Водородная энергетика: задачи, проблемы и сферы применения

Водородная энергетика: задачи, проблемы и сферы применения

Содержание

Введение

1. Типовые источники энергии

1.1 Проблемы энергетики

2. Альтернативные источники энергии

2.1 Виды и направления развития альтернативных источников энергии

3. Водородная энергетика

3.1 Водород как источник энергии

3.2 Способы получения водорода

3.3 Расчет водородной энергетики

Выводы

Литература

Введение

К настоящему времени стало известно, что запасы многих видов органических источников энергии практически истощены. Они ликвидируются с каждым годом в больших количествах с ростом потребления. Тем временем все источники энергии разделились на две основные категории: возобновляемые и не возобновляемые. В связи с этим поиск новых месторождений и новых видов топлива в настоящее время играет главенствующую роль в обеспечении энергией весь мир и отдельные жизненно важные объекты. Однако новые месторождения также истощаются.

Огромное преимущество альтернативной энергии заключается в "чистоте" получаемой и производимой энергии. Все природные явления и процессы насыщены энергией. Энергия добывается из природных источников: волн, приливов/отливов, толщи Земли Задача человечества заключается в ее изъятии и превращение в электрическую. Вопрос в том, что случится с Землей, когда энергия будет преобразовываться тераваттами из альтернативных источников, на нынешнем уровне развития энергетики не беспокоит мир.

1. Типовые источники энергии

Добыча ресурсов Земли значительно сократилась за последние несколько сотен лет. Ведь практически все органические источники топлива представляют собой залежи полезных ископаемых, которые накапливались сотнями, тысячами и даже миллионами лет. При этом человечество привыкло лишь брать, но не восполнять затраченные ресурсы. Поэтому вопрос энергетического истощения Земли не особо волновал мир до настоящего времени. Ведь прогнозы специалистов все это время говорили о невероятных залежах топливных элементов на нашей планете. Несмотря на это к настоящему времени энергетические корпорации решают задачу лишь в поиске новых месторождений. Лишь небольшие компании совместно с энтузиастами реализуют проекты энергетического направления, внедрение которых требует невероятных затрат на внедрение и производство в глобальных масштабах. В целом можно сказать, что поиски новых источников идут размеренным шагом. Ведь они также просуществуют относительно недолго из-за высокой конкуренции, высоких затрат и неизвестность.

Очевидно, что энергетика находится на первом месте в употреблении и преобразовании. От нее в решающей мере зависит и экономический потенциал государств, и благосостояние людей. Она же оказывает наиболее сильное воздействие на окружающую среду, истощение ресурсов планеты. Несравненно, что темпы потребления энергии в будущем увеличатся.

Вследствие этого, поиск новых видов топлива в настоящее время является стратегически важной задачей. Поэтому не факт, что в будущем мы сможем без резко негативного влияния на окружающую среду обеспечивать себя необходимым количеством энергии для повседневных нужд.

водородная энергетика альтернативный источник

1.1 Проблемы энергетики

Сегодня можно услышать такое понятие, как энергетический кризис. Это явление, возникающее, когда спрос на энергоресурсы значительно выше, чем предложение. Причин такого явления может быть множество. Среди них можно выделить пробелы в области логистики, политики, физического дефицита.

Наличие доступной энергии является неотъемлемым признаком существования человечества. Ведь энергия охватывает все области человеческой деятельности. В современном мире энергетика является основой развития базовых отраслей промышленности, определяющих прогресс общественного производства. Во всех промышленно развитых странах темпы развития энергетики опережали темпы развития других отраслей. Электроэнергия обеспечивает промышленность и бытовые приборы питанием. Современные автомобили обеспечены электродвигателями. Электроприборы также не способны функционировать без электроэнергии.

Первый этап необходимости человека в энергии произошел, когда он научился добывать огонь для обогрева жилища и приготовления пищи. В средние века человек стал использовать энергию скота, воды, ветра, дров и угля. Это примерно в 10 раз больше, чем в древние времена. За последние 200 лет необходимость в энергии и ее производство возросло в 30 раз! К 1998 году 13,7 гигатонн условного топлива в год.

В то же время энергетика - один из источников неблагоприятного воздействия на окружающую среду и человека. Она влияет на атмосферу (потребление кислорода, выбросы газов, влаги и твердых частиц), гидросферу (потребление воды, создание искусственных водохранилищ, сбросы загрязненных и нагретых вод, жидких отходов) и на литосферу (потребление ископаемых топлив, изменение ландшафта, выбросы токсичных веществ).

Первичная энергия подразделяется на коммерческую и некоммерческую. К коммерческим можно отнести твердые, жидкие и газообразные виды топлива. Такие, как нефть, торф, природный газ. Также сюда входит и первичное электричество, получаемая от ядерно-, гидро-, ветровых, геотермальных, солнечных и других станций.

К некоммерческим можно отнести остальные источники энергии такие, как дрова, сельскохозяйственные и промышленные отходы, мускульная сила рабочего скота и человека).

Вся мировая энергетика основана в целом на коммерческих ресурсах. Однако многие страны существуют за счет некоммерческих ресурсов.

В начале 70-х годов страницы газет запестрели заголовками: "Энергетический кризис!", "Надолго ли хватит органического топлива? ”, "Энергетический хаос”. Этой теме до сих пор большое внимание уделяют все средства массовой информации - печать, радио, телевидение. Основания для такой тревоги есть, ибо человечество вступило в сложный и достаточно долгий период мощного развития своей энергетической базы. Поэтому следуете просто расходовать известные сегодня запасы топлива, но расширяя масштабы современной энергетики, отыскивать новые источники энергии и развивать новые способы её преобразования.

Прогнозов о развитии энергетики сейчас очень много. Тем не менее, несмотря на улучшившуюся методику прогнозирования, специалисты, занимающиеся прогнозами, не застрахованы от просчетов, и не имеют достаточных оснований говорить о большой точности своих прогнозов для такого временного интервала, каким являются 40-50 лет.

В настоящее время наиболее перспективным и экологически источником энергии является ядерный и термоядерный реакторы.

2. Альтернативные источники энергии

Альтернативные источники энергии (АИЭ) в настоящее время являются наиболее существенным решением по отношению к производству электроэнергии из органического топлива. Альтернативная энергетика основана на преобразовании изначально экологически чистых компонентов, что в свою очередь, резко снижает вред производства энергии. К ним относится энергия:

Солнца;

ветра;

приливов и отливов;

морских волн;

внутреннее тепло планеты и др.

Основные причины, указывающие на важность скорейшего перехода к альтернативным источникам энергии:

Глобально-экологический: сегодня общеизвестен и доказан факт пагубного влияния на окружающую среду традиционных энергодобывающих технологий (в т. ч. ядерных и термоядерных), их применение неизбежно ведет к катастрофическому изменению климата уже в первых десятилетиях XXI веке.

Экономический: переход на альтернативные технологии в энергетике позволит сохранить топливные ресурсы страны для переработки в химической и других отраслях промышленности. Кроме того, стоимость энергии, производимой многими альтернативными источниками, уже сегодня ниже стоимости энергии из традиционных источников, да и сроки окупаемости строительства альтернативных электростанций существенно короче. Цены на альтернативную энергию снижаются, на традиционную - постоянно растут;

Социальный: численность и плотность населения постоянно растут. При этом трудно найти районы строительства АЭС, ГРЭС, где производство энергии было бы рентабельно и безопасно для окружающей среды. Общеизвестны факты роста онкологических и других тяжелых заболеваний в районах расположения АЭС, крупных ГРЭС, предприятий топливно-энергетического комплекса, хорошо известен вред, наносимый гигантскими равнинными ГЭС, - всё это увеличивает социальную напряженность.

Несмотря на это переход на АИЭ происходит плавно. Многие источники энергии устанавливают на определенной территории, и их эффективность зависит от благоприятных условий, времени и данных. Новинка всегда стоит дороже, чем укоренившийся продукт. Поэтому установка и эксплуатация стоит немалых затрат. Однако во всем мире уже довольно часто можно встретить ветряки или солнечные панели на крыше жилого здания, то есть АИЭ достигли массового применения, а это значит, что строительство в скором времени значительно снизит тарифы. Не стоит забывать про мегакорпорации и небольшие компании, которые существуют за счет добычи полезных ископаемых: нефти, газа, угля, и вряд ли они прекратят их добычу в силу спасения экологии планеты. Поэтому для успокоения общественности на "грязное" производство закупают различного рода очистные и фильтрующие системы. Но это лишь по большей мере единицы компаний и статьи в газетах и интернете.

2.1 Виды и направления развития альтернативных источников энергии

Основное достоинство АИЭ - это производство безвредной энергии. Значит, переход на АИЭ может изменить энергетическую и экологическую обстановку в мире. Энергия, получаемая с помощью АИЭ бесплатна.

Наиболее явными из недостатков медленного внедрения данной категории производства энергии являются: недостаточное финансирование и перебои в работе. Это связано с тем, что до сих пор их внедрение и производство является весьма дорогостоящим процессом. Новизна и недостаточная осведомленность для многих организаций также значительна. Многие производители предпочитают вредные и опасные для здоровья и окружающей среды электростанции в силу их надежности и готовности к полноценной работе, чем дорогостоящие и "капризные" системы производства энергии на возобновляемых источниках.

Перебои энергии являются существенным недостатком. Например, производство солнечной энергии возможно лишь в дневное время суток. Поэтому чаще всего вместе с альтернативными источниками энергии устанавливаются все те же вредные производства для компенсации энергоресурсов. При этом лишняя приобретенная энергия накапливается в аккумуляторных батареях.

АИЭ находятся на стадии значительного развития и внедрения. Многие страны уже перешли на них и добывают энергию в огромных количествах. Многие государства благодаря своему территориальному расположению активно используют АИЭ.

Суммарная установленная мощность ветрогенераторов в Китае на 2014 год составила 114763 МВт. Что же заставило правительство так активно развивать ветроэнергетику? Китай является лидером по выбросам в атмосферу СО2 Планируется использовать в первую очередь геотермальную, ветряную, солнечную энергию. Согласно государственному плану, к 2020 г. в 7 районах страны будут построены огромные ветряные ЭС с общей выработкой в 120 гигаватт.

В США активно развивают альтернативную энергетику. Например, суммарная мощность американских ветрогенераторов США в 2014 г. составила 65879 МВт. США является мировым лидером по развитию геотермальной энергетики - направлению, использующему для получения энергии разницу температур между ядром Земли и ее корой. Один из методов использования горячих геотермальных ресурсов - УГС (усовершенствованные геотермальные системы), в которые вкладывает средства Министерство энергетики США. Их поддерживают также научные центры и венчурные компании (в частности, Google), но пока УГС остаются коммерчески неконкурентоспособными.

Можно также выделить такие страны по огромную влиянию АИЭ, как Германия, Япония, Индия и другие.

3. Водородная энергетика

Понятие водородная энергетика возникло относительно недавно. Оно появилось во времена энергетического кризиса, когда специалисты утвердили, что запасы органического и дешевого топлива ограничены, и темпы их расходования невероятно высоки.

Ядерная энергетика деления и синтеза стала источников нескончаемой энергии которая совместно с возобновляемыми источниками энергии позволяет обеспечивать энергией людей на ближайшее будущее. Концепция водородной энергетики предполагает получение водорода путём разложения воды с затратой ядерной энергии, транспорт водорода к центрам его потребления и распределение с последующим использованием его в качестве топлива в случаях, где используется газ, жидкое или твердое топливо.

3.1 Водород как источник энергии

Водород представляет собой весьма влиятельный химический элемент, который в процессе синтеза может заменять любое ныне существующее топливо. Водород в свободном состоянии при нормальных условиях является газом без цвета, запаха и вкуса. В газообразной форме является самым легким газом, в жидком (при T<33 К) и твердом (при T<13 K) состояниях - самые легкие жидкость и кристалл. Энергия связи для молекулы H₂ составляет 429 кДж·моль^-1, межъядерное расстояние - 7,4·10^-11 м. Для молекулярного иона водорода H₂⁺ энергия связи составляет 255 кДж·моль^-1, межъядерное расстояние 1,06·10^-10 м. Энергия ионизации атома водорода равна 1312 кДж·моль^-1, по отношению к электрону 71 кДж·моль^-1. Молекулярный водород может существовать в шести изотопных модификациях: H₂, HD, D₂, DT, HT, T₂. Последние 3 молекулы нестабильны.

Молекулярный водород, как и его изотопы тритий и дейтерий, в зависимости от относительной ориентации ядерных спинов атомов существует в двух основных модификациях: параводород (pH₂), который имеет антипараллельную ориентацию ядерных спинов в четные ротационные квантовые числа и ортоводород (oH₂), имеющий параллельные ядерные спины и нечетные ротационные квантовые числа.

Относительно водорода можно выделить несколько положительных факторов:

.        Сырьем для получения водорода может быть вода, а для получения искусственных углеродов - уголь, углекислый газ или природные карбонаты, то есть запасы практически неограниченные.

2.      При сжигании водорода или искусственного топлива, полученного на его основе, образуется значительно меньшие затраты на мероприятия по охране окружающей среды, чем при сжигании природных жидких и газообразных элементов топлива.

.        Полученное топливо сравнительно легко транспортировать, хранить и аккумулировать.

Водород является одной из перспективных составляющих нашей планеты, правда, в природе он не встречается в чистом виде. Его необходимо извлекать или из углеводорода, или из воды. Вместе с тем, запасы водорода, связанного в органическом веществе и в воде, практически неисчерпаемы. Энергосодержание 1 г водорода эквивалентно энергосодержанию около 3 г бензина. При использовании водорода в топливных элементах вследствие высокого КПД топливного элемента (в 1,5-3 раза больше, чем у двигателя внутреннего сгорания) эффективность водорода как топлива оказывается еще выше (примерно в 4-10 раз).

3.2 Способы получения водорода

Получение водорода весьма трудоемкий процесс. На данный момент известно несколько способов получения водорода. Среди них:

1.      химический;

2.      электролиз;

3.      термохимический.

Данные способы относятся к традиционным методам. Но каждый способ сегодня является экономически и экологически нецелесообразным, по причине необходимости затраты природных ископаемых.

Рассмотрим один из наиболее распространенных способов получения водорода - из воды путем электролиза.

Под электролизом понимается некоторый электронный проводник, погруженный в ионный проводник (раствор электролита, расплав) или соприкасающийся с ним. На межфазной границе раздела электрод - раствор протекают электродные процессы, в результате которых между электродом и раствором устанавливается разность потенциалов - электродный потенциал, значение которого зависит от природы, протекающей на поверхности электрода электрохимической реакции. В данном случае можно измерить лишь разность электродных потенциалов нескольких электродов.

Таким образом, в обратимой реакции при электролизе воды наряду с затратами электроэнергии принципиально возможно непосредственное преобразование теплоты, подводимой к ячейке, в химическую энергию топливно-окислительной композиции (водорода и кислорода).

Многочисленные прогнозируемые оценки показывают, что в соответствии с ростом цен на природное жидкое и газообразное топливо в перспективе, а также совершенствование существующих и развитие новых типов электролизеров в будущем может оказаться дешевле, чем получение его из природного топлива.

3.3 Расчет водородной энергетики

Молекула водорода состоит из двух атомов водорода. При образовании молекулы два электрона, которые до этого времени принадлежали к двум различным атомам водорода, начинают вращаться в плоскости, перпендикулярной к оси, соединяющей ядра.

При образовании ковалентной химической связи за счет перехода электронов от одного атома к внешней оболочке другого происходит выделение энергии. Данное выделение энергии можно объяснить сродством атомов водорода по отношению к электрону. Это соответствует формуле 0,72 эВ ·2, где 0,72 эВ есть энергия сродства одного атома водорода по отношению к одному электрону.

Одновременно при образовании новой связи и электроны, и ядра приближаются друг к другу, что приводит к потере энергии. Согласно опытным данным, межъядерное расстояние в молекуле водорода составляет 0.74А. Соответственно, потеря энергии, происходящая за счет взаимного отталкивания ядер, составляет около 9 эВ.

Рис. 3.1 Силы притяжения и отталкивания в молекуле АВ

Рассчитаем энергию молекулы водорода так, как мы это делали для атома: энергия молекулы также приравнивается к сумме ее электронных энергий. Согласно этой модели (рис. 3.1), электроны вращаются вокруг точки Е в плоскости, перпендикулярной к оси, соединяющей ядра А и В. Силы притяжения электронов к ядрам направлены перпендикулярно к плоскости круга, в котором электроны вращаются и где они взаимно уравновешивают друг друга. Их взаимное действие, таким образом, равно нулю. Задача о вычислении энергии молекулы водорода сводится к вопросу об определении энергии гелиеподобного атома (атома с двумя электронами).

Для этого расчета необходимо знать ядерный заряд, так как энергия гелиеподобного атома определяется по формуле:

_He = 13,6· (Z-0.25) ²·2 (3.0)

Следует отметить, что в точке E не существует реального положительного заряда. Электроны притягиваются к этой точке за счет сил F₁¹, которые являются проекциями сил F₁ на оси DC.

Данные силы идентичны тем силам, которые удерживают электроны на орбите гелиеподобного атома с зарядом Z. Эти силы предотвращают разрыв электронов из-за взаимного отталкивания силы F₃ и центробежных сил, то есть

F₁¹ = F₃+F_4,

где F_{3 -} силы межэлектронного отталкивания; F₄ - центробежные силы.

В данном случае используется система, предложенная Бором для расчета атомарных систем. Энергия системы и линейные параметры в этих расчетах определяются посредством сравнения зарядов и расстояний (радиусов) с энергией электрона и радиусом орбиты в атоме водорода. Заряд электрона принят за единицу заряда, а радиус атома водорода (0,529 А) выступает в качестве единицы длины. Единичная сила в данном случае есть сила взаимодействия протона с электроном в атоме водорода, расстояние между которыми составляет 0,529 А.

Таким образом, ядерный заряд может иметь сходство с зарядом Z_e, поскольку заряд протона равен заряду электрона. С учетом всех принятых обозначений, определим эффективный заряд Z в точке E молекулы водорода (рис. 3.1).

Здесь электроны расположены в точках C и D, а ядра (протоны) - в точках А и В. Точка Е находится в центре, вокруг которого вращаются электроны в плоскости, перпендикулярной по отношению к нему, как это изображено на рис. 3.1 Силы притяжения электронов к ядрам обозначены на рисунке как F₁, силы отталкивания между ядрами - как F₂, силы отталкивания между электронами - как F₃.

Проекции F₁ на оси CD обозначены как F₁¹, проекции F₁ на оси AB - F₁¹¹.

Свойства молекул водорода не изменяются с течением времени, поэтому расстояния между электронами и ядрами являются постоянными. То есть, силы F₁, притягивающие ядро F₁¹¹, есть равные силы межъядерного отталкивания. Силы F₁¹¹, действующие на электроны, также равны по той же причине. Эти силы действуют на электроны C и D в противоположных направлениях и являются равными по величине, т.е. их результирующая сила равна нулю. То же самое относится к силам 2F₁¹ и F₃+F₄. Теперь обозначим радиус орбиты электрона как а (EC = а), расстояние между ядрами как 2b (AB = 2, b), расстояние между электроном и ядром как с (AC = с), а половину силы, притягивающей электрон к точке Е, как F₅. Таким образом, мы получаем:

₅ = F₁¹+F₁¹ = 2F₁¹

С другой стороны, поскольку силы, действующие на каждый электрон, равны силам в водородоподобных атомах с радиусом а и зарядом Z_e, получаем:

₅ = Z_e²/a² (3.1)

Если подставить значение F₅ в (3.1), мы получаем:

_e²/a² = 2F₁¹

Здесь для того, чтобы определить Z и энергию молекулы водорода, надо решить данное уравнение. F₁¹, как уже отмечалось, является проекцией F₁ на ось CD. Согласно тригонометрии:

₁¹ = F₁xcos∠ECB (3.2)

Тогда cos∠ECB = EC/CB, или, в соответствии с принятыми обозначениями, EC = a и BC = c, следовательно, cos∠ECB = a/c. Согласно теореме Пифагора и принятым обозначениям, EB = b:

cos∠ECB = a/ (a²+b²) ^0,5 = a (a²+b²) - ^0,5

Подставляя значение cos∠ECB в уравнение 3.2, получаем:

₁¹ = F₁xa (a²+b²) - ^0,5

В соответствии с принятыми обозначениями, BC = c

₁ = e²/c²

В нашем случае положительный заряд в точке B равен 1. Подставляя значение F₁ из этого уравнения, получаем:

F₁¹ = e²/c²xa (a²+b²) - ^0,5; c² = a²+b²

Таким образом, мы получаем теорему Пифагора:

F₁¹ = e²a (a²+b²) - ^0,5/ (a²+b²) = e²a (a²+b²) - ^1,5

Подставляя значение F₁¹, получаем:

Ze²/a² = 2e²a (a²+b²) - ^1,5

Умножая обе части этого уравнения на a² и деля их на e², получаем:

= 2a³ (a²+b²) - ^1,5

Теперь делим и умножаем значение в скобках на а:

= 2a³a^-3 (1+b²/a²) - ^1,5 = 2 [1+ (b/a) ²] - ^1,5 (3.3)

То есть, для того, чтобы определить значение b, мы должны определить значение b/a, для которого мы будем использовать следующее уравнение.

В соответствии с рис.3.1, 2F₁¹¹ = F₂ или, согласно тригонометрии F₁¹¹ = F₁cos∠CBE, поскольку в соответствии с законами тригонометрии и теоремой Пифагора, cos∠CBE = b/ (a²+b²) ^1,5

Тогда, используя закон Кулона, получим:

F₁¹¹ = [e²/ (a²+b²)] ·b/ (a²+b²) ^0.5 = e²b/ (a²+b²) ^1,5

С другой стороны, согласно модели и законом Кулона:

F₁¹¹= e²/4b², то есть, 2e²b/ (a²+b²) ^1,5 = e²/4b²

Теперь умножим обе части уравнения на 4 (a²+b²) (a²+b²) ^0,5/be² и мы получаем:

e²4 (a²+b²) (a²+b²) ^0,5/4b²be² = 2e²b4 (a²+b²) (a²+b²) / (a²+b²) ^0,5 (a²+b²) ^0,5be²

Квадрат обеих частей уравнения дает нам:

2 (a²+b²) (a²+b²) /b⁶ = 64 или (a²+b²) ³/b⁶ = 64

По извлечении кубического корня в обеих частях уравнения, имеем:

(a²+b²) /b² = 4 или a²/b²+1 = 4; a²/b² = 3; a/b = 30,5

Подставляя значения b/a = 1/30,5 в уравнение 3.3, получаем:

= 2· (1+1/30,5) - ^1,5 = 2· (1,333) - ^1,5 = 1,299

Подставляя значение Z в уравнении 3.0, определяем значение энергии молекулы водорода (E_H2), которое составляет:

_H2=1,317 10³ 2 (1,299-0,25) ² = 5,526 кДж/моль

В ходе расчетов установлено, что энергия молекулы водорода составляет 5,526 кДж/моль.

Таким образом, мы имеем достаточно высокий энергетический потенциал водородной среды для производства электроэнергии.

Выводы

В процессе работы рассмотрены основные виды классических источников энергии и их влияние на окружающую среду. Приведено определение альтернативных источников энергии, а также их виды, преимущества и задачи. В курсовом проекте особое внимание уделено водородной энергетике. Указано описание водорода, как химического элемента и носителя энергии. Рассмотрены способы получения водорода из различных сред. Проведены энергетические расчеты молекул водорода.

Литература

1. http://nuclphys. sinp. msu.ru/ecology/ecol/ecol05. htm.

2. Шпильрайн Э.Э. Введение в водородную энергетику. Под ред. Легасова В.А. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 264 с., ил.

. Доклад Введение в водородную энергетику и топливные элементы. Филиал "ЦНИИ СЭТ" ФГУП "Крыловский государственный научный центр”.

. http://itchem.ru/energiya_molekuly_vodoroda.