Глобальное изменение климата превратилось в серьёзную проблему для Земли, и многие государства уже начали принимать меры для снижения выбросов парниковых газов. Одним из методов эффективного противодействия изменению климата является применение энергетических технологий, которые не оказывают негативного воздействия на окружающую среду. Водородная энергетика — одна из таких технологий. Водородная энергетика — это метод производства энергии с применением водорода. Водород можно использовать для производства электричества или как топливо для разных видов транспорта. Принцип работы водородной энергетики основывается на процессе электролиза воды, в результате которого образуется водород и кислород. Водород впоследствии может использоваться в топливных элементах, которые преобразуют химическую энергию в электрическую.
Плюсы водородной энергетики включают высокую эффективность процесса, невысокую стоимость топлива и отсутствие выбросов вредных веществ в атмосферу. Однако, существуют также некоторые недостатки, которые могут ограничить распространение этой технологии, такие как высокая стоимость инфраструктуры и необходимость использования редких материалов для производства топливных элементов.
Транспорт является одной из наиболее перспективных отраслей, где можно использовать водород в качестве топлива. На данный момент уже существуют автомобили на водороде, поезда на водороде и летательные аппараты на водороде.
Промышленность также может использовать водород для производства электричества, хранения энергии и производства удобрений.
В жилых зданиях водород может быть использован для отопления и горячего водоснабжения. Это позволит значительно уменьшить выбросы вредных веществ и зависимость от нефти и газа.
Использование водорода имеет также экологические преимущества. Оно позволяет сокращать выбросы углекислого газа, снижать загрязнение воздуха в городах и уменьшать зависимость от нефти и газа.
Водородная энергетика развивается во многих странах мира. Япония является лидером в использовании водорода в качестве топлива для автомобилей. Кроме того, Германия, Китай и США также активно развивают водородную энергетику.
В настоящее время многие страны активно развивают водородную энергетику. Например, Япония уже давно является лидером в этой области благодаря своим крупным корпорациям, таким как Toyota и Honda, которые инвестируют значительные средства в исследования и разработки водородных технологий.
Кроме Японии, США и Европейский союз также активно работают над развитием водородной энергетики. В США уже создана целая сеть заправочных станций для водородных автомобилей, а Европейский союз объявил о своих планах наращивания производства водородной энергии в ближайшие годы.
Помимо отдельных стран, такие международные организации, как Международная агентство по возобновляемым источникам энергии (IRENA) и Международное агентство по энергетике (IEA), также активно поддерживают развитие водородной энергетики. Например, IRENA создала Глобальный альянс по водородной энергии для координирования международных инициатив и привлечения инвестиций.
Основными преимуществами использования водорода в качестве источника энергии являются:
- отсутствие выбросов углекислого газа при производстве электроэнергии;
- возможность хранения водорода в больших количествах и его транспортировки на большие расстояния;
- использование водородной энергии может снизить зависимость от нефтепродуктов и угля.
Однако использование водорода также имеет свои недостатки, такие как высокая стоимость производства и ограниченная доступность заправочных станций.
В ближайшие годы можно ожидать дальнейшего развития водородной энергетики в мире. Страны будут продолжать инвестировать в исследования и разработки в этой области. Кроме того, можно ожидать роста числа заправочных станций и расширения использования водородных технологий в различных отраслях экономики.
Водородная энергетика имеет большой потенциал для решения многих проблем, связанных с изменением климата и ограниченными запасами нефти и газа. Однако для ее широкого распространения необходимо продолжать инвестировать в исследования и разработки, а также строить новые заправочные станции и расширять действующие сети.
Каждый человек может внести свой вклад в развитие водородной энергетики, например, путем выбора автомобиля на водородном топливе или установки на крыше дома солнечных панелей для производства водорода.
В целом, использование водорода как источника энергии имеет большой потенциал для создания устойчивой и экологически чистой энергетической системы в будущем.
Водород – самый лёгкий и самый распространённый химический элемент в изученной нами Вселенной. Существуют три природных изотопа водорода, два из которых стабильны, и один радиоактивен: «Протий» – самый распространённый и лёгкий изотоп водорода, ядро которого состоит из одного протона, имеет на орбитали 1 электрон. «Дейтерий», или тяжёлый водород, состоит из одного протона и одного нейтрона + 1 электрон. «Тритий» – радиоактивный изотоп водорода с периодом полураспада немногим более 12 лет, ядро которого состоит из одного протона и двух нейтронов + 1 электрон.
Другие 4 известных изотопа водорода были синтезированы искусственно, и имеют очень малый срок жизни, в силу общей нестабильности элементов.
-
«Дейтерий» используют в атомной энергетике в качестве замедлителя нейтронов в тяжеловодных ядерных реакторах, работающих на природном необогащённом уране.
-
«Тритий» используется, по большей части, в военной и научно-исследовательской сфере, является сырьём для запуска термоядерного реактора.
-
А вот «Протий», который составляет более 99,9885% изотопов водорода в известной нам Вселенной, является кандидатом на роль новой энергетики.
Если во Вселенной распространённость водорода огромна (составляет примерно 75% всей барионной массы материи, и 92% всего вещества), то на Земле в чистом виде водорода практически нет. Дело в том, что водород активно формирует ковалентные связи, поэтому на Земле он встречается в связанном с другими атомами состоянии.
При «сжигании» в чистом кислороде единственные продукты сопутствующего выброса — высокотемпературное тепло и вода.
Выходит, что при использовании водорода не образуются парниковые газы, прочие загрязнения и даже не нарушается круговорот воды в природе!
Что такое водородная энергетика?
Само понятие «водородная энергетика» было сформировано в середине 1970-х годов.
Хотя впервые водород в качестве топлива для ДВС был применён в 1806 году. В СССР во время Великой Отечественной Войны, при блокаде Ленинграда, водород использовался на транспорте как альтернатива дефицитному бензину.
Направление водородной энергетики изучает полный жизненный цикл водородной отрасли, которая включает в себя: получение, хранение, транспортировку, полезное использование водорода, а также все сопутствующие проблемы каждого этапа в отдельности.
Однако, раньше 70-х годов особо никто не задумывался над водородной энергетикой. Тут можно проследить связь появления серьёзных работ по научным изысканиям применения водорода в энергетике и транспорте с мерами, принятыми в США и Европе (в середине 70-х) по экономии энергетических ресурсов и созданию первых стратегических нефтехранилищ. В это же время получили научный резонанс работы по изменению климата в связи с глобальным отеплением.
Фактически, бурное развитие исследований и разработок, проводимых в мире в области водородной энергетики и технологии, пришлось на период с 1974 по 1983 годы и являлось прямым следствием энергетического кризиса, охватившего в то время большое число промышленно-развитых стран.
Важной вехой в развитии водородной энергетики и технологии явились результаты экономических исследований, проведённых в конце 1980-х годов в американском НИИ чистой энергии при университете Майями. В них было проведено детальное обоснование подсчёта экономического ущерба от загрязнения атмосферы промышленными и транспортными выбросами, и предложена методика введения соответствующих поправок в экономические расчёты. С учётом данных поправок, экологическая чистота водорода сделала его использование потенциально рентабельным в целом ряде производств.
В целом, период с середины 1970-х до конца 1990-х годов характеризовался углублёнными исследованиями и разработками, заложившими научно-технические основы современных водородных технологий.
Встал вопрос о решении проблем климата, загрязнения окружающей среды, улучшение глобальной экологической обстановки. Наиболее перспективной стала идея водородной энергетики с переводом всего мира на водородную экономику. Эту проблему развивали и обсуждали на самом высоком уровне, например, в 2002 году Владимир Путин обсуждал развитие водородной энергетики с Джорджем Бушем.
Развитие водородной энергетики является одним из способов снижения антропогенных факторов на окружающую среду.
Да, именно так: водородная энергетика – это дорогая альтернатива традиционной энергетике, но более экологически чистая. Однако, этот факт почему-то упускается из виду даже адептами водородной энергетики.
Говорить, что водородная энергетика заменит все другие виды энергии, и что это наше энергетическое будущее – несколько опрометчиво. Правильнее будет сказать: водородная энергетика – это наше экологически чистое будущее.
Начало
В начале возникновения автомобильной промышленности было две ветви развития технологии:
- Электромобили;
- Автомобили с ДВС
В конце 19-го века электромобили обладали преимуществом перед автомобилями с несовершенными ДВС. Они не шумели, не коптили, и очень просто запускались. Свинцовая батарея обладала хорошими энергетическими характеристиками для того времени. Однако с развитием технологии переработки нефти, сделавшей топливо дешевле, качественнее и доступнее, а также с появлением усовершенствованных ДВС, автомобили на двигателе внутреннего сгорания начинали постепенно вытеснять электромобили с их аккумуляторами, которые, по существу, не развивались.
В конце концов, электромобиль окончательно сдал свои позиции, и миром завладели автомобили с ДВС.
В конце 1980-х годов большинство крупных городов в мире стали зашумлены и задымлены. Причиной до 90% всех подобных загрязнений в городах являлся именно автомобиль с ДВС.
Тогда начали периодически возвращаться к тематике электромобилей, однако технология свинцово-кислотных аккумуляторов практически не изменилась, а по удельной мощности они находились на уровне образцов, произведённых в конце 19-го века.
Но такие аккумуляторы были наиболее хорошо изучены и отработаны в производстве. Поэтому компания “General Motors” предприняла попытку снова создать серийный массовый автомобиль на электротяге, выпустив в 1997 году электромобиль «EV1».
Электромобиль «EV1», “General Motors”
На нём были те самые обычные свинцовые аккумуляторы, обеспечивающие 120 км хода по паспорту. А по факту пробег составлял скромные 70-100 км.
В этом же году на рынок выходит электромобиль японской компании “Toyota” – RAV4 EV с никель-металлической аккумуляторной батареей (27 кВт*ч), обеспечивающей паспортный запас хода до 160 км. и максимальную скоростью в 120 км/ч.
Появление этих электромобилей связано с политикой властей Калифорнии, желающих улучшить в штате экологическую обстановку, которая была просто катастрофическая.
Европа начала вводить экологические стандартны от «Евро 0» в 1988 году до «Евро 6» в 2015 году.
В 1992 году был изготовлен первый литий-ионный аккумулятор, однако пройдёт ещё 15 лет совершенствования этой технологии, прежде чем её впервые внедрит на свои электромобили компания «Тесла».
Появление электромобилей и введение экологических стандартов, постоянные научные исследования и изучение проблем климата, а также забота об экологии постепенно выводили водородную энергетику в лидеры экологической отрасли завтрашнего дня.
Тем временем, в водородной энергетике было намечено два направления:
-
Первое — это непосредственное сжигание водорода в модифицированных ДВС.
-
Второе (и более сложное) – совершенствование водородных топливных элементов.
Если не вникать в суть процессов, как это делали все строители электролизеров для автомобилей и так называемых ячеек Майера, то при сгорании водорода побочным продуктом должен быть водяной пар. Однако это не так, и подобный способ сжигания водорода не является экологическим чистым. А водородная энергетика преследует именно цель экологической эффективности и чистоты, иначе оправдать её применение при такой огромной стоимости по сравнению с традиционной энергетикой – невозможно.
Почему же так?
Если просто, то при сжигании любого вида топлива в атмосфере, будут образовываться оксиды азота. Это довольно сильное и токсичное загрязнение, образующееся при температуре выше 650 градусов Цельсия при взаимодействии кислорода и азота. Поэтому при сжигании водорода вместе с водой будет выбрасываться и загрязнение в виде окислов азота. Более того, КПД ДВС сильно ограничен, что снижает общую эффективность применения водорода.
Второй путь – совершенствование топливных элементов. Сам по себе принцип действия топливного элемента был открыт в 1839 году.
Суть его в том, что химическая энергия топлива преобразуется в электрическую, минуя процесс горения. Тем самым повышается КПД преобразования энергии и надёжность процесса.
Следовательно, в водородном топливном элементе химическая энергия водорода непосредственно преобразуется в электрическую, окисляясь кислородом без горения.
Хотя топливные элементы были изобретены еще в XIX в., первые пригодные к практическому использованию образцы появились в начале 1950-х годов в Великобритании и ФРГ.
Топливный элемент — гальваническая ячейка, вырабатывающая электроэнергию за счёт окислительно-восстановительных превращений реагентов, поступающих извне. При работе топливного элемента электролит и электроды не расходуются и не претерпевают каких-либо изменений. В нём химическая энергия топлива непосредственно превращается в электрическую.
Если сравнить энергетические характеристики водорода и бензинового топлива, то при “сжигании” 1 кг водорода выделяется 120-140 МДж энергии, а при сжигании 1 литра бензина топлива – 25-44 МДж.
Тут водород по энергетической эффективности в 3-4 раза превосходит традиционное топливо.
Однако водород – это газ, причём самый легкий (почти в 15 раз легче воздуха) и, следовательно, очень летучий. Поэтому в 1 кубометре водорода содержится примерно столько же энергии, сколько в 250 гр. бензина.
И вот тут и начинаются проблемы, которые водородная энергетика пытается решить.
Автор: Кочетов Алексей
Источник: https://dzen.ru/dbk
