الهيدروجين كمصدر بديل للطاقة. هل هناك آفاق مستقبلية

المصدر: www.rbc.ru/opinions/technology_and_media/13/07/2016/5784e0879a7947ba3bfe0405

فلاديمير تومانوف,
رئيس مختبر "تخزين الطاقة الكهربائية"

قسم الكيمياء الفيزيائية ، الجامعة الوطنية للعلوم والتكنولوجيا "MISiS"

يمكن للهيدروجين ، على عكس الإشعاع الشمسي والرياح ، أن يصبح بالفعل المصدر الرئيسي للطاقة ، لكن هذه مسألة مستقبل بعيد إلى حد ما.

يتحدث الجميع تقريبًا عن النهاية القادمة لعصر الهيدروكربونات في قطاع الطاقة. الخلاف حول التوقيت. على سبيل المثال ، في منتدى سانت بطرسبرغ الاقتصادي الأخير ، قال وزير الطاقة ألكسندر نوفاك إن النفط والغاز سيظلان المصادر الرئيسية للطاقة حتى عام 2040. ووفقًا لرئيس Sberbank German Gref ، فإنها ستتوقف عن كونها المصادر الرئيسية للطاقة في وقت سابق - في مطلع عام 2030.

النفط والغاز والهيدروجين

في رأيي ، فإن الجدل حول مصدر الطاقة الأفضل لا معنى له: فالطبيعة خلقته بأعداد كبيرة ، واعتمادًا على إمكانات الإنتاج والتقنيات التي طورتها البشرية ، سيكون هذا المصدر أو ذاك المصدر الرئيسي.

ولكن في مراحل مختلفة من تطور التقدم التكنولوجي ، واجهت البشرية مرارًا وتكرارًا الحاجة إلى الاختيار لصالح مصادر الطاقة الجديدة. جنبا إلى جنب مع الثورة الصناعية ، تم استبدال المادة العضوية (بمعنى آخر ، الخشب) بالفحم ، ثم ظهر النفط والغاز ، والتطورات في مجال طاقة الهيدروجين. اليوم ، عندما تتزايد أحجام الاستهلاك كل يوم ، تثار المزيد والمزيد من الأسئلة حول مستقبل الطاقة الهيدروكربونية. هناك خلافات حول الطاقة النووية ، والعمل جار على الاندماج النووي الحراري المتحكم فيه.

ومع ذلك ، من المستحيل الحديث عن نهاية عصر الهيدروكربونات في العشرين سنة القادمة. علاوة على ذلك ، سيتم استهلاك جميع الموارد التي وفرتها الطبيعة للبشرية بنشاط ، على الرغم من ظهور مصادر بديلة جديدة وتطورها. تلك الحفريات المتوفرة حاليًا للبشرية ستدوم لفترة طويلة. إن الحديث عن حقيقة أنه في غضون 50 عامًا سينفد النفط من الأرض هو هراء: إن عملية إنتاجه لا تنتهي. لن يتم استنفاد احتياطيات الفحم على الإطلاق لنحو 400 عام. سيظل النفط والغاز هما المصدران الرئيسيان للطاقة بحلول عام 2040.

ولكن في المستقبل ، لن يكون أكثر مصادر الطاقة كفاءة وصديقة للبيئة هو الإشعاع الشمسي أو الرياح ، والتي يتم الحديث عنها كثيرًا الآن ، ولكن العنصر الأول في الجدول الدوري - الهيدروجين. من 40 جم من الهيدروجين ، يمكن الحصول على 1 كيلو وات ساعة من الطاقة. من الناحية الفنية ، يتم الجمع بين الأكسجين والهيدروجين من خلال خلية وقود ، حيث يتم تحويل طاقتهما الكيميائية إلى كهرباء من خلال غشاء. منتج التفاعل هو الماء!

مسألة سعر

في نهاية القرن التاسع عشر ، نشأ خلاف حول كيفية تطور النقل ، على خلايا الوقود أو على محركات البنزين. على الرغم من حقيقة أن طاقة الهيدروجين أعطت كفاءة أكبر ، فقد فازت المحركات بسبب الاستعداد التكنولوجي الأكبر وتوافر وقود المحركات الرخيص من النفط مقارنة بالهيدروجين. جرت المحاولة الثانية لإدخال خلايا وقود الهيدروجين في نهاية القرن العشرين. طورت جميع شركات السيارات العملاقة الرائدة في العالم تقريبًا نماذج هيدروجينية للنقل البيئي. ومع ذلك ، فإن مشكلة الحصول على الهيدروجين الرخيص لم تحل حتى الآن. كما أدى الانخفاض الحاد في أسعار النفط إلى تأجيل إدخال تقنيات الهيدروجين في النقل والطاقة الثابتة.

المصدر الرئيسي للهيدروجين في الطبيعة هو الماء. مياه المحيطات كمية كبيرة. أظهرت الدراسات الحديثة أن حجم المياه الجوفية الهيكلية على عمق حوالي 480 كم أكبر بعدة مرات مما هو عليه في جميع المحيطات مجتمعة.

إن توليد الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي التقليدي أمر مكلف: تتطلب العملية الكثير من الطاقة. لكن هناك الشمس - بالنسبة لحضارتنا فهي مصدر لا نهاية له من الطاقة الضوئية. من الأكثر فعالية تحلل الماء إلى هيدروجين وأكسجين عن طريق التحلل الضوئي - تحدث العملية مباشرة في خلايا خاصة تحت تأثير الإشعاع الشمسي.

تم إنشاء هذه الخلايا في نهاية القرن الماضي في معهد الفيزياء التقنية. Ioffe ومعهد الحفز SB RAS. للأسف ، ظلت هذه التطورات على مستوى العينات المختبرية والأطروحات. كانت هناك محاولات لاستئناف العمل في برنامج الطاقة الهيدروجينية Norilsk Nickel-RAN ، ولكن في عام 2008 تم إغلاق هذا البرنامج.

سيصبح التنفيذ العملي لمثل هذه الأجهزة ممكنًا إذا كانت كفاءة التحلل الضوئي تصل على الأقل إلى 10-15٪. حتى الآن ، الرقم القياسي هو 11٪. سيؤدي هذا إلى إحداث ثورة في قطاع الطاقة ، مما يؤدي إلى دفع توربينات الرياح الخلفية ، مما يتسبب في أضرار لا يمكن إصلاحها للمحيط الحيوي ، والألواح الشمسية ، والتي يصعب التخلص منها.

لكي يصبح الهيدروجين المصدر الرئيسي للطاقة ، من الضروري حل مشاكل إنتاجه وتخزينه. وفقًا للخبراء الأمريكيين ، إذا كانت تكلفة إنتاج الهيدروجين لا تزيد عن 5 دولارات للكيلوغرام ، فيمكن التخلي عن أنواع الوقود الأخرى.

في هذه الحالة ، مشكلة الخلق خلايا الوقودلصناعة السيارات. الآن السيارات الكهربائية لديها آفاق جيدة في السوق ، خاصة في تلك البلدان حيث تحفز الدولة التطورات في هذا الاتجاه. الوضع مختلف في روسيا. هنا ، سيكون الأفضل سيارة هجينةبمحرك كهربائي يعمل بوقود الغاز أو البنزين. بعد كل شيء ، يعمل نظام تعبئة الغاز الأكثر تطورًا في العالم في روسيا: 65 ٪ من المستهلكين المحتملين لديهم إمكانية الوصول إلى كل من البنزين والغاز.

الهجينة الاقتصادية

مهمة حفظها لا تقل أهمية عن البحث عن مصادر جديدة للطاقة. ومن ثم ، فإن أحد مجالات عمل جامعتنا MISIS هو تحسين كفاءة الطاقة. أحد هذه التطورات هو المكثفات الفائقة ، التي نعمل من أجلها على تطوير مواد إلكترودات وإلكتروليت واعدة.

تعتبر المكثفات الفائقة مفيدة للغاية في المركبات الهجينة - ذات العجلات والسكك الحديدية. مبدأ تشغيلها هو تجميع الطاقة المتولدة أثناء الكبح ، والتي يتم إنفاقها بعد ذلك على التسارع ، مما يوفر حوالي 30٪. كفاءة المكثفات الفائقة يمكن مقارنتها بكفاءة المحرك الكهربائي ، أي حوالي 95-98٪.

في المستقبل القريب ، نأمل أن تظهر هذه التطورات في الحافلات البيئية الحضرية وقطارات الأنفاق وغيرها من مجالات التكنولوجيا. بالإضافة إلى ذلك ، ستضمن العناصر التي طورناها الحركة المستمرة للقطارات في مترو الأنفاق. في الحالات التي يكون فيها انقطاع التيار الكهربائي طارئًا ، ستسمح الطاقة المخزنة للقطار بالسفر عدة كيلومترات إلى المحطة بسبب الطاقة المخزنة.

يجب أن يحدث الانتقال إلى مرحلة إنتاج مثل هذه الأنظمة في العامين المقبلين.

قام باحثون من المدرسة الفيدرالية للفنون التطبيقية في لوزان (EPFL) بتجميع نظام الطاقة الشمسية والهيدروجين من المكونات المتاحة تجاريًا. تم نشر عملهم في مجلة Journal of Electrochemical Society ، ويرد ملخص في رسالة من المدرسة السويسرية. وفقًا للباحثين ، في نظامهم ، تبلغ كفاءة تحويل ضوء الشمس إلى هيدروجين 14.2 بالمائة ، وهي أفضل نتيجة بين جميع الأجهزة الموجودة اليوم.

تسمى أنظمة الطاقة الشمسية والهيدروجينية أيضًا بخلايا الهيدروجين القابلة لإعادة الشحن. وتتكون من ألواح شمسية تولد الكهرباء وخزانات مياه وغشاء يفصل بين الهيدروجين والأكسجين. خلال النهار ، تولد الألواح الشمسية الكهرباء ، والتي تُستخدم لتحليل المياه بالكهرباء. يتم تخزين الهيدروجين الناتج في خزانات خاصة ويمكن استخدامه لتوليد الكهرباء في خلايا الوقود ليلاً.

معظم هذه الأنظمة الحالية معقدة تقنيًا ومكلفة ، نظرًا لأن المرشحات المعقدة ، بما في ذلك المعادن الأرضية النادرة ، غالبًا ما تستخدم لفصل الأكسجين والهيدروجين. أنشأ المطورون السويسريون نظامًا لفصل قطبين من النيكل ، ووضعوا بينهما غشاء بوليمر Nafion من Dupont. يوفر هذا الغشاء موصلية أيونية عالية ، لكنه لا يسمح للهيدروجين الجزيئي أو الأكسجين بالتغلغل في مناطق الكاثود والأنود.

قام الباحثون بتجميع نموذج أولي لنظام شمسي-هيدروجين بمساحة لوح شمسي تبلغ 14 مترًا مربعًا. وفقًا للمطورين ، فإن هذا النظام قادر على إنتاج الكثير من الهيدروجين خلال العام لدرجة أنه يكفي لسيارة كهربائية تعمل بخلايا وقود الهيدروجين لقيادة حوالي عشرة آلاف كيلومتر. في المستقبل القريب ، يعتزم المطورون الانتهاء من نظام الألواح الشمسية وفاصل الأكسجين والهيدروجين الجزيئي لزيادة كفاءة التحويل إلى 16 بالمائة.

منذ فبراير من هذا العام ، يختبر مركز قيادة القوات البحرية الأمريكية للهندسة والبناء والقتال في بورت فينيمي ، كاليفورنيا ، نظام الطاقة الشمسية والهيدروجين الذي طورته شركة بوينج. يستخدم هذا النظام غشاء خزفي لفصل الأكسجين الجزيئي والهيدروجين. لم يتم الكشف عن تفاصيل حول النظام. بعد اكتمال الاختبار ، سيتم تثبيت خلايا الهيدروجين القابلة لإعادة الشحن في العديد من القواعد البحرية الأمريكية.

إرسال عملك الجيد في قاعدة المعرفة أمر بسيط. استخدم النموذج أدناه

سيكون الطلاب وطلاب الدراسات العليا والعلماء الشباب الذين يستخدمون قاعدة المعرفة في دراساتهم وعملهم ممتنين جدًا لك.

استضافت في http://www.allbest.ru/

طاقة الهيدروجين

استيفاء

مجموعة الطلاب STR 1-14

كونوفالوف آي إن.

مدرس

مالكين أ.

مقدمة

2. خواص الهيدروجين

4. إنتاج الهيدروجين

خاتمة

الأدب

مقدمة

اليوم ، تنظر العديد من الدول المتقدمة اقتصاديًا بشكل متزايد إلى الهيدروجين ليس فقط في مجالات استخدامه التقليدي المذكورة أعلاه ، ولكن أيضًا كأساس لطاقة الغد.

على خلفية التدهور الكارثي للحالة البيئية للكوكب واستنفاد الموارد الهيدروكربونية ، من المغري استخدام الهيدروجين كوقود غير ضار تمامًا للمركبات ، وتدفئة المنازل في المناطق النائية ، في مصادر مستقلة وثابتة للطاقة الثانوية. في الوقت نفسه ، فإن الطريقة الأكثر إغراءً لإنتاج الهيدروجين هي التحليل الكهربائي للماء. بعد كل شيء ، حرق ، سيعطي الهيدروجين نفس الماء مرة أخرى.

مصدر وقود لا ينضب حقًا! ولكن هنا تبرز مشكلة أخرى: التحليل الكهربائي يتطلب كهرباء ، وأصبح إنتاجه من مصادر متجددة الآن حصة ضئيلة من إجمالي إنتاج الكهرباء. وهنا نتذكر شمسنا ونجوم أخرى. تفاعل حراري نووي ومرة ​​أخرى هيدروجين. لقد صنع الإنسان بالفعل قنبلة نووية حرارية (هيدروجينية). ولكن فيه ، يتم إطلاق طاقة هائلة على نطاق الأرض في جزء من الثانية ، مما يؤدي إلى الدمار والموت.

على الشمس ، استمر التفاعل لمليارات السنين ببطء وثبات ، مما أدى إلى الحياة والحرارة. يعاني العلماء من مشكلة كبح الاندماج ، والوقت ليس بعيدًا عندما تخففنا طاقة الاندماج المتحكم فيها ، إلى جانب الوقود الصديق للبيئة ، إلى الأبد من مخاوفنا بشأن محدودية موارد الطاقة لكوكبنا وموت البيئة. .

1. آفاق استخدام الهيدروجين

حل مشاكل إمدادات الطاقة والطاقة هو المفتاح لحل العديد من المشاكل الاقتصادية والاقتصادية.

بادئ ذي بدء ، دعونا ننظر في المصادر التي تستمد البشرية منها حاليًا الطاقة من أجل نشاطها الاقتصادي:

فيما يلي بيانات العديد من الباحثين.

وبحسب "مركز كورجينيان" ، في بداية عام 1997. كانت حصص المصادر المختلفة من إجمالي استهلاك الطاقة العالمي: النفط - 38٪ ، الغاز - 29٪ ، الفحم - 22٪ ، وحوالي 10٪ فقط تمثل جميع مصادر الطاقة الأخرى مجتمعة.

مجلة "فاكتور" الروسية رقم 5 لعام 2001 ، بالإشارة إلى مجلس الطاقة العالمي ، تقدم البيانات التالية لعام 2000: الوقود الأحفوري يمثل 90٪ من استهلاك الطاقة العالمي ، بما في ذلك النفط - 40.1٪ ، الفحم - 27.8٪ ، الغاز الطبيعي - 22.9٪.

لذلك ، حوالي 90٪ من الطاقة التي يتلقاها العالم عن طريق حرق الوقود الأحفوري: النفط والغاز والفحم. قبل الخوض في تفاصيل مصدر طاقة الهيدروجين ، من الضروري مناقشة الطاقة الذرية. يزعم المدافعون عنها أنها رخيصة وآمنة (بشكل غير مؤكد إلى حد ما بعد أبريل 1996). نحن ندرك أنه من الممكن ضمان سلامة محطات الطاقة النووية. لكن الأمر أكثر صعوبة مع الرخص. دعونا نواجه الأمر: الدافع الرئيسي للتخلي عن محطات الطاقة النووية في جميع أنحاء العالم ليس قضية السلامة ، ولكن قضية التكلفة.

يرى العديد من الشخصيات في الصناعة النووية أن "تكلفة الكهرباء من محطات الطاقة النووية تقل بالفعل بنسبة 15-20٪ عن تكلفة الكهرباء من المحطات الحرارية" (برنامج استثمار الطاقة النووية للفترة 2002-2005 وللفترة حتى 2010) . هذا خطأ. من الصعب أن نطلق على طريقة حساب الكفاءة الاقتصادية "للذرة السلمية" خلاف ذلك غير النزيه. يلاحظ الأكاديمي يابلوكوف أن "نفقات إعادة تأهيل مواقع التلوث الإشعاعي تُنفق في روسيا على بنود أخرى غير نشر البرامج النووية. إذا قمنا بحسابها جميعًا معًا ، فإن كفاءة تطوير المجمع النووي ستكون ضئيلة للغاية. . يجب تزجيج النفايات أو بطريقة أخرى تنظيم تخزينها على المدى الطويل. وفي نفس الوقت ، تزداد تكلفة المشروع بشكل حاد. في المستقبل ، نحتاج إلى إيجاد أموال لتفكيك محطات الطاقة النووية التي تم إيقاف تشغيلها ، لتنظيف كبير مناطق ومناطق مائية من التلوث الإشعاعي ".

فكر الآن في سؤال أقل وضوحًا: لماذا تبحث عن بدائل لطاقة النفط والغاز؟

لنبدأ بحقيقة أن النفط والغاز ليسا أبديين. هناك العديد من التقديرات لاحتياطيات النفط التي تتراوح من 30 إلى 100 عام من الاستخدام.

لا يمكنني مقاومة تكرار اقتباس شائع لدميتري إيفانوفيتش مينديليف بأن تسخين الفرن بالزيت يماثل تسخينه بالأوراق النقدية: بعد كل شيء ، يعتبر الزيت مادة خام كيميائية فريدة وقيمة ، يُصنع منها حتى الكافيار الأسود.

يتسبب احتراق الهيدروكربونات في مشاكل بيئية كبيرة ، خاصة عند استخدامها لأغراض النقل. ولكن إذا كان تحسين التكنولوجيا يمكن أن يحل مشاكل الانبعاثات السامة ، فإن انبعاثات ثاني أكسيد الكربون ، التي تؤدي إلى تغير المناخ العالمي ، هي مصاحبة لا مفر منها لاستخدام الوقود الأحفوري.

ثم يطرح السؤال: إذا لم يكن الوقود الهيدروكربوني وليس محطات الطاقة النووية ، فماذا إذن؟

الجواب: مصادر الطاقة المتجددة.

هذا القطاع يمثل أقل من 10٪. هذا الرقم لا يعني ندرة هذه المصادر ، ولكن انخفاض مستوى تنفيذ التقنيات لاستخدامها.

ما هي هذه المصادر؟ هذه هي الشمس في المقام الأول: في المتوسط ​​1 كيلو واط / م 2 من سطح الأرض ، وهو إجمالي 100 مرة (!) أكثر من كمية الطاقة التي تنتجها البشرية. يجب ألا ننسى مشتقات طاقة الشمس: الطاقة المائية ، طاقة الرياح ، أمواج البحر.

في المرتبة الثانية من حيث الأهمية والتوقعات هي الطاقة الحرارية الأرضية. إنه عمليا لا ينضب ولا ينضب ، لكن مشكلة تكلفته حادة للغاية. نلاحظ أيضًا طاقة المد والجزر ، واستخدام الطاقة من الكتلة الحيوية.

لماذا توفر مثل هذه الإمكانات الغنية أقل من 10٪ من الطاقة المولدة؟

لأن هذه المصادر غير مستقرة في الوقت المناسب وموزعة بشكل غير متساو في الفضاء. لذلك ، فإن استخدامها المباشر مناسب (على مستوى تقنيات اليوم) فقط في مصادر الطاقة الصغيرة اللامركزية. على سبيل المثال ، سخانات المياه بالطاقة الشمسية. لذلك ، توجد بالفعل في شبه جزيرة القرم صناعة لتركيب الأنظمة التي تسخن المياه حتى 95 درجة مئوية بسبب طاقة الشمس (على الرغم من أنك لست بحاجة إلى إحضار زيت الوقود من تيومين لهذا الغرض ...). لكن لتزويد المصانع بالكهرباء (والمؤسسات الكبيرة الأخرى اقتصاد وطني) الاستخدام المباشر لهذه المصادر سخيف.

2. خواص الهيدروجين

في الحالة الحرة وتحت الظروف العادية ، يكون الهيدروجين غازًا عديم اللون ، عديم الرائحة والمذاق. بالنسبة للهواء ، كثافة الهيدروجين 1/14. عادة ما يوجد في تركيبة مع عناصر أخرى ، مثل الأكسجين في الماء ، والكربون في الميثان ، والمركبات العضوية. نظرًا لأن الهيدروجين شديد التفاعل ، نادرًا ما يكون موجودًا كعنصر غير مجمع.

عند تبريده إلى الحالة السائلة ، يحتل الهيدروجين 1/700 من حجم الحالة الغازية. يحتوي الهيدروجين ، عند دمجه مع الأكسجين ، على أعلى محتوى للطاقة لكل وحدة كتلة: 120.7 جيجا جول / طن. هذا هو أحد أسباب استخدام الهيدروجين السائل كوقود للصواريخ وقوة المركبات الفضائية ، والتي لها أهمية قصوى للوزن الجزيئي المنخفض ومحتوى الطاقة النوعي العالي للهيدروجين.

عندما يتم حرقها في الأكسجين النقي ، فإن المنتجات الوحيدة هي الحرارة والماء بدرجة حرارة عالية. وبالتالي ، عند استخدام الهيدروجين ، لا تتشكل غازات الدفيئة وحتى دورة المياه في الطبيعة لا تتأثر.

لا ينضب.

لاحظ مزايا الهيدروجين كوقود.

يحتوي المحيط العالمي على 1.2 1017 طن من الهيدروجين ، و 2 1013 طن من الديوتيريوم ، وتبلغ الكتلة الكلية للهيدروجين 1٪ من الكتلة الكلية للأرض ، وعدد الذرات 16٪. من المهم بشكل خاص هنا حقيقة أنه عند حرقه ، يتحول الهيدروجين إلى ماء ويعود تمامًا إلى دورة الطبيعة. في الوقت نفسه ، وفقًا لأكثر التوقعات تفاؤلاً ، ستُستنفد موارد الوقود الهيدروكربوني في أكثر من 100 عام ، بينما ستُستنفد موارد الفحم في قرون عديدة. تعتبر قيمة احتياطيات الفحم مهمة أيضًا في سياق طاقة الهيدروجين: سيكون أقرب احتمال صناعي لإنتاج الهيدروجين هو إنتاجه أثناء تغويز الفحم.

وزن القيمة الحراريةالهيدروجين (28630 كيلو كالوري / كغ) أعلى 2.8 مرة من البنزين.

طاقة الاشتعال 15 مرة أقل من طاقة الوقود الهيدروكربوني.

السرعة القصوى للانتشار الأمامي للهب أسرع 8 مرات مقارنة بالهيدروكربونات.

إشعاع اللهب أقل بعشر مرات مقارنة باللهب الهيدروكربوني.

الحفاظ على البيئة

عند استخدام الهيدروجين كوقود ، يتم استبعاد إمكانية تعزيز تأثير الاحتباس الحراري ، ولا تنبعث أي مواد ضارة (ينبعث محرك السيارة 45 مادة سامة ، بما في ذلك المواد المسرطنة ، ولا يوجد خطر من تكوين مناطق هيدروجين راكدة - تتبخر بسهولة. نلاحظ أيضًا الصفات السلبية للهيدروجين ، وهي القيمة الحرارية المنخفضة الكثافة والحجمية ، وحدود الانفجار الأوسع ودرجة حرارة الاشتعال الأعلى من الهيدروكربونات ، وسيؤدي تطبيق مفهوم مادة تخزين الطاقة (ESS) الموصوف أدناه إلى تقليل التأثير السلبي لهذه المواد. عيوب الهيدروجين كوقود ، والتي يتم تعويضها بشكل ملحوظ من خلال مزاياها.

3. مفهوم تخزين الطاقة

كيف تحصل على الهيدروجين وكيف تتجنب انفجاراته؟

باستخدام EAV ، تم حل هذه المشكلات تمامًا. يتكون مخطط تدفق العملية من ثلاث مراحل:

الحصول على EAS باستخدام أحد مصادر الطاقة المسماة.

الحصول على الهيدروجين بمساعدة EAS.

استخدام الهيدروجين كوقود.

لنتذكر تجربة المدرسة: تقوم برمي الصوديوم في الماء ، ويبدأ الهيدروجين في الانطلاق. تخيل أن هذا يحدث في غرفة الاحتراق: يظهر الهيدروجين الحر فقط حيث يُفترض أن ينفجر. لكنه ليس على متن السفينة - إنه مقيَّد في الماء. في هذا المثال التوضيحي ، تم استخدام الصوديوم كـ EAV.

بالطبع ، هذه ليست تقنية صناعية - إنها توضيح. لكني سأقدم انتباهكم إلى تكنولوجيا صناعية تم تطويرها في وقت من الأوقات في الاتحاد السوفيتي لغزو القمر.

كان يقوم على ردود الفعل التالية

Q + C + SiO2> Si + CO2 ^ + H2O - اختزال السيليكون بالكربون

Si + 2H2O> SiO2 + 2H2 ^ + Q - إنتاج الهيدروجين

2H2 + O2> 2H2O + Q - احتراق الهيدروجين

باستخدام مصدر حرارة (مثل فرن شمسي) يتم تقليل السيليكون من أكسيد (تفاعل 1). السيليكون عبارة عن نظام EAS ممتاز لا يتطلب ظروف تخزين خاصة. يتم توصيله إلى المكان الذي يحتاج إلى الطاقة (بما في ذلك محرك النقل). في مفاعل خاص ، يحدث تفاعل إزاحة الهيدروجين (التفاعل 2). أخيرًا ، يدخل الهيدروجين إلى المحرك كوقود. يمكن استخدام أكسيد السيليكون المتكون نتيجة التفاعل الثاني بشكل متكرر.

كبريتيد الهيدروجين (H2S) هو ، في الواقع ، هيدروجين أحفوري "أصلي" في عبوة كثيفة للغاية: طاقة تكوين كبريتيد الهيدروجين أقل بحوالي 14 مرة من طاقة تكوين الماء. هذا يعني أنه بعد أن أنفقنا كيلو وات / ساعة من الطاقة لتحلل كبريتيد الهيدروجين ، فإننا سنحصل على 14 كيلو وات / ساعة من الطاقة من احتراق الهيدروجين المنطلق. وهذا يعني ، في هذه الحالة ، أننا بمنأى عن التفاعل 1 (الحصول على EAS لإنتاج الهيدروجين). لم يتبق لنا سوى تفاعلين:

H2S + Q> H2 ^ + S.

2H2 + O2> 2H2O + 14Q

من الناحية التشغيلية ، يتم تسييل كبريتيد الهيدروجين عند ضغوط حقيقية (حوالي 20 ضغط جوي) عند درجة حرارة عادية ، مما يسمح ، بالإضافة إلى الحصول على كثافة محددة أعلى بكثير من كثافة الهيدروجين المضغوط وحتى السائل ، بإجراء عملية تحلل H2S في المحلل الكهربائي. ومع ذلك ، من الممكن أن يكون التحليل الكهربائي لكبريتيد الهيدروجين بسبب خبث القطب بالكبريت الأولي صعبًا للغاية بحيث يجب إجراؤه من خلال الهالوجينات.

لذا ، فارشافسكي ، ماكسيمينكو أ. (أوكرانيا) و Tereshchuk في عام 1997 حصلوا على قرار إيجابي في براءة اختراع الدولة للاتحاد الروسي بشأن طريقة واعدة للغاية للحصول على الهيدروجين واستخدامه من خلال تحلل كبريتيد الهيدروجين ، المستخرج بطريقة أصلية من الطبقات العميقة لبعض المسطحات المائية ، على وجه الخصوص ، البحر الأسود. لا تتطلب هذه الطريقة بالضرورة تكاليف على المستوى الوطني ، ويمكن تطبيقها ليس فقط في نظام الطاقة الوطني ، ولكن أيضًا بشكل مستقل.

4. إنتاج الهيدروجين

احتياطيات الهيدروجين المرتبطة بالمواد العضوية والمياه عمليا لا تنضب. يسمح كسر هذه الروابط بإنتاج الهيدروجين ثم استخدامه كوقود. تم تطوير العديد من العمليات لتحليل المياه إلى العناصر المكونة لها.

عند تسخينه فوق 2500 درجة مئوية ، يتحلل الماء إلى هيدروجين وأكسجين (تحلل حراري مباشر). يمكن الحصول على درجة حرارة عالية ، على سبيل المثال ، باستخدام مكثفات الطاقة الشمسية. تكمن المشكلة هنا في منع إعادة تركيب الهيدروجين والأكسجين.

في الوقت الحاضر ، يتم الحصول على معظم الهيدروجين المنتج على نطاق صناعي في العالم في عملية إعادة تشكيل بخار الميثان (SCM). يستخدم الهيدروجين الذي يتم الحصول عليه بهذه الطريقة ككاشف لتكرير النفط وكمكون من مكونات الأسمدة النيتروجينية ، وكذلك لتقنية الصواريخ. يلزم البخار والطاقة الحرارية عند درجات حرارة 750-850 درجة مئوية لنزع الهيدروجين من العمود الفقري للكربون في الميثان ، وهو ما يحدث في أجهزة الإصلاح البخارية الكيميائية على الأسطح التحفيزية. تقسم المرحلة الأولى من عملية PCM الميثان وبخار الماء إلى هيدروجين وأول أكسيد الكربون. ويلي ذلك الخطوة الثانية "تفاعل التحول" الذي يحول أول أكسيد الكربون والماء إلى ثاني أكسيد الكربون والهيدروجين. يحدث هذا التفاعل عند درجات حرارة 200-250 درجة مئوية.

بدءًا من السبعينيات من القرن الماضي ، تم الانتهاء من مشاريع مفاعلات الهليوم عالية الحرارة (HTGR) لمحطات تكنولوجيا الطاقة النووية (AETS) للصناعة الكيميائية والمعادن الحديدية وحصلت على التبرير العلمي والتقني اللازم والتأكيد التجريبي في البلد. من بينها ABTU-50 ، ولاحقًا - مشروع محطة للطاقة النووية بمفاعل VG-400 بسعة 1060 ميجاوات (طن) لمجمع كيميائي نووي لإنتاج الهيدروجين والمخاليط القائمة عليه ، من أجل إنتاج الأمونيا والميثانول وكذلك عدد من المشاريع اللاحقة بهذا الاتجاه.

كان أساس مشاريع HTGR هو تطوير محركات الصواريخ النووية التي تعمل بالهيدروجين. أظهرت مفاعلات الاختبار ذات درجات الحرارة العالية ومحركات الصواريخ النووية التي تم إنشاؤها في بلدنا لهذه الأغراض قابليتها للتشغيل عند تسخين الهيدروجين إلى درجة حرارة قياسية تبلغ 3000 كلفن.

المفاعلات عالية الحرارة المبردة بالهيليوم هي نوع جديد من مصادر الطاقة النووية العالمية الصديقة للبيئة ، خصائص فريدة من نوعهاوالتي - القدرة على توليد الحرارة عند درجات حرارة أعلى من 1000 درجة مئوية ومستوى عالٍ من الأمان - تحدد الاحتمالات الواسعة لاستخدامها لإنتاج الكهرباء في دورة التوربينات الغازية بكفاءة عالية ولإمداد حرارة عالية الحرارة و الكهرباء لعمليات إنتاج الهيدروجين وتحلية المياه والعمليات التكنولوجية للصناعات الكيماوية وتكرير النفط والمعادن وغيرها من الصناعات.

أحد أكثر المشاريع تقدمًا في هذا المجال هو مشروع GT-MGR الدولي ، الذي يتم تطويره بالاشتراك مع المؤسسات الروسية (OKBM ، RRC "Kurchatov Institute" ، VNIINM ، NPO "Luch") وحملة GA الأمريكية ، التي تديرها وتمولها وزارة الطاقة الذرية في الاتحاد الروسي ووزارة الطاقة الأمريكية. يتعاون Framatom و Fuji Electric أيضًا مع المشروع.

حتى الآن ، تم تطوير مشروع لمفاعل هيليوم معياري لتوليد الكهرباء (بكفاءة تصل إلى حوالي 50٪) باستخدام دورة توربينات غازية مباشرة. تتكون محطة توليد الكهرباء GT-MGR من كتلتين متصلتين ببعضهما: مفاعل الهليوم المعياري ذو درجة الحرارة العالية (MGR) ومحول الطاقة ذو الدورة المباشرة للتوربينات الغازية (GT). العمل في مرحلة التصميم الفني مع اختبار مقاعد البدلاء التجريبي للتقنيات الرئيسية: نظام تحويل الوقود والطاقة. حاليًا ، يتم تقييم التطبيق التكنولوجي لهذا المشروع لإنتاج الهيدروجين باستخدام الدورات الحرارية الكيميائية ، بما في ذلك الدورات القائمة على PCM (انظر الشكل 3،4). إن إنشاء مثل هذا الترادف (VTGR-PKM) يفتح الطريق أمام الاستخدام الواسع للطاقة النووية في الصناعة كثيفة الاستهلاك للطاقة: الكيمياء ذات الحمولة الكبيرة ، والتعدين ، وأيضًا يجعل ذلك ممكنًا ، من خلال توليد ناقل طاقة ثانوي (هيدروجين نقي أو خليطها مع ثاني أكسيد الكربون ، لإنشاء مجمعات تكنولوجية للطاقة النووية للتدفئة الإقليمية وإمدادات الطاقة مع وقود التوصيل للنقل والحرارة المنخفضة الدرجة للاحتياجات المحلية والقطاع التجاري.

تستخدم العملية الكيميائية الحرارية لإنتاج الهيدروجين من الماء دورة من التفاعلات مع المركبات النشطة كيميائيًا ، مثل مركبات البروم أو اليود ، ويتم إجراؤها في درجات حرارة عالية. يستغرق الأمر عدة خطوات - عادة ثلاث خطوات - لإكمال العملية برمتها. تم اقتراح عدة مئات من الدورات الممكنة ويجري النظر فيها. في البلدان الرائدة في العالم ، تُولى هذه العملية اهتمامًا خاصًا باعتبارها التقنية الأكثر كفاءة لإنتاج الهيدروجين من الماء باستخدام HTGR. يمكن أيضًا بناء مثل هذه الدورة على أساس PCM ، حيث أنه في عملية الإصلاح البخاري للميثان ، لا يتم إنتاج نصف الهيدروجين من الميثان ، ولكن من الماء. في هذه الدورة ، يمكن زيادة نسبة الهيدروجين الناتج عن فصل الماء إلى 100٪ ، وبالتالي ، يمكن تجنب استهلاك الميثان تمامًا إذا تم الحصول على الميثانول كمنتج وسيط ، متبوعًا بالاختزال الكهروكيميائي للميثان العائد إلى رأس العملية . يمكن أن يصبح مثل هذا التطوير للتكنولوجيا فيما يتعلق بحزمة "VTGR-PKM" مربحًا مع زيادة أسعار الغاز الطبيعي فوق 120-150 دولارًا / 1000 نانومتر 3.

التحلل الالكتروليتي للماء (التحليل الكهربائي). الهيدروجين الإلكتروليتي هو المنتج الأكثر توفراً ولكنه باهظ الثمن. في المصانع الصناعية والتجريبية ، تكون كفاءة المُحَلِّل الكهربائي ~ 70-80٪ بكثافة تيار أقل من 1 أمبير / سم 2 ، بما في ذلك التحليل الكهربائي تحت الضغط. طور باحثون يابانيون كتلًا تجريبية من غشاء - قطب كهربائي مع إلكتروليت بوليمر صلب يوفر تحليلًا كهربائيًا للماء بكفاءة (من حيث الكهرباء)> 90٪ بكثافة حالية تبلغ 3 أمبير / سم 2.

في العالم ، تعتبر أجهزة التحليل الكهربائي القلوية الكندية المصنعة من قبل شركة Stuart Energy Corporation من أفضل أجهزة التحليل الكهربائي القلوية المائية الصناعية. إنها توفر بشكل ثابت استهلاكًا محددًا أقل من 5 كيلو واط في الساعة / نانومتر 3 H2 لمورد طويل ، مما يجعلها (بتكلفة منخفضة للكهرباء المستهلكة والأسعار العالمية للميثان) قادرة على المنافسة مع إنتاج الهيدروجين عن طريق التحويل غاز طبيعيباستخدام الامتزاز قصير الدورة. بالإضافة إلى ذلك ، تسمح لك هذه الخلايا بتغيير الحمل في النطاق من 3٪ إلى 100٪ ، بينما يؤدي تغيير الحمل على الخلايا من النوع FV-500 إلى انخفاض كبير في حياتها.

من الأهمية بمكان التحليل الكهربائي بالاشتراك مع مصادر الطاقة المتجددة. على سبيل المثال ، طور مركز أبحاث الطاقة بجامعة هومبولت نظامًا قائمًا بذاته للطاقة الشمسية والهيدروجين يستخدم خلية كهروضوئية بقوة 9.2 كيلو وات لتشغيل الضواغط لتهوية مزارع الأسماك ومحلل كهربائي قلوي ثنائي القطب بسعة 7.2 كيلو وات قادر على إنتاج 25 لترًا من الماء / دقيقة. يعمل النظام بشكل مستقل منذ عام 1993. في حالة عدم وجود ضوء الشمس ، يعمل الهيدروجين المخزن على تغذية 1.5 كيلو وات من مخطط كهربية القلب الذي يعمل على تشغيل الضواغط.

5. إمكانية تطبيقات الهيدروجين

في أوروبا ، في نهاية القرن التاسع عشر ، قاموا بحرق وقود يسمى "الغاز الحضري ، أو الغاز التخليقي" - خليط من الهيدروجين وأول أكسيد الكربون (CO). لا تزال العديد من البلدان ، بما في ذلك البرازيل وألمانيا ، تستخدم هذا الوقود في بعض الأماكن. تم استخدام الهيدروجين أيضًا للتنقل عبر الهواء (المناطيد والبالونات) ، بدءًا من الرحلة الأولى في فرنسا في 27 أغسطس 1784 بواسطة جاك تشارلز في منطاد مملوء بالهيدروجين. حاليًا ، تستخدم العديد من الصناعات الهيدروجين لتكرير النفط وتخليق الأمونيا والميثانول. يستخدم نظام مكوك الفضاء الهيدروجين كوقود للمعززات. يستخدم الهيدروجين أيضًا لإطلاق مركبة الإطلاق Energia ، المصممة لتسليم شحنة ثقيلة للغاية إلى المدار ، ولا سيما مركبة Buran الفضائية.

من السهل نسبيًا تحويل السيارات وغرف احتراق الطائرات لاستخدام الهيدروجين كوقود. في بلدنا ، ولأول مرة ، عمل محرك سيارة يعمل بالهيدروجين في لينينغراد المحاصرة في عام 1942. في الثمانينيات ، تم تسمية المجمع العلمي والتقني للطيران (ANTK) باسم A.N. أنشأ Tupolev مختبرًا للطيران (يعتمد على طائرة TU-154V) ، باستخدام الهيدروجين السائل كوقود. نتيجة لذلك ، تم إنشاء أول طائرة في العالم تعمل بالوقود المبرد - الهيدروجين السائل والغاز الطبيعي المسال - TU-155.

محطة لينينغراد للطاقة النووية.

يعتبر الهيدروجين أيضًا مثيرًا للاهتمام لمحطات الطاقة النووية كمركب للطاقة. في المشروع ، الذي طوره المركز العلمي الروسي "معهد كورشاتوف" ، Leningrad NPP1 والشركات الكندية AECL ("Atomic Energy of Canada Limited") و "Stuart Energy" في 1990-1992 ، في المرحلة الأولى كان من المفترض لإنتاج الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي للماء بقدرة 30 ميغاواط ، هؤلاء. بسعة 14.5 طن من الهيدروجين يومياً. نصت المرحلة الثانية من المشروع على زيادة قدرة ورشة التحليل الكهربائي إلى 300 ميجاوات. وبالطبع ، تم التخطيط لاستخدام كهرباء الجزء الفاشل من الحمل في محطات الطاقة النووية. اليوم ، ينتج LNPP أقل من 400 مليون كيلوواط ساعة / سنة ، مما يجعل من الممكن إنتاج حوالي 8 آلاف طن من الهيدروجين. كان من المفترض بيع الهيدروجين الناتج إلى فنلندا واستخدامه في وسائل النقل العام في مدينة سوسنوفي بور. تم اعتبار خيار آخر لاستخدام الهيدروجين الناتج هو تسليمه إلى مصفاة نفط كيريشي. يمكن أن يصبح الأكسجين الناتج أساسًا لإنتاج الأوزون لمعالجة مياه الصرف الصناعي في سانت بطرسبرغ.

الآن هناك زيادة جديدة في الاهتمام بالذرات على نطاق واسع طاقة الهيدروجين، البادئ الرئيسي الذي كان عمالقة السيارات. يتمتع الهيدروجين بالعديد من المزايا كوقود للمركبات وقد شاركت صناعة السيارات بنشاط في استخدامه.

ومع ذلك ، فإن خلايا الوقود تجذب أكبر قدر من الاهتمام من الباحثين والمطورين والصناعة والمستثمرين. خلايا الوقود (المولدات الكهروكيميائية - ECG) هي نوع من التقنيات التي تستخدم تفاعل أكسدة الهيدروجين في عملية كهروكيميائية غشائية تنتج الكهرباء والحرارة والماء. تستخدم برامج الفضاء الأمريكية والسوفيتية ECG منذ عقود. يتم تطوير خلايا الوقود (FCs) لقيادة السيارات والحافلات بنجاح للجيل القادم من المركبات ، وكذلك لأنظمة الإمداد بالطاقة الذاتية. خلايا وقود البوليمر الصلب (TP) على وشك التسويق من حيث المستوى التقني. ومع ذلك ، في الوقت الحاضر ، فإن تكلفتها العالية (محطة توليد الكهرباء ~ 104 دولار / كيلوواط) تعيق هذه العملية إلى حد كبير. تتوقع العديد من الشركات انخفاضًا في تكلفة محطات توليد الطاقة التي تحتوي على خلايا وقود حرارية بترتيب من حيث الحجم أو أكثر في إنتاجها الضخم. بالنسبة للاستخدام الجماعي لخلايا الوقود عالية التردد في السيارات ، يجب تخفيض تكلفتها إلى 50-100 دولار أمريكي / كيلوواط (مع التكلفة الحالية للبنزين وغياب الآليات المالية التي تأخذ في الاعتبار الأضرار الناجمة عن غازات العادم). في المستقبل القريب ، نتيجة لتشديد معايير الانبعاث وزيادة تكلفة البنزين وتقليل تكلفة خلايا الوقود ، من المتوقع أن يتغير الوضع لصالح السيارات ومحطات الطاقة الذاتية بسعة تصل إلى 100-300 كيلو واط مع خلايا الوقود. في هذه المناطق ، يتطور البحث والتطوير بنشاط متزايد. في الولايات المتحدة الأمريكية ، وألمانيا ، واليابان ، وكندا ، تم إنشاء محطات تجريبية لتعبئة الهيدروجين ويتم تشغيلها. أول مبيعات سيارات الهيدروجينمخطط لها في السنوات القادمة.

يُطلق على البرنامج الذي يمول البحث والتطوير في الولايات المتحدة لإنشاء سيارة سيدان عائلية بثلاثة أضعاف الأميال المكافئة لسيارة السيدان العائلية الأمريكية عام 1993 الشراكة من أجل جيل جديد من المركبات (PNGV). يمول البرنامج (PNGV) عمل 800 شخص في 21 مختبرات من سبعة وكالات فيدرالية، بما في ذلك أولئك الذين شاركوا سابقًا في إنشاء أسلحة نووية ، وكذلك في مراكز الأبحاث التابعة لثلاثي ديترويت والعديد من الشركات التي تصنع المكونات. منذ عام 1995 ، أنفق البرنامج 1.7 مليار دولار ، وقد تم توجيه معظم الأموال لإنشاء مركبات هجينة وخلايا وقود. يتمحور البرنامج حول صنع سيارة مماثلة في الحجم والوزن لسيارات شيفروليه لومينا ودودج إنتريبيد وفورد توروس (الطول - 500 سم ، الوزن الفارغ - 1500 كجم) ووقت التسارع إلى سرعة 100 كم / ساعة - لا يزيد عن 10 ق. تم تقديم النماذج المفاهيمية الأولى لسيارات السيدان ذات الأربعة أبواب ذات الخمسة مقاعد بالقرب من المهمة للاختبار في نهاية عام 2001. قدمت دايملر كرايسلر دودج ESX3 ، فورد موتور - فورد بروديجي ، جنرال موتورز - جنرال موتورز - جنرال موتورز. لتقليل الوزن في جميع الطرز ، حاول المصممون الاستفادة القصوى من السبائك الخفيفة من الألمنيوم والمغنيسيوم والبلاستيك المركب مثل تلك المستخدمة في أجسام الصواريخ. أكسدة تحلل طاقة الهيدروجين

خلقت العينات الأولى الهيدروجين المستخدم في اسطوانات. ثم جاءت السيارات المربوطة كيميائياً بالهيدروجين في كحول الميثيل (الميثانول). في عام 2002 ، تم عرض الإصدارات الأولى من السيارات التي يتم فيها توليد الهيدروجين من البنزين.

تم عرض أول سيارة تعمل بخلايا الوقود بواسطة شركة Daimler-Benz في عام 1994. وبحلول عام 2000 ، كان طراز NECAR-4 المحسن جاهزًا ، ومن المقرر أن يتم إنتاجه بشكل تجريبي منذ عام 2004. توجد خلايا وقود وخزان يحتوي على 100 لتر من الهيدروجين السائل أسفل الأرضية ، مما يوفر مساحة كافية في المقصورة للركاب والأمتعة. قوة المحرك الكهربائي 74 حصان ، السرعة القصوى 160 كم / ساعة ، نطاق الإبحار 450 كم. تبدأ الحركة فور الضغط على دواسة الوقود. يتم الوصول إلى 90٪ من قوة المحرك القصوى في ثانيتين. سيارة بالوقود. العناصر لها ديناميكيات مماثلة للسيارات المجهزة بمحركات البنزين أو الديزل.

يتم إعداد مجموعة من سيارات الركاب المزودة بخلايا وقود الهيدروجين السائل على أساس طراز Ford Focus الشهير لإطلاقها في عام 2004 من قبل مركز الأبحاث التابع لشركة Ford Motor Company الأمريكية. قامت الشركة الألمانية التابعة لشركة Ford Forschungszentrum Aachen ، بالتعاون مع 40 جامعة من 12 دولة ، بإنشاء مونديو P2000 HFC استنادًا إلى منصة سيارة السيدان العائلية Ford Taurus. يوجد خزان الهيدروجين السائل خلف المقعد الخلفي ، المدى بين حشوتين 160 كم. سيتم أيضًا تجميع تجربة تشغيل تجريبية لـ Mondeo P2000 HFC في الولايات المتحدة. وتبلغ التكلفة التقديرية 35 ألف دولار أمريكي ، ويظهر الاهتمام البافاري BMW في العديد من البلدان سيارة BMW 750hl سيدان بخزان 140 لترًا من الهيدروجين السائل. السرعة القصوى 200 كم / ساعة ، ومدى الإبحار 350 كم. تم بناء محطة تعبئة الهيدروجين السائل الروبوتية في عام 1999 في ميونيخ ، بالقرب من المطار. غطت 16 ميجاوات 750hls ما مجموعه 65000 ميل منذ عام 1999. بدأت شركة صناعة السيارات اليابانية تويوتا في إنتاج الدفعة الأولى من السيارات بخلايا وقود الهيدروجين السائل بسعر 75 ألف دولار ، والمشترين المحتملين هم الحكومة والشركات الكبيرة. على المرحلة الأوليةسيتم تشغيل السيارات فقط في طوكيو ، حيث تم بناء محطات تعبئة خاصة. ترجع التكلفة العالية لمركبات خلايا الوقود التي تحتوي على الهيدروجين السائل إلى المتطلبات العالية للعناصر المكونة لتركيبات مخطط كهربية القلب ونظام تخزين الهيدروجين المعقد عند درجة حرارة منخفضة جدًا. تنشأ مشاكل إضافية عندما تكون السيارة متوقفة ، عندما يبدأ فقدان الهيدروجين المتبخر. يؤدي تخزين الهيدروجين تحت الضغط أيضًا إلى مشاكل أخرى.

من المحتمل أن يكون تخزين الهيدروجين في الهيدريدات أكثر كفاءة. الهيدريدات هي مركبات كيميائية للهيدروجين مع مركبات أخرى العناصر الكيميائية. يجري حاليًا تطوير أنظمة تخزين تعتمد على هيدرات المغنيسيوم. تمتص بعض السبائك المعدنية مثل سبائك المغنيسيوم والنيكل والمغنيسيوم والنحاس وسبائك الحديد والتيتانيوم الهيدروجين بشكل نسبي. كميات كبيرةثم حررها عند تسخينها. ومع ذلك ، تخزن الهيدريدات الهيدروجين بكثافة طاقة منخفضة نسبيًا لكل وحدة وزن ، وعمليات التزويد بالوقود بطيئة بشكل غير مقبول. الهدف من البحث المستمر هو إنشاء تركيبة تخزن كمية كبيرة من الهيدروجين بكثافة طاقة عالية ، وتحررها بسهولة وتكون فعالة من حيث التكلفة. من وجهة النظر هذه ، فإن تقنيات تصنيع المركبات الكيميائية الحاملة للهيدروجين - الأمونيا والميثانول وبعض الأنواع الأخرى ، المتقنة بالفعل في كيمياء الأحمال الكبيرة ، تجعل من الممكن تقليل تكاليف البنية التحتية اللازمة للتسليم والتزود بالوقود من الهيدروجين ، واستخدام أنظمة التخزين المثلى على ظهر المركب. من حيث كثافة حجم تخزين الهيدروجين ، يكون الميثانول أعلى بمقدار 1.5 مرة من الهيدروجين السائل. تشتمل هذه الأنظمة على ثنائي ميثيل الأثير (DME) ، المنتج من الميثانول للاستخدام في المركبات بدلاً من ديزل.

في هذا الصدد ، يبدو أن الأنظمة التي يكون فيها مصدر الهيدروجين سائلًا (عند الضغط الجوي) كحول الميثيل أو البنزين واعدة أكثر. عند استخدام الميثانول ، يتم تبسيط نظام تخزين ونقل الوقود. إنه أسهل مع البنزين ، لكن جميع مشاكل إنشاء محول غير مكلف وموثوق به لتحلل الهيدروكربونات بتكوين الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون لم يتم حلها بعد. تعتزم شركة Daimler Chrysler إنتاج مجموعة من مركبات NECAR-3 للتشغيل التجريبي مع خلايا وقود الميثانول ونطاق تجول بين محطتي وقود يبلغ طولهما 400 ميل. طراز Ford Mondeo P2000 FC5 ، الذي تم إنشاؤه في مركز الأبحاث الأوروبي لشركة Ford Forschungzentrum Aachen ، يحتوي على 400 خلية وقود ميثانول تزن 172 كجم وتقع أسفل غطاء المحرك. عند درجة حرارة مرتفعة ، يبدأ تفاعل تكوين الهيدروجين من الميثانول. محرك كهربائي 120 حصان يوفر سرعة قصوى تبلغ 145 كم / ساعة. قبل دخولها حيز الإنتاج عام 2004 ، توقع مبتكرو السيارة خفض السعر إلى 15 ألف دولار ، فالسيارات ذات المحركات الكهربائية وخلايا الوقود هي سيارات صديقة للبيئة. لكن تنشأ مشاكل تقنية واقتصادية جديدة عند إنشاء محطات محمولة لإنتاج الهيدروجين مباشرة في وحدة الطاقة في السيارة. على سبيل المثال ، اليوم ، بعد إيقاف تشغيل المحرك ، يستغرق النظام بأكمله ما يصل إلى دقيقتين لبدء العمل مرة أخرى. عرضت شركة جنرال موتورز في أبريل 2002 أمام الصحفيين شاحنة بيك آب شيفروليه S10 مزودة بخلايا وقود ، ومصدر الهيدروجين من أجله البنزين. تتوقع جنرال موتورز أن تكون أول شركة تنتج مليون سيارة تعمل بخلايا الوقود. لتنفيذ المشروع ، من الضروري إنتاج البنزين في الدولة بدون أو مع محتوى ضئيل من الكبريت. سيكلف جالون من هذا البنزين 5 سنتات أكثر. لا يمكن أن يكون سعر المحول لتوليد الهيدروجين في الإنتاج الضخم أكثر من 3000 دولار.

لإنشاء مركبة تعمل بخلايا الوقود ، تتعاون AvtoVAZ الروسية مع شركة Energia للصواريخ والفضاء والشركات التابعة لوزارة الطاقة الذرية الروسية.

يهدف العديد من صانعي السيارات إلى إطلاق الدُفعات الأولى من مركبات خلايا الوقود في عام 2004 ، أو على الأقل في عام 2005. أعلنت شركتا تويوتا وهوندا اليابانيتان أنهما بدأتا الإنتاج التجريبي لسيارات خلايا الوقود. من أجل اكتساب الخبرة اللازمة لحل المشاكل التقنية الناشئة ، في عام 2000 ، تم إطلاق تشغيل ست حافلات في شيكاغو وفانكوفر (كولومبيا البريطانية ، كندا). وسوف يستغرق الأمر عدة سنوات للتشغيل التجريبي وتطوير أكثرها أمانًا وأكثرها تقنية. نظام متقدم. بحلول عام 2010 ، سيتم تجميع الكثير من الخبرة في تشغيل وصيانة الآلات ذات المحركات الهجينة. ستؤدي مجالات العمل المختلفة للقضاء على استخدام البنزين في المركبات أو الحد منه بشكل كبير إلى تغيير جذري في هيكل أسطول المركبات. في الوقت نفسه ، سيتم تقليل التأثير السلبي على البيئة بشكل كبير ، وسيتم إدخال معايير بيئية أكثر صرامة. سيتم تحديد مجالات تطبيق فعالة من حيث التكلفة لأنواع مختلفة من المحركات. ونتيجة لذلك ، سينخفض ​​إجمالي حاجة الدول الصناعية إلى الوقود الهيدروكربوني ، وستنخفض تكلفته ، وسيقل التأثير السياسي. كبرى الشركات المصنعةالنفط ، في المقام الأول من الشرق الأوسط.

في يونيو 2002 ، أعلنت الحكومة الأيسلندية عن تحويل أنظمة النقل البري وأسطول الصيد إلى أنظمة الهيدروجين. في هذا البلد ، تعتمد جميع إمدادات الطاقة والحرارة على أنواع جديدة من الطاقة النظيفة ، وخاصة الطاقة الحرارية الأرضية.

ظل استهلاك المنتجات البترولية في مجال النقل بالسيارات وصيد الأسماك فقط. وبعد إجراء المقارنات اللازمة وإعداد المشروع ، توصلت الحكومة الأيسلندية إلى استنتاج مفاده أنه في السنوات القادمة سيتم تحويل أسطول السيارات وسفن الصيد بالكامل إلى البيئة وقود الهيدروجين الصديق. بناءً على تجربة تشغيل العشرات من حافلات الهيدروجين في أوروبا في ريكيافيك في أوائل عام 2003 ، أطلقت شركة شل أول محطة لتزويد الحافلات بالوقود باستخدام الهيدروجين الإلكتروليتي المضغوط بسعة 60 نانومتر 3 ساعات في إطار مشروع ECTOS. أجهزة التحليل الكهربائي الخزفية ذات درجة الحرارة العالية تستخدم كأساس لإنتاج الهيدروجين من الماء.

خاتمة

تعد الطاقة أحد القطاعات الرئيسية للاقتصاد الوطني ؛ ويمكن استخدام مستوى تطورها والفرص المحتملة للحكم على القوة الاقتصادية للبلاد.

يمكن وصف حالة الطاقة الحالية في العالم بأنها مواتية نسبيًا نظرًا لوجود احتياطيات كبيرة من الوقود الأحفوري ، واستقرار الأسعار ، والتقدم المطرد في مجال الحفظ والاستخدام الرشيد للطاقة ، وتحسين تقنيات الطاقة ، والاستخدام الأكثر كفاءة للسوق المنظمين. يشير تحليل الوضع الحالي واستخدام موارد الطاقة إلى أن البلدان الصناعية فقط هي التي وصلت إلى مستوى عالٍ من استهلاك الطاقة.

بعد أزمة الطاقة العالمية ، تم اتخاذ تدابير للحفاظ على الطاقة واستخدامها بشكل رشيد ، مما ساهم في انخفاض كبير في كثافة الطاقة لإنتاج المواد. ونتيجة لذلك ، انخفضت كثافة الطاقة الإجمالية لوحدة من الناتج المحلي الإجمالي في البلدان الصناعية بنسبة 22 ٪ من عام 1973 إلى أوائل التسعينيات ، بينما كانت كثافة الزيت - بنسبة 38٪ تقريبًا.

ساهم نمو الاستثمارات ليس في توليد الكهرباء ، ولكن في التقنيات الموفرة للطاقة في تقليل استهلاك الطاقة في البلدان الصناعية ، مما أدى بدوره إلى انخفاض التأثير السلبي على البيئة.

إن ظاهرة الأزمة في تطوير قطاع الطاقة العالمي ، والتي تجلت في منتصف عام 2000 ، في رأينا ، يمكن أن تسبب جولة جديدة في نمو وفورات الطاقة وتغيرات في هيكل استهلاك الطاقة.

على مدى العقود الثلاثة الماضية ، خضع هيكل استهلاك الطاقة على المستويين العالمي والوطني لتغييرات كبيرة ، لكن الوقود الأحفوري لا يزال ذا أهمية قصوى ، والذي شكل في أواخر التسعينيات أكثر من 90٪ من استهلاك الطاقة العالمي ، بما في ذلك النفط - 40.1٪ فحم - 27.8٪ غاز طبيعي 22.9٪.

على الرغم من زيادة إنتاج الطاقة بمقدار ثلاثة أضعاف تقريبًا من خلال استخدام المياه والمصادر النووية ، إلا أن حصتها في ميزان الطاقة العالمي لا تزال ضئيلة وبلغت حوالي 5٪ و 6٪ في أواخر التسعينيات على التوالي.

وفقًا لمعدلات النمو الحالية في استهلاك الوقود الأحفوري ، ستستمر احتياطيات النفط 75 عامًا على الأقل ، والغاز الطبيعي - أكثر من 100 عام ، والفحم - أكثر من 200 عام.

وفقًا لتوقعات وكالة الطاقة الدولية (IEA) ، مع الحفاظ على الاتجاهات الحالية في قطاع الطاقة العالمي في الفترة حتى عام 2020 ، قد يزيد الاستهلاك العالمي لموارد الطاقة الأولية بنسبة 65٪. يجب أن ينخفض ​​ميزان الطاقة بحلول عام 2020 إلى 76٪ وبحلول عام 2050 - - حتى 45٪.

الآمال التي تم وضعها على مصادر الطاقة الجديدة أو البديلة ، مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح والطاقة الحيوية والطاقة الحرارية الأرضية وغيرها ، لم تتحقق حتى الآن ، دون إجراء تغييرات جوهرية في هيكل توازن الطاقة العالمي جاذبية معينةمصادر الطاقة الجديدة أو البديلة ، باستثناء الطاقة الكهرومائية ، في إنتاجها العالمي بحلول عام 2020 ستكون حوالي 2٪.

كجزء من إستراتيجية الطاقة الشاملة ، حددت دول الاتحاد الأوروبي هدفًا لزيادة حصة الكهرباء المولدة من مصادر الطاقة المتجددة بحلول عام 2010 إلى 22٪.

الأدب

1. وارسو إ. مواد تخزين الطاقة وبعض مبادئ استخدامها في النقل والطاقة والصناعة. - م: نوكا ، 1970. - 51 ص.

2. www.businessweek.com/common_frames/gb.htm؟/2000/00_38/b3699304. هتم

3. www.kurginyan.ru/publ.shtml؟cmd=sch&cat=588&vip=13

4. الاحتباس الحراري: تقرير غرينبيس / إد. J. ليجيت. لكل. من الانجليزية. - م: دار النشر بجامعة موسكو الحكومية 1993. - 272 ص.

5. www.mamok.mesi.ru/busines_club_analitics_energy_ru.htm

6. www.infoatom.ru/Win/info/info-060502.htm

7. "الطاقة" 2003 ، العدد 7. ص 33 - 39. مقال بقلم S.P. ماليشينكو

8. مجلة العامل رقم 5 - 2001

استضافت على Allbest.ru

وثائق مماثلة

الطاقة الحديثة. تقليل احتياطيات الوقود الأحفوري. عناصر الوقود. أنواع خلايا الوقود ومناطق تطبيقها. حالة العمل على طاقة الهيدروجين في روسيا. أمثلة على استخدام الهيدروجين كمصدر للطاقة.

الملخص ، تمت إضافة 02.10.2008


النظر في الوصف الكيميائي (غاز عديم اللون) ، والخصائص (عدم النضوب ، والملاءمة البيئية) ، والإنتاج والاستخدامات المحتملة للهيدروجين كمصدر بديل للطاقة. الإلمام بمفهوم مواد تخزين الطاقة.

ورقة مصطلح تمت إضافتها في 02/26/2010


الطاقة الشمسية والهيدروجين. التحفيز الضوئي والتحسس الضوئي. التحلل الحيوي للماء. المبادئ الأساسية للألواح الشمسية. أنظمة تحلل المياه الضوئية. التسخين بالطاقة الشمسية. آفاق تطوير التقنيات الكهروضوئية.

الملخص ، تمت الإضافة في 07/10/2008


أول قنبلة هيدروجينية. اختبار أقوى جهاز نووي حراري في التاريخ. فلاش خفيف. النتيجة السياسية للمحاكمة. التفاعلات النووية الحرارية. نظائر الهيدروجين. تطوير القنبلة الهيدروجينية. عواقب الانفجار. يسقط.

تمت إضافة التقرير في 09/11/2008


مفهوم و الخصائص العامةخصائص المطاط والفيزيائية والاستهلاكية لهذه المادة. الأساليب والطرق ، المراحل الرئيسية للحصول عليها ، المجالات والفوائد تطبيق عملي. مجالات تطبيق المادة في الهندسة الكهربائية والطاقة.

الملخص ، تمت إضافة 06/30/2014


مخطط خلية الوقود. أنواع مختلفة من خلايا الوقود. تأثير الرطوبة على توصيل نافيون. هيكل الطبقة الحفازة. طرق إنتاج الهيدروجين. دورة كيميائية حرارية في مفاعل نووي هيليوم. توليد الهيدروجين الضوئي الكيميائي.

عرض تقديمي ، تمت إضافة 09/15/2014


فكرة الذرات كجسيمات أصغر غير قابلة للتجزئة. تجربة رذرفورد حول تشتت جسيمات ألفا. النظر في الطيف الخطي لذرة الهيدروجين. فكرة بور عن وجود حالات ثابتة في الذرات. وصف التجارب الرئيسية لفرانك وهيرتز.

عرض تقديمي ، تمت الإضافة 30/7/2015


تحديد الأهمية الاجتماعية للتقنيات المبتكرة في قطاع الطاقة. خلايا وقود الهيدروجين ، الطاقة الحرارية الأرضية ، الوقود الحيوي ، نقل الكهرباء اللاسلكي ، توربينات الرياح. التغيرات في قطاع الطاقة وطابعها الاجتماعي.

مقال ، تمت الإضافة في 03/01/2013


مصادر الطاقة النموذجية. مشاكل الطاقة الحديثة. "نقاء" الطاقة المستلمة والمنتجة كميزة للطاقة البديلة. اتجاهات لتطوير مصادر الطاقة البديلة. الهيدروجين كمصدر للطاقة وطرق الحصول عليه.

الملخص ، تمت الإضافة 30/05/2016


أهمية الماء في الطبيعة وحياة الإنسان. دراسة التركيب الجزيئي. استخدام الماء كمادة طاقة فريدة في أنظمة التدفئة ومفاعلات المياه لمحطات الطاقة النووية والمحركات البخارية والشحن وكمواد خام في طاقة الهيدروجين.

في قمة الألفية في نيويورك في 6 سبتمبر 2000 ، طرحت روسيا مبادرة لتنفيذ برنامج لدعم الطاقة من أجل التنمية المستدامة للبشرية ، وهو حل أساسي لمشاكل عدم انتشار الأسلحة النووية والتحسين البيئي كوكب الأرض. في اجتماع رئيسي روسيا والولايات المتحدة في روسيا في مايو 2002 ، تم الإعلان عن التعاون العلمي والتقني والتجاري في مجال استخدام مصادر الطاقة غير التقليدية ، والتقنيات الموفرة للطاقة والصديقة للبيئة ، والتنمية. وتطوير تقنيات جديدة أكثر صداقة للبيئة للطاقة النووية. في اجتماع لزعماء الدول الرائدة في العالم في إيفيان في مايو 2003 ، تم ذكر أن أحد المكونات الهامة لمزيد من التنمية المستدامة للحضارة هو طاقة الهيدروجين.

طاقة الهيدروجين الذري - طرق التطوير ن. PONOMAREV-STEPNOY ، أكاديمي ،
و انا. STOLYAREVSKY ، مرشح العلوم التقنية

"الطاقة" 2004 ، رقم 1. S. 3-9 .

خواص الهيدروجين
في الحالة الحرة وتحت الظروف العادية ، يكون الهيدروجين غازًا عديم اللون ، عديم الرائحة والمذاق. بالنسبة للهواء ، كثافة الهيدروجين 1/14. عادة ما يوجد في تركيبة مع عناصر أخرى ، مثل الأكسجين في الماء ، والكربون في الميثان ، والمركبات العضوية. نظرًا لأن الهيدروجين شديد التفاعل ، نادرًا ما يكون موجودًا كعنصر غير مجمع.

عند تبريده إلى الحالة السائلة ، يحتل الهيدروجين 1/700 من حجم الحالة الغازية. يحتوي الهيدروجين ، عند دمجه مع الأكسجين ، على أعلى محتوى للطاقة لكل وحدة كتلة: 120.7 جيجا جول / طن. هذا هو أحد أسباب استخدام الهيدروجين السائل كوقود للصواريخ وقوة المركبات الفضائية ، والتي لها أهمية قصوى للوزن الجزيئي المنخفض ومحتوى الطاقة النوعي العالي للهيدروجين.

عندما يتم حرقها في الأكسجين النقي ، فإن المنتجات الوحيدة هي الحرارة والماء بدرجة حرارة عالية. وبالتالي ، عند استخدام الهيدروجين ، لا تتشكل غازات الدفيئة وحتى دورة المياه في الطبيعة لا تتأثر.

إنتاج الهيدروجين
احتياطيات الهيدروجين المرتبطة بالمواد العضوية والمياه عمليا لا تنضب. يسمح كسر هذه الروابط بإنتاج الهيدروجين ثم استخدامه كوقود. تم تطوير العديد من العمليات لتحليل المياه إلى العناصر المكونة لها.

عند تسخينه فوق 2500 درجة مئوية ، يتحلل الماء إلى هيدروجين وأكسجين (تحلل حراري مباشر). يمكن الحصول على درجة حرارة عالية ، على سبيل المثال ، باستخدام مكثفات الطاقة الشمسية. تكمن المشكلة هنا في منع إعادة تركيب الهيدروجين والأكسجين.

في الوقت الحاضر ، يتم الحصول على معظم الهيدروجين المنتج على نطاق صناعي في العالم في عملية إعادة تشكيل بخار الميثان (SCM). يستخدم الهيدروجين الذي يتم الحصول عليه بهذه الطريقة ككاشف لتكرير النفط وكمكون من مكونات الأسمدة النيتروجينية ، وكذلك لتقنية الصواريخ. يلزم البخار والطاقة الحرارية عند درجات حرارة 750-850 درجة مئوية لنزع الهيدروجين من العمود الفقري للكربون في الميثان ، وهو ما يحدث في أجهزة الإصلاح البخارية الكيميائية على الأسطح التحفيزية. تقسم المرحلة الأولى من عملية PCM الميثان وبخار الماء إلى هيدروجين وأول أكسيد الكربون. ويتبع ذلك في الخطوة الثانية "تفاعل التحول" الذي يحول أول أكسيد الكربون والماء إلى ثاني أكسيد الكربون والهيدروجين. يحدث هذا التفاعل عند درجات حرارة 200-250 درجة مئوية.

بدءًا من السبعينيات من القرن الماضي ، تم الانتهاء من مشاريع مفاعلات الهليوم عالية الحرارة (HTGR) لمحطات تكنولوجيا الطاقة النووية (AETS) للصناعة الكيميائية والمعادن الحديدية وحصلت على التبرير العلمي والتقني اللازم والتأكيد التجريبي في البلد. من بينها ABTU-50 ، ولاحقًا - مشروع محطة للطاقة النووية بمفاعل VG-400 بسعة 1060 ميجاوات (طن) لمجمع كيميائي نووي لإنتاج الهيدروجين والمخاليط القائمة عليه ، من أجل إنتاج الأمونيا والميثانول ، وكذلك عدد من المشاريع اللاحقة لهذه الاتجاهات.

كان أساس مشاريع HTGR هو تطوير محركات الصواريخ النووية التي تعمل بالهيدروجين. أظهرت مفاعلات الاختبار ذات درجات الحرارة العالية ومحركات الصواريخ النووية التي تم إنشاؤها في بلدنا لهذه الأغراض قابليتها للتشغيل عند تسخين الهيدروجين إلى درجة حرارة قياسية تبلغ 3000 كلفن.

تعتبر المفاعلات عالية الحرارة المزودة بمبرد الهيليوم نوعًا جديدًا من مصادر الطاقة النووية العالمية الصديقة للبيئة ، والتي تحدد خصائصها الفريدة - القدرة على توليد الحرارة عند درجات حرارة أعلى من 1000 درجة مئوية ومستوى عالٍ من الأمان - الاحتمالات الواسعة لاستخدامها لإنتاج الكهرباء في دورة التوربينات الغازية بكفاءة عالية ولإمداد الحرارة والكهرباء بدرجة حرارة عالية لعمليات إنتاج الهيدروجين وتحلية المياه والعمليات التكنولوجية للصناعات الكيماوية وتكرير النفط والصناعات المعدنية وغيرها.

يعد مشروع GT-MGR الدولي أحد أكثر المشاريع تقدمًا في هذا المجال ، والذي يتم تطويره بشكل مشترك من قبل المؤسسات الروسية (OKBM ، RRC Kurchatov Institute ، VNIINM ، NPO Luch) وحملة GA الأمريكية ، التي تديرها وتمولها وزارة الطاقة الذرية طاقة الاتحاد الروسي ووزارة الطاقة الأمريكية. يتعاون Framatom و Fuji Electric أيضًا مع المشروع.

أرز. 1.
الهيليوم المعياري
مفاعل بخار
تحويل الميثان.

حتى الآن ، تم تطوير مشروع لمفاعل هيليوم معياري لتوليد الكهرباء (بكفاءة تصل إلى حوالي 50٪) باستخدام دورة توربينات غازية مباشرة. تتكون محطة توليد الكهرباء GT-MGR من كتلتين متصلتين ببعضهما: مفاعل الهليوم المعياري ذو درجة الحرارة العالية (MGR) ومحول الطاقة ذو الدورة المباشرة للتوربينات الغازية (GT). العمل في مرحلة التصميم الفني مع اختبار مقاعد البدلاء التجريبي للتقنيات الرئيسية: نظام تحويل الوقود والطاقة. حاليًا ، يتم تقييم التطبيق التكنولوجي لهذا المشروع لإنتاج الهيدروجين باستخدام الدورات الحرارية الكيميائية ، بما في ذلك الدورات القائمة على PCM (انظر الشكل 1 ، 2). إن إنشاء مثل هذا الترادف (VTGR-PKM) يفتح الطريق أمام الاستخدام الواسع للطاقة النووية في الصناعة كثيفة الاستهلاك للطاقة: الكيمياء ذات الحمولة الكبيرة ، والتعدين ، وأيضًا يجعل ذلك ممكنًا ، من خلال توليد ناقل طاقة ثانوي (هيدروجين نقي أو خليطها مع ثاني أكسيد الكربون ، لإنشاء مجمعات تكنولوجية للطاقة النووية للتدفئة الإقليمية وإمدادات الطاقة مع وقود التوصيل للنقل والحرارة المنخفضة الدرجة للاحتياجات المحلية والقطاع التجاري.

أرز. 2.
تَخطِيط
معياري
مفاعل الهليوم
في مبنى.

تستخدم العملية الكيميائية الحرارية لإنتاج الهيدروجين من الماء دورة من التفاعلات مع المركبات النشطة كيميائيًا ، مثل مركبات البروم أو اليود ، ويتم إجراؤها في درجات حرارة عالية. يستغرق الأمر عدة خطوات - عادة ثلاث خطوات - لإكمال العملية برمتها. تم اقتراح عدة مئات من الدورات الممكنة ويجري النظر فيها. في البلدان الرائدة في العالم ، تُولى هذه العملية اهتمامًا خاصًا باعتبارها التقنية الأكثر كفاءة لإنتاج الهيدروجين من الماء باستخدام HTGR. يمكن أيضًا بناء مثل هذه الدورة على أساس PCM ، حيث أنه في عملية الإصلاح البخاري للميثان ، لا يتم إنتاج نصف الهيدروجين من الميثان ، ولكن من الماء. في هذه الدورة ، يمكن زيادة نسبة الهيدروجين الناتج عن فصل الماء إلى 100٪ ، وبالتالي ، يمكن تجنب استهلاك الميثان تمامًا إذا تم الحصول على الميثانول كمنتج وسيط ، متبوعًا بالاختزال الكهروكيميائي للميثان العائد إلى رأس العملية . قد يصبح مثل هذا التطور التكنولوجي فيما يتعلق بسندات VTGR-PKM مربحًا إذا ارتفعت أسعار الغاز الطبيعي فوق 120-150 دولارًا / 1000 نيوتن متر مكعب.

التحلل الالكتروليتي للماء (التحليل الكهربائي). الهيدروجين الإلكتروليتي هو المنتج الأكثر توفراً ولكنه باهظ الثمن. في المصانع الصناعية والتجريبية ، تكون كفاءة المحلل الكهربائي ~ 70-80٪ عند كثافة تيار أقل من 1 أمبير / سم 2 ، بما في ذلك التحليل الكهربائي تحت الضغط. طور باحثون يابانيون كتلًا تجريبية من غشاء - قطب كهربائي مع إلكتروليت بوليمر صلب يوفر تحليلًا كهربائيًا للماء بكفاءة (من حيث الكهرباء)> 90٪ بكثافة حالية تبلغ 3 أمبير / سم 2.

في العالم ، تعتبر أجهزة التحليل الكهربائي القلوية الكندية المصنعة من قبل شركة Stuart Energy Corporation من أفضل أجهزة التحليل الكهربائي القلوية المائية الصناعية. إنها توفر باستمرار استهلاكًا محددًا أقل من 5 kW h / nm3 H2 لمورد طويل ، مما يجعلها (بتكلفة منخفضة للكهرباء المستهلكة والأسعار العالمية للميثان) قادرة على المنافسة مع إنتاج الهيدروجين عن طريق تحويل الغاز الطبيعي باستخدام الامتزاز قصير الدورة. بالإضافة إلى ذلك ، تسمح لك هذه الخلايا بتغيير الحمل في النطاق من 3٪ إلى 100٪ ، بينما يؤدي تغيير الحمل على الخلايا من النوع FV-500 إلى انخفاض كبير في حياتها.

من الأهمية بمكان التحليل الكهربائي بالاشتراك مع مصادر الطاقة المتجددة. على سبيل المثال ، طور مركز أبحاث الطاقة بجامعة هومبولت نظامًا قائمًا بذاته للطاقة الشمسية والهيدروجين يستخدم خلية كهروضوئية بقوة 9.2 كيلو وات لتشغيل الضواغط لتهوية مزارع الأسماك ومحلل كهربائي قلوي ثنائي القطب بسعة 7.2 كيلو وات قادر على إنتاج 25 لترًا من الماء / دقيقة. يعمل النظام بشكل مستقل منذ عام 1993. في حالة عدم وجود ضوء الشمس ، يعمل الهيدروجين المخزن على تغذية 1.5 كيلو وات من مخطط كهربية القلب الذي يعمل على تشغيل الضواغط.

إمكانات تطبيق الهيدروجين
في أوروبا ، في نهاية القرن التاسع عشر ، قاموا بحرق وقود يسمى "الغاز الحضري ، أو الغاز التخليقي" - خليط من الهيدروجين وأول أكسيد الكربون (CO). لا تزال العديد من البلدان ، بما في ذلك البرازيل وألمانيا ، تستخدم هذا الوقود في بعض الأماكن. تم استخدام الهيدروجين أيضًا للتنقل عبر الهواء (المناطيد والبالونات) ، بدءًا من الرحلة الأولى في فرنسا في 27 أغسطس 1784 بواسطة جاك تشارلز في منطاد مملوء بالهيدروجين. حاليًا ، تستخدم العديد من الصناعات الهيدروجين لتكرير النفط وتخليق الأمونيا والميثانول. يستخدم نظام مكوك الفضاء الهيدروجين كوقود للمعززات. يستخدم الهيدروجين أيضًا لإطلاق مركبة الإطلاق Energia ، المصممة لتسليم شحنة ثقيلة للغاية إلى المدار ، ولا سيما مركبة Buran الفضائية.

من السهل نسبيًا تحويل السيارات وغرف احتراق الطائرات لاستخدام الهيدروجين كوقود. في بلدنا ، ولأول مرة ، عمل محرك سيارة يعمل بالهيدروجين في لينينغراد المحاصرة في عام 1942. في الثمانينيات ، تم تسمية المجمع العلمي والتقني للطيران (ANTK) باسم A.N. أنشأ Tupolev مختبرًا للطيران (يعتمد على طائرة TU-154V) ، باستخدام الهيدروجين السائل كوقود. نتيجة لذلك ، تم إنشاء أول طائرة في العالم تعمل بالوقود المبرد - الهيدروجين السائل والغاز الطبيعي المسال - TU-155.

1.محطة لينينغراد للطاقة النووية ، والهيدروجين مهم أيضًا لمحطات الطاقة النووية كأداة لتخزين الطاقة. في المشروع ، الذي تم تطويره من قبل معهد كورتشاتوف RRC و Leningrad NPP1 والشركات الكندية AECL (الطاقة الذرية في كندا المحدودة) و Stuart Energy في 1990-1992 ، كان من المفترض في المرحلة الأولى إنتاج الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي للماء باستخدام بسعة 30 ميغاواط ، هؤلاء. بسعة 14.5 طن من الهيدروجين يومياً. نصت المرحلة الثانية من المشروع على زيادة قدرة ورشة التحليل الكهربائي إلى 300 ميجاوات. وبالطبع ، تم التخطيط لاستخدام كهرباء الجزء الفاشل من الحمل في محطات الطاقة النووية. اليوم ، ينتج LNPP أقل من 400 مليون كيلوواط ساعة / سنة ، مما يجعل من الممكن إنتاج حوالي 8 آلاف طن من الهيدروجين. كان من المفترض بيع الهيدروجين الناتج إلى فنلندا واستخدامه في وسائل النقل العام في مدينة سوسنوفي بور. تم اعتبار خيار آخر لاستخدام الهيدروجين الناتج هو تسليمه إلى مصفاة نفط كيريشي. يمكن أن يصبح الأكسجين الناتج أساسًا لإنتاج الأوزون لمعالجة مياه الصرف الصناعي في سانت بطرسبرغ.

الآن هناك زيادة جديدة في الاهتمام بالطاقة النووية والهيدروجينية على نطاق واسع ، والتي كان البادئ الرئيسي لها هو عمالقة السيارات. يتمتع الهيدروجين بالعديد من المزايا كوقود للمركبات وقد شاركت صناعة السيارات بنشاط في استخدامه.

ومع ذلك ، فإن خلايا الوقود تجذب أكبر قدر من الاهتمام من الباحثين والمطورين والصناعة والمستثمرين. خلايا الوقود (المولدات الكهروكيميائية - ECG) - نوع من التكنولوجيا التي تستخدم تفاعل أكسدة الهيدروجين في عملية كهروكيميائية غشائية تنتج الكهرباء والحرارة والماء. تستخدم برامج الفضاء الأمريكية والسوفيتية ECG منذ عقود. يتم تطوير خلايا الوقود (FCs) لقيادة السيارات والحافلات بنجاح للجيل القادم من المركبات ، وكذلك لأنظمة الإمداد بالطاقة الذاتية. خلايا وقود البوليمر الصلب (TP) على وشك التسويق من حيث المستوى التقني. ومع ذلك ، في الوقت الحاضر ، فإن تكلفتها العالية (محطة توليد الكهرباء ~ 104 دولار / كيلوواط) تعيق هذه العملية إلى حد كبير. تتوقع العديد من الشركات انخفاضًا في تكلفة محطات توليد الطاقة التي تحتوي على خلايا وقود حرارية بترتيب من حيث الحجم أو أكثر في إنتاجها الضخم. بالنسبة للاستخدام الجماعي لخلايا الوقود عالية التردد في السيارات ، يجب تخفيض تكلفتها إلى 50-100 دولار أمريكي / كيلوواط (مع التكلفة الحالية للبنزين وغياب الآليات المالية التي تأخذ في الاعتبار الأضرار الناجمة عن غازات العادم). في المستقبل القريب ، نتيجة لتشديد معايير الانبعاث وزيادة تكلفة البنزين وتقليل تكلفة خلايا الوقود ، من المتوقع أن يتغير الوضع لصالح السيارات ومحطات الطاقة الذاتية بسعة تصل إلى 100-300 كيلو واط مع خلايا الوقود. في هذه المناطق ، يتطور البحث والتطوير بنشاط متزايد. في الولايات المتحدة الأمريكية ، وألمانيا ، واليابان ، وكندا ، تم إنشاء محطات تجريبية لتعبئة الهيدروجين ويتم تشغيلها. تم التخطيط للمبيعات الأولى لمركبات الهيدروجين في السنوات القادمة 2.

2 لمزيد من التفاصيل ، راجع مقال S.P. Malyshenko في N 7 ، 2003. يتطلب إنشاء سيارات ذات أنواع جديدة من المحركات الكثير من المال ويكاد يكون من المستحيل دعم عديمي الجنسية. يُطلق على البرنامج الذي يمول البحث والتطوير في الولايات المتحدة لإنشاء سيارة سيدان عائلية بثلاثة أضعاف الأميال المكافئة لسيارة السيدان العائلية الأمريكية عام 1993 الشراكة من أجل جيل جديد من المركبات (PNGV). يمول برنامج PNGV 800 شخص في 21 مختبرًا عبر سبع وكالات فيدرالية ، بما في ذلك مختبرات الأسلحة النووية السابقة ومراكز أبحاث ديترويت الثلاثة والعديد من الشركات المكونة. منذ عام 1995 ، أنفق البرنامج 1.7 مليار دولار ، وقد تم توجيه معظم الأموال لإنشاء مركبات هجينة وخلايا وقود. يدور البرنامج حول صنع سيارة مماثلة في الحجم والوزن لسيارات شيفروليه لومينا ودودج باسلت وفورد توروس (الطول - 500 سم ، الوزن الفارغ - 1500 كجم) وزمن تسريع يصل إلى سرعة 100 كم / ساعة - لا يزيد عن 10 س. تم تقديم النماذج المفاهيمية الأولى لسيارات السيدان ذات الأربعة أبواب ذات الخمسة مقاعد بالقرب من المهمة للاختبار في نهاية عام 2001. قدمت دايملر كرايسلر دودج ESX3 ، فورد موتور - فورد بروديجي ، جنرال موتورز - جنرال موتورز - جنرال موتورز. لتقليل الوزن في جميع الطرز ، حاول المصممون الاستفادة القصوى من السبائك الخفيفة من الألمنيوم والمغنيسيوم والبلاستيك المركب مثل تلك المستخدمة في أجسام الصواريخ.

أرز. 3. سيارة دايملر كرايسلر NECAR 5 تعتمد على
مرسيدس بنز فئة A في وايومنغ خلال
تمر عبر الولايات المتحدة (20 مايو - 4 يونيو ، 2002).
لتزويد مخطط كهربية القلب بالهيدروجين عند 75 كيلو وات
الميثانول الذي يستخدمه المطورون
يسمى "الهيدروجين المتحلل بالميثان أو MH2".

خلقت العينات الأولى الهيدروجين المستخدم في اسطوانات. ثم جاءت السيارات المربوطة كيميائياً بالهيدروجين في كحول الميثيل (الميثانول). في عام 2002 ، تم عرض المتغيرات الأولى للآلات التي يتم فيها توليد الهيدروجين من البنزين (الشكل 3).

تم عرض أول سيارة تعمل بخلايا الوقود بواسطة شركة Daimler-Benz في عام 1994. وبحلول عام 2000 ، كان طراز NECAR-4 المحسن جاهزًا ، ومن المقرر أن يتم إنتاجه بشكل تجريبي منذ عام 2004. توجد خلايا وقود وخزان يحتوي على 100 لتر من الهيدروجين السائل أسفل الأرضية ، مما يوفر مساحة كافية في المقصورة للركاب والأمتعة. قوة المحرك الكهربائي - 74 حصان ، السرعة القصوى - 160 كم / ساعة ، نطاق الانطلاق - 450 كم. تبدأ الحركة فور الضغط على دواسة الوقود. يتم الوصول إلى 90٪ من قوة المحرك القصوى في ثانيتين. سيارة بالوقود. العناصر لها ديناميكيات مماثلة للسيارات المجهزة بمحركات البنزين أو الديزل.

يتم إعداد مجموعة من سيارات الركاب المزودة بخلايا وقود الهيدروجين السائل على أساس طراز Ford Focus الشهير لإطلاقها في عام 2004 من قبل مركز الأبحاث التابع لشركة Ford Motor Company الأمريكية. قامت الشركة الألمانية التابعة لشركة Ford Forschungszentrum Aachen ، بالتعاون مع 40 جامعة من 12 دولة ، بإنشاء مونديو P2000 HFC استنادًا إلى منصة سيارة السيدان العائلية Ford Taurus. يقع خزان الهيدروجين السائل خلف المقعد الخلفي ، المسافة المقطوعة بين حشوتين 160 كم.كما سيتم تجميع دفعة من مونديو P2000 HFC للتشغيل التجريبي في الولايات المتحدة الأمريكية. التكلفة التقديرية 35 ألف دولار قامت شركة BMW البافارية في كثير من الدول بعرض سيارة BMW 750hl سيدان بخزان 140 لتر من الهيدروجين السائل. السرعة القصوى - 200 كم / ساعة ، ومدى الانطلاق - 350 كم. تم بناء محطة تعبئة الهيدروجين السائل الروبوتية في عام 1999 في ميونيخ ، بالقرب من المطار. غطت 16 ميجاوات 750hls ما مجموعه 65000 ميل منذ عام 1999. بدأت شركة صناعة السيارات اليابانية تويوتا في إنتاج الدفعة الأولى من السيارات بخلايا وقود الهيدروجين السائل بسعر 75 ألف دولار ، والمشترين المحتملين هم الحكومة والشركات الكبيرة. في المرحلة الأولية ، سيتم تشغيل الآلات في طوكيو فقط ، حيث تم بناء محطات تعبئة خاصة. ترجع التكلفة العالية لمركبات خلايا الوقود التي تحتوي على الهيدروجين السائل إلى المتطلبات العالية للعناصر المكونة لتركيبات مخطط كهربية القلب ونظام تخزين الهيدروجين المعقد عند درجة حرارة منخفضة جدًا. تنشأ مشاكل إضافية عندما تكون السيارة متوقفة ، عندما يبدأ فقدان الهيدروجين المتبخر. يؤدي تخزين الهيدروجين تحت الضغط أيضًا إلى مشاكل أخرى.

من المحتمل أن يكون تخزين الهيدروجين في الهيدريدات أكثر كفاءة. الهيدريدات هي مركبات كيميائية للهيدروجين مع عناصر كيميائية أخرى. يجري حاليًا تطوير أنظمة تخزين تعتمد على هيدرات المغنيسيوم. تمتص بعض السبائك المعدنية مثل سبائك المغنيسيوم والنيكل والمغنيسيوم والنحاس وسبائك الحديد والتيتانيوم الهيدروجين بكميات كبيرة نسبيًا وتطلقه عند تسخينه. ومع ذلك ، تخزن الهيدريدات الهيدروجين بكثافة طاقة منخفضة نسبيًا لكل وحدة وزن ، وعمليات التزويد بالوقود بطيئة بشكل غير مقبول. الهدف من البحث المستمر هو إنشاء تركيبة تخزن كمية كبيرة من الهيدروجين بكثافة طاقة عالية ، وتحررها بسهولة وتكون فعالة من حيث التكلفة. من وجهة النظر هذه ، فإن تقنيات تصنيع المركبات الكيميائية الحاملة للهيدروجين - الأمونيا والميثانول وبعض الأنواع الأخرى ، المتقنة بالفعل في كيمياء الأحمال الكبيرة ، تجعل من الممكن تقليل تكاليف البنية التحتية اللازمة للتسليم والتزود بالوقود من الهيدروجين ، واستخدام أنظمة التخزين المثلى على ظهر المركب. من حيث كثافة حجم تخزين الهيدروجين ، يكون الميثانول أعلى بمقدار 1.5 مرة من الهيدروجين السائل. تشتمل هذه الأنظمة على ثنائي ميثيل الأثير (DME) ، المنتج من الميثانول للاستخدام في المركبات بدلاً من وقود الديزل.

في هذا الصدد ، يبدو أن الأنظمة التي يكون فيها مصدر الهيدروجين سائلًا (عند الضغط الجوي) كحول الميثيل أو البنزين واعدة أكثر. عند استخدام الميثانول ، يتم تبسيط نظام تخزين ونقل الوقود. إنه أسهل مع البنزين ، لكن جميع مشاكل إنشاء محول غير مكلف وموثوق به لتحلل الهيدروكربونات بتكوين الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون لم يتم حلها بعد. تعتزم شركة Daimler Chrysler إنتاج مجموعة من مركبات NECAR-3 للتشغيل التجريبي مع خلايا وقود الميثانول ونطاق تجول بين محطتي وقود يبلغ طولهما 400 ميل. طراز Ford Mondeo P2000 FC5 ، الذي تم إنشاؤه في مركز الأبحاث الأوروبي لشركة Ford Forschungzentrum Aachen ، يحتوي على 400 خلية وقود ميثانول تزن 172 كجم وتقع أسفل غطاء المحرك. عند درجة حرارة مرتفعة ، يبدأ تفاعل تكوين الهيدروجين من الميثانول. محرك كهربائي 120 حصان يوفر سرعة قصوى تبلغ 145 كم / ساعة. قبل دخولها حيز الإنتاج عام 2004 ، توقع مبتكرو السيارة خفض السعر إلى 15 ألف دولار ، فالسيارات ذات المحركات الكهربائية وخلايا الوقود هي سيارات صديقة للبيئة. لكن تنشأ مشاكل تقنية واقتصادية جديدة عند إنشاء محطات محمولة لإنتاج الهيدروجين مباشرة في وحدة الطاقة في السيارة. على سبيل المثال ، اليوم ، بعد إيقاف تشغيل المحرك ، يستغرق النظام بأكمله ما يصل إلى دقيقتين لبدء العمل مرة أخرى. عرضت شركة جنرال موتورز في أبريل 2002 أمام الصحفيين شاحنة بيك آب شيفروليه S10 مزودة بخلايا وقود ، ومصدر الهيدروجين من أجله البنزين. تتوقع جنرال موتورز أن تكون أول شركة تنتج مليون سيارة تعمل بخلايا الوقود. لتنفيذ المشروع ، من الضروري إنتاج البنزين في الدولة بدون أو مع محتوى ضئيل من الكبريت. سيكلف جالون من هذا البنزين 5 سنتات أكثر. لا يمكن أن يكون سعر المحول لتوليد الهيدروجين في الإنتاج الضخم أكثر من 3000 دولار.

لإنشاء مركبة تعمل بخلايا الوقود ، تتعاون AvtoVAZ الروسية مع شركة Energia للصواريخ والفضاء والشركات التابعة لوزارة الطاقة الذرية الروسية.

يهدف العديد من صانعي السيارات إلى إطلاق الدُفعات الأولى من مركبات خلايا الوقود في عام 2004 ، على الأقل في عام 2005. أعلنت شركتا تويوتا وهوندا اليابانيتان أنهما بدأتا الإنتاج التجريبي لسيارات خلايا الوقود. من أجل اكتساب الخبرة اللازمة لحل المشاكل التقنية الناشئة ، في عام 2000 ، تم إطلاق تشغيل ست حافلات في شيكاغو وفانكوفر (كولومبيا البريطانية ، كندا). وسوف يستغرق الأمر عدة سنوات للتشغيل التجريبي وتطوير أكثرها أمانًا وأكثرها تقنية. نظام متقدم. بحلول عام 2010 ، سيتم تجميع الكثير من الخبرة في تشغيل وصيانة الآلات ذات المحركات الهجينة. ستؤدي مجالات العمل المختلفة للقضاء على استخدام البنزين في المركبات أو الحد منه بشكل كبير إلى تغيير جذري في هيكل أسطول المركبات. في الوقت نفسه ، سيتم تقليل التأثير السلبي على البيئة بشكل كبير ، وسيتم إدخال معايير بيئية أكثر صرامة. سيتم تحديد مجالات تطبيق فعالة من حيث التكلفة لأنواع مختلفة من المحركات. ونتيجة لذلك ، سينخفض ​​إجمالي حاجة الدول الصناعية للوقود الهيدروكربوني ، وستنخفض تكلفته ، وسيقل النفوذ السياسي لكبار منتجي النفط ، وخاصة في الشرق الأوسط.

في يونيو 2002 ، أعلنت الحكومة الأيسلندية عن تحويل أنظمة النقل البري وأسطول الصيد إلى أنظمة الهيدروجين. في هذا البلد ، تعتمد جميع إمدادات الطاقة والحرارة على أنواع جديدة من الطاقة النظيفة ، وخاصة الطاقة الحرارية الأرضية. ظل استهلاك المنتجات البترولية في مجال النقل بالسيارات وصيد الأسماك فقط. وبعد إجراء المقارنات اللازمة وإعداد المشروع ، توصلت الحكومة الأيسلندية إلى استنتاج مفاده أنه في السنوات القادمة سيتم تحويل أسطول السيارات وسفن الصيد بالكامل إلى البيئة وقود الهيدروجين الصديق. بناءً على تجربة تشغيل العشرات من حافلات الهيدروجين في أوروبا في ريكيافيك في أوائل عام 2003 ، أطلقت شل أول محطة لتزويد الحافلات بالوقود بهيدروجين كهربائي مضغوط بسعة 60 نانومتر مكعب في إطار مشروع ECTOS. تستخدم أجهزة التحليل الكهربائي الخزفية ذات درجة الحرارة العالية كأساس لإنتاج الهيدروجين من الماء.

تكلفة الهيدروجين
حاليًا ، الطريقة الأكثر فعالية من حيث التكلفة لإنتاج الهيدروجين هي إعادة التشكيل بالبخار. وفقًا لوزارة الطاقة الأمريكية ، في عام 1995 كانت تكلفة الهيدروجين 7 دولارات / جيجا جول (لمصنع كبير) ، وهو ما يعادل تكلفة البنزين 0.24 دولار / لتر. كان من المفترض أن تبلغ تكلفة الغاز الطبيعي 2.30 دولار أمريكي / جيجا جول (80 دولار أمريكي / 1000 نانومتر 3) ، وهو أعلى بثلاث مرات من تكلفته في روسيا. وبالتالي ، حتى مع زيادة الأسعار المحلية للغاز الطبيعي في روسيا مرتين أو ثلاث مرات ، فإن الهيدروجين المنتج باستخدام PCM سيكون مورد طاقة أرخص من البنزين بالأسعار المحلية الحالية للوقود الهيدروكربوني.

يقدر إنتاج الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي للماء على أساس التقنيات الحديثة بتكلفة تتراوح من 10 إلى 20 دولارًا لكل جيجا جول. يتم إعطاء أرقام مماثلة من خلال التقديرات التي تم الحصول عليها للإنتاج الكيميائي الحراري للهيدروجين من الماء باستخدام طاقة HTGR. على المدى القصير ، يمكن إنتاج الهيدروجين الذي يتم الحصول عليه من الماء في عملية الإصلاح البخاري للميثان باستخدام طاقة HTGR في البلاد بتكلفة أقل من 7 دولارات / جيجا جول ، أي أرخص من البنزين بسعر الأخير 7-8 روبل / لتر.

الوضع يتطور بسرعة كبيرة.
في فبراير 2003 ، تم الإعلان عن بدء العمل في إطار برنامج مبادرة الهيدروجين الذري التابع لوزارة الطاقة الأمريكية ، والذي يهدف إلى إنشاء مجمع الهيدروجين الذري بحلول عام 2015 لإنتاج الهيدروجين باستخدام مفاعل نووي عالي الحرارة. في يوليو 2003 ، خصص مجلس الشيوخ الأمريكي لمبادرة الهيدروجين الذري ضعفي ما طلبته الإدارة الرئاسية الأمريكية.

في يونيو 2003 ، في جلسة لوكالة الطاقة الدولية ، أعلن وزير الطاقة الأمريكي سبنسر أبراهام أنه في غضون 20 عامًا سيتحول العالم بأسره (والبلدان المتقدمة حتى قبل ذلك) إلى النوع الجديدوقود المحرك ، مثل الهيدروجين. في غضون خمس سنوات للتطوير محرك الهيدروجينستنفق الولايات المتحدة 1.7 مليار دولار وسيخصص الاتحاد الأوروبي ملياري دولار لإنتاج وقود الهيدروجين نفسه ومصادر أخرى للطاقة المتجددة. في حديثه في مؤتمر الاتحاد الأوروبي في بروكسل ، دعا إس. أبراهام أوروبا للانضمام إلى تطوير طاقة الهيدروجين ، على أساس مصادر الطاقة النووية.

في 25 يونيو 2003 ، أعلن الرئيس الأمريكي جورج دبليو بوش ورئيس الاتحاد الأوروبي رومانو برودي ، في بيان مشترك ، الحاجة إلى التعاون الدولي في تطوير الطاقة الهيدروجينية.

خلال قمة الطاقة التجارية الروسية الأمريكية (سانت بطرسبرغ ، 22-23 سبتمبر 2003) ، أدلى وزيرا الطاقة الأمريكي والروسي بتصريحات حول التعاون بين روسيا والولايات المتحدة في تطوير اقتصاد الهيدروجين.

جدول المحتويات
1. مقدمة ……………………………………………………………………………… 3
الفصل الأول: الحصول على الهيدروجين واستخدامه ........................... 5
1.1 طرق تخزين الهيدروجين …………………………………………………… 6
الفصل الثاني: المشاكل الرئيسية لتطوير طاقة الهيدروجين ………… .. 7
2.1. مقارنة مع أنواع الطاقة التقليدية ........................... 12
الفصل 3
3.1 فوائد خلايا الوقود ……………………………………………………………………………………………………………………………………. 16
الفصل الرابع: طاقة الهيدروجين في الوقت الحاضر ........................... 21
4.1 الأسباب الرئيسية التي تعوق تطوير طاقة الهيدروجين ................................................................................................................................................... …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… .. 23
الخلاصة …………………………………………………………………………… 24
المراجع ………………………………………………………………… 26

1 المقدمة
طاقة الهيدروجين هي اتجاه في إنتاج الطاقة واستهلاكها من قبل البشر ، يعتمد على استخدام الهيدروجين كوسيلة لتجميع ونقل واستهلاك الطاقة من قبل الناس ، والبنية التحتية للنقل ومناطق الإنتاج المختلفة.
مع طاقة الهيدروجينهناك آمال في إعادة تنظيم عالمي للاقتصاد العالمي ، والانتقال من ناقلات الطاقة الهيدروكربونية الأحفورية إلى الهيدروجين ، مما يفتح إمكانية استخدام موارد المياه كقاعدة غير محدودة للمواد الخام ، وبخار الماء هو نتاج احتراق الهيدروجين.
ينتج الهيدروجين صناعيا من قبل الإنسان. في الطبيعة ، يوجد في شكل مركبات في شكل حر ، ولا يحدث عمليا. يتطلب الإنتاج طاقة.
للحصول على الطاقة المنبعثة من حرق لتر واحد من البنزين ، ستكون هناك حاجة إلى 3.74 لتر من الهيدروجين السائل.
في الحالة الغازية ، الوضع أسوأ. عند 30 ميجا باسكال ، يلزم 9 لترات من الهيدروجين لإنتاج طاقة مكافئة لتر واحد من البنزين.
في درجة حرارة الغرفة ، يحتل الهيدروجين 3000 ضعف حجم البنزين. لذلك ، يجب ضغطها أو ربطها أو تسييلها. وهذا عمل إضافي.
يتم إنتاج 5٪ فقط من الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي. هذا هو 3-4 مرات أكثر تكلفة من الحصول على الهيدروجين من الميثان. ومع ذلك ، فإن هذه الطريقة تجعل من الممكن الحصول على هيدروجين نقي جدًا. كفاءة التحليل الكهربائي حوالي 70٪. للحصول على الهيدروجين من خلال طاقة الرياح ، تحتاج إلى إنفاق 3 وحدات من طاقة الرياح للحصول على وحدة واحدة من طاقة الهيدروجين. للطاقة الشمسية 9 وحدات. كفاءة استخدام الأعشاب البحرية لإنتاج الهيدروجين 2٪.
ومع ذلك ، فإن توافر ضوء الشمس والحاجة إلى الطاقة لا يتطابقان دائمًا. عندما يكون استهلاك الطاقة ضئيلًا ، يمكن استخدام الطاقة الكهربائية من الألواح الشمسية أو مولد الرياح لتحليل المياه بالكهرباء وإنتاج الهيدروجين. يتراكم الهيدروجين في الخزان ، وعند الضرورة ، يتم استهلاكه لتوليد الكهرباء في مولدات الهيدروجين الكهروكيميائية. ربما يكون مثل هذا النظام الهجين أساسًا للطاقة في المستقبل.
يتطلب إنتاج الهيدروجين الكثير من الطاقة. ومع ذلك ، فإن التحول من الهيدروكربونات يقضي على مشكلة الاحتباس الحراري ، حيث لا تتشكل غازات الدفيئة.
تترافق الآمال مع طاقة الهيدروجين من أجل إعادة تنظيم عالمي للاقتصاد العالمي ، من أجل الانتقال من ناقلات الطاقة الهيدروكربونية الأحفورية إلى الهيدروجين ، مما يفتح إمكانية استخدام موارد المياه كقاعدة غير محدودة من المواد الخام ، وبخار الماء هو نتاج الهيدروجين. الإحتراق. في المستقبل البعيد ، من المخطط استخدام مصادر الطاقة النووية الحرارية والشمسية ومصادر الطاقة المتجددة الأخرى (RES) لإنتاج الهيدروجين الإلكتروليتي.
يتطلب إدخال طاقة الهيدروجين في مجمع طاقة الوقود (FEC) موارد واستثمارات كبيرة. الهدف من هذا العمل هو إظهار أنسب الطرق لتطوير وتنفيذ تقنيات الهيدروجين. بالإضافة إلى "العقبات" المحتملة التي سيتعين عليك مواجهتها.
الفصل الأول: الحصول على الهيدروجين واستخدامه
احتياطيات الهيدروجين المرتبطة بالمواد العضوية والمياه عمليا لا تنضب. يسمح كسر هذه الروابط بإنتاج الهيدروجين ثم استخدامه كوقود.
في هذا الصدد ، أثيرت مسألة الحصول على الهيدروجين بأكثر الطرق فعالية من حيث التكلفة. في الواقع ، في ظل ظروف معينة ، يحدث التفكك عمليا دون إنفاق الطاقة. كيف وأين تختار هذه الشروط هي مهمة العديد من الدراسات والتجارب.
عند تسخينه فوق 2500 درجة مئوية ، يتحلل الماء إلى هيدروجين وأكسجين (تحلل حراري مباشر).
من السهل نسبيًا تحويل غرف احتراق الطائرات لاستخدام الهيدروجين كوقود.
ينتشر استخدام الهيدروجين في تكنولوجيا الفضاء في شكل وقود. في السابق ، كان وقود الديزل وقود الصواريخ ، وكان الأكسجين المسال يعمل كمؤكسد. ثم يعمل الهيدروجين المسال كوقود.
في الوقت الحاضر ، يتم الحصول على معظم الهيدروجين المنتج على نطاق صناعي في العالم في عملية إعادة تشكيل بخار الميثان (SCM).
يستخدم الهيدروجين أيضًا في لحام الغاز. يعمل ما يسمى ب "القاطع" أيضًا باستخدام الهيدروجين.

1.1 طرق تخزين الهيدروجين
تخزين واستخدام الهيدروجين أمر خطير. لذا فإن الهيدروجين في خليط مع الهواء يشكل خليطًا متفجرًا - غازًا متفجرًا. يكون هذا الغاز أكثر قابلية للانفجار عندما تكون نسبة حجم الهيدروجين والأكسجين 2: 1 ، أو الهيدروجين والهواء 2: 5 تقريبًا ، حيث يحتوي الهواء على حوالي 21٪ أكسجين. الهيدروجين مادة قابلة للاشتعال أيضًا. يمكن أن يسبب الهيدروجين السائل قضمة صقيع شديدة إذا لامست الجلد.
تشمل الخصائص السلبية للهيدروجين: كثافة منخفضة ، قيمة حرارية حجمية ، درجة حرارة احتراق عالية.
معظم طريقة فعالةالتخزين اسطوانات. ألاحظ أنه من المناسب تنسيق عمليات إنتاج الهيدروجين من الوقود التقليدي واستهلاكه قدر الإمكان في الوقت المناسب لتقليل الحاجة إلى تخزين الهيدروجين.
من المحتمل أن يكون تخزين الهيدروجين في الهيدريدات أكثر كفاءة. الهيدريدات هي مركبات كيميائية للهيدروجين مع عناصر كيميائية أخرى. يجري حاليًا تطوير أنظمة تخزين تعتمد على هيدرات المغنيسيوم. تقنيات تخزين الهيدروجين بعيدة كل البعد عن مرحلة التنفيذ التكنولوجي.
يمثل نقل الهيدروجين أيضًا مشكلة في الحالة المسالة والمضغوطة ، ويلزم وجود جدار فولاذي سميك وعزل. عند نقله عبر خطوط الأنابيب ، يتعرض المعدن لما يسمى "التقصف الهيدروجين". تحت الضغط ، تظهر تشققات وتحدث تسربات. مما قد يؤدي إلى وقوع حادث.

الفصل 2. المشاكل الرئيسية لتطوير طاقة الهيدروجين
1) لتحلل الماء إلى جزيئات H2 و O2 ، من الضروري إنفاق ضعف الطاقة التي يتم إطلاقها عند حرق الهيدروجين بالأكسجين.
2) منافسة هائلة من الهيدروكربونات المنتجة بالفعل.
3) هناك حاجة إلى وحدات خاصة يمكن أن توفر مثل هذه الدورة المعقدة: تحلل الماء أو البخار المشبع إلى جزيئات H2 و O2 ؛ غرف الاحتراق التي يحرق فيها الهيدروجين بالأكسجين. توربين لتوسيع بخار البارامترات العالية. دعونا لا ننسى قانون الحفاظ على الطاقة ، لأنه حتى في الحالة المثالية ، عندما يتحلل الماء بالكهرباء ويتم إطلاق الحرارة عند حرق الهيدروجين ، فإن الطاقة ستكون متساوية. في التمرين حرارة نوعيةيساوي احتراق الهيدروجين 120.9 ميجا جول / كجم. لاستخراج 1 كجم من الهيدروجين من الماء ، من الضروري إنفاق أكثر من مرتين على الأقل.
ستبدو الحلقة بأكملها كما يلي:

رسم بياني 1. دورة التركيب CS - غرفة الاحتراق ، T - التوربينات ، EG - المولد الكهربائي.
يمكن استخدام مثل هذا الإعداد لتغطية منحنيات ذروة الطلب. سيتغذى المحلل الكهربائي على الطاقة الزائدة (الرخيصة) للنظام مع الطاقة الزائدة ، بينما تتراكم الغازات في صهاريج التخزين ، ثم يقوم بإعطاء الطاقة الكهربائية للشبكة في حالة عجزها.
بالطبع ، كان لهذا التثبيت تكلفة عالية جدًا. درجات حرارة احتراق عالية للغازات في غرفة الاحتراق ، بارامترات بخار عالية عند مدخل التوربينات ، محلل كهربي.
طرق تحسين العملية التكنولوجية: إتقان التحليل الكهربائي نفسه ، باستخدام إنتاج الهيدروجين تفاعلات كيميائيةوالكتلة الحيوية.
الاحتراق نفسه ممكن تمامًا في الماء. في الوقت نفسه ، يتم تجميع الأقطاب الكهربائية التي يتم إطلاق الغازات عليها معًا ، ويحدث الاحتراق تحت الماء ويتم إطلاق البخار.
من الممكن تنظيم حقن نواتج التقطير في غرفة الاحتراق.
وهذا هو ، بهذه الطريقة لتجميع الكهرباء. الآن يتم تنفيذ هذه الوظيفة بواسطة HPS.
في بعض الحالات ، تتمتع خلايا الهيدروجين بمزايا تقنية كبيرة مقارنة بالبطاريات ، على سبيل المثال ، عند الحاجة إلى إنتاج طاقة عالية في وقت قصير. ومع ذلك ، في هذا التطبيق بالذات ، لا توجد مثل هذه المزايا حتى الآن. إذا حكمنا من خلال العدد الهائل من المنشورات العلمية التي تقدم المزيد والمزيد من المواد والطرق الجديدة لتخزين الهيدروجين ، لسوء الحظ ، لم يتم العثور على طريقة ناجحة مناسبة لمرافق التخزين واسعة النطاق هذه.
تم إحراز تقدم كبير في شبكات الإمداد بالطاقة في أوروبا ، حيث يكون عدد محطات الطاقة الحرارية الصغيرة (CHP) كبيرًا ويستخدم كل منها أكثر أنواع الوقود المتوفرة محليًا ويمكن إيقافها بسهولة في حالة السعة الزائدة والحمل في تم تحسين الشبكة تلقائيًا ، مما جعل مشكلة تفاوت التحميل هذه ليست ملحة للغاية.
إذا قارنا سعر التركيب المحدد لعام 2006 ، نحصل على صورة لا تفضل استخدام خلايا الهيدروجين: سعر خلايا وقود الهيدروجين حوالي 4 آلاف دولار للكيلوواط من السعة المركبة ، محطة طاقة صغيرة تعمل بواسطة كاتربيلر يبلغ سعر محرك مكبس الغاز حوالي ألف دولار لكل كيلوواط من السعة المركبة ، ومولد محرك البنزين - حوالي 100 دولار لكل كيلوواط من السعة المركبة ، ومولد محرك الغاز - 30 دولارًا لكل كيلوواط من السعة المركبة. بالنسبة للطاقة الجماعية ، فهي أحد العوامل المحددة.
توجد بالفعل سيارات تعمل جزئيًا بالمياه. يتم توصيل المحلل الكهربائي بأطراف البطارية ، حيث يوجد ماء بين الألواح. عندما تتحرك السيارة ، يتم إعادة شحن البطارية باستمرار ويتم إطلاق الهيدروجين من المحلل الكهربائي ، والذي يتم إرساله إلى المحرك.
هناك أيضًا طرازات من السيارات تعمل بالهيدروجين. على سبيل المثال ، نموذج تجريبي من الجيل الثالث لهوندا FCX بخزان هيدروجين سعة 156 لترًا (يحتوي على 3.12 كجم من الهيدروجين بضغط 25 ميجا باسكال) يسافر 355 كم.
في الوقت الحاضر ، فإن إنتاج الهيدروجين على نطاق واسع من الماء محدود بسبب نقص مرافق الطاقة الرخيصة. على سبيل المثال ، لاستبدال وقود المحرك بالهيدروجين في جميع البلدان ، ستكون هناك حاجة إلى 20-30 ألف مليار كيلوواط / ساعة من الكهرباء ، بينما يبلغ إنتاجها العالمي حوالي 15 ألف مليار كيلوواط / ساعة.
ومع ذلك ، لتحسين الوضع البيئي في المدينة ، من الضروري والممكن إيجاد موارد الطاقة لإنتاج الهيدروجين.
وهنا تبرز المشكلة التالية عند الحصول على الكهرباء بالطريقة التقليدية ، فنحن نلوث الغلاف الجوي ، ولكن في المكان الذي يستخدم فيه الهيدروجين ، يتحسن الوضع.
ويشمل ذلك استخدام السعة الزائدة لمحطات توليد الطاقة في الليل وفي عطلات نهاية الأسبوع ، عندما تنخفض الحاجة إلى الكهرباء. على سبيل المثال ، في محطة الطاقة النووية Leningrad NPP وحدها ، تبلغ احتمالية الكهرباء غير المستخدمة حوالي 390 مليون كيلو واط في الساعة سنويًا (ككل في روسيا - حوالي 20 مليار كيلو واط في الساعة ، وهو ما يتجاوز التوفير في الكهرباء مع الانتقال إلى فصل الصيف). إن استخدام هذه القدرات سيجعل من الممكن إنتاج حوالي 5000 طن من الهيدروجين الإلكتروليتي السائل سنويًا أو توفير الهيدروجين لحوالي 3900 مركبة (بشكل أساسي الشاحنات والحافلات). الهيدروجين فعال أيضًا كمادة مضافة لوقود المحرك. على سبيل المثال ، 5-8٪ هيدروجين يقلل من سمية عادم ICE بنسبة 70٪ ويزيد من كفاءته. في هذه الحالة ، يزيد عدد المركبات التي تستخدم نفس الكمية من الهيدروجين إلى 11 ألف وحدة. ثم ستؤتي ثمار التكاليف الاقتصادية لإنشاء بنية تحتية للهيدروجين ثمارها في غضون سنوات قليلة من خلال توفير البنزين وتقليل الأضرار البيئية.
سيكون من المبرر اقتصاديًا ومن الملائم استخدام احتياطيات الطاقة التي تم الحصول عليها عن طريق تقليل كثافة الطاقة المحددة للاقتصاد (بحوالي 3.5٪ نسبيًا سنويًا). يظهر تقييم أولي أن مهمة النقل التدريجي للمركبات إلى الهيدروجين تبدو واقعية تمامًا ، في حدود 10 آلاف وحدة تقريبًا بحلول عام 2020 و 20 ألفًا بحلول عام 2030.
لإنتاج الهيدروجين الإلكتروليتي وتسييله اللاحق ، ستكون هناك حاجة إلى حوالي 1 مليار كيلو وات ساعة من الكهرباء (مع التكنولوجيا الحالية للتحليل الكهربائي والإسالة) ، وهو على التوالي 0.1 و 0.2 ٪ من الكهرباء الحالية المستهلكة في البلاد. تبلغ تكلفة النفقات الرأسمالية للبنية التحتية للهيدروجين (بسعة 11155 طنًا من الهيدروجين سنويًا) حوالي 95.7 مليون دولار. الاسترداد في غضون خمس سنوات.
مراعاة قيمة البنزين غير المستخدم بأسعار 2010 وعدم وجود أضرار بيئية بسبب سمية عوادم محركات الاحتراق الداخلي وعدم وجود أضرار. بيئةيطبق عند استخدام الهيدروكربونات.
يجب أن يرتبط تطوير طاقة الهيدروجين بتطوير مجمع الوقود والطاقة في البلاد ، والوضع البيئي في كل منطقة محددة.

2.1. مقارنة مع الأشكال التقليدية للطاقة
في محطات الطاقة الحرارية ، يكون الوقود الرئيسي هو: الفحم أو زيت الوقود أو الغاز الطبيعي. يتم الاحتراق بمساعدة الهواء في المرجل. درجة حرارة الهواء عند مخرج المرجل حوالي 130 درجة مئوية ، الهواء 78٪ نيتروجين. أي أن جزءًا كبيرًا من حرارة احتراق الوقود يتم إنفاقه على تسخين النيتروجين حتى 120 درجة وإطلاقه في الغلاف الجوي. يتم توجيه حرارة احتراق الوقود لزيادة تسخين البخار وإطلاقه إلى التوربين. ثم يمر البخار عبر التوربينات البخارية ، وفي النهاية يتم تكثيفه. يتم نقل حرارة التبخير إلى الماء المتداول. يعطي الماء المتداول حرارته مرة أخرى إلى الغلاف الجوي نتيجة لكفاءة TPP التي تبلغ حوالي 37 ٪ ، ثم في الوضع الاسمي. بالطبع ، هناك دورات أكثر حداثة يتم فيها استخدام طاقة الوقود بشكل كامل: CHP و CCGT ، دورات مع تغويز الفحم ، وخاصة CCGT-CHP.
فكرة طاقة الهيدروجين هي استخدام الهيدروجين (H2) كوقود وكمؤكسد للهواء أو ، في أفضل الأحوال ، أكسجين (O2).
طاقة الهيدروجين رأي بديلطاقة.
خلايا الوقود هي الطريقة الأكثر تقدمًا لتوليد الطاقة الكهربائية. في خلايا الوقود ، لا يوجد تحويل للطاقة الكيميائية للوقود إلى طاقة حرارية وميكانيكية. في هذا الصدد ، فإن كفاءة خلايا الوقود أعلى مرتين من كفاءة محطات الطاقة الحرارية ، حوالي 73٪.

الفصل 3 خلايا الوقود
تجذب خلايا الوقود أكبر قدر من الاهتمام للباحثين والمطورين والصناعة والمستثمرين. خلية الوقود (المولدات الكهروكيميائية - ECG) - نوع من التقنيات التي تستخدم تفاعل أكسدة الهيدروجين في عملية كهروكيميائية غشائية تنتج الكهرباء والطاقة الحرارية والماء ، على غرار الخلية الجلفانية ، ولكنها تختلف عنها في أن المواد المستخدمة في يصلح التفاعل الكهروكيميائي من الخارج - على عكس الكمية المحدودة من الطاقة المخزنة في خلية أو بطارية جلفانية. كفاءة خلايا الوقود تصل إلى 90٪.
تستخدم برامج الفضاء الأمريكية والسوفيتية ECG منذ عقود. يتم تطوير خلايا الوقود (FC) لقيادة السيارات والحافلات بنجاح للمركبات ، وكذلك لأنظمة الإمداد بالطاقة الذاتية. خلايا وقود البوليمر الصلب (TP) على وشك التسويق من حيث المستوى التقني. ومع ذلك ، في الوقت الحاضر ، فإن تكلفتها العالية (محطة توليد الكهرباء ~ 104 دولار / كيلوواط) تعيق هذه العملية إلى حد كبير.
مطلوب كميات كبيرة من معادن مجموعة البلاديوم والبلاتين لتكوين خلايا الوقود اللازمة لتطوير طاقة الهيدروجين.
خلية وقود الهيدروجين الشكل 2 عبارة عن جهاز يحول الطاقة الكيميائية لتفاعل الجمع بين الهيدروجين والأكسجين إلى كهرباء. يدخل الهيدروجين إلى أنود خلية الوقود ، حيث تتحلل الذرات إلى إلكترونات وبروتونات. يتم استخدام محفز لتسريع العملية. تذهب الإلكترونات إلى دائرة كهربائية، وخلق تيار. تمر البروتونات عبر الغشاء الإلكتروليتي البوليمري. يدخل الأكسجين من الهواء المحيط إلى القطب السالب ويتحد مع بروتونات الهيدروجين والإلكترونات لتكوين الماء.

الصورة 2. خلية الوقود ، مبدأ التشغيل (تحويل الطاقة الكيميائية للهيدروجين إلى كهرباء).
في أبسط خلية وقود ، حيث يتم استخدام الهيدروجين النقي والأكسجين النقي ، يتحلل الهيدروجين ويتأين عند الأنود. يتم تكوين اثنين من أيونات الهيدروجين وإلكترونين من جزيء H2. عند الكاثود ، يتحد الهيدروجين مع الأكسجين لتكوين الماء. في الواقع ، يتم إطلاق بخار الماء في الغلاف الجوي بدلاً من الكمية الهائلة من ثاني أكسيد الكربون المتولدة أثناء تشغيل محطات الطاقة الحرارية التقليدية.
تم الحصول على أول طاقة كهربائية باستخدام خلية وقود في القرن التاسع عشر. ومع ذلك ، نشأت الطفرة حول طاقة الهيدروجين عندما بدأ استكشاف الفضاء. في الستينيات من القرن العشرين ، تم إنشاء خلايا وقود بقوة تصل إلى 1 كيلوواط لبرامج Jamie و Apollo ، في 70-80s - خلايا وقود 10 كيلووات للمكوك. في بلدنا ، تم تطوير مثل هذه التركيبات لبرنامج Buran في NPO Energia ، والتي عملت كمنسق للبرنامج بأكمله ، تم إنشاء خلايا الوقود القلوية نفسها في Novouralsk في مصنع كهروكيميائي. في نفس السنوات ، تم بناء محطات طاقة بسعة حوالي 100 كيلو وات على خلايا وقود حامض الفوسفوريك. في اليابان والولايات المتحدة الأمريكية ، توجد محطات طاقة تجريبية بقدرة 10 ميغاواط.
تتكون خلية الوقود من موصل أيوني (إلكتروليت) وموصلان إلكترونيان (قطبان) متصلان بالمحلول بالكهرباء. يتم توفير الوقود والمواد المؤكسدة باستمرار للأقطاب - تتم إزالة الأنود والكاثود ، والمنتجات (المكونات الخاملة وبقايا المؤكسد ، وكذلك منتجات الأكسدة) منها باستمرار.

3.1. مزايا خلايا الوقود
دعونا نقارن توليد الكهرباء في محطات الطاقة الحرارية وبمساعدة خلايا الوقود. يمكن تمثيل هذا بشكل أفضل في شكل جدول.

تين. 3. مراحل تحويل الطاقة الكيميائية بالطريقة التقليدية والكهروكيميائية.
لإنشاء مركبة تعمل بخلايا الوقود ، تتعاون AvtoVAZ الروسية مع شركة Energia للصواريخ والفضاء والشركات التابعة لوزارة الطاقة الذرية الروسية.
أحد مجالات الطاقة الهيدروجينية هو محطات الطاقة النووية تحت الأرض غير الخاضعة للرقابة ، والبعيدة عن أماكن سكن الناس. بمساعدتهم ، يُنصح بالحصول على الهيدروجين من مياه البحر أو النهر في محللات كهربائية عالية الضغط ، ثم إرسالها في شكل مضغوط أو مسال عبر خطوط الأنابيب إلى المستهلكين في المناطق المكتظة بالسكان. والهيدروجين ، بعد أكسدة ، أي استخدام طاقته ، موجود بالفعل في تكوين المياه العذبة ليعاد إلى الأنهار.
يجب أن تكون محطات الطاقة النووية هذه في المناطق الشمالية من سيبيريا ، حيث تتوافر مياه البحر والأنهار بوفرة ، وهناك اتصالات النقل البحري ووسائل نقل البضائع الضخمة. يمكن أن تعمل محطات الطاقة النووية هذه لأكثر من 25 عامًا بدون صيانة. بالإضافة إلى ذلك ، ليس من الصعب دفنها تلقائيًا على عمق يصل إلى 100 متر بعد نفاد المورد.
لكن هناك مشكلة. والذي يبدو أنه يمكن أن يوقف الحلم الذي كاد أن يتحقق للبشرية بشأن الوقود الرخيص - الهيدروجين ، المنتج والمنتقل بكميات كبيرة ، ينفجر.
بفضل خلايا الوقود ، ليست هناك حاجة لإنتاج وتخزين الهيدروجين بكميات كبيرة إذا تم استخدام الهيدروجين حصريًا في شكل بروتون. في خلايا الوقود ، تحدث عملية هي عكس التحليل الكهربائي. إن توزيع مصادر الطاقة على أساس خلايا الوقود بسعة 15-200 كيلوواط سيخلق الأساس لتطوير ما يسمى بالنظام الموزع لتوليد الكهرباء ، عندما يكون منتج الطاقة هو المستهلك أيضًا. وبالتالي ، سيكون من الممكن التخلص من عدة كيلومترات من الشبكات الكهربائية ومحطات الطاقة العملاقة. تعتبر مجموعة "خلية الوقود - المضخة الحرارية" واعدة جدًا لتزويد التدفئة في المستقبل.
في العقد الماضي ، أصبح من الواضح تمامًا أن التطوير المكثف الإضافي للطاقة الحديثة والنقل يقود البشرية إلى أزمة بيئية واسعة النطاق.
تطوير تكنولوجيا جديدةسوف يسمح إنتاج الطاقة الاتحاد الروسيلتكون على قدم المساواة مع الدول المتقدمة في العالم. هذه في الواقع فرصة حقيقية للانتقال التدريجي لاقتصاد البلاد من "إبرة النفط" إلى الطريق السريع للمستقبل المتقدم من خلال إنشاء صناعة مرتبطة باستلام وتخزين ونقل ناقلات الطاقة الهيدروجينية والإنتاج. أنواع مختلفةخلايا الوقود.
العلوم المحلية لديها إمكانات كافية لتنفيذ هذا المشروع. تدرك حكومة الاتحاد الروسي أهمية المشروع وتبذل جهودًا لتنفيذه.
بادئ ذي بدء - مسألة سعر حامل الطاقة هذا. وفقا للخبراء ، فإن تكلفة وقود الهيدروجين "المنتج بكميات كبيرة" في يوم من الأيام لن تكون أعلى من سعر البنزين. لكن عندما يأتي هذا "الغد السعيد" ، وما إذا كان مصير الشيوعية ، الذي سيعيش في ظله ، كما هو متوقع ، كل شخص سوفيتي ، هو سؤال كبير.
الحفاظ على البيئة. في حد ذاتها ، لا تسبب طبيعة التفاعل ، الذي يجب أن تكون نتيجته عادم بخار الماء ، الكثير من الشك. ولكن ، كما في حالة السعر ، فإن عملية الحصول على الهيدروجين في النطاق الصناعيقد لا تكون "نظيفة" بشكل خاص.
على سبيل المثال ، في الولايات المتحدة ، يتم بالفعل إنشاء أولى محطات التحليل الكهربائي للمياه ، باستخدام التيار المتولد عن الألواح الشمسية. للوهلة الأولى ، يبدو أن كل شيء صديق للبيئة للغاية. ومع ذلك ، فإن "قانون الحفاظ على التعقيد" يعمل هنا أيضًا. لتنفيذ مثل هذه المشاريع ، من الواضح أن الألواح الشمسية مطلوبة بكميات ضخمة. لكن "نقاء" إنتاجهم ، بعبارة ملطفة ، أمر مشكوك فيه. أي بتقليل حجم التلوث في مكان ما ، تخلقه البشرية في مكان آخر.
إنشاء بنية تحتية واسعة النطاق للبيع بالتجزئة. تظهر ببطء محطات غاز الهيدروجين المنفصلة في العالم: في الولايات المتحدة الأمريكية وألمانيا واليابان. ومع ذلك ، فهي غريبة حتى الآن. وبدون مظهرها ، فإن الانتقال إلى الهيدروجين بالنسبة لأصحاب السيارات لا معنى له: ببساطة ليس لديهم مكان للتزود بالوقود.
جزئيًا ، يمكن حل هذه المشكلة بمبادرة من بعض شركات صناعة السيارات في العالم ، والتي تقترح إنشاء أنظمة تسمح بحرق الهيدروجين في محركات الاحتراق الداخلي. الفائدة الأساسية في هذه الحالة هي أن السيارة ستحتفظ بالقدرة على العمل بالبنزين الكلاسيكي.
في الواقع ، هذه الفكرة تكرر المخطط الحالي لمركبتين وقود "بنزين / غاز". هذا يجعل من الممكن حل مشكلة عدم وجود شبكة من محطات تعبئة "الهيدروجين" ، وفي نفس الوقت ، سيخلق الطلب المحتمل من مالكي السيارات الضروري لنشرها.
حاليًا ، هناك اهتمام متزايد من الشركات الكبيرة والوكالات الحكومية بخلايا وقود الهيدروجين (FC). هناك سببان رئيسيان لذلك: الكفاءة العالية لخلايا الوقود (70-80٪) وفوائدها البيئية. من ناحية أخرى ، فإن العوامل المقيدة هي التكلفة العالية لخلايا الوقود البوليمرية الصلبة ، والافتقار إلى بنية تحتية متطورة لتخزين ونقل وتوزيع الهيدروجين.
في العديد من دول العالم ، يعتبر البحث في مجال طاقة الهيدروجين أولوية في تطوير العلوم والتكنولوجيا. يُفهم هذا المصطلح عادةً على أنه طريقة لتنظيم مجمع الوقود والطاقة ، حيث يتم استخدام الهيدروجين كحامل رئيسي للطاقة ، وتستخدم خلايا الوقود لتوليد الكهرباء بناءً عليه. إنها أجهزة كهروكيميائية تنتج الكهرباء بدون عملية الاحتراق ، بسبب أكسدة الهيدروجين مع الأكسجين الجوي.
بالإضافة إلى الهيدروجين ، يمكن استخدام الميثانول والإيثانول والغاز الطبيعي والكتلة الحيوية والفحم والأمونيا وما إلى ذلك كوقود ، ويحدد استخدام هذه الأنواع من الوقود النوع المحدد لخلية الوقود وخصائصها. تتمتع خلايا وقود الهيدروجين حاليًا بأهمية عملية كبرى.
الهيدروجين ليس مصدرًا أساسيًا للطاقة مثل النفط أو الغاز الطبيعي ، ولكن يمكن استخدامه كناقل للطاقة.

الفصل 4. طاقة الهيدروجين في الوقت الحاضر
طاقة الهيدروجين حية بالفعل وبصحة جيدة. يشير هذا إلى تقنيات تحويل الهيدروكربونات - في المقام الأول التكسير الهيدروجيني ، وكذلك إنتاج الزيت الاصطناعي ووقود المحركات ، وتغويز الفحم ، إلخ. تعتمد معظم هذه التقنيات على تكوين الغاز التخليقي (خليط من الهيدروجين H2 وأول أكسيد الكربون CO) من الماء والوقود الهيدروكربوني والتوليف اللاحق لهيدروكربون آخر.
تم استخدام هذه التكنولوجيا صناعيًا منذ الحرب العالمية الثانية ، بشكل أساسي في ألمانيا وجنوب إفريقيا ، اللتين تفتقران إلى المصادر المحلية للنفط من أجل التنمية الاقتصادية.
تعتمد عملية تحويل الغاز الطبيعي إلى نواتج التقطير المتوسطة: وقود الديزل والكيروسين والبنزين على تقنية Fischer-Tropsch (FT) ، التي تم تطويرها في العشرينات من القرن الماضي. قبل 10 سنوات فقط ، كانت هذه التكنولوجيا تعتبر باهظة الثمن وغريبة ، وذات اهتمام أكاديمي بحت.
وهي الآن واحدة من أكثر تقنيات الطاقة الواعدة. حدث التحول بسبب تطوير محفزات جديدة عالية الكفاءة (بما في ذلك المحفزات المحلية) والتحسين تقنيات F-Tفي مرحلة الحصول على منتج وسيط من الغاز الطبيعي - الغاز التخليقي ، ونتيجة لذلك انخفض سعر المنتجات البترولية المصنعة النهائية بشكل ملحوظ (حوالي 20 دولارًا للبرميل) واقترب من تكلفة النفط الطبيعي. لكل ذرة كربون في الفحم ، في المتوسط ​​، هناك ذرة هيدروجين واحدة. وفي الزيت ، في المتوسط ​​أيضًا ، ذرتان ونصف من الهيدروجين لكل كربون.
للحصول على زيت اصطناعي ، من الضروري تغيير متوسط ​​نسبة الكربون / الهيدروجين في خام التغذية الهيدروكربوني الأصلي. ومن السهل الحصول على الهيدروجين المطلوب من الماء: يمكن إجراؤه عن طريق التحليل الكهربائي (لكنه مكلف للغاية) ، لذلك يتم استخدام إعادة التشكيل بالبخار في كثير من الأحيان. أكبر عملية من هذا النوع هي التكسير الهيدروجيني للزيت.
في هذا المجال يتم إنتاج واستهلاك كمية كبيرة من الهيدروجين ، مما يشكل جزءًا كبيرًا من الوزن في المنتجات النفطية المستهلكة.
يتم تخزين طاقة الهيدروجين ، كما كانت ، في شكل زيادة في نسبة الهيدروجين في المنتجات. جميع الهيدروكربونات "غير الملائمة" - الفحم ، والصخر الزيتي ، والنفط الثقيل واللزج ، إلخ. - يمكن تحويله إلى شكل أكثر "ملاءمة" وفي نفس الوقت وقود أكثر كثافة في استخدام الطاقة ، على سبيل المثال ، بنزين عالي الأوكتان أو مكافئ ديزل.
في هذه الحالة ، ليس من الضروري حل العديد من المشكلات التكنولوجية التي تنشأ عند العمل باستخدام الهيدروجين النقي.

4.1 الأسباب الرئيسية التي تعيق تطوير طاقة الهيدروجين
1) لا يوجد برنامج لتطوير وإنتاج محطات الطاقة العاملة على الهيدروجين.
2) قلة التمويل من الدولة في مجال البحث والتطوير للطاقة الهيدروجينية.
3) تخلف القاعدة الصناعية لإنتاج الهيدروجين واستهلاكه اللاحق لإنتاج الكهرباء.
4) المنافسة الحالية من الهيدروكربونات المنتجة بالفعل.
5) من الضروري تطوير تقنيات جديدة لتطوير طاقة الهيدروجين.
6) تطوير مجمع كامل لإنتاج وتنقية وتخزين ونقل واستخدام الهيدروجين.
7) تطوير البنية التحتية في هذا المجال
الهدف الرئيسي لطاقة الهيدروجين من أجل طاقة الهيدروجين هو تقليل الاعتماد على الهيدروكربونات. إذا جاز التعبير ، انزل عن إبرة الزيت. إذا انخفض استهلاك النفط والغاز بشكل كبير في غضون 15 عامًا ، نتيجة لإدخال طاقة الهيدروجين ، فسنشهد زيادة في الناتج المحلي الإجمالي ، لأن هذا سيقلل من تكلفة الكهرباء ، وبالتالي تكلفة المنتجات. لذا فإن بدائل التحول إلى طاقة الهيدروجين مهمة.

خاتمة
تعد الطاقة أحد القطاعات الرئيسية للاقتصاد الوطني ؛ ويمكن استخدام مستوى تطورها والفرص المحتملة للحكم على القوة الاقتصادية للبلاد.
يمكن وصف حالة الطاقة الحالية في العالم بأنها مواتية نسبيًا نظرًا لوجود احتياطيات كبيرة من الوقود الأحفوري.
بالمعدلات الحالية للنمو في استهلاك الوقود الأحفوري ، ستستمر احتياطيات النفط 75 عامًا على الأقل ، والغاز الطبيعي - أكثر من 100 عام ، والفحم - أكثر من 200 عام.
لم تتحقق الآمال المعلقة على مصادر الطاقة الجديدة أو البديلة ، مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح والطاقة الحيوية والطاقة الحرارية الأرضية وغيرها ، حتى الآن ، دون إجراء تغييرات جوهرية في هيكل توازن الطاقة العالمي. حصة الطاقة الجديدة أو البديلة المصادر ، باستثناء الطاقة الكهرومائية ، في إنتاجها العالمي بحلول عام 2020 ستكون حوالي 2٪.
يعني الانتقال إلى طاقة الهيدروجين إنتاجًا واسع النطاق للهيدروجين وتخزينه وتوزيعه ونقله. يستخدم الهيدروجين أيضًا في العديد من المجالات ، مثل علم المعادن والتوليف العضوي والصناعات الكيماوية والغذائية والنقل وما إلى ذلك. إذا حكمنا من خلال الوتيرة الحالية ونطاق تطوير طاقة الهيدروجين على كوكبنا ، يجب أن تتحول الحضارة العالمية قريبًا إلى اقتصاد الهيدروجين.
من المهم جدًا اختيار المجالات الرئيسية للتنمية. تعتبر الأعمال المتعلقة بالطاقة الهيدروجينية في العديد من البلدان من بين المجالات ذات الأولوية للتنمية الاجتماعية والاقتصادية. يجري البحث النشط عن طرق لتحويل معظم الصناعات كثيفة الاستهلاك للطاقة إلى وقود الهيدروجين وخلايا الوقود (FC). وسيؤدي استخدام الهيدروجين كحامل رئيسي للطاقة إلى إنشاء اقتصاد هيدروجين جديد بشكل أساسي ، وسيصبح علميًا و اختراق تقني يؤثر على تطور البشرية جمعاء.

فهرس
1. Kozlov S.I. طاقة الهيدروجين: الوضع الحالي ، المشاكل ، الآفاق / S.I. كوزلوف ، في. فاتيف. - م: غازبروم فينيجاز ، 2009. - 518 ص.
2. Shpilrain E.E. مقدمة في طاقة الهيدروجين / Shpilrain E.E.، S.P. Malyshenko - دار النشر "Energoatomizdat" ، 2012. - 262 ص.
3. "آفاق ومشاكل تطوير الطاقة الهيدروجينية وخلايا الوقود". برنامج OJSC Norilsk Nickel / مقال بقلم جورجي لازاريف ، نائب دوما الدولة. "EPRO" № 3 2007
4. التقنيات المبتكرة في قطاع الطاقة. الكتاب الثاني. تقنيات مبتكرة الهيدروجين والموصلية الفائقة لهندسة الطاقة. ملخص المقالات. إد. م. بودارجين و S.P. ماليشينكو. م ، "Nauka" ، 2012 ، 162 صفحة.
5. Kuzyk B.N.، Yakovets Yu.V. روسيا: استراتيجية الانتقال إلى طاقة الهيدروجين: معهد الاستراتيجيات الاقتصادية ، 2007. - 400 صفحة.