Ковальчук А. Н.

1. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» Физико – технический институт Кафедра водородной энергетики и плазменных технологий Введение в водородную энергетику Ковальчук А. Н.

2. Жюль Верн в 1857 году в романе «Таинственный остров»: - «Какое топливо заменит уголь? - Вода, – ответил инженер. - Вода? – переспросил Пенкроф... - Да, но вода, разложенная на составные части, – пояснил Сайрес Смит. - Без сомнения, это будет делаться при помощи электричества... Наступит день, и вода заменит топливо. Водород и кислород, из которых она состоит, окажутся таким мощным неисчерпаемым источником тепла и света, что углю до них далеко!».

3. Первичные источники для получения энергии

4. Воздействие традиционной энергетики на окружающую среду Энергетика парниковый эффект кислотные дожди загрязнение поверхности Земли озоновые дыры загрязнение гидросферы загрязнениеатмосферы радиоактивное заражение шумовое загрязнение Традиционная энергетика воздействие на окружающую среду определяет уровень развития цивилизации пагубно влияет на все сферы жизнедеятельности человека (биосфера, атмосфера, гидросфера и др.)

5. Дилемма: Без энергии нельзя сохранить нашу цивилизацию. Однако существующие методы производства и темпы роста приводят к разрушению окружающей среды. Выход: Поиск альтернативных источников энергии и системы энергообеспечения. энергия ветра энергия Солнца Альтернативные источники энергии энергия приливов и отливов внутреннее тепло планеты энергия морских волн

6. Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) Энергия из источников, которые по человеческим масштабам являются неисчерпаемыми. Основной принцип использования возобновляемой энергии заключается в её извлечении из постоянно происходящих в окружающей среде процессов и предоставлении для технического применения. Возобновляемую энергию получают из природных ресурсов — таких как солнечный свет, ветер, дождь, приливы и геотермальная теплота — которые являются возобновляемыми (пополняются естественным путем). ВИЭ можно классифицировать по видам энергии: механическая энергия (энергия ветра и потоков воды); тепловая и лучистая энергия ( энергия солнечного излучения и тепла Земли); химическая энергия (энергия, заключенная в биомассе).

7. Энергия Солнца Солнечная энергетика — направление нетрадиционной энергетики, основанное на непосредственном использовании солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Солнечная энергетика использует неисчерпаемый источник энергии и является экологически чистой, то есть не производящей вредных отходов. Производство энергии с помощью солнечных электростанций хорошо согласовывается с концепцией распределённого производства энергии. Карта солнечного излучения

8. Энергия ветра Ветроэнергетика — отрасль энергетики, специализирующаяся на преобразовании кинетической энергии воздушных масс в атмосфере в электрическую, механическую, тепловую или в любую другую форму энергии, удобную для использования в народном хозяйстве. Такое преобразование может осуществляться такими агрегатами, как ветрогенератор (для получения электрической энергии), ветряная мельница (для преобразования в механическую энергию), парус (для использования в транспорте) и другими. Энергия ветра практически неисчерпаема, повсеместно доступна и экологична.

9. Гидроэнергия Гидроэнергетика — область хозяйственно-экономической деятельности человека, совокупность больших естественных и искусственных подсистем, служащих для преобразования энергию водного потока в электрическую энергию. В современные гидроэлектростанции (ГЭС) включают плотины и огромные водохранилища, обеспечивающие напор от падения воды с большой высоты; Важнейшим преимуществом гидроэлектроэнергии является использование неисчерпаемого ресурса – воды – экологически чистого источника.

10. Энергия приливов и отливов Для получения энергии залив или устье реки перекрывают плотиной, в которой установлены гидроагрегаты, которые могут работать как в режиме генератора, так и в режиме насоса (для перекачки воды в водохранилище для последующей работы в отсутствие приливов и отливов). Преимуществами является экологичность и низкая себестоимость производства энергии. Недостатками — высокая стоимость строительства и изменяющаяся в течение суток мощность, из-за чего ПЭС может работать только в единой энергосистеме с другими типами электростанций. Крупнейшая в Европе приливная электростанция Ля Ранс, Франция

11. Энергия волн Волновая электростанция способна работать беспрерывно почти при любой погоде (на дно моря или озера устанавливается вертикальная труба, в подводной части которой сделано “окно”; попадая в него, глубинная волна сжимает воздух в шахте, а тот в свою очередь крутит турбину генератора; При обратном движении воздух в турбине разрежается, приводя в движение вторую турбину, ток по подводному кабелю передается на берег); В настоящее время инженерно разработаны и экспериментально опробованы высокоэкономичные волновые энергоустановки, способные эффективно работать не только при слабом волнении, но и даже при полном штиле;

12. Геотермальная энергия Геотермальная энергетика основана на производстве электрической энергии за счёт энергии, содержащейся в недрах земли, на геотермальных станциях. Подземное тепло планеты - довольно хорошо известный и уже применяемый источник «чистой» энергии, потенциальная мощность геотермальной энергетики огромна. Главным достоинством геотермальной энергии является ее практическая неиссякаемость и полная независимость от условий окружающей среды, времени суток и года.

13. Гидротермальная энергия Активно в качестве источника энергии используется тепло воды; Для практического использования этого тепла необходима установка, действующая по принципу “холодильник наоборот” (известно, что холодильник “выкачивает” из своей замкнутой камеры тепло и выбрасывает его в окружающую среду. Если пропускать воду через холодильный аппарат, то у нее тоже можно отбирать тепло. Горячий пар, который образуется в результате теплообмена, конденсируется, его температура поднимается до 110С, а затем его можно пускать либо на турбины электростанций, либо на нагревание воды в батареях центрального отопления до 60-65 °С; по тому же принципу можно получать энергию для кондиционирования воздуха при жаркой погоде);

14. Водород Водород является самым разрабатываемым «топливом будущего»; сырьем для получения водорода может быть вода, солнечная энергия, кроме того, для получения искусственных углеводородов могут быть использованы уголь, углекислый газ или природные карбонаты, т.е. запасы сырья практически не ограничены; при сжигании водорода или искусственных топлив, полученных на его основе, образуется значительно меньше вредных веществ и требуются значительно меньшие затраты на мероприятия по охране окружающей среды, чем при сжигании жидких и газообразных топлив, в особенности сернистых; полученные топлива сравнительно легко транспортировать, хранить и аккумулировать; водород и искусственные топлива на его основе (например, метанол) могут использоваться в существующих автомобильных и авиационных двигателях при относительно небольших переделках; водород широко используется в современной химии, нефтехимии, в чуть меньших масштабах в металлургии, при металлообработке, в пищевой промышленности и других отраслях промышленности, и потребность в нем постоянно возрастает. • WARNING! • - водород не является первичным источником энергии, водород – это не топливо, он только носитель энергии; • - чтобы выделить водород, необходимо затратить энергию, кроме того, водород взрывоопасен, он образует с воздухом взрывоопасные смеси.

15. Водородная энергетика Энергия движущая сила человечества Традиционная энергетика оказывает пагубное влияние на окружающий мир выход использование альтернативных источников энергии Водород использование водорода в качестве основного энергоносителя в большинстве энергоемких отраслей промышленности, транспорта, жилищно-коммунального хозяйства ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА как альтернативная система энергообеспечения

16. Водородная энергетика понятие «водородная энергетика» появилось более 30 лет назад в период так называемого энергетического кризиса в 80-х годах XX столетия концепция водородной энергетики была полностью разработана и детализирована, был осуществлен ее наукометрический анализ и разработана ее структура в середине 70-х годов XX столетия зародилась крупномасштабная концепция экологически чистой водородной энергетики

17. Зарождение водородной энергетики Советские ученые с середины 60-х годов принимали активное участие в исследованиях в области водородной энергетики; они вошли в состав Международной ассоциации по водородной энергетике; в России исследования вобласти водородной энергетики велись на базе Института ядерной энергии им. И. В. Курчатова, Сибирского отделения АН; в 1973 году в Донецком политехническом институте была создана проблемная лаборатория водородных технологий; с 1979 года на базе этой лаботатории проводились всесоюзные школы по водородной энергетике. Менее чем за 10 лет, "красивейшая" идея водородной энергетики захватила умы "интеллектуального цвета" человечества и стало интенсивно формироваться всемирное водородное движение.

18. Водородная энергетика в настоящее время во многих странах мира выполняются научно-исследовательские работы по водородной энергетике; в ряде этих стран (Япония, Германия, США) в свое время были приняты национальные программы и стали выполняться крупные проекты по развитию водородной энергетике; стало понятно, что даже частичное вхождение водородной энергетики в жизнь повлечет за собой серьезные структурные изменения в экономике в целом; в связи с этим все более широко стало использоваться понятие "водородная экономика”, а водородное научное сообщество стало постоянно расширяться.

19. Предпосылки перехода к водородной энергетике Что в России? что касается России, то в 50—80-е годы XX века наша страна располагала мощным научно - техническим потенциалом; но в 90-е годы прошлого столетия в результате рыночных реформ была отброшена назад и оказалась в состоянии технологической деградации; поэтому России сейчас предстоит сделать выбор на долгосрочную перспективу. Это будет выбор между двумя стратегиями: либо мы будем развиваться по пути инерционно - рыночному, т.е. будем плыть по течению, уповая на рыночную стихию при слабой регулирующей роли государства, что закрепит технологическое отставание страны. выберем другой путь развития и это будет стратегия инновационного прорыва, ориентированная на освоение и распространение нового инновационного уклада. Это даст возможность повысить конкурентоспособность продукции и обеспечить высокие темпы экономического роста, укрепить позиции России в мировом экономическом пространстве.

20. Основные направления развития водородной энергетики Водород – универсальный энергоноситель. Производство водорода. Хранение и транспорт водорода. Топливный элемент: устройство и принцип его работы; виды топливных элементов; Водородная безопасность.

21. Топливные элементы Электрохимическое устройство, подобное гальваническому элементу, но отличающееся от него тем, что вещества для электрохимической реакции подаются в него извне — в отличие от ограниченного количества энергии, запасенного в гальваническом элементе или аккумуляторе. • Достоинства: • - высокий КПД; • низкая токсичность выбросов; • бесшумность; • модульная конструкция. • Недостатки: • стоимость; • еще раз стоимость.

22. Типы топливных элементов Щелочной ТЭ (AFC) Траб=800С Твердополимерный ТЭ (PEFC)Траб=800С Фосфорнокислотный ТЭ (PAFC) Траб=2000С Расплавно-карбонатный ТЭ (MCFC) Траб=6500С ТвердооксидныйТЭ (SOFC)Траб=10000С

23. ТОТЭ Разновидность топливных элементов (ТЭ), электролитом в которых является керамический материал (например, на базе диоксида циркония), проницаемый для ионов кислорода. • Чем привлекателен ТОТЭ? • Высокий КПД преобразования в электрическую энергию • Нетребовательность к топливу (водород, природный газ) • Побочным продуктом является высокопотенциальное тепло • В производстве не требуются драгоценные металлы • Низкая эмиссия СО • Потенциально высокое время жизни (40 – 80 тыс. часов) Схема принципа работы ТОТЭ • Материалы ТОТЭ: • катод - LSM; • электролит - YSZ; • анод - Ni + YSZ.

24. ТОТЭ с несущим анодом T=13500C Анод 600мкм T=6000C T=11000C Катод~100мкм Анод Электролит ~10мкм Пленка YSZ Площадь катода ~ 0,5 см2 Используемые катодные материалы LSM, YSZ/LSM, LSCF, LSNF Токосъемы - прижимные из платиновой сетки Скорость нагрева 300 0С/час Газы – Водород/Воздух Уплотнение – стеклянное кольцо

25. Стоимость компонентов ТОТЭ ТОТЭ на несущем аноде: 50 мкм LSM/YSZ $ 6/кВт $ 1/кВт 10 мкм YSZ $ 150/кВт 2 мм Ni/YSZ $ 157/кВт ТОТЭ на несущей металлической основе: $ 6/кВт 50 мкм LSM/YSZ $ 1/кВт 10 мкм YSZ $ 1/кВт 10 мкм Ni/YSZ $ 26/кВт 2 мм Металл $ 34/кВт

26. Изготовление подложек из Ni-Al 1 слой с нанопорошком (Ni-Al) 2 слой (Ni-Al) 3 слой крупнопористый (AlCо сплав) Рис. 3 - Изображение поперечного сечения подложки из Ni-Al . Ni-Al(2 мм)1: двустороннее прессование с усилием от 70 до 110 МПа, из смеси порошков никеля UT-4 и алюминия ASD-6, в атмосфере Ar при 105Па. 1 Отдел структурной макрокинетики ТНЦ, Томск, Россия

27. Экспериментальная установка для исследования ТОТЭ Схема экспериментальной ячейки: 1 – электролит (YSZ) + анод (Ni/YSZ);2 – Ni-Alоснова; 3 –катод (LSM); 4 –уплотнитель (высокотемпературный герметик); 5 –платиновые сетки (токосъемы); 6 – платиновые провода; 7 – рабочий объем печи. Скорость нагрева – 300 °С/ч; Расход топлива – 60 мл/мин; Расход окислителя – 150 мл/мин. ProboStatTMфирмы NorECs

28. Стек ТОТЭ Пластина из стали 15Х28 покрытая LaCrO3 Стеклоприпой Несущий анод – пленка электролита ~10 мкм – катод ~100мкм

29. Спасибо за внимание