химический каталог




Введение в водородную энергетику

Автор Э.Э.Шпильрайн, С.П.Малышенко, Г.Г.Кулешов

. е. низкие значения фактора годовой работы источника, не превышающие 25— 30 %, а в среднем составляющие 15—20 %. В связи с этим затрудняется непосредственное 'использование солнечной энергии для производ-ства электроэнергии, теплоты и водорода как промежуточного продукта в крупномасштабных энерготехнологических комплексах. В настоящее

Иг к потребителю

Рис. 1.7. Возможные схемы получения водорода электролизом воды за счет солнечной энергии:

/ — парогенератор; 2 — турбоагрегат; 3 — конденсатор; 4 — насос; 5 — преобразовательное устройство; 6 — приготовление раствора; 7 — хранилище водорода; 8 — электролизер; 9 — фотоэлектрогенератор; 10 — концентратор солнечного излучения

17

бремя непосредственное использование солнечной энергии для производства водорода рассматривается главным образом как метод аккумулирования солнечной энергии н как один нз возможных способов получения товарного водорода.

Возможны, например, следующие схемы электролитического получения водорода за счет солнечной энергии: электролиз воды электрическим током, вырабатываемым путем прямого преобразования энергии излучения Солнца в электроэнергию с помощью солнечных" батарей, и электролиз воды электрическим током, вырабатываемым тепловой солнечной станцией в паровом цикле обычного типа (рис. 1.7). Общая эффективность схемы, показанной на рис. 1.7,а, составляет от 5 до 12 % (при КПД электролизера 75—80 % н КПД кремниевых фотобатарей 16—20%)· Общая эффективность схемы иа рис. 1.7,6 при прежнем значении КПД электролизера достигает 21 % при температуре пара на входе в турбину 825 К и на выходе 300 К.

При использовании фотобатарей вольт-ампериые характеристики источника и электролизера должны быть согласованы таким образом, чтобы работа установки в целом осуществлялась в оптимальном режиме с максимальным КПД. Однако вольт-амперная характеристика фотобатареи изменяется в зависимости от мощности падающего излучения и температуры фотобатареи. В [16] на основе экспериментального изучения работы фотобатарей различных типов установлено, что средний КПД системы кремниевая фотобатарея — электролизер составляет 5—6%, а производительность ее на единицу площади фотобатарей — . 1,6—2 кг Н2-м-2 в год. Таким образом, для установки такого типа сравнительно небольшой производительности — 10* ? Н2-год-1 (в пересчете на условное топливо 41 000 ?-год-1) требуются фотобатарен площадью 5 -106 м2.

При использовании солнечных коллекторов к -электролизеру предъявляются менее жесткие требования и площадь коллектора для установки той же производительности несколько меньше, чем площадь фотобатарей, однако необходимы дополнительные затраты иа системы преобразования энергии солнечного излучения в теплоту-и электроэнергию (парогенератор, турбина, электрогенератор и т. д.). Кроме того, в связи с неравномерностью производства водорода установки обоих типов требуют создания систем хранения водорода для согласования их работы с графиком потребления водорода. И в том, н в другом случае в настоящее время капитальные затраты в солнечную энергоустановку, производящую электроэнергию, весьма велики, а единичная электрическая мощность установок относительно невелика (для наиболее крупных нз проектируемых сегодня электростанций она не превышает 100 МВт).

Анализ использования термохимических и термоэлектрохимических циклов для крупномасштабного производства цодорода за счет солнечной энергии показывает, что полная эффективность преобразования

48

энергии (КПД процесса) в этом случае может достигать 30 %, однако необходимость аккумулирования высокопотенциальной теплоты н более сложное и громоздкое оборудование этих процессов по сравнению с электролизом приводят к тому, что стоимость получаемого водорода оказывается на 30—40 % выше, чем в схемах с использованием электролиза. Прямое использование солнечной энергии возможно также в комбинированных фототермохимических, фотоэлектрохимических и фототермоэлектрохимнческих процессах разложения воды. В этих случаях производительность установок дополнительно ограничивается фотохимической стадией процесса, поскольку длн проведения фотохимических реакций используется лишь часть энергии солнечного излучения в достаточно узком спектральном интервале. Эффективность преобразования энергии в таких схемах может оказаться, однако, больше, чем в рассмотренных выше случаях, поскольку часть энергии солнечного излучения используется непосредственно для разложения воды без промежуточных стадий преобразования энергии.

Прямое преобразование энергии, солнечного излучения для получения водорода возможно также и в различных фотобиохнмическнх процессах. В этом случае также используется лишь часть спектра излучения Солнца и, кроме того, фотобиохимические процессы эффективно протекают в достаточно узком интервале температур среды. Например, анаэробные бактерии Rhodopseudomonas capsulata в подходящем водном растворе органических веществ под действием солнечного света выделяют водород прн температуре раствора от 283 до 313 К, максимальная же производительность по водороду достигается в интервале температур 305—313 К- Эффективность преобразования энергии солнечного излучения в водород составляет около 5 %. Сточные воды некоторых предприятий могут служить подходящей средой для этих бактерий, при этом установки для производства водорода могут удачно сочетаться с системой очистных сооружений. Однако площадь реакторов, т. е. площадь, с которой необходимо собрать образующийся водород, для установок относительно небольшой производительности, как и в случае фотобатарей, весьма велика (порядка 106 м2 и более).

Биомасса — древесина, растения и водоросли, отходы лесной промышленности, сельского хозяйства, торф — может быть использована для получения водорода путем ее переработки различными методами. Однако многие исследователи отмечают, что наиболее эффективные пути использования биомассы как возобновляемого энергоресурса состоят в получении из нее газообразных и жидких моторных, котельных и бытовых топлив (биогаза, метана, метанола, этанола и других углеводородов) и в прямом сжигании в виде топлива (в основном для сельской энергетики).

Такие возобновляемые энергоресурсы, как энергия ветра, теплота верхних слоев океанской и морской воды, гидроэнергия, геотермальная

4-12 . ' «

энергия и энергия приливов, тоже могут быть использованы для получения водорода после преобразования энергии первичных источников в электроэнергию. Возможные масштабы производства водорода за счет энергии ветровых, геотермальных и приливных электростанций ограничиваются прежде всего их единичными мощностями, которые по суще-? ствующим сегодня разработкам не будут превышать нескольких десятков илн сотен мегаватт.

В настоящее время в мире работает большое количество установок и заводов по производству водорода электролизом воды за счет электроэнергии, полученной от ГЭС. Сегодня это наиболее отработанный и экономичный путь производства водорода из воды, получивший широкое развитие в странах, бедных топливными и богатых гидроэнергоресурсами, таких как Норвегия и Япония. Возможные масштабы производства водорода в этом случае определяются гидроэнергетическим потенциалом рек.

Необходимо подчеркнуть, что для возобновляемых энргоресурсов с непостоянным графиком поступления одним из наиболее рациональных способов их использования является производство водорода или других энергоносителей на его основе.

Глава вторая

Получение водорода с помощью угля

Как ясно из названия этой главы, речь в ней пойдет не о получении водорода из угля, хотя, например, в буром угле его содержание достигает нескольких процентов. Как и в большинстве случаев в этой книге, получение водорода связывается с разложением воды. Таким образом, в данной главе рассматривается разложение воды с использованием либо непосредственно угля, либо каких-нибудь легко получаемых из него веществ. При этом уголь отождествляется с углеродом (особенно при рассмотрении термодинамики соответствующих процессов). В описаниях технологических процессов будет, разумеется, рассматриваться реальный уголь, содержащий влагу, минеральную часть, летучие, ге-тероатомы и т. п. г

2.1. Методы производства водорода с помощью угля

Разложение 1 моля жидкой воды при стандартной температуре (298 К) при полностью обратимых процессах по реакции

Н20=Н2+1/202 (2.1)

50

требует затраты работы, равной AGi»=237,4 кДж-моль-,1. В то же время максимальная работа, которая может быть получена при полном окислении угля при стандартной температуре реакции

С+02 = С02, (2.2)

составляет AG2 = 394,6 -кДж-моль-1 С02.

Таким образом, при полностью обратимых процессах для получения 1 кмоля водорода (2 кг водорода), потребовалось бы

i^il=0,6 кмоля С = 7,22 кг С,

394,6

т. е. 3,61 кг углерода на 1тсг водерода.

При разложении воды в виде пара (чаще всего на практике встречается именно такой случай) с учетом того, что AG°in=228,7 кДж-моль-1 Н20, теоретический расход углерода составит 0,58 моля С или 3,48 кг С на 1 кг водорода и КПД в расчете на низшую теплоту сгорания водорода (241,9 кДж-моль-1 Н2) будет равен'1,06. Значение КПД, большее единицы, связано с тем, что при обратимом протекании реакции

С + 2Н20=р±2Н2 + С02 (2.3)

при стандартной температуре энтропия возрастает на 78,59 энтропийной единицы (э. е.), что означает возможность подвода из окружающей среды 98,0 кДж-моль-1 С. Эта теплота и прибавляется к теплоте сгорания израсходованного угля.

Однако на практике процессы разложения Воды- углеродом не являются обратимыми, вследствие чего затраты углерода на получение водорода возрастают.

Прежде всего следует отметить, что реакция (2.3) является эндотермичной и для ее реального осуществления к системе необходимо подводить теплоту. Эта теплота в конечном итоге может быть получена за счет дополнительного сжигания некоторого количества угля. При этом можно представить себе подвод этой теплоты через стенку реактора аллотермическим способом или непосредственным добавлением кислорода в реакционный объем для обеспечения автотермичности системы.

Термодинами

страница 10
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53

Скачать книгу "Введение в водородную энергетику" (2.73Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [прайс-листы]  [форум]  [обратная связь]

 

 

Реклама
стеновая акустическая панель для кинозала
новая рига купить дом с участком
театр мамт билеты
кровать гердас прикроватным модулем

Рекомендуемые книги

Введение в химию окружающей среды.

Книга известных английских ученых раскрывает основные принципы химии окружающей среды и их действие в локальных и глобальных масштабах. Важный аспект книги заключается в раскрытии механизма действия природных геохимических процессов в разных масштабах времени и влияния на них человеческой деятельности. Показываются химический состав, происхождение и эволюция земной коры, океанов и атмосферы. Детально рассматриваются процессы выветривания и их влияние на химический состав осадочных образований, почв и поверхностных вод на континентах. Для студентов и преподавателей факультетов биологии, географии и химии университетов и преподавателей средних школ, а также для широкого круга читателей.

Химия и технология редких и рассеянных элементов.

Книга представляет собой учебное пособие по специальным курсам для студентов химико-технологических вузов. В первой части изложены основы химии и технологии лития, рубидия, цезия, бериллия, галлия, индия, таллия. Во второй части книги изложены основы химии и технологии скандия, натрия, лантана, лантаноидов, германия, титана, циркония, гафния. В третьей части книги изложены основы химии и технологии ванадия, ниобия, тантала, селена, теллура, молибдена, вольфрама, рения. Наибольшее внимание уделено свойствам соединений элементов, имеющих значение в технологии. В технологии каждого элемента описаны важнейшие области применения, характеристика рудного сырья и его обогащение, получение соединений из концентратов и отходов производства, современные методы разделения и очистки элементов. Пособие составлено по материалам, опубликованным из советской и зарубежной печати по 1972 год включительно.

 

 



Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100

Copyright © 2001-2012
(16.12.2017)