Для энергетики нужна вода

Водородная энергетика: начало большого пути

Ранее мы рассказывали про то, каким экологичным видом транспорта являются электробусы. Однако не упомянули один важный момент: c ростом числа электротранспорта городам потребуется больше электричества, которое зачастую получают экологически небезопасными способами. К счастью, сегодня мир научился получать энергию при помощи ветра, солнца и даже водорода. Новый материал мы решили посвятить последнему из источников и рассказать об особенностях водородной энергетики.

На первый взгляд, водород — идеальное топливо. Во-первых, он является самым распространенным элементом во Вселенной, во-вторых, при его сгорании высвобождается большое количество энергии и образуется вода без выделения каких-либо вредных газов. Преимущества водородной энергетики человечество осознало уже давно, однако применять ее в больших промышленных масштабах пока не спешит.

Водородные топливные элементы

Первый водородный топливный элемент был сконструирован английским ученым Уильямом Гроувом в 30-х годах XIX века. Гроув пытался осадить медь из водного раствора сульфата меди на железную поверхность и заметил, что под действием электрического тока вода распадается на водород и кислород. После этого открытия Гроув и работавший параллельно с ним Кристиан Шенбейн продемонстрировали возможность производства энергии в водородно-кислородном топливном элементе с использованием кислотного электролита.

Позже, в 1959 году, Фрэнсис Т. Бэкон из Кембриджа добавил в водородный топливный элемент ионообменную мембрану для облегчения транспорта гидроксид-ионов. Изобретением Бэкона сразу заинтересовалось правительство США и NASA, обновленный топливный элемент стал использоваться на космических аппаратах «Аполлон» в качестве главного источника энергии во время их полетов.

Водородный топливный элемент из сервисного модуля «Аполлонов», вырабатывающий электричество, тепло и воду для астронавтов. Источник: James Humphreys / Wikimedia Commons

Сейчас топливный элемент на водороде напоминает традиционный гальванический элемент с одной лишь разницей: вещество для реакции не хранится в элементе, а постоянно поставляется извне. Просачиваясь через пористый анод, водород теряет электроны, которые уходят в электрическую цепь, а сквозь мембрану проходят катионы водорода. Далее на катоде кислород ловит протон и внешний электрон, в результате чего образуется вода.

Принцип работы водородного топливного элемента. Источник: Geek.com

С одной топливной ячейки снимается напряжение порядка 0,7 В, поэтому ячейки объединяют в массивные топливные элементы с приемлемым выходным напряжением и током. Теоретическое напряжение с водородного элемента может достигать 1,23 В, но часть энергии уходит в тепло.

С точки зрения «зеленой» энергетики у водородных топливных элементов крайне высокий КПД — 60%. Для сравнения: КПД лучших двигателей внутреннего сгорания составляет 35-40%. Для солнечных электростанций коэффициент составляет всего 15-20%, но сильно зависит от погодных условий. КПД лучших крыльчатых ветряных электростанций доходит до 40%, что сравнимо с парогенераторами, но ветряки также требуют подходящих погодных условий и дорогого обслуживания.

Как мы видим, по этому параметру водородная энергетика является наиболее привлекательным источником энергии, но все же существует ряд проблем, мешающих ее массовому применению. Самая главная из них — процесс добычи водорода.

Проблемы добычи

Водородная энергетика экологична, но не автономна. Для работы топливному элементу нужен водород, который не встречается на Земле в чистом виде. Водород нужно получать, но все существующие сейчас способы либо очень затратны, либо малоэффективны.

Самым эффективным с точки зрения объёма полученного водорода на единицу затраченной энергии считается метод паровой конверсии природного газа. Метан соединяют с водяным паром при давлении 2 МПа (около 19 атмосфер, т. е. давление на глубине около 190 м) и температуре около 800 градусов, в результате чего получается конвертированный газ с содержанием водорода 55-75%. Для паровой конверсии необходимы огромные установки, которые могут быть применимы лишь на производстве.

Трубчатая печь для паровой конверсии метана — не самый эргономичный способ добычи водорода. Источник: ЦТК-Евро

Более удобный и простой метод — электролиз воды. При прохождении электрического тока через обрабатываемую воду происходит серия электрохимических реакций, в результате которых образуется водород. Существенный недостаток этого способа — большие энергозатраты, необходимые для проведения реакции. То есть получается несколько странная ситуация: для получения водородной энергии нужна… энергия. Во избежание возникновения при электролизе ненужных затрат и сохранения ценных ресурсов некоторые компании стремятся разработать системы полного цикла «электричество — водород— электричество», в которых получение энергии становится возможным без внешней подпитки. Примером такой системы является разработка Toshiba H2One.

Мобильная электростанция Toshiba H2One

Мы разработали мобильную мини-электростанцию H2One, преобразующую воду в водород, а водород в энергию. Для поддержания электролиза в ней используются солнечные батареи, а излишки энергии накапливаются в аккумуляторах и обеспечивают работу системы в отсутствие солнечного света. Полученный водород либо напрямую подается на топливные ячейки, либо отправляется на хранение во встроенный бак. За час электролизер H2One генерирует до 2 м 3 водорода, а на выходе обеспечивает мощность до 55 кВт. Для производства 1 м 3 водорода станции требуется до 2,5 м 3 воды.

Пока станция H2One не способна обеспечить электричеством крупное предприятие или целый город, но для функционирования небольших районов или организаций ее энергии будет вполне достаточно. Благодаря своей мобильности она может использоваться также как и временное решение в условиях стихийных бедствий или экстренного отключения электричества. К тому же, в отличие от дизельного генератора, которому для нормального функционирования необходимо топливо, водородной электростанции достаточно лишь воды.

Сейчас Toshiba H2One используется лишь в нескольких городах в Японии — к примеру, она снабжает электричеством и горячей водой железнодорожную станцию в городе Кавасаки.

Монтаж системы H2One в городе Кавасаки

Водородное будущее

Сейчас водородные топливные элементы обеспечивают энергией и портативные пауэр-банки, и городские автобусы с автомобилями, и железнодорожный транспорт (более подробно об использовании водорода в автоиндустрии мы расскажем в нашем следующем посте). Водородные топливные элементы неожиданно оказались отличным решением для квадрокоптеров — при аналогичной с аккумулятором массе запас водорода обеспечивает до пяти раз большее время полета. При этом мороз никак не влияет на эффективность. Экспериментальные дроны на топливных элементах производства российской компании AT Energy применялись для съемок на Олимпиаде в Сочи.

Стало известно, что на грядущих Олимпийских играх в Токио водород будет использоваться в автомобилях, при производстве электричества и тепла, а также станет главным источником энергии для олимпийской деревни. Для этого по заказу Toshiba Energy Systems & Solutions Corp. в японском городе Намиэ строится одна из крупнейших в мире станций по производству водорода. Станция будет потреблять до 10 МВт энергии, полученной из «зеленых» источников, генерируя электролизом до 900 тонн водорода в год.

Водородная энергетика — это наш «запас на будущее», когда от ископаемого топлива придется окончательно отказаться, а возобновляемые источники энергии не смогут покрывать нужды человечества. Согласно прогнозу Markets&Markets объем мирового производства водорода, который сейчас составляет $115 млрд, к 2022 году вырастет до $154 млрд. Но в ближайшем будущем массовое внедрение технологии вряд ли произойдет, необходимо еще решить ряд проблем, связанных с производством и эксплуатацией специальных энергоустановок, снизить их стоимость. Когда технологические барьеры будут преодолены, водородная энергетика выйдет на новый уровень и, возможно, будет так же распространена, как сегодня традиционная или гидроэнергетика.

Источник

Водоподготовка для энергетики

Вода, поставляемая бытовым потребителям, не годится ни для питья, ни для приготовления пищи. В промышленной и энергетической сфере плохое качество воды является фактором, существенно снижающим эксплуатационный ресурс оборудования и эффективность производства. В этой связи особую актуальность приобретает водоподготовка в энергетике, которая становится одной из главных составляющих каждой технологической цепочки.

Очистка воды в отраслях энергетики

Без энергетики невозможно существования современного общества в том виде, в котором мы его себе представляем. Страшно предположить, какой была бы жизнь без электроэнергии, отопления, водоснабжения и транспорта, которые полностью зависят от энергетической сферы. В свою очередь энергетика крайне зависима от воды: она нужна на всех стадиях производства — для образования пара, передачи тепла, промывки оборудования, поддержания концентрации химических веществ, охлаждения и т.д.

В энергетической сфере от качества воды крайне зависит работа:

1. Котельных станций. Продуктом работы водогрейных и паровых котлов является вода или водяной пар, которые даже в чистом виде считаются агрессивным фактором. Поэтому важность водоподготовки для котельных нельзя переоценить;
2. Тепловых электростанций. Охлаждение оборудования, работа теплообменников и подача теплоносителя происходят с использованием воды. Во время ее нагревания крупнодисперсные примеси и соли способствуют образованию накипи, буквально убивающей оборудование. Если говорить о роли воды в энергетической сфере, то почти всю тему можно свести к водоподготовке в теплоэнергетике.
3. Оборудования с нагревающими элементами, или получающего нагретую воду. Промышленные бойлеры всех типов и дистилляторы выходят из строя тем быстрее, чем хуже вода, с которой им приходится работать;
4. Трубопроводов. Непосредственно перемещая большие массы воды, они забиваются отложениями, ржавеют и разлагаются быстрее прочего оборудования в силу интенсивной циркуляции воды. Поэтому потекшая или прорванная труба — вполне себе штатная ситуация на любом объекте энергетики.

Водоподготовка для промышленной теплоэнергетики

Конечно же, вода, отбираемая из моря, рек, ледников и озер не может использоваться в первоначальном виде. Твердые примеси, тяжелые металлы, бактерии и соли являются теми факторами, которые крайне усугубляют и без того агрессивный характер воды. Даже дистиллированная вода оказывает вредное воздействие на любой механизм или оборудование, не говоря уже о низкокачественной воде.

Это означает, что вода должна подаваться на производство уже подготовленной, т.е. такой, в которой вредные факторы сведены к минимуму. Целой научной отраслью и отдельной профессиональной сферой является очистка воды для энергетики, которая с течением времени обретает все большую актуальность: потребляемая вода не становится чище просто по экологическим причинам, в то время как нагревательное и гидротехническое оборудование, усложняясь, становится все более капризным и требовательным к качеству рабочей жидкости.

Для чего нужна водоочистка в энергетике

С накипью сталкивался каждый даже на бытовом уровне. Достаточно заглянуть в чайник, чтобы увидеть, как она себя проявляет. При этом чайник мы используем 1 — 2 раза в день, и сложной конструкцией его назвать нельзя. А что будет, если тонкая техническая система работает беспрерывно, прокачивая тысячи тонн воды?

В энергетических системах накипь забивает рабочий объем, создает теплоизоляционный слой, значительно снижающий запланированные теплопередающие свойства нагревающих элементов, в результате чего снижается энергоэффективность, возрастают расходы энергоносителей, оборудование забивается и выходит из строя. Поэтому предприятия энергетической сферы, потребляющие неподготовленную воду, не могут считаться рентабельными. Вот почему проводимая политика модернизации включает создание эффективных механизмов очистки воды в теплоэнергетике.

Способы решения проблемы водоочистки для энергетики

В максимально пригодной для производственного процесса воде заинтересованы все отрасли промышленности. Но наибольшую важность приобретает водоподготовка в теплоэнергетике, поскольку высокая температура, как известно, является катализатором химических реакций, лежащих в основе проблемы.

Итак, в энергетике водоподготовка включает такие технические мероприятия:

• Механическая очистка воды в энергетике, в результате которой удаляются крупные твердые частицы: песок, грунт и мусор. К сожалению, этот метод не позволяет бороться с растворенными в воде веществами, поэтому он применяется преимущественно в качестве первичной очистки воды;
• Обезжелезивание, как метод очистки воды для теплоэнергетики. Железо растворено в воде, и с помощью химической реакции окисления его удается перевести в нерастворенное состояние, после чего оно оседает на фильтрующих элементах;
• Сорбционная фильтрация. Частицы примесей и растворенных соединений связываются сорбентом, в качестве которого широко используется всем известный активированный уголь. Сорбционная фильтрация для водоподготовки в теплоэнергетике осуществляется угольными фильтрами, используемыми и в быту;
• Умягчение воды. Чем выше уровень минерализации воды, тем она хуже для производства. Так называемые «соли жесткости», присутствующие в воде, являются главной причиной образования накипи и отложений в трубах. Поэтому минеральные соли связываются с катионами водорода, магния, кальция или натрия, после чего выпадают в осадок, который можно легко отсечь;
• Аэрация. Процесс насыщения воды кислородом для удаления растворенных металлов, которые таким образом окисляются. В окисленном состоянии они принимают нерастворимую форму и оседают на фильтре. Аэрация также позволяет избавиться от вредных газов (сероводорода и диоксида углерода) в области очистки воды в энергетике;
• Обратноосмотическая фильтрация. Применение установок обратного осмоса в энергетике сводится к прогону воды вдоль мелкопористых мембран. Эффективность очистки воды осмосом в энергетике зависит от селективности мембран и напора воды;
• Обеззараживание. Ультрафиолетовое излучение, озонирование, хлорирование применяются в энергетике для водоподготовки в соответствие с санитарно-гигиеническими нормативами, а также для очистки от болезнетворных микроорганизмов промышленных стоков;
• Химическая водоподготовка в теплоэнергетике. Растворенные в котловой воде кислород и углекислый газ вступают в реакцию с солями, образуя кислоты, повышающие уровень рН. В результате возрастает коррозионная нагрузка на энергетическое оборудование и трубопроводы. Для решения этой проблемы в воду добавляют химические вещества, вступающие в реакцию с растворенными газами, в результате которой образуются нейтральные соли, а их уже можно легко отфильтровать.

Системы обратного осмоса в энергетике

Наверное, ни один из приведенных методов очистки воды в энергетике нельзя считать самодостаточным. Единственная комплексная водоподготовка для теплоэнергетики, сочетающая в себе сразу несколько способов фильтрации и умягчения — это системы обратного осмоса. Их эффективность, доказанная в быту, заставила разработчиков заняться разработкой на их основе промышленных агрегатов для водоподготовки в энергетике. Современные системы обратного осмоса для очистки воды в теплоэнергетике выполняют одновременно несколько задач:

• Механическую фильтрацию воды;
• Умягчение воды;
• Дезинфекцию;
• Дегазацию.

Конечно же, к одной лишь механической фильтрации дело не сводится, и установки обратного осмоса можно выделить на фоне других фильтров. Тяжелые металлы, микроорганизмы, диоксид углерода, сероводород нельзя удалить механическим образом, по фильтры обратного осмоса имеют для этого все необходимое оснащение.

В результате работы установок обратного осмоса для энергетики получается вода, полностью приведенная в соответствие с техническими и санитарно-гигиеническими нормативами, пригодная к использованию в энергетике и не нуждающаяся в дополнительной подготовке.

Наши предложения по системам водоподготовки для теплоэнергетики

Чтобы определить, какая система водоподготовки для энергетики будет оптимальной в вашем случае, требуется:

1. Выяснить технические и санитарно-гигиенические требования, предъявляемые к качеству воды в конкретном промышленном производстве. В данном случае — для энергетической отрасли;
2. Сделать лабораторный анализ воды, для того, чтобы установить, насколько полной должна быть водоподготовка для теплоэнергетики;
3. Сопоставить полученные сведения с техническими характеристиками и производительностью системы фильтрации, которую планируется запустить на производстве.

На каждом из этих этапов наши специалисты оказывают вам квалифицированную помощь. Неоспоримыми преимуществами сотрудничества с нами также являются монтаж, пуск, наладка и обслуживание водоочистного оборудования для энергетики любой сложности и назначения, которые входят в ассортимент наших услуг.

Источник