Вода энергия для аккумуляторов

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

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