 |
1.1 Анализ состояния рынка по производству и потреблению водорода.
|
|
|
|
Содержание
Введение. 2
1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР. 5
1. 1 Анализ состояния рынка по производству и потреблению водорода. 5
1. 2 Анализ рынка твердых электролитов. 8
2. Твердые электролиты. 12
2. 1 Материалы электролита на основе ZrO2. 13
2. 2 Классификация твердых электролитов. 17
2. 3 Классификация твердых электролитов по упорядоченности структуры.. 18
2. 2. 1 Твердые электролиты с собственной разупорядоченностью.. 19
2. 2. 2 Твердые электролиты с примесной разупорядоченностью.. 20
2. 2. 3 Твердые электролиты со структурной разупорядоченностью. 21
2. 3 Методы получения твёрдых электролитов. 22
2. 3. 1 Твёрдофазный (керамический) синтез. 22
2. 3. 2Синтез под высоким давлением.. 23
2. 3. 3Метод химического осаждения. 23
2. 3. 4 Золь-гель метод. 23
2. 3. 5 Распылительная сушка. 24
2. 3. 6 Выращивание монокристаллов суперионных проводников (СИП). 24
2. 3. 7 Плазменное напыление. 24
2. 4 Области применения твердых электролитов. 24
2. 5 Диапазон рабочих температур твердых электролитов. 27
2. 6 Электролиты ТОТЭ и требования к ним.. 28
2. 7 Твердые электролиты на основе ZrO2. 30
3. Характер проводимости твердых растворов на основе ZrO2. 34
3. 1 Электропроводность в бинарных системах на основе ZrO2. 35
3. 2 Термостойкость ZrO2. 37
3. 3 Влияние примесей на физико-химические свойства твердых растворов на основе ZrO2. 38
4. Получение водорода методом электролиза. 39
4. 1 Щелочной электролиз. 41
4. 2 Электролиз с твердым полимерным электролитом (ТПЭ). 43
4. 3 Высокотемпературный электролиз водяного пара. 50
Вывод. 52
Глава 2. Экспирементальня часть. 53
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ... 53
Введение
Водород является экологически чистым идеальным топливом и химическим реагентом. Ресурсы для получения водорода практически неограниченны. Водородная энергетика включает совокупность технологий производства, транспортировки, аккумулирования и использования универсального вторичного энергоносителя – водорода. В концепции водородной энергетики водород дополняет собой важнейший вторичный энергоноситель – электроэнергию, энергетическое использование водорода определяется возможностью экологически чистого получения электроэнергии и длительного хранения без потерь, в том числе крупномасштабного.
|
|
|
Проблема использования водорода как перспективного экологически чистого и универсального энергоносителя и аккумулятора энергии в различных отраслях народного хозяйства была сформулирована в начале 70-х годов прошлого столетия после первого нефтяного топливного кризиса. Стало ясно, что необходима разработка новых экологически приемлемых энергетических технологий, основанных на использовании возобновляемых энергоисточников, атомной энергии, угля и универсальных экологически чистых энергоносителей, способных заменить не возобновляемые энергоресурсы по мере их истощения и удорожания [1].
Первоначально концепция водородной энергетики в наиболее «чистом» виде предполагала получение водорода на крупных предприятиях путем разложения воды с затратой ядерной энергии, транспорт водорода к центрам его потребления и распределение с последующим использованием его в качестве топлива во всех тех случаях, где сегодня используются газ, жидкое или твердое топливо [2]. С развитием возобновляемой энергетики, опирающейся на переменные ресурсы солнечной и ветровой энергии, а также распространение технологий распределенной генерации и интеллектуальных сетей проблема долговременного хранения энергии выходит на первый план. Водород в качестве вторичного энергоносителя находит свое место глобальной стратегии устойчивого энергетического развития в 21-м веке, которая противостоит вызовам необратимого изменения климата, неустойчивого производства нефти и усиливающегося загрязнения окружающей среды. Ограниченность мировых запасов первичного сырья вместе с необходимостью соблюдения экологических норм при обеспечении все возрастающих потребностей в энергетический ресурсах ставят вопрос о повышении эффективности производства электрической энергии, большая часть которой производится на тепловых электростанциях, сжигающих органическое топливо
|
|
|
Водород может играть ключевую роль в средне дальних и магистральных перевозках автомобильным и железнодорожным транспортом, в прибрежном и международном судоходстве, в авиационных перевозках, а также в долгосрочном и сезонном хранении электроэнергии в сетях, полагающихся в основном на локальные возобновляемые источники энергии и местное сырье. Один из наиболее перспективных путей развития водородной энергетики основан на использовании водорода, произведенного электролизом.
Актуальность темы работы и степень ее разработанности: Ограниченность мировых запасов первичного сырья вместе с необходимостью соблюдения экологических норм при обеспечении все возрастающих потребностей в энергетический ресурсах ставят вопрос о повышении эффективности производства электрической энергии, большая часть которой производится на тепловых электростанциях, сжигающих органическое топливо. В связи с этим поиску и разработке новых способов получения водорода научными международными сообществами уделяется значительное внимание. Разработка и поиск современных материалов с целью создания электрохимических генераторов энергии имеет большое значение.
Наиболее перспективными среди них считаются твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ), функционирующие на различных видах топлива (от водородного или бензино-водородного композиционного топлива до природного газа и биотоплива), не нуждающиеся в применении дорогостоящих катализаторов (благородных металлов) и характеризующиеся высоким КПД (до 85% с учетом утилизации тепла), а также высокой степенью экологической безопасности.
|
|
|
В качестве материала электролита большинства высокотемпературных ТОТЭ традиционно используются материалы на основе оксида циркония, в частности твердый раствор состава (ZrO2)0, 92(Y2O3)0, 08. Однако, для повышения величины кислород-ионной проводимости и улучшения механических свойств указанного твердого электролита необходим поиск новых легирующих компонентов и их сочетаний. Кроме того, высокие рабочие температуры (800-1000º С) ТОТЭ на основе электролитов данного типа приводят к дополнительным расходам энергии и ограничивают спектр сопутствующих материалов, пригодных для создания соответствующих устройств. В связи с этим наблюдается мировой тренд на снижение рабочих температур и разработку электролитных материалов, не уступающих по уровню кислород-ионной проводимости материалам на основе диоксида циркония [3].
Наибольший в данном контексте интерес привлекают материалы на основе CeO2, обладающие высокой ионной проводимостью в среднетемпературном диапазоне, что позволяет существенно снизить рабочую температуру топливной ячейки (на 300-400°С) и тем самым повысить ресурс ее работы, расширить перечень материалов электродов, а также снизить стоимость вырабатываемой электроэнергии. Повышенное внимание в области среднетемпературных твердых электролитов вызывают также материалы со структурой перовскита на основе церата (BaCeO3) и цирконата бария (BaZrO3), сочетающие в себе высокую протонную проводимость и каталитическую активность, а также термическую и химическую стабильность [3, 4].
Таким образом, разработка новых подходов и исследований для получения водорода посредством электролиза водяного пара с применением практически значимых твердых электролитов, на сегодняшний день является недостаточно изученной и актуальной задачей.
1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
1. 1 Анализ состояния рынка по производству и потреблению водорода.
Разнообразие способов получения водорода является одним из главных преимуществ водородной энергетики, так как повышает энергетическую безопасность и снижает зависимость от отдельных видов сырья. К ним относятся: паровая конверсия метана и природного газа, газификация угля, электролиз воды, пиролиз, частичное окисление, биотехнологии. Все методы получения водорода можно разделить на лабораторные и промышленные.
|
|
|
К лабораторным способам следует отнести:
1. Взаимодействие активных металлов с кислотами - неокислителями
2. Взаимодействие алюминия (или цинка) с водными растворами щелочей
К промышленным способам получения водорода относятся:
1. пропускание паров воды над раскаленным углем при 1000 °С
2. паровая и парокислородная конверсия метана
3. газификация угля
4. использование ядерной энергетики
5. использование альтернативных источников энергии.
С развитием производства водорода в крупных масштабах претерпели изменение и методы его получения. Так, железо-паровой процесс, газификация твердого топлива и выделение водорода из образующегося коксового газа уступили место более экономичным новым способам, однако старые методы и в настоящее время продолжают еще применяться в промышленности в небольших масштабах.
К настоящему времени технологии крупномасштабного производства и переработки водорода являются хорошо освоенными (рис. 4. 1, а) и составляет 50 млн т (увеличивается ежегодно на 10%). Следует отметить, что только 62% водорода производят как целевой продукт, остальные 38% являются побочным продуктом других производств (нефтепереработка, коксохимия и т. п. ). К последним также относится почти весь водород, получаемый в настоящее время электролизом (производство хлора, хлоратов, перекиси водорода и каустической соды).
Рисунок 1 – Структура мирового производства (а) и
потребления водорода (б)
При мировом производстве хлора около 25 млн т в год в качестве побочного продукта получают ~ 0, 7 млн т водорода (~ 7 млрд м3) в год.
Попутный водород от производства хлора и других электрохимических производств частично используется в промышленности, а частично сжигается в котельных или выбрасывается в атмосферу. Рассматривается возможность использования, полученного таким образом водорода не только в качестве химического сырья для удовлетворения нужд традиционных потребителей водорода, но и для замены природного газа или нефтяных фракций, используемых как энергетическое сырье. Еще одним источником водорода может явиться его эмиссия из земных недр.
Структура потребления водорода показана на рис. 4. 1, б. Как видно из данных рисунка, основными потребителями водорода (95%) являются химическая промышленность и нефтепереработка. Водород является ключевым элементом в производстве минеральных удобрений (получение аммиака). Определяющее значение имеет использование водорода в многочисленных процессах органического синтеза, как в виде метанола, так и непосредственного реагента. Особое место водород занимает в нефтепереработке (гидрокрекинг, гидроочистка), способствуя увеличению глубины переработки сырой нефти и повышению качества конечных продуктов — углеводородных топлив с повышенной теплотворной
|
|
|
Более половины потребляемого в мире водорода на сегодняшний день используется в качестве химического сырья. Косвенное использование остальной части в энергетических целях главным образом относится к обеспечению нагрева для проведения технологических процессов, как правило, с одновременным участием водорода в химических реакциях (гидрирование, раскисление и т. п. ). Раскисляющее действие водорода широко применяют в порошковой металлургии, металлообработке, производстве стекла, синтетических рубинов и т. п. (в сумме примерно 2% от общего потребления водорода). Применение водорода в микроэлектронике главным образом связано с получением кремния путем восстановления SiCl4.
Основным потребителем водорода как топлива является космонавтика. Комбинация «жидкий водород (топливо) — жидкий кислород (окислитель)» обеспечивает максимальное выделение энергии на единицу веса, что является определяющим критерием для аэрокосмических приложений.
Следует отметить, что из значительного объема производимого водорода только 5% в настоящее время является коммерческим продуктом, продаваемым от производителей потребителям. Как правило, крупные потребители водорода сами производят его для собственных нужд, что вызвано экономическими факторами (высокие цены на товарный водород), а также техническими трудностями обеспечения хранения и транспортировки больших количеств водорода. Мировая торговля водородом ведется в ограниченных масштабах. Она наиболее активна в Западной Европе, где имеется небольшая, но развитая сеть трубопроводов по перекачке водорода между предприятиями по его производству и потреблению. Водород не является биржевым товаром, и говорить о его мировых ценах трудно, поскольку цены при поставках являются контрактными и зависят от многих условий, в том числе — от требуемой чистоты водорода как продукта.
Совершенствование водородных технологий сопряжено с решением трех групп проблем, связанных с разработкой эффективных, экономически выгодных и безопасных процессов и оборудования, обеспечивающих производство водорода, его использование, а также — компактное хранение. Соответственно, работы в области водородных технологий развиваются преимущественно по трем направлениям: производство водорода, хранение и транспортировка водорода, использование водорода.
По-видимому, в ближайшем будущем методы получения водорода с использованием углеродного сырья будут основными. Однако сырьевые и экологические ограничения процесса паровой конверсии метана стимулируют разработку процессов производства водорода из воды. Среди способов получения водорода из воды наибольший интерес в контексте атомно-водородной энергетики представляет высокотемпературный электролиз горячего пара на водород с использованием твердых электролитов. Перед тем как переходить непосредственно к рассмотрению данного способа получения водорода, необходимо тщательно изучить такие вопросы как твердые электролиты и требования к ним, материалы электролитов, классификацию, свойства, структуру и характер проводимости твердых электролитов.
|
|
|
