Водород как аккумулятор энергии

Водородный аккумулятор

Водород — отличный аккумулятор энергии с широким диапазоном областей применения, причем плотность энергии в единице массы у водорода в 3 раза больше, чем у бензина. Водород весьма пригоден как аккумулятор электроэнергии, вырабатываемой ночью на электростанциях. Его можно транспортировать на большие расстояния как в газообразном, так и в жидком состоянии. При транспортировке водорода в жидком состоянии его низкую температуру используют для снижения сопротивления электрических проводников, размещенных в том же трубопроводе. В космонавтике водород применяют в качестве ракетного топлива. Применение водорода как топлива в автомобилях требует минимальных изменений конструкции двигателя.

Жидкий водород существует при температуре — 253 °C, поэтому емкость для его хранения должна иметь очень хорошую теплоизоляцию. В качестве такой изоляции обычно используют вакуумированную полость (сосуд Дьюара). Низкая температура поддерживается также вследствие постоянного испарения водорода.

В Лос-Аламосской исследовательской лаборатории (США) был создан бак для хранения жидкого водорода «MVE-50» емкостью 190 дм 3 водорода. Масса заправленного водорода составляет 13,6 кг, что энергетически эквивалентно 75 л бензина. Масса бака в заправленном состоянии равна 59 кг. Испарение водорода, достигающее 0,8—3,3 % в сутки, снижает имеющееся небольшое избыточное давление в емкости. Нормальное избыточное давление в водородной емкости при движении автомобиля составляет 41—48 кПа, а максимально допустимое давление в ней — 200 кПа.

Бак для жидкого водорода имеет сферическую форму и поэтому неудобен для размещения в автомобиле. Кроме того, обращение с жидким водородом связано с риском его взрыва, поэтому такой способ хранения водорода в, автомобиле непригоден.

Хранение водорода в гидридах уже было рассмотрено ранее. Большой объем исследовательских работ по использованию водорода в автомобилях проводит Управление исследований в области энергетики США. Такие работы ведутся в лабораториях многих научно-исследовательских организаций и высших школ. Подробный обзор исследований применения водорода в 49 двигателях и 15 автомобилях был опубликован в [2].

В отчете рассмотрен весь период развития водородных двигателей, начиная от первого стационарного одноцилиндрового двигателя воздушного охлаждения, созданного в 1964 г. фирмой «Биллингс» (США). В этом двигателе водород подводился по специальному каналу во впускной трубопровод. Мощность регулировалась только количеством вводимого водорода, поступающий воздух не дросселировался, т. е. осуществлялось качественное регулирование. Использованный фирмой «Биллингс» четырехтактный одноцилиндровый двигатель фирмы «Бриггс энд Страттон» рабочим объемом 98 см 3 имел степень сжатия ε = 6 и служил примером простоты конвертирования бензинового двигателя для работы на водороде. За этим двигателем последовали 18 различных водородных двигателей, выполненных на базе серийных. Последним из них был шестицилиндровый двигатель на базе дизеля «Камминс» рабочим объемом 5766 см 3 .

Большинство созданных водородных двигателей после испытаний были вновь конвертированы в исходное состояние. Испытания проводились, в основном, на сжатом водороде, при этом небольшой запас хода не принимался во внимание. Довольно часто использовался и серийный карбюратор, служивший для подачи воды в целях уменьшения жесткой работы двигателя и вспышек в трубопроводах.

Студенты университета Бирмингема (США) в 1966—196 гг. проводили испытания различных водородных двигателей в лаборатории фирмы «Биллингс». Исследования финансировала фирма «Форд», которая интересовалась вопросами уменьшения воспламенения («хлопков») в трубопроводах двигателя и снижения жесткости его работы при использовании рабочей смеси, близкой к стехиометрическому составу α = 1 . С этой целью применяли подачу воды и рециркуляцию отработавших газов, что ограничивало также и содержание NO_x в отработавших газах.

Были также проведены испытания на водороде роторно-поршневого двигателя на автомобиле «Мазда» фирмы «Тойо Когё» и четырехцилиндрового двигателя воздушного охлаждения — на автомобиле «Фольксваген». В двигателе Ванкеля возникли неисправности в системе смазки, поэтому испытания были непродолжительными. На обоих автомобилях применялась подача воды, что способствовало значительному снижению вредных веществ в отработавших газах, особенно в двигателе «Фольксваген». Для получения подаваемой в двигатель воды использовалась конденсация отработавших газов.

Все испытания показали, что мощность двигателя при работе на водороде ниже, чем при использовании в качестве топлива бензина. При стехиометрическом составе смеси водорода с воздухом водород занимает 29,5 % объема смеси. Кроме того, целесообразно также применять очень бедные смеси водорода с воздухом, что ведет к снижению расхода топлива. Смесь получается более бедной также при использовании рециркуляции отработавших газов и подаче воды. Все это вместе взятое способствует снижению удельной мощности на 20—25 % по сравнению с работой на бензине. Это явление устраняется подачей водорода после закрытия впускного клапана. Устройство для такого способа питания водородом было показано на рис. статье «». Водород начинает подаваться в цилиндр под давлением 15 МПа в положении поршня, соответствующем примерно 6° до ВМТ.

Горение водорода при высокой степени сжатия еще не было подробно исследовано. Следует, однако, отметить, что самовоспламенения водорода не происходит даже при степени сжатия ε = 29 . В то же время достигнутый коэффициент полезного действия ниже, чем предполагалось. Расстояние между электродами на свече зажигания при этом необходимо было уменьшить до 0,075 мм. Требуются тщательные исследования превращения NO в NO₂ и поглощение NO₂ конденсирующимися парами воды. Влияние обеднения смеси на величину коэффициента полезного действия уже было рассмотрено в статье «Влияние состава смеси на индикаторный КПД двигателя».

Целесообразность использования бедных водородо-воздушных смесей подтверждается снижением расхода топлива при испытании автомобиля «Форд» модели «Монте-Карло» с двигателем, работающем на водороде, хранимом в криогенном баке в жидком состоянии. КПД двигателя возрос на 86 % по сравнению с КПД бензинового двигателя, соответственно, снизился и расход топлива.

Стоимость единицы энергии, полученной в виде водорода электролизом воды, почти в 2 раза дороже единицы энергии, содержащейся в бензине. Так, в США в 1981 г. стоимость энергии водорода составляла 5,12—8,5 долл/100 кВт∙ч, а бензина — 2,04—2,73 долл/100 кВт∙ч. Таким образом, имеется потребность в разработке новых дешевых способов получения водорода и в совершенствовании существующих.

В настоящее время испытывается новый метод электролиза — фотоэлектролиз. В отличие от обычного электролиза в нем в качестве анода используется чувствительный к свету полупроводник, полученный из окисла железа. От коррозии в растворе электролита (в данном случае — поташа K₂CO₃) анод защищен тонкой пленкой диоксида титана. Если на такой элемент падает солнечный свет, то возникает электрический ток и происходит процесс электролиза с выделением водорода и кислорода. Следовательно, отпадает необходимость подвода электрического тока извне. Разработки фотоэлектролиза не находятся еще в стадии промышленного освоения и в настоящее время изучаются возможности повышения эффективности использования солнечного излучения для производства водорода [3].

Ведутся также исследования по снижению расхода электрической энергии при электролизе путем применения новых комбинаций материалов электрода и электролита. В результате уменьшения потребления электроэнергии должна снизиться стоимость водорода и при этом не должно происходить загрязнения окружающей среды.

Совершенствуются также и способы термохимического разложения воды, для чего делаются попытки использовать ядерную энергию. Разложение (диссоциация) воды на водород и кислород происходит при ее нагревании свыше 2000 °C. Трудности состоят в том, чтобы найти методы создания требуемых температур и материалы, способные выдержать такие температуры в течение всего процесса разложения.

Введение в воду некоторых добавок может снизить температуру ее разложения до 760 °С. В настоящее время в эксплуатации находятся два ядерных реактора с системой газового охлаждения, на которых можно получить такую температуру. Кроме того, требуемую для диссоциации воды температуру можно, получить также и с помощью солнечных коллекторов, но их коэффициент полезного действия пока еще низок.

Ранее уже говорилось о биологических путях производства углеводородных компонентов в результате синтеза воды и углекислого газа. Хлорофил в растениях под воздействием солнечного света производит углеводороды, «отходом» при этом является кислород, необходимый для дыхания живых существ. В лабораторных условиях удалось с помощью этого способа получить водород с коэффициентом полезного действия, равным 37 %. Фотобиологическое производство водорода возможно найдет применение, когда ископаемые виды топлив будут очень дороги или они полностью исчезнут.

По мнению большинства ученых, водород является наиболее вероятным топливом будущего. Вопрос заключается в том, когда и каким способом оно будет производиться в необходимых промышленных масштабах. Осуществить производство значительного количества водорода можно уже в течение ближайших десяти лет, путем использования для этой цели угля, имеющегося в достаточном количестве. Однако постепенно должен произойти переход на использование экологически чистых источников энергии.

Источник

Водородные аккумуляторы

Пост опубликован: 1 августа, 2020

Практическое применение металлогидридных накопителей водорода

Перестраивать систему энергоснабжения частного дома на альтернативные рельсы, процесс долгий и требующий серьёзных первоначальных вложений. Но вот использовать энергоёмкость водорода в мелких масштабах, может позволить себе почти каждый. Тем более что для этого есть уже протестированные решения.

Обоснование мобильной энергонезависимости

Если у человека всё в порядке с головой, и ему дорого физическое и психологическое здоровье, то он просто обязан с некоторой регулярностью, «вываливаться» из лона цивилизации. Причём продолжительность такого отрыва должна быть не двух-трёх часовая, а как минимум в течении 2-3 суток, без этого не наступит стойкого эффекта оздоровления.

Таких людей можно назвать туристами. А они бывают двух типов:

1. Цивилизованные туристы. Представители этой когорты покупают путёвку в какой-нибудь отель с сервисом «он инклюзив», садятся на самолёт и летят «открывать неизведанные страны».

Это настолько ущербный вариант туризма, и его можно сравнить разве что с тем, как российское правительство заботиться о своих гражданах через повышение пенсионного возраста. К рассмотрению этот вариант даже не принимается.

2. Традиционные туристы. Это небольшой остаток людей, которые обитают в замшелых ментальных категориях прошлого тысячелетия. Внутри этой группы есть небольшое деление. Самые ленивые из них, едут на дачу где и проводят свои выходные. А более дерзкие, нагружают рюкзаки провиантом, прихватывают удочки, средства обустройства бивуака, и в такой комплектации едут на природу, стирать белые пятна с глобуса. Или хотя бы с карты близлежащей местности.

Вот именно для настоящих туристов предназначены эти новаторские разработки. К этой же категории смело можно отнести всяких лесников, охотников, рыбаков, грибников и даже ботаников изучающих остатки, некогда бескрайних лесов России. Уходят такие люди на природу, и «отрываются» от сетевой электроэнергии на 1-2 недели. А ведь полностью вычеркнуть из своего быта даже осветительные приборы, не то что сложно, а скорее нерационально! Да и какие-то мобильные гаджеты требуется подзаряжать с завидной регулярностью, например:

• Навигатор;
• Рации типа «Уоки-Токи»;
• Фонари;
• Электронные книги;
• MP3-плееры и пр.

Вот для всей этой техники и нужны накопители водорода, как аккумуляторы энергии.

Выбор между генерацией и аккумуляцией

Это уже концептуальный вопрос – что лучше: генерировать или использовать накопитель?

С одной стороны, для генерации электричества из альтернативного источника, потребуются соответствующие условия: яркий солнечный день или свежий ветер. Опять же, Солнце светит днём, а электроэнергия по большей части нужна ночью, т.е. кроме генерации, её всё равно надо будет запасти в какой-то Power Bank. Плюс солнечные панели (или ветрогенератор) довольно объёмные устройства, требующие особенной аккуратности в обращении.

Обычный Power Bank совсем не так прост, ведь его энергоёмкость тоже ограничена. Например, выезжая на рыбалку, можно прихватить с собой Повер Банк ёмкостью 20 мАч, с выходом USB и фонариком. Но в реальности, фактическая ёмкость будет гораздо ниже заявленной. Так, очень достойный Power Bank HARPER PB-20000 Grey, вместо 20 тысяч мАч, отдаёт всего 14000 мАч. Производитель декларирует, что максимальная энергоёмкость 27 Вт. Масса устройства 450 гр.

Генераторы на топливных ячейках тоже состоят из двух элементов, это само устройство, и накопители водорода. Но у водорода гораздо большая энергоёмкость, поэтому в реальной практике с такими устройствами будет комфортабельнее находится на природе.

Мобильный водородный топливный генератор

Китайская фирма Horizon уже несколько лет небольшими партиями выпускает на рынок своеобразный PowerBank на водородных топливных элементах, попутно обеспечивая все оборудование по полному циклу оказания услуг, т.е., среди продукции компании, есть:

• Генератор водорода – HYDROFILL;
• Накопитель водорода – HYDROSTIK;
• Мобильное зарядное устройство – MINIPAK.

Есть даже набор по типу «Сделай сам». Хотя он предназначен для студенческих опытов и экспериментов, из него получается очень удобный водородный Power Bank.

В чём преимущество водородного Power Bank на топливных элементах

Баллон для хранения водорода HYDROSTIK, при размерах ≈ 2 х 9 см и массе 90 гр, запасает 10 литров водорода. Этого объёма газа хватает чтобы топливные элементы MINIPAK выработали 14 Вт энергии. При условном сравнении, это аналогично 12 пальчиковым батарейка АА. А два таких баллончика уже равны по энергоёмкости Power Bank HARPER PB-20000 Grey. Кстати очень неплохой накопитель, и от него можно даже подзаряжать ноутбук. Но весит он 450 гр, а водородный зарядник MINIPAK всего 120 гр, плюс 2 баллончика HYDROSTIK по 90 гр, в сумме получается 300 гр.

Сами накопители водорода стоят 39 долларов, и их можно прихватить целую дюжину, суммарная масса мобильного энергокомплекта всего 90 х 12 + 120 = 1,2 кг, а энергии в них будет 14 х 12 = 168 Вт.

6 обычных повербанков на литиевых аккумуляторах займут гораздо больший объём, и весить будут 450 х 6 = 2,7 кг, но сохранят только 164 Вт энергии (заявлено производителем).

А в походе чувствуется каждый килограмм!

Цена вопроса

Эта китайская фирма работает только с оптовыми заказчиками под расхваленное устройство. В зависимости от партии, будет и цена. Но зато у них всегда есть комплекты для самостоятельной сборки «Собери своими руками», с подробнейшей инструкцией. Они позиционируют эти товары как учебные, для студентов и школьников, для домашнего обучения. Может это даёт преимущество в налогообложении?

Однако собрать подобный комплект можно из крупных узлов:

Обратите внимание, что:

• в наборе указано 10 накопителей, суммарным объёмом 100 литров водорода;
• максимальная мощность топливного элемента 12 Вт, напряжение 6 вольт;
• расход газа при максимальной мощности 180 мл/мин, при уменьшении мощности, расход водорода снижается;
• корпус топливного элемента можно подобрать в каталоге или заказать индивидуально;
• генератор водорода потребляет 25 Вт в час, и подключается к любому источнику энергии через адаптер (хоть к розетке в квартире, хоть к ветрогенератору или солнечным панелям), производительность устройства 3 л/ч.

В общем удовольствие не из дешёвых, но ведь есть чудаки, которые катаясь на скромных автомобилях, устанавливают туда фантастически дорогую акустику! Так может и среди туристов подобные уникумы встречаются.

Спасибо, что дочитали до конца! Не забывайте подписываться на наш канал, Если статья Вам понравилась!

Делитесь с друзьями, оставляйте ваши КОМЕНТАРИИ (Ваши Комментарии очень помогают развитию проекта)

Добавляйтесь в нашу группу в ВК:

и предлагайте темы для обсуждений, вместе будет интереснее.

Источник