Водородное топливо, которое по-разному называют экологически чистым топливом с нулевым выбросом углерода, является наиболее доступным и перспективным из видов топлива. Топливо - это все, что можно заставить реагировать с другими веществами с выделением энергии, а присутствие водорода во внутренних ресурсах, таких как биомасса, природный газ, ядерная энергия, делает его топливом будущего. Его можно даже производить с помощью возобновляемых источников энергии, таких как солнечная и ветровая. Все эти качества в совокупности делают его альтернативным вариантом топлива для транспорта, производства электроэнергии, портативных электронных устройств и систем резервного питания.
Во многих отношениях водород - идеальное топливо. Это наиболее чистое и эффективное сжигание, создающее возобновляемый и безвредный для окружающей среды энергетический цикл. Водород химически соединяется с большинством элементов, поэтому он уже много лет используется в качестве промышленного химического вещества в широком диапазоне применений. С его обильным присутствием способов производства оказывается много. Перейдем к производству водорода.
Прорывные технологии производства водородного топлива
Водород является простейшим элементом из-за его химического состава, состоящего всего из одного протона и одного электрона, что позволяет легко реагировать с различными веществами и превращаться в форму, способную решить некоторые основные проблемы будущего топлива. Энергетическая эффективность и воздействие водорода на окружающую среду полностью зависят от того, как он производится. В промышленности используется несколько методов производства водородного топлива. О немногих из них говорится ниже:
Электролитический процесс: Этот метод разделения воды на водород и кислород с помощью электронного тока называется электролизом. Очевидно, что электричество, производимое из возобновляемых источников, таких как солнце или ветер, а также образующийся водород будет считаться возобновляемым, что дает множество преимуществ по выбросам. Набирают обороты проекты по производству водорода, когда избыточная возобновляемая электроэнергия, если таковая имеется, используется для производства водорода посредством электролиза.
Пиролиз метана: Производство водорода с использованием пиролиза метана из природного газа - это недавний одностадийный процесс, в котором отсутствуют парниковые газы. Развитие массового производства с использованием этого метода является ключом к более быстрому сокращению выбросов углерода за счет использования водорода в промышленных процессах, транспортировке тяжелых грузовиков на топливных элементах и выработке электроэнергии с помощью газовых турбин. При пиролизе метана используется метан CH4, барботируемый через расплавленный металлический катализатор при высоких температурах (1340 K, 1065 ° C или 1950 ° F) для производства экологически чистого водорода H2 в больших объемах, с низкими затратами и с образованием экологически чистого твердого углерода. C без выбросов парниковых газов.
CH4 (г) → C (т) + 2 H2 (г) ΔH ° = 74 кДж / моль
Пиролиз метана находится в стадии разработки и считается подходящим для промышленного производства водорода в больших объемах.
Паровой риформинг (промышленный метод): Водород часто получают с использованием природного газа, который включает удаление водорода из углеводородов при очень высоких температурах, при этом 48% производства водорода приходится на паровой риформинг. Коммерческий водород в больших объемах обычно получают путем парового риформинга природного газа с выбросом парниковых газов из атмосферы или с улавливанием с использованием CCS и смягчения последствий изменения климата. Паровой риформинг также известен как процесс Bosch и широко используется для промышленного получения водорода.
При высоких температурах (1000–1400 K, 700–1100 ° C или 1300–2000 ° F) водяной пар реагирует с метаном с образованием окиси углерода и H2.
СН4 + Н2О → СО + 3 Н2
Биологический процесс: Биологические процессы используют микробы, такие как бактерии и микроводоросли, и могут производить водород посредством биологических реакций. При преобразовании микробной биомассы микробы расщепляют органические вещества, такие как биомасса или сточные воды, для производства водорода, в то время как в фотобиологических процессах микробы используют солнечный свет в качестве источника энергии.
Процесс на солнечных батареях: Солнечная энергия в основном использует солнечный свет или излучение для образования водорода. В основном существует три таких процесса, связанных с солнечной энергией, включая фотобиологические, фотоэлектрохимические и солнечные термохимические. Фотобиологические процессы используют естественную фотосинтетическую активность бактерий и зеленых водорослей для производства водорода. В фотоэлектрохимических процессах используются специальные полупроводники для разделения воды на водород и кислород. Солнечное термохимическое производство водорода использует концентрированную солнечную энергию для запуска реакций расщепления воды, часто вместе с другими веществами, такими как оксиды металлов.
Практическое применение в технической индустрии
Применение в автомобильной промышленности
Водород считается альтернативным топливом для автомобильной промышленности из-за его высокой эффективности и нулевого выброса углерода. Использование водорода в транспортных средствах является одним из основных направлений исследований и разработок топливных элементов. В таких странах, как США, также есть станции заправки водородом. Большинство транспортных средств, работающих на водороде, - это автомобили и транзитные автобусы, у которых есть электродвигатель, работающий от водородного топливного элемента. Некоторые из этих автомобилей сжигают водород напрямую. Высокая стоимость топливных элементов и ограниченная доступность водородных заправочных станций ограничили количество автомобилей, работающих на водороде. Даже водородный топливный элемент используется в поездах в Германии, и было обнаружено, что в ближайшие пять лет он может достичь Великобритании, Франции, Италии, Японии и США. Для автомобилей личного пользования девять основных производителей автомобилей разрабатывают электромобили на водородных топливных элементах (FCEV) для личного пользования. Известные модели включают Toyota Mirai, Honda Clarity, Hyundai Nexo и BMW.
В производстве электроэнергии
Водородные топливные элементы производят электричество, объединяя атомы водорода и кислорода. Водород реагирует с кислородом через электрохимический элемент, аналогичный аккумулятору, с образованием электричества, воды и небольшого количества тепла. Доступно множество различных типов топливных элементов для широкого спектра применений. Маленькие топливные элементы могут приводить в действие портативные компьютеры и даже сотовые телефоны, а также в военных приложениях. Большие топливные элементы могут обеспечивать электроэнергией для резервного или аварийного питания в зданиях и снабжать электричеством места, которые не подключены к электрическим сетям.
Кроме того, водород также используется в ряде морских приложений, космических приложений и в основном для создания резервных источников энергии.
Проблемы, связанные с использованием водорода в качестве альтернативного топлива
Мы всегда слышали, что у медали есть две стороны, как и у нового топлива будущего. Говоря о проблемах использования водородного топлива в промышленности, довольно много разумных и неизбежных проблем. Некоторые из них перечислены ниже: -
Извлечение водорода
Несмотря на то, что во Вселенной имеется такое изобилие, добыча довольно сложна. Водород не существует сам по себе, поэтому его необходимо извлекать из воды посредством электролиза или отделять от углеродного ископаемого топлива. Для достижения обоих этих процессов требуется значительное количество энергии. Эта энергия может быть больше, чем энергия, полученная от самого водорода, а также быть дорогостоящей.
Стоимость сырья и дальнейшие инвестиции
Для извлечения водорода требуются драгоценные металлы, такие как платина и иридий, в качестве катализаторов и несколько электролизеров для электролиза. Все эти дополнительные расходы увеличивают стоимость сырья. Высокая стоимость удерживает некоторых от инвестиций в водородные топливные элементы. technology. Такие затраты необходимо снизить, чтобы сделать водородные топливные элементы доступным источником топлива для всех. Водородные топливные элементы нуждаются в инвестициях в разработку до такой степени, чтобы они стали действительно жизнеспособным источником энергии. Это также потребует политической воли для инвестирования времени и денег в разработку, чтобы улучшить и усовершенствовать технологию.
Инфраструктура и хранение водорода
Ископаемое топливо использовалось десятилетиями, инфраструктура для этого источника питания уже существует. Широкомасштабное внедрение технологии водородных топливных элементов в автомобилестроение потребует новой инфраструктуры для заправки топливом для ее поддержки, хотя для приложений дальнего действия, таких как грузовые автомобили и грузовые автомобили, вероятно, будет использоваться непрерывная дозаправка.
Хранение и транспортировка водорода сложнее, чем для ископаемого топлива. Это подразумевает дополнительные затраты на водородные топливные элементы в качестве источника энергии.
Водородное топливо - лучший экологически чистый и альтернативный вариант топлива на ближайшее будущее, и его применение имеет решающее значение не только для окружающей среды, но и для растущего спроса на топливо. Исследователи и инновационные компании должны приложить все усилия, чтобы сделать водород, как воду, доступным не только для промышленного, но и для личного использования.
Шиба Чаухан
-
Шиба Чауханhttps://www.eletimes.com/author/sheebaНовые тенденции в технологии полупроводников с широкой запрещенной зоной (SiC и GaN) для автомобильной промышленности и энергосбережения
-
Шиба Чауханhttps://www.eletimes.com/author/sheebaФорма нашей фабрики: производство в эпоху постпандемии