CC BY
21УДК 62
Ещин В.Е.
магистрант
Кузбасский государственный технический университет им. Т.Ф. Горбачёва (г. Кемерово, Россия)
ВОДОРОД КАК ТОПЛИВО И ОСОБЕННОСТИ СПОСОБОВ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ
Аннотация: в работе рассматривается водород как топливо для ДВС. Его преимущества и недостатки в использовании, а также способов, применяемых для его получения на различных производствах.
Ключевые слова: водородное топливо, водород, пароме то новый риформинг, электролиз, зеленый водород.
Водородное топливо относится к водороду, который сжигается в качестве топлива с кислородом. Если оно производится с помощью безуглеродного процесса, это топливо с нулевым содержанием углерода. Его можно использовать для топливных элементов и двигателей внутреннего сгорания. Что касается транспортных средств на водороде, водород начинает использоваться в коммерческих транспортных средствах на топливных элементах, таких как легковые автомобили, и уже много лет используется в автобусах на топливных элементах. Он также используется в качестве топлива для двигателей космических кораблей.
Чистый водород не встречается в природе в больших количествах на Земле, поэтому для его производства в промышленных масштабах обычно требуется первичная энергия. Водородное топливо можно получить из метана или электролизом воды. По состоянию на 2020 год большая часть водорода (-95%) производится из ископаемого топлива путем парового риформинга или
частичного окисления метана и газификации угля, а также другими способами, такими как газификация биомассы и электролиз воды. очень мало.
Парометановый риформинг, основная современная технология получения большого количества водорода извлекает водород из метана. Однако эта реакция выбрасывает в атмосферу ископаемый углекислый газ и окись углерода. Это парниковые газы, образующиеся в результате естественного углеродного цикла и способствующие изменению климата. При электролизе электричество проходит через воду для разделения водорода и кислорода. Этот метод может использовать ветер, солнечную энергию, геотермальную энергию, гидроэнергию, ископаемое топливо, биомассу, ядерную энергию и многие другие источники энергии. Производство водорода с помощью этого процесса изучается как жизнеспособный метод локализации при низких затратах. Исследователи также разрабатывают искусственные листья, которые объединяют поглотители света с катализаторами и могут производить водород непосредственно из воды. Хотя эта технология все еще находится на ранней стадии, плавучие фермы из легких устройств потенциально могут снабжать отдаленные сообщества.
Продукция обычно классифицируется по цветовой маркировке. «Серый водород» производится как побочный продукт промышленных процессов, «голубой водород» производится в производственных процессах, которые также производят CO2, и извлекается с помощью CCS, и, наконец, «зеленый водород» поступает из полностью возобновляемых источников. генерируется.
Водород содержится в больших количествах в воде, углеводородах и других органических веществах.
Одна из проблем использования водорода в качестве топлива связана с возможностью эффективного извлечения водорода из этих соединений. В настоящее время паровой риформинг, при котором горячий пар смешивается с природным газом, составляет большую часть производства водорода. Этот метод производства водорода происходит при температуре от 700 до 1100 ° C с эффективностью 60-75%. Водород также может быть получен из воды путем
электролиза, но он является углеродоемким, если энергия, используемая для запуска реакции, поступает из возобновляемых или ядерных источников, а не из электростанций, работающих на ископаемом топливе. ниже. КПД электролиза воды составляет около 70-80%.
Другие способы получения водорода для топлива также в настоящее время проходят испытания. Возобновляемый жидкий риформинг - это процесс получения жидкого топлива, такого как этанол, и реакции с высокотемпературным паром для получения водорода вблизи точки конечного использования. В присутствии катализатора образуются водород, монооксид углерода и диоксид углерода. Полученный монооксид углерода реагирует при высоких температурах с водяным паром с образованием большего количества двуокиси углерода и водорода в "реакции сдвига воды и газа". Затем водород отделяют и очищают. Другой метод заключается в использовании богатого крахмалом сырья для ферментации с получением водорода. Этот процесс известен как темная ферментация и использует анаэробные бактерии в основном для ферментации углеводов в водород. Другими процессами являются фотогетеротрофные процессы. В этом процессе прокариотический микроорганизм, называемый чистыми несернистыми бактериями или зелеными водорослями, реагирует со светом с образованием водорода посредством фотосинтеза. В отличие от темного брожения, в этих процессах для получения молекулярного водорода используются такие ферменты, как гидрогеназа и нитрогеназа.
В настоящее время производство газообразного водорода в основном происходит за счет ископаемого топлива. Фактически, 96% водорода производится непосредственно из ископаемого топлива, большая часть которого поступает из природного газа (48%). Только 4% водорода производится косвенно из ископаемого топлива путем электролиза без распада на зеленый водород.
Зеленый водород - это любой водород, который производится из возобновляемых источников энергии. Это включает электролиз с использованием электричества, получаемого из экологически чистых
источников, таких как солнечная, ветровая и гидроэлектростанция. Голубой водород - это водород, который получают из природного газа в сложных технологических процессах, вызывающих выбросы парниковых газов. Серый водород получают в результате парового риформинга метана, или парового риформинга, общий объем выбросов парниковых газов которого выше, чем у голубого водорода. Наконец, бурый водород производится из угля по классификации угля, который имеет один из самых высоких выбросов парниковых газов на тонну произведенного водорода. Термохимическое расщепление воды является новейшим источником получения экологически чистого водорода, помимо гидролиза. Используя хлор и серу, в присутствии ядерного реактора, солнечный свет может быть сфокусирован над солнечным термохимическим водородным реактором для получения водорода.
Полученный водород можно использовать почти так же, как природный газ. Его можно подавать в топливные элементы для выработки электроэнергии и тепла, использовать в газовых турбинах с комбинированным циклом для выработки более интенсивного электричества или сжигать для запуска внутреннего сгорания. Двигатель, никаких выбросов углерода или метана. В обоих случаях водород соединяется с кислородом, образуя воду. Это тоже одно из важнейших преимуществ, так как водородное топливо экологически чистое. Тепло в водородном пламени — это лучистое излучение вновь образованных молекул воды. Молекула воды сначала находится в возбужденном состоянии, а затем в основном состоянии. При переходе испускается тепловое излучение. При горении на воздухе температура составляет около 2000°С (такая же, как у природного газа).
Сам по себе водород имеет в три раза большую удельную энергию (энергию на единицу массы) метана или бензина, но комбинация водорода и углерода приводит к более высокой объемной плотности, что делает углеродные соединения исторически наиболее практичным энергоносителем. был. Хотя водород является самым легким элементом и, следовательно, имеет несколько более высокую склонность к утечке из старых газовых труб, таких как трубы,
изготовленные из железа, утечка из пластиковых (полиэтиленовых) труб, как ожидается, будет очень низкой и составит около 0,001%.
Причина, по которой парометановому риформингу традиционно отдается предпочтение перед электролизом, заключается в том, что в то время как при риформинге метана в качестве источника энергии непосредственно используется природный газ, для электролиза требуется электрическая энергия. Когда стоимость производства электроэнергии станет ниже, чем стоимость природного газа, электролиз станет выгоднее.
До того, как природный газ стал общедоступным, в некоторых случаях тоннажный водород производился для промышленности путем электролиза воды, хотя и не для использования в качестве топлива. На заводе, расположенном в Рисдоне, Тасмания, Австралия, рассчитанном на производство 60 963 тонн удобрений сульфата аммония в год, аммиак синтезировали путем взаимодействия азота и водорода. Азот был получен путем дистилляции жидкого воздуха, а водород был получен электролизом воды. Проектный уровень производства водорода составлял 2790 тонн в год, а проектный уровень производства аммиака - 15 714 тонн в год. Производство началось в конце 1956 года, и завод работал до 1986 года. Использовались ртутные дуговые выпрямители. Некоторое производство аммиака продолжалось до 1993 года. Электричество для электролиза вырабатывалось гидроэлектростанциями.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Бакулин, В.Н. Газовые топлива и их компоненты. Свойства, получение, применение, экология. Справочник / В.Н. Бакулин. - М.: Московский энергетический институт (МЭИ), 2009. - 983 е.;
2. Билоненко, Р. А. Производство водорода из энергоемких веществ // Альтернатив. энергетика и экология. — 2013. — № 5, Ч.1. — С. 45-51. — (Водородная экономика);
3. Овсянников, Е. М. Использование водорода в автомобильном транспорте // Электроника и электрооборудование транспорта. — 2016. — № 3. — С. 16-18. — (Электроснабжение и электрооборудование).
Eshchin V.E.
Kuzbass State Technical University (Kemerovo, Russia)
HYDROGEN AS FUEL AND FEATURES OF ITS PRODUCTION METHODS
Abstract: the paper considers hydrogen as a fuel for an internal combustion engine. Its advantages and disadvantages in use, as well as the methods used to obtain it in various industries.
Keywords: hydrogen fuel, hydrogen, ferry, new reforming, electrolysis, green hydrogen.
