CC BY
0УДК 620.9 Булыгин Б.А., Новиков И.К., Шостак И.В.
Булыгин Б.А.
студент кафедры электро- и теплоэнергетика Оренбургский государственный университет (г. Оренбург, Россия)
Новиков И.К.
студент кафедры электро- и теплоэнергетика Оренбургский государственный университет (г. Оренбург, Россия)
Шостак И.В.
студент кафедры электро- и теплоэнергетика Оренбургский государственный университет (г. Оренбург, Россия)
ЭЛЕКТРОХИМИКО-ТЕРМОХИМИЧЕСКАЯ КОМПЛЕМЕНТАРНАЯ СИСТЕМА ПРОИЗВОДСТВА ВОДОРОДА ДЛЯ ЭФФЕКТИВНОГО ХРАНЕНИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ ПОЛНОГО СПЕКТРА
Аннотация: в данной статье описано производство водорода для хранения солнечной электроэнергии.
Ключевые слова: фотоэлектрический гидролиз, электрохимический гидролиз, сухой риформинг, метан.
1. Введение.
Солнечная энергия обладает потенциалом благодаря своим устойчивым и неограниченным свойствам. Однако из-за прерывистого распределения солнечной энергии использование солнечной энергии ограничено. Поэтому
2130
вопрос о хранении солнечной энергии как стабильной химической энергии вызвал значительный интерес. Преимущества производства солнечного водорода заключаются в высокой плотности энергии, длительном хранении, гибкой емкости хранения и чистоте, что помогает решать проблемы флуктуаций и нестабильной подачи солнечной энергии. Для четкого и систематизированного описания предлагаемой системы производства электроэнергии все ее аспекты описаны в следующих подразделах:
В настоящее время существуют три основные методологии преобразования солнечной энергии в водород: фотохимический, термохимический и электрохимический. Однако фотохимическая технология в настоящее время недостаточно развита (КПД, как правило, составляет менее 5 %), поэтому разложение PV-воды и риформинг метана представляют собой два основных способа получения водорода. Основным методом получения водорода является риформинг природного газа с получением серого водорода. Большая часть водорода в основном производится путем парового риформинга природного газа. Его преимущества заключаются в низкой стоимости и высоком КПД (60-85 %), но при этом он будет выделять много углекислого газа и вызывать экологические проблемы. Получение водорода с помощью фотоэлектрического электрохимического гидролиза для производства «зеленого» водорода характеризуется высокой чистотой и экологической чистотой, а задействованный процесс является технически зрелым. Среди различных типов электролизеров твердооксидные электролизные ячейки (SOEC) могут похвастаться замечательной эффективностью преобразования электрической энергии в водородную, поскольку они работают при более высоких температурах по сравнению с низкотемпературными электролизерами щелочной воды (AWE) и электролизерами с протонообменной мембраной (PEM). Несмотря на значительные достижения в технологии электролизеров, повышающих эффективность электролиза воды в водород, эффективность преобразования солнечной энергии в водород остается относительно скромной из-за ограничений, связанных с эффективностью фотоэлектрических систем.
2131
Недостатком фотоэлектрическо-электрохимического производства водорода является то, что оно не может использовать солнечную энергию всех спектров. Коммерческие фотоэлектрические элементы (ФЭ) могут использовать только высококачественную солнечную энергию с длиной волны ниже примерно 1100 нм, в то время как солнечная энергия с длиной волны выше 1100 нм не может быть использована. Повышение эффективности фотоэлектрических систем представляет собой сложную задачу, поскольку она ограничена внутренними свойствами полупроводников, что не позволяет фотоэлектрическим элементам полностью использовать весь солнечный спектр.
2. Эффективность использования.
Повышение эффективности использования солнечного водорода в первую очередь зависит от эффективного использования солнечной энергии в длинноволновом спектре, который в настоящее время недоступен для фотоэлектрических элементов. Ученые предложили несколько подходов к использованию полного спектра солнечной энергии для хранения энергии. Одни представили систему производства водорода, которая объединяет фотоэлектрическую генерацию энергии с двухступенчатым термохимическим циклом (ТС) для электролиза воды, что позволяет комплексно и эффективно использовать солнечную энергию во всем спектре. Вторые предложили комбинацию термоэмиссионного элемента с фотонным усилением с фотоэлектрическими элементами для улучшения выработки электроэнергии для производства водорода. Несмотря на то, что упомянутые выше исследования достигли значительного прогресса в повышении эффективности использования солнечной энергии, они все еще находятся на ранних стадиях разработки и требуют дальнейших обширных исследований перед практическим внедрением. Кроме того, эти исследования сосредоточены исключительно на производстве «зеленого» водорода, и относительно немногие из них посвящены одновременному производству серого и «зеленого» водорода. С другой стороны, производство серого водорода путем парового риформинга метана хорошо известно, на его долю приходится более 50 % мирового производства водорода.
2132
Если солнечная энергия используется для получения энергии для традиционного термохимического парового риформинга метана, это может снизить потребление энергии, необходимое для термохимической реакции, и связанные с этим выбросы углерода. Кроме того, использование рециркуляции углекислого газа вместо пара может еще больше снизить энергию, необходимую для испарения воды, и соответствующие выбросы углерода. Тем не менее, если солнечная энергия всего спектра преобразуется в тепловую энергию для риформинга метана, высококачественная солнечная энергия может быть использована не в полной мере.
Для решения этих проблем в данном исследовании предлагается гибридная система, объединяющая фотоэлектрический электрохимический гидролиз и сухой риформинг метана (DRM). Основные преимущества предлагаемой системы изложены ниже:
- Преобразование прерывистой солнечной энергии в консистентную форму химической энергии способствует удобной транспортировке и хранению энергии. В нем предлагается подход к использованию солнечной энергии за пределами передачи электроэнергии, представляя стратегии для решения проблем, связанных с прерывистым характером и избытком, связанными с солнечной энергией.
- В отличие от традиционных солнечных фотоэлектрических электролизных систем производства водорода, предлагаемая система максимизирует преобразование энергии за счет эффективного использования энергетических каскадов, тем самым предотвращая растрату солнечных ресурсов.
- Синергетическое использование солнечной энергии и СН4 снижает выбросы парниковых газов. Она обладает превосходными экологическими преимуществами по сравнению с автономной системой сухого риформинга метана и генерирует больший объем водорода по сравнению с системой электролиза PV.
2133
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Васильев Ю.С., Хрисанов Н.И. Экология использования возобновляющихся энергоисточников. Л.: Изд-во ЛГУ, 1991. - 343 с;
2. Ушаков В.Я. Основные проблемы энергетики и возможные способы их решения. // Известия Томского политехнического университета. 2011 Т. 319, № 4 С. 5-13;
3. Новая энергетическая политика России. Под общ. ред. Ю.К. Шафраника. М.: Энергоатомиздат, 1995. - 512 с;
4. Роль возобновляемых источников энергии в энергетической стратегии России. Национальный доклад - М., 1999. [Электронный ресурс]. URL: https://www.inter-solar.ru;
5. Емельянов, А. Солнечная альтернатива: Альтернативная энергетика // Экология и жизнь. - 2001. - № 6. - С. 22 - 23
2134
Bulygin B.A., Novikov I.K., Shostak I. V.
Bulygin B.A.
Orenburg State University (Orenburg, Russia)
Novikov I.K.
Orenburg State University (Orenburg, Russia)
Shostak I.V.
Orenburg State University (Orenburg, Russia)
ELECTROCHEMICAL-THERMOCHEMICAL COMPLEMENTARY PRODUCTION SYSTEM HYDROGEN FOR EFFICIENT STORAGE FULL SPECTRUM SOLAR ENERGY
Abstract: this article describes the production of hydrogen for solar electricity storage. Keywords: photoelectric hydrolysis, electrochemical hydrolysis, methane, reforming.
2135
