Современное состояние водородной энергетики
Проведен анализ современного состояния водородной энергетики. Показана перспективность использования водорода в качестве вторичного энергоносителя и моторного топлива. Особое внимание уделено прямому получению электроэнергии с использованием реакции восстановления в топливных элементах (ячейках) раз...
Saved in:
| Published in: | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Date: | 2006 |
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2006
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81433 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Современное состояние водородной энергетики / Д.В. Виноградов // Вопросы атомной науки и техники. — 2006. — № 1. — С. 153-155. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-81433 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Виноградов, Д.В. 2015-05-15T16:44:26Z 2015-05-15T16:44:26Z 2006 Современное состояние водородной энергетики / Д.В. Виноградов // Вопросы атомной науки и техники. — 2006. — № 1. — С. 153-155. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81433 662.769.2 Проведен анализ современного состояния водородной энергетики. Показана перспективность использования водорода в качестве вторичного энергоносителя и моторного топлива. Особое внимание уделено прямому получению электроэнергии с использованием реакции восстановления в топливных элементах (ячейках) различного типа. Перечислены основные проблемы водородной энергетики и отмечены усилия, предпринимаемые мировым сообществом для решения этих проблем. Проведено аналіз сучасного стану робіт з водневої енергетики. Показана перспективність застосування водню у якості вторинного енергоносія та моторного палива. Особливої уваги приділено прямому отриманню єлектроєнергії з застосуванням реакції відновлення у топливних єлементах. Перераховані основні проблеми водневої єнергетикі, відмічені зусилля, які предпринімає мирова спільнота для їх вирішення. Analysis of the modern state of affairs on hydrogen energy was done. Perspectivity of using the hydrogen as secondary power system and motor fuel is shown. Special attention is given to direct reception of electric powers with use the reactions of the regeneration in fuel cells of the different type. Main problems of hydrogen energy was shown and efforts, undertaken by world community for decision of these problems are noted. ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Работы молодых ученых института физики твердого тела, материаловедения и технологий ННЦ ХФТИ Современное состояние водородной энергетики Сучасний стан водневої енергетики Modern state of hydrogen energetic Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Современное состояние водородной энергетики |
| spellingShingle |
Современное состояние водородной энергетики Виноградов, Д.В. Работы молодых ученых института физики твердого тела, материаловедения и технологий ННЦ ХФТИ |
| title_short |
Современное состояние водородной энергетики |
| title_full |
Современное состояние водородной энергетики |
| title_fullStr |
Современное состояние водородной энергетики |
| title_full_unstemmed |
Современное состояние водородной энергетики |
| title_sort |
современное состояние водородной энергетики |
| author |
Виноградов, Д.В. |
| author_facet |
Виноградов, Д.В. |
| topic |
Работы молодых ученых института физики твердого тела, материаловедения и технологий ННЦ ХФТИ |
| topic_facet |
Работы молодых ученых института физики твердого тела, материаловедения и технологий ННЦ ХФТИ |
| publishDate |
2006 |
| language |
Russian |
| container_title |
Вопросы атомной науки и техники |
| publisher |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Сучасний стан водневої енергетики Modern state of hydrogen energetic |
| description |
Проведен анализ современного состояния водородной энергетики. Показана перспективность использования водорода в качестве вторичного энергоносителя и моторного топлива. Особое внимание уделено прямому получению электроэнергии с использованием реакции восстановления в топливных элементах (ячейках) различного типа. Перечислены основные проблемы водородной энергетики и отмечены усилия, предпринимаемые мировым сообществом для решения этих проблем.
Проведено аналіз сучасного стану робіт з водневої енергетики. Показана перспективність застосування водню у
якості вторинного енергоносія та моторного палива. Особливої уваги приділено прямому отриманню єлектроєнергії з
застосуванням реакції відновлення у топливних єлементах. Перераховані основні проблеми водневої єнергетикі,
відмічені зусилля, які предпринімає мирова спільнота для їх вирішення.
Analysis of the modern state of affairs on hydrogen energy was done. Perspectivity of using the hydrogen as secondary power
system and motor fuel is shown. Special attention is given to direct reception of electric powers with use the reactions of the
regeneration in fuel cells of the different type. Main problems of hydrogen energy was shown and efforts, undertaken by world
community for decision of these problems are noted.
|
| issn |
1562-6016 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81433 |
| citation_txt |
Современное состояние водородной энергетики / Д.В. Виноградов // Вопросы атомной науки и техники. — 2006. — № 1. — С. 153-155. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT vinogradovdv sovremennoesostoânievodorodnoiénergetiki AT vinogradovdv sučasniistanvodnevoíenergetiki AT vinogradovdv modernstateofhydrogenenergetic |
| first_indexed |
2025-11-25T20:25:30Z |
| last_indexed |
2025-11-25T20:25:30Z |
| _version_ |
1850520959679725568 |
| fulltext |
РАЗДЕЛ ЧЕТВЕРТЫЙ
РАБОТЫ МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ ИНСТИТУТА ФИЗИКИ ТВЕРДОГО
ТЕЛА, МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ И ТЕХНОЛОГИЙ ННЦ ХФТИ
УДК 662.769.2
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
Д.В. Виноградов
Научно-производственный комплекс ВИЭРТ ННЦ ХФТИ;
г. Харьков, Украина; E-mail: vinogradov@kipt.kharkov.ua
Проведен анализ современного состояния водородной энергетики. Показана перспективность использо-
вания водорода в качестве вторичного энергоносителя и моторного топлива. Особое внимание уделено пря-
мому получению электроэнергии с использованием реакции восстановления в топливных элементах (ячей-
ках) различного типа. Перечислены основные проблемы водородной энергетики и отмечены усилия, пред-
принимаемые мировым сообществом для решения этих проблем.
Одной из основных черт 21-го века является об-
острение энергетических проблем. Связано это, в
первую очередь с неумолимым сокращением запа-
сов углеводородного топлива (нефти и газа), являю-
щегося на сегодняшний день основным энергоноси-
телем. Кроме того, использование этого топлива, а
также углей приводит к катастрофическому загряз-
нению окружающей среды. Современное состояние
энергетики [1] выглядит следующим образом (та-
блица).
Современное состояние энергетики
Вид ресурса
Доля
в мировой
энергетике
Запасы сырья,
Дж
Нефть 39% 1022
Газ 23% 1022
Уголь 22% 1,8·1023
Ядерная 7% 1030
Возобновляемые 8% -
Потребление энергии составляет 1020 Дж в год, а
к 2020 г. ожидается 50% рост потребления.
На сегодняшний день транспорт использует око-
ло половины мирового объема потребления нефте-
продуктов (в США до 65%) [2]. Исчерпание ресур-
сов минерального топлива, а также токсичность вы-
хлопов ДВС на нефтепродуктах стимулирует поиск
новых, возобновляемых и экологически чистых
энергоносителей для транспорта и энергетики в це-
лом. Водород является одним из наиболее вероят-
ных заменителей минерального топлива в будущем.
К достоинствам водорода относятся.
1. Широкая распространенность элемента-
воды в океане хватит для любого реально
необходимого количества водорода. Кроме
того, Украина имеет доступ к самому
большому в мире анаэробному резервуару.
92% Черного моря занимают вода с серово-
дородом и различными водородосодержащи-
ми соединениями (HDO, D2O, HDS, D2S). Ис-
следователи [3] полагают, что в случае полу-
чения коммерческой серы и водорода эколо-
гически чистый метод глубинной аэрации
может оказаться рентабельным.
2. Отсутствие загрязнения окружающей среды
при получении энергии (кроме того, много-
численные исследования показали, что благо-
даря высокой физико-химической активности
водорода достаточно его 5…10% добавки к
углеводородному топливу, например бензи-
ну, чтобы снизить токсичность выхлопных
газов на 65…75%, а расход топлива снизить
на 30…40%). При сгорании водорода в кис-
лороде токсичные выхлопы отсутствуют, а
при сгорании в воздухе намного ниже, чем у
ДВС на бензине [4]. Использование водорода
позволит устранить один из основных недо-
статков автомобильных двигателей: резкое
снижение КПД с 30 до 10% на частичных на-
грузках в условиях городской эксплуатации.
Водород даже при небольших добавках 1…
6% к бензину уже позволяет поднять топлив-
ную экономичность на частичных нагрузках
на 30…40%. Это достигается благодаря
тому, что предельная величина воспламене-
ния для водорода более широкая, чем для
бензина. Пределы воспламенения в процен-
тах по объему для водорода находятся в ин-
тервале 4,7…74,2, а для бензина – 0,59…6,0.
3. Широкие масштабы промышленного по-
требления как химического реагента.
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2006. № 1.
Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (15), с.153 - 155 .
153
mailto:vinogradov@kipt.kharkov.ua
4. Как топливо он имеет высокое содержание
энергии на единицу массы 120,7 МДж/кг,
выше любого органического топлива[2]. При
соединении водорода с кислородом в элек-
трохимическом генераторе происходит пря-
мое преобразование химической энергии в
электрическую с высоким коэффициентом
полезного действия.
5. Перспективность использования автоном-
ных источников энергии, основанных на
топливных элементах (ТЭ), в которых водо-
род применяется в качестве восстановителя.
В настоящее время наиболее рентабельным
способом производства водорода является паровая
конверсия метана. Согласно данным Министерства
энергетики США в 1995 г. стоимость водорода для
условий большого завода составляла 7 дол. за
1 ГДж, что эквивалентно стоимости 0,24 дол. за 1 л
бензина при стоимости природного газа 2,3 дол. за
1 ГДж (80 дол./1000 нм3). Производство водорода
путем электролиза воды на основе современной
технологии оценивается по затратам от 10 до
20 долларов за 1 ГДж в зависимости от стоимости
электроэнергии и капитальных вложений в электро-
лизеры [2].
На сегодняшний день рынок водорода в мире
составляет 50 млн. т., в том числе 12 млн. т. в США.
К 2010 г. рынок водорода в мире по оценкам воз-
растет до 100 млн. т., из которых на США придется
50 млн. т. Освоено использование водорода в ракет-
ной технике. Примером такой системы являются ра-
кеты РКК “Энергия”, в которых водород использу-
ется как топливо в жидкостных реактивных двига-
телях. В России и США также накоплен опыт ис-
пользования водорода в ядерных ракетных двигате-
лях. При использовании водорода и его нагреве в
реакторе до 3270 °С удельный импульс ядерного ра-
кетного двигателя более чем в 2 раза выше, чем у
лучших жидкостных ракетных двигателей [2].
Кроме того, с помощью водорода можно решить
одну из проблем ядерной энергетики - необходи-
мость маневра мощностью в «провальные» для вы-
работки электроэнергии ночные часы. Стабильный
режим производства электроэнергии является наи-
более экономичным для АЭС, но энергопотребле-
ние зависит от времени суток: максимум около
12.00 и 20.00 и резкое снижение в ночное время. Из-
менение режима производства электроэнергии при-
водит к экономическим потерям и повышению ава-
рийности - все значительные аварии на АЭС (Чер-
нобыль, Three-Mile Island и т. д.) были связаны с
маневром мощностью. Например, энергетические
потери за счет диспетчерского регулирования на
Ленинградской АЭС составляют примерно
400 млн. кВт·ч в год. Использование избыточных
мощностей ЛАЭС позволит вырабатывать до 7,2…
7,5 тыс.т чистого водорода. При этом стоимость
электролитического водорода составит 25…
26 руб/кг или 0,7…0,8 руб/кВт·ч по сравнению с су-
ществующей стоимостью бензина 11…13 руб/кг.
(Цена на водород дана без учета инфраструктуры –
электролизеры, компрессоры, хранилища и т.д.) [4].
Традиционным решением проблемы регулиров-
ки мощности является создание ГАЭС (гидроакку-
мулирующих станций), что требует огромных капи-
тальных затрат и отчуждения больших земельных
территорий. Эта задача может быть решена следую-
щим образом: выработка на АЭС водорода из воды
в ночное время, когда потребление энергии сниже-
но, и сжигание водорода на ТЭЦ в часы пиковых
нагрузок. Полученный водород можно использо-
вать и в других целях - как химический реагент,
топливо для транспорта и т.д. Огромные перспекти-
вы для решения проблемы получения дешевого во-
дорода связаны с созданием высокотемпературных
ядерных реакторов. Разработанная в нашей стране в
начале 70-х годов XX века концепция широкого ис-
пользования производимого из воды с помощью
ядерных реакторов водорода как энергоносителя в
промышленности, энергетике, на транспорте и в
быту получила название атомно-водородной энер-
гетики [5].
Как отмечено выше, водород может быть ис-
пользован для прямого преобразования химической
энергии в электрическую. Такое преобразование
происходит в электрохимическом генераторе (топ-
ливном элементе) при соединении водорода с кис-
лородом на одном из электродов [6,7]. Именно про-
гресс в разработке топливных элементов (ТЭ) все-
ляет уверенность в перспективах использования во-
дорода как топлива.
Основные факторы, вызвавшие интерес к ТЭ, это:
1 – ухудшение экологической обстановки в круп-
ных городах во всем мире в результате резкого уве-
личения парка автомобилей (удельные выбросы
вредных компонентов из энергетических устройств
(ЭУ) с ТЭ на 1,5…2,5 порядка ниже выбросов из
традиционных ЭУ, кроме того они практически бес-
шумны);
2 – необходимость увеличения длительности
непрерывной работы ряда малогабаритных
электронных устройств (сотовых телефонов,
портативных персональных компьютеров и т.д.) и
замены в них обычных батарей на более
энергоёмкие источники электропитания;
3 – высокий КПД (от 40 до 70 %), который отно-
сительно мало зависит от установленной мощности
и нагрузки, тогда как КПД тепловых машин (ДВС,
дизель и т.д.) не превышает 40% [6].
Указанные обстоятельства привели к столь
бурному росту количества исследований в этой
области, что можно сейчас определенно говорить о
наступлении нового, второго бума в области
топливных элементов (первый был после
использования ТЭ в качестве источников
электрической энергии для аппаратуры
американского спутника “Джемини”).
В качестве окислителя для работы топливных
элементов в большинстве случаев используют
кислород воздуха или при его отсутствии
(например, в космических или подводных
аппаратах) – чистый кислород. В качестве
восстановителя в большинстве случаев используют
либо чистый (обычно электролитический) водород,
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2006. № 1.
Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (15), с.153 - 155 .
154
либо технический водород, полученный путем
паровой или окислительной конверсии природного
газа, нефтепродуктов и (или) других жидких
органических соединений [7].
Среди вариантов водородно-кислородных
топливных элементов, получивших широкое
развитие после 1960г., основными являются:
1. Щелочные топливные элементы (ЩТЭ):
электролит − 40…70 вес.% раствор КОН,
рабочая температура от 60 до 240 оС. Такие
элементы использовались на американских
космических кораблях проекта “Аполлон”,
они используются и сейчас на американских
космических челноках.
2. Среднетемпературные фосфорнокислые
топливные элементы (ФКТЭ): электролит −
85…95 об.% раствор фосфорной кислоты,
рабочая температура 180…200 оС. Эти
элементы использовались для создания
многочисленных автономных
энергоустановок мощностью 250 кВт, а
также некоторых электростанций
мощностью до 4 МВт в США, Японии и в
других странах.
3. Высокотемпературные карбонатно-расплав-
ные топливные элементы (КРТЭ):
электролит-расплав смеси карбонатов
натрия, калия и лития, рабочая температура
около 650 оС. На основе таких элементов в
США и Японии созданы опытные
стационарные установки мощностью до 0,5
МВт.
4. Высокотемпературные твердооксидные
топливные элементы (ТОТЭ): электролит-
диоксид циркония, допированный оксидами
иттрия и других металлов, рабочая
температура в интервале 800…1000 оС. На
основе таких элементов в США и Японии
созданы опытные установки мощностью до
100 кВт.
5. Мембранные топливные элементы
(МембТЭ): электролит-полимерная
ионообменная мембрана, рабочая
температура в интервале 60…100 оС. Такие
элементы были впервые использованы в
батарее для американского космического
аппарата “Джемини”. МембТЭ в последнее
время получили широкое развитие под
названиями топливных элементов с твердым
полимерным электролитом или топливных
элементов с протонообменным мембранным
электролитом [7].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Бурное развитие водородных технологий идет по
многим направлениям: водородные автомобили, ТЭ,
гидридные тепловые насосы (ГТН) и др. Наиболее
быстрыми темпами развивается водородный авто-
мобиль, использующий ТЭ, или гибридный автомо-
биль. В этой связи характерно решение президента
США Дж. Буша о включении водородной энергети-
ки в число национальных приоритетов. Конгресс
США принял решение о финансировании в размере
1,3 млрд дол. работ по топливным элементам для
автомобилей [2]. В США начинаются работы по со-
зданию опытного высокотемпературного реактора
(VHTR-H2) стоимостью 1 млрд дол. для атомного
производства водорода. С этой целью формируется
международный консорциум с участием ОКБМ и
РНЦ “Курчатовский институт” [2]. Интересную
инициативу демонстрирует Исландия, заявив, что
она намерена стать первой в мире страной, решив-
шей отказаться от использования ископаемых энер-
гоносителей и перейти на водородную энергетику
как на суше, так и на море [2]. В ноябре 2003 г.
15 стран подписали соглашение “Международное
партнерство по водородной экономике”. Его участ-
никами стали Австралия, Великобритания, Брази-
лия, Германия, ЕС, Индия, Исландия, Италия, Кана-
да, Китай, Норвегия, Республика Корея, Россия,
США, Франция, Япония [2].
ЛИТЕРАТУРА
1. В.А. Бомко, А.М. Егоров, И.М. Карнаухов, В.И.
Лапшин Электроядерная энергетика на торий-
трансурановом топливном цикле // Вопросы
атомной науки и техники. 2002, №3, с. 11-16.
2. Н.Н. Пономарев-Степной. Атомно-водородная
энергетика // Атомная энергия. 2004, т.96, в.6,
с.412-425.
3. В.Г. Кашня. Экологически чистые методы осво-
ения водородосодержащих компонентов Черно-
го моря // Второй Международный симпозиум
«Безопасность и экономика водородного
транспорта». IFSSEHT. 2003, с.26-27
4. А.Л. Дмитриев. Экономические и технические
проблемы развития водородного транспорта //
Второй Международный симпозиум «Безопас-
ность и экономика водородного транспорта».
IFSSEHT. 2003, 51 с.
5. В.А. Легасов, Н.Н. Пономарев-Степной,
А.Н. Проценко и др. Атомно-водородная энер-
гетика (прогноз развития) // Вопросы атомной
науки и техники. Серия «Атомно-водородная
энергетика». 1976, в.1,с. 5-34.
6. Н.В. Коровин. Водородные топливные элемен-
ты. Состояние и проблемы // Водородное мате-
риаловедение и химия углеродных материалов.
2003, с.928-929.
7. В.С. Багоцкий, Н.В. Осетрова, А.М. Скундин.
Топливные элементы. Современное состояние и
основные научно-технические проблемы // Fuel
Cell Technology Update. February, 2002.
СУЧАСНИЙ СТАН ВОДНЕВОЇ ЕНЕРГЕТИКИ
Д.В. Виноградов
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2006. № 1.
Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (15), с.153 - 155 .
155
Проведено аналіз сучасного стану робіт з водневої енергетики. Показана перспективність застосування водню у
якості вторинного енергоносія та моторного палива. Особливої уваги приділено прямому отриманню єлектроєнергії з
застосуванням реакції відновлення у топливних єлементах. Перераховані основні проблеми водневої єнергетикі,
відмічені зусилля, які предпринімає мирова спільнота для їх вирішення.
MODERN STATE OF HYDROGEN ENERGETIC
D.V. Vinogradov
Analysis of the modern state of affairs on hydrogen energy was done. Perspectivity of using the hydrogen as secondary pow-
er system and motor fuel is shown. Special attention is given to direct reception of electric powers with use the reactions of the
regeneration in fuel cells of the different type. Main problems of hydrogen energy was shown and efforts, undertaken by world
community for decision of these problems are noted.
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2006. № 1.
Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (15), с.153 - 155 .
156
Заключение
|