Биоэнергетика и водородный двигатель

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вред традиционных источников энергии для окружающей среды

В настоящее время разнообразный транспорт несет ответственность за 23% техногенных выбросов парниковых газов в атмосферу Земли. По оценкам экспертов, уже через двадцать лет эта цифра удвоится и продолжит расти по мере того, как в развивающихся странах будет увеличиваться количество личных автомобилей. Кроме углекислого газа в атмосферу выбрасываются оксиды азота, ответственные за увеличение заболеваемости астмой, оксиды серы, ответственные за кислотные дожди и т. д.

В морском транспорте зачастую используются низкосортные, дешёвые сорта топлива. Морской транспорт выбрасывает оксидов серы в 700 раз больше, чем автомобильный транспорт. По данным International Maritime Organization выбросы СО2 морским торговым флотом достигли 1,12 млрд тонн в год.

Другой причиной повышения интереса к водородному транспорту является рост цен на энергоносители, дефицит топлива, стремление различных стран достичь энергетической независимости.

Под альтернативными видами топлива мы понимаем топливо, полученное из возобновляемых источников энергии. Существуют также и другие виды топлива, как, например, сжиженный нефтяной газ (пропанобутановые фракции) или природный газ, которые являются производными ископаемого топлива, но во многих странах также считаются топливом альтернативным нефти.

Как следствие, большое число ученых, концентрируют внимание на био- и солнечной источниках энергии. Но био-источники энергии также имеют свои лимиты. Если современные биологические источники энергии, такие как биодизельное топливо, были бы использованы, они потребовали 20% земной поверхности для удовлетворения новых запросов в энергоресурсах, что привело бы к разрушительным экологическим и социальным последствиям.

Биоэнергия

В нетрадиционной энергетике особое место занимает переработка биомассы (органических сельскохозяйственных и бытовых отходов) метановым брожением с получением биогаза, содержащего около 70% метана, и обеззараженных органических удобрений.

Биогаз -- это смесь метана и углекислого газа, образующаяся в процессе анаэробного сбраживания в специальных реакторах -- метантэнках, устроенных и управляемых таким образом, чтобы обеспечить максимальное выделение метана. Энергия, получаемая при сжигании биогаза, может достигать от 60 до 90% той, которой обладает исходный материал. Разложение биомассы происходит под воздействием трёх видов бактерий. В цепочке питания последующие бактерии питаются продуктами жизнедеятельности предыдущих. Первый вид -- бактерии гидролизные, второй -- кислотообразующие, третий -- метанообразующие.

Получение биогаза экономически оправдано и является предпочтительным при переработке постоянного потока отходов (стоки животноводческих ферм, скотобоен, растительных отходов и т. д.). Экономичность заключается в том, что нет нужды в предварительном сборе отходов, в организации и управлении их подачей; при этом известно, сколько и когда будет получено отходов. Получение биогаза, возможное в установках самых разных масштабов, особенно эффективно на агропромышленных комплексах, где существует возможность полного экологического цикла. Биогаз используют для освещения, отопления, приготовления пищи, для приведения в действие механизмов, транспорта, электрогенераторов. Переработка биомассы в энергетических целях имеет большое значение для экологии Земли, так как способствует очистке окружающей среды от загрязнения городскими и сельскохозяйственными отходами. Особенно это выгодно для предприятий, с которых взимаются штрафы за содержание могильников и свалок.

Принцип работы биогазовой установки следующий. Отходы периодически подаются с помощью насосной станции или загрузчика в реактор. Реактор представляет собой подогреваемый и утепленный железобетонный резервуар оборудованный миксерами. Находящиеся в реакторе полезные бактерии питаются отходами. Продуктом жизнедеятельности бактерий является биогаз. Для поддержания жизни бактерий требуется подача корма -- отходов, подогрев до 35°С и периодическое перемешивание. Образующийся биогаз скапливается в хранилище (газгольдере), затем проходит систему очистки и подается к потребителям (котел или электрогенератор). Реактор работает без доступа воздуха, герметичен и неопасен. В среднем при разложении одной тонны твердых бытовых отходов может образовываться 100-200м3 биогаза. В зависимости от содержания метана, низшая теплота сгорания свалочного биогаза составляет18-24 МДж/м3 (примерно половину теплотворной способности природного газа). Из одного м3 биогаза можно выработать в среднем 2-3 кВтч электроэнергии.

В хуторе Красном, в Урюпинском районе, на ферме КРС была запущена биогазовая установка. Состоит биогазовая устновка из ёмкости 10 куб.м., теплообменника 150 литров и солнечных панелей, теплообменник обогревается за счёт энергии полученной от солнца.

Почему водород и топливные элементы?

Водород не является первичным источником энергии как уголь и газ. Это только энергоноситель. Вначале его нужно получить, используя имеющиеся энергосистемы, базирующиеся на различных первичных источниках и носителях. В долгосрочной перспективе возобновляемые источники энергии станут важнейшим источником получения водорода. Регенерируемый водород, а также водород, полученный из ядерных источников и систем преобразования энергии от первичных источников, базирующихся на ископаемом топливе с использованием улавливания и безопасного хранения (секвестрации) двуокиси углерода, открывают путь к почти целиком безуглеродному энергетическому циклу.

Получение водорода в количествах, требуемых для транспорта, а также для создания запасов энергии, после начальной демонстрационной фазы может встретиться с трудностями. Если считать стоимость и безопасность доминантными факторами, тогда сжигание угля при секвестрации двуокиси углерода может представлять интерес для значительной части Европы. Если политическая воля будет направлена на получение возобновляемой энергии, тогда энергия биомассы, Солнца, ветра и океана будет более или менее приемлемой в зависимости от региональных географических и климатических условий.

Например, сконцентрированная солнечная энергия потенциально привлекательна и безопасна для крупномасштабного производства водорода, особенно для Южной Европы.

Широкое поле применения источников, преобразователей и приложений, показанное на рис. 1 и 2, хотя и не исчерпывающе, демонстрирует гибкость водородной энергосистемы и топливных элементов. Топливные элементы могут использоваться в целом ряде устройств, начиная от весьма малогабаритных топливных элементов в портативных устройствах, как мобильные телефоны и ноутбуки, затем в средствах передвижения, включая автомобили, грузовики, автобусы и суда, вплоть до тепло- и электрогенераторов, используемых в стационарных условиях, как в промышленности, так и в жилищах. Энергосистемы будущего также включают усовершенствованные преобразователи энергии, работающие на водороде (например, двигатели внутреннего сгорания, двигатели Стирлинга и турбины), также как и другие энергоносители (например, прямое получение тепловой и электроэнергии из возобновляемых источников, и биотопливо для транспорта).

Экономическая конкурентоспособность

Начиная с первого нефтяного кризиса 1970-х гг., экономический рост перестал быть непосредственно связан с ростом потребностей в энергии в промышленном секторе, тогда как в транспортном секторе растущая мобильность приводит к пропорциональному росту потребления энергии. Энергия, необходимая для увеличения потребности на условную единицу, должна быть снижена, поэтому разработка энергоносителей и их технологий для обеспечения энергией по сниженным ценам представляется чрезвычайно важной. Развитие и продажа энергетических систем также являются главными составляющими в здравоохранении, автомобильном транспорте и электроэнергетике, а также для роста занятости и экспорта, особенно в промышленно развитых странах. Лидерство Европы в водородной энергетике и топливных элементах сыграет ключевую роль в образовании новых рабочих мест для высококвалифицированных работников, от стратегических научных исследований и разработок до производства и повышения квалификации.

В США и Японии водород и топливные элементы считаются основополагающими технологиями 21-го столетия, важнейшими для экономического процветания. В этих странах сильны инвестиционная и промышленная активность в области водорода и топливных элементов, они склоняются к переходу на водород -- независимо от Европы. Если Европа хочет быть конкурентоспособной, и стать ведущим мировым игроком, она должна интенсифицировать свои усилия и создать благоприятную среду для бизнеса.

Уменьшение выброса парниковых газов

Водород можно получать из безуглеродных или углеродо-нейтральных источников или из ископаемого топлива с улавливанием нейтральной двуокиси углерода и ее хранением (секвестрацией). Так, использование водорода может устранить парниковый эффект от энергетического сектора. Топливные элементы обеспечивают эффективную и чистую электроэнергетику, основанную на разнообразных топливах. Они также могут размещаться в соседстве с конечными потребителями, позволяя использовать заодно и тепло, генерируемое процессом. Таблица иллюстрирует, как в развитой водородо-ориентированной экономике, появление транспортных средств на водороде может снизить парниковый эффект от европейского частного автопарка в сравнении со средним уровнем 140 г/км двуокиси углерода, запланированного на 2008 год.

Последняя колонка показывает соответствующее количество CO2, выпускаемого в атмосферу, которого можно избежать при новой технологии. Это можно сравнить с предполагаемым полным уровнем выброса 750-800 мегатонн CO2 для дорожного транспорта в 2010 году.

Цифра для автомобилей на водороде -- это оценка, основанная на данных экспертного анализа обычной и альтернативной тяги, но не предсказание объема производства или продаж в будущем.

Снижение парниковых газов порядка 140 мегатонн CO2 в год (14% нынешнего уровня CO2 при производстве электроэнергии) можно достичь, если около 17% потребностей в электроэнергии, поставляемой сейчас центральными электростанциями, будет заменено более эффективными децентрализованными электростанциями, включающими стационарные системы топливных элементов на природном газе. Системы топливных элементов будут использоваться как основная нагрузка в децентрализованных энергосистемах будущего. Не предлагается стремиться к достижению именно этих цифр: они являются только иллюстрациями выигрыша в отношении выбросов CO2, который можно получить при небольшой доле водородного транспорта и энергетики на топливных элементах. При суммарной доле 15% регенеративных водородных транспортных средств и распределенных систем-гибридов топливных элементов с газовыми турбинами они дадут выигрыш около 250 мегатонн CO2 в год. Это составляет примерно 6% производства CO2 в энергетике по прогнозу на 2030 год, и подобный прогресс позволит Европе выйти за границы Киотского протокола.

Водородный двигатель

энергия водородный двигатель

Изобретатель Франсуа Исаак де Риваз в 1806 году создал двигатель внутреннего сгорания. Двигатель работал на водороде, который изобретатель производил электролизом воды. Тем не менее в большинстве экспериментальных ДВС других изобретателей использовался в основном светильный газ. Бензин в двигателях внутреннего сгорания стал использоваться после 1870-х годов.

Широкое внедрение водородного топлива сдерживается более высокой ценой водорода по сравнению с привычными топливами, отсутствием необходимой инфраструктуры. Промежуточным решением могут стать смеси традиционных топлив с водородом. Например, HCNG -- смесь водорода (цена при крупнооптовых поставках около $2 за кг ) с природным газом (цена при крупнооптовых поставках около 20 центов за кг, данные за 2004 г.).

Делаются установки, производящие водород из дистиллированной воды на борту транспортного средства. Далее водород добавляется к дизельному топливу. Такие установки внедряются на крупные грузовики и горную технику. Это позволяет сократить расход топлива, увеличить мощность двигателя, сократить выбросы.

Основное преимущество внедрения топливных элементов в транспортные средства: высокий КПД. Например, паровоз за 150 лет своей эволюции смог достичь 5 % КПД. КПД современного автомобильного двигателя внутреннего сгорания достигает 35 %, а КПД водородного топливного элемента -- 45 % и более. Во время испытаний автобуса на водородных топливных элементах канадской компании Ballard Power Systems был продемонстрирован КПД 57 %.

На автомобилях и автобусах устанавливают, как правило, топливные элементы на протон-обменной мембране (PEM). Их основные преимущества: компактность, малый вес, низкая температура процесса.

В 2002 году Департамент Энергетики США (DoE) поставил цель -- снизить к 2010 году стоимость топливных элементов до $45 за 1 кВт установленной мощности и до $30 к 2015 году (в долларах 2002 года, без учёта инфляции). Это означает, что источник электричества для силовой установки мощностью 100 кВт. (134 л. с.) будет стоить $3000, что сопоставимо со стоимостью двигателя внутреннего сгорания.

Совершенствование PEM топливных элементов продолжается. Они становятся легче, компактнее, дешевле. Теперь могут запускаться при температуре минус 30 °С.

Opel Zafira с силовой установкой на водородных топливных элементах мощностью 94 кВт. в условиях Вашингтона потребляет 1,83 кг водорода на пробег 100 миль (160 км.), то есть 4,3 литра бензинового эквивалента. Водород на заправочной станции Вашингтона продавался по цене $4,75 за кг (данные на 2005 год). Бензиновый аналог Opel Zafira с двигателем объёмом 1,6 л. мощностью 85 кВт. потребляет 5,8 л. бензина на 100 км в условиях трассы.

National Renewable Energy Laboratory (США) в своих расчётах использует среднюю дальность пробега легкового автомобиля 12000 миль в год (19200 км.), потребление водорода -- 1 кг на пробег 60 миль (96 км.). То есть одному легковому автомобилю на водородных топливных элементах в год требуется 200 кг водорода, или 0,55 кг в день. Один килограмм водорода считают равным по энергетической ценности одному галлону бензина (3,78 л).

Железнодорожные двигательные установки должны развивать довольно большую мощность, тогда как размеры железнодорожных двигательных установок имеют малое значение. Железнодорожный транспорт представляет собой огромный рынок сбыта для силовых установок на водородных топливных элементах. В настоящее время около 60% грузов по железной дороге во всём мире перевозят тепловозы.

Железнодорожный исследовательский технологический институт (Япония) планирует запустить поезд на водородных топливных элементах в эксплуатацию к 2010 году. Поезд сможет развивать скорость 120 км/ч., дальность пробега на одной заправке -- 300--400 км. Прототип был испытан 18 февраля 2004 года.

В США эксплуатация локомотива на водородных топливных элементах мощностью 2 тысячи л. с. должна была начаться в 2009 году. Локомотив создавался с 2003 года при участии Министерства обороны США (DoD) для нетактических военных целей и коммерческих приложений.

В Дании водородный поезд курсирует между городами Vemb, Lemvig и Thyboron. Протяженность маршрута -- 59 км, что ограничено ёмкостью водородных баков. Проект получил название Danish Hydrogen Train Project.

Институт транспорта и инфраструктурных систем Fraunhofer (Германия) создал прототип гибрида трамвая и автобуса. AutoTram оснащен водородным топливным элементом и маховиком, который заряжается при торможении и разгоняет вагон при старте. Прототип имеет длину 18 метров, но институт заявляет, что возможно создание 56-метровых вагонов вместимостью 300 пассажиров. Топливный элемент производства компании Ballard Power Systems, маховик компании CCM Nuenen. 10 кг водорода хранится на крыше. AutoTram развивает скорость 60 км/ч.

Более высокая себестоимость, чем у традиционных источников топлива (В Москве в сентябре 2006 года бензин марки Аи-95 стоил 20 руб 28 коп за литр, стоимость водорода в розничной продаже в 2006 году была 1,2 евро за кубометр. При этом автомобиль Mazda RX-8 расходует в среднем 38,5 кубометров водорода или 11,4 литров бензина на 100 км. пути при снижении мощности двигателя с 192 л.с. на бензине до 109 л.с. на водороде);

Отсутствие водородной инфраструктуры;

Несовершенные технологии хранения водорода;

Отсутствие стандартов безопасности, хранения, транспортировки, применения и т. д.;

Безопасное хранение водорода требует большего объёма топливных баков, чем для бензина. Поэтому в разработанных на сегодняшний день автомобилях замена топлива на водород приводит к значительному уменьшению объёма багажника. Возможно в будущем эта проблема будет преодолена, но скорее всего за счёт некоторого повышения габаритов транспорта.

После катастрофы дирижабля Гинденбург водород считается опасным топливом. Бензин в начале своего применения так же был опасным топливом. При пробое топливного бака бензин разливается лужей по поверхности, тогда как водород улетучивается в виде направленной струи.

Во время Первой мировой войны накоплен большой опыт применения водорода в дирижаблях. Например, Zeppelin -- ZIV во время одного из боевых полётов подвергся интенсивному обстрелу с земли, и получил около 300 пробоин. Дирижабль благополучно вернулся на базу. Zeppelin L33 в 1916 году был обстрелян зенитной артиллерией. Один из снарядов взорвался внутри газового мешка с водородом. Дирижабль получил значительные повреждения, но водород не взорвался.

Водородный бак BMW Hydrogen 7 прошёл все необходимые тесты на безопасность. В ходе испытаний водородный бак разрушали под высоким давлением, нагревали на открытом огне до температуры 1000° Цельсия в течение 70 минут, деформировали твёрдыми и тяжёлыми предметами. Водород, находящийся в баке, не взрывался.

Размещено на Allbest.ru