние достижения в управляемом термоядерном синтезе
Ниже приведены данные из презентации международной корпорации по термоядерному синтезу ITER.
· 1988-1991 - (CDA) Концептуальная Фаза Проекта
- Начало общих действий среди ЕС, СССР, США и JA.
- Выбор параметров реактора и целей.
· 1992-1998 - (EDA), Фаза Проектирования Проекта
- Разработан проект, способный к термоядерному синтезу - большой и дорогой.
- Стороны (ЕС, JA, РФ, США) поддерживают проект, но не могут позволить себе финансировать строительство.
· 1999 – 2001 – (EDA продолжается),
- США уходят из проекта.
- Оставшиеся Стороны ищут менее амбициозную цель.
- Новый проект: снижение мощности плазменного реактора по приблизительно половине первоначальной стоимости.
· 2001 - теперь (CTA и ITA)
- Конец EDA и начала переговоров относительно строительства и операции.
- 4 предложения участка.
- 2003: США возражают, Китай и Южная Корея приняты как полные партнеры.
- Cadarache выбран как участок строительства в июне 2005.
- В декабре 2005 к ITER присоединяется Индия
2.1.2 Технические цели проекта :
- Достижение Q = 10 (отношение мощности плазмы к вспомогательной подоревающей мощности) (> 5 в устойчивом состоянии).
- Возможность управляемого синтза.
- Интеграция технологий для термоядерного реактора (т.е. сверхпроводимость магнитов, дистанционное обслуживание);
- Тестирование компонентов для будущего реактора (т.е. дивертер и вакуумные насосы камеры, модули зоны воспроизводства трития).
- Опора в максимально возможной степени на существующую физику и технологию. R&D.
- Гибкий диапазон операций, с доступом к передовым технологиям.
- Набор мощности до устойчивого состояния около 300 сек.
- Достижение средний нейтронного потока > 0.5 МВт/м2;
- Возможная более поздняя установка зоны воспроизводства трития.
- Достаточно надежная технологический режим для ядерного испытания.
- Срок службы реактора ~ 20 лет, используя внешне поставляемый тритий.
2.1.3 Структура систем ITER станции
На фоне катастрофического ухудшения экологического состояния планеты и истощения ресурсов углеводородного сырья, заманчиво использовать водород как абсолютно безвредное топливо для средств транспорта, обогрева жилищ в удаленных регионах, в автономных и стационарных источниках вторичной энергии.
При этом наиболее заманчивым методом получения водорода является электролиз воды. Ведь сгорая или преобразуясь в топливных элементах, водород опять даст ту же воду. Поистине неисчерпаемый источник горючего! Но здесь встает другая проблема: для электролиза требуется электричество, а его получение из возобновляемых источников составляет сегодня ничтожную долю от общих объемов производства электроэнергии. И здесь вспомним про наше Солнце и другие звезды. Термоядерная реакция и вновь водород. Человек уже создал термоядерную (водородную) бомбу. Но в ней чудовищная по масштабам Земли энергия высвобождается в доли секунды, принося разрушения и смерть. На Солнце реакция идет миллиарды лет медленно и стабильно, принося жизнь и тепло. Ученые бьются над проблемой обуздания термоядерного синтеза, и не за горами то время, когда управляемая термоядерная энергия вкупе с экологически безопасным топливом навсегда избавит нас от опасений о конечности энергетических ресурсов нашей планеты и гибели окружающей среды.
1. Опубликовано в журнале AВОК №7/2004 Рубрика: Отопление и горячее водоснабжение
«Топливные элементы: интерес проектировщиков возрастает» Н. В. Шилкин, доцент МАрхИ
http://www.abok.ru/for_spec/articles.php?nid=2602
2. Эта статья опубликована в журнале AВОК №2/2004 «Использование топливных элементовдля энергоснабжения зданий. Часть 1» М. М. Бродач, канд. техн. наук, доцент МАрхИ; Н. В. Шилкин, инженер
http://www.avok.ru/for_spec/articles.php?nid=2340
3. «Энергия» 2002, N 12. С. 2-10. «Водородная энергетика в Западной Европе»
Тьерри АЛЛОПрезидент Французской водородной ассоциации (AFH2)
http://courier.com.ru/energy/en1202allo.htm
4. «Энергия» 2004, № 1. С. 3-9. «Атомно-водородная энергетика – пути развития»
Н .Н. ПОНОМАРЕВ-СТЕПНОЙ, академик, А.Я. СТОЛЯРЕВСКИЙ, кандидат технических наук
http://www.rosteplo.ru/Tech_stat/publ_lRRm6g.htm
5. Интеллект Информ. «Водород и энергетика»
http://demo.cintech.kiev.ua/inform/right.php?document=473
6. Интеллект Информ .«Принцип работы водородного топливного элемента (ТЭ)»
http://demo.cintech.kiev.ua/inform/right.php?document=485
7. Интеллект Информ .«Использование водородных топливных элементов в транспорте»
http://demo.cintech.kiev.ua/inform/right.php?document=486
8. Лозицкий Ю.В. Рук. Малышева С.В. Доклад студенческой конференции «Физика и научно – технический прогресс» на тему «Термоядерный синтез как источник энергии, использование плазмы», ФиНаТ – 2003 . ДонНТУ, Донецк 19.04.2003.(посмотреть реферат доклада)