Досліджено деякі проблеми нової підгалузі енергетики, що охоплюються поняттям "вітроводнева енергетика". Розкрито фізико-хімічні властивості водню як найбільш універсального енергоносія. Викладено традиційні та перспективні методи видобутку водню, розглянуто цикли й схеми відповідних установок. Особливу увагу приділено електрохімічним генераторам на базі водневих паливних елементів (ПЕ) з різними рідкими і твердими електролітами, а також термодинамічним і тепловим процесам у них. Наведено приклади використання водню як енергоносія і сировини в різних галузях народного господарства. Проведено техніко-економічний аналіз різних енергетичних установок з використанням водню, де перспективними є системи з вітроустановками і електролізерами для розподілу води на водень і кисень з подальшою акумуляцією газів і теплоти. Для студентів енергетичних спеціальностей вузів і фахівців, що займаються розробленням енергоустановок з використання поновлюваних джерел енергії, а також для аспірантів, магістрів та інженерів, що працюють у галузі енергетики і електротехнології. ЗМІСТ Передмова...........................................................................................................3 Розділ 1. Вступ до вітроводневої енергетики..................................................11 1.1. Загальні відомості про водень..................................................................11 1.2. Природні ресурси водню та його фізико-хімічні властивості..................13 1.3. Фізико-хімічні властивості водню............................................................16 1.4. Водневий показник кислотності водню (рН)........................................... 17 1.5. Сполуки водню з киснем. Гримучий газ...................................................19 Розділ 2. Методи одержання водню..................................................................21 2.1. Огляд методів одержання водню...............................................................21 2.2. Видобуток Н2 шляхом газифікації вугілля................................................22 2.3. Видобуток електролітичного водню з води та пари.................................27 2.4. Видобуток водню з кислот, лугів і вуглеводів..........................................27 2.5. Видобуток водню з лужних розчинів алюмінію.........................................27 2.6. Видобуток водню з вуглеводнів при термічному розкладанні ................28 2.7. Термохімічні цикли (ТХЦ) для одержання водню...................................28 2.8. Залізопарофазний метод видобутку водню...............................................29 2.9. Одержання водню з гідразину, аміаку, метилового спирту й інших водневмісних речовин.....................................................................................29 2.10. Водень в енергопромисловому комплексі для виробництва аміаку......31 2.11. Видобуток водню з гідридів металів..........................................................32 2.12. Видобуток водню та сірки з сірководню.................................................33 2.13. Метаногідрати з морської води................................................................36 2.14. Видобуток водню методом спалювання алюмінію при надкритичних і докритичних параметрах водного середовища .................................................36 2.15. Видобуток водню за допомогою енергоакумулюючих речовин ...........37 2.16. Фотоліз води із видобутком водню та кисню за рахунок сонячної енергії.............................................................................................................42 2.17. Видобуток водню за допомогою біокаталітичних систем…………….46 2.18. Методи виробництва водню з природних газоподібних палив............49 2.19. Видобуток водню з морської води......................................................... 52 Розділ 3. Методи промислового виробництва водню і устаткування………55 3.1. Методи плазмохімії для отримання Н2.......................................................55 3.1.1. Плазмотрони та їхні характеристики....................................................55 3.1.2. Особливості виробництва Н2 методами плазмохімії…………………..58 3.1.3. Гетерогенні плазмохімічні реакції............................................................63 3.1.4. Одержання водню із сірководню...............................................................64 3.1.5. Електроліз морської води..........................................................................64 3.2. Визначення основних параметрів електролізера та вибір конструктивної схеми......................................................................................................................66 3.3. Опис можливих перспектив виробництва водню з використанням нетрадиційних енергоустановок і резервів зниження вартості виробленого водню.....................................................................................................................72 3.3.1. Вибір електроустаткування та виконання монтажних робіт.................73 3.3.2. Конструктивні особливості перспективних електролізерів [35]...........76 3.3.3. Генератор-електролізер для видобутку водню, кисню та їх суміші.......82 3.3.4. Електролізер для одержання суміші кисню та водню………………….85 3.3.5. Електролізер для одержання суміші водню та кисню………………….88 3.3.6. Портативний електролізер фільтр-пресного типу для одержання кисню та водню..................................................................................................................90 3.3.7. Аналіз процесів у різних конструкціях електролізерів..........................93 3.3.8. Основи фізико-хімічних процесів у вічку електролізера при виробленні Н2 з води...............................................................................................................101 Розділ 4. Інші методи виробництва водню і устаткування.............................108 4.1. Одержання водню за допомогою турбодетандерів...................................108 4.1.1. Призначення й пристрій турбодетандера...............................................108 4.1.2. Термодинамічні процеси в турбодетандерах..........................................109 4.1.3. Можливості одержання різними методами водню та перспективи його повсюдного використання як палива ...............................................................114 4.2. Альтернативні енергоносії у вигляді гранул метану (клатратів) і сірководню - сировина для одержання водню..................................................118 4.3. Виробництво водню з енергоємних речовин на океанічних електростанціях...................................................................................................124 4.4. Взаємодія активованого алюмінію та інших елементів з водою для виробництва Н2...................................................................................................128 4.4.1. Термодинаміка утворення водню в реакціях взаємодії алюмінію, кремнію та заліза з водою..................................................................................128 4.5. Метод одержання Н2 шляхом гідролізу із застосуванням легких металів..................................................................................................................128 4.6. Виробництво водню в системах зберігання та подачі шляхом розкладання гідридів металів.............................................................................131 4.6.1. Одержання водню з гідридів металів шляхом підведення теплової енергії ззовні........................................................................................................132 4.6.2. Виділення водню шляхом використання термітних складових..........134 4.6.3. Виробництво водню на основі реакцій заміщення …………………...136 4.6.4. Оцінювання можливостей і перспектив методів одержання водню шляхом термічного розкладання гідридів .......................................................136 4.6.5. Виробництво водню шляхом використання процесу самопоширюваного високотемпературного синтезу інтерметалідів............139 4.6.6. Термодинамічний аналіз можливості використання реакції самопоширюваного високотемпературного синтезу інтерметалідів для виділення водню з гідридів................................................................................140 Розділ 5. Хімічні процеси та джерела електричного струму, принцип дії....147 5.1. Вступ та основні термінологічні відомості.............................................147 5.2. Потенціальні діаграми електрона і ВАХ елемента ХДС………………..149 5.3. Термодинамічні основи хімічних джерел струму.....................................155 5.3.1. Вільні енергії Гіббса і Гельмгольца.....................................................155 5.3.2. Розрахунок електрорушійної сили і енергії, що виробляється ХДС...157 5.3.3. Рівняння Гіббса - Гельмгольца і його аналіз. ККД елемента ХДС.....158 5.4. Спільні характеристики хімічних джерел струму..................................160 5.5. Приклади найбільш поширених ХДС......................................................162 5.5.1. Гальванічні елементи............................................................................162 5.5.2. Хімічні акумулятори.............................................................................163 5.5.3. Конструктивні особливості електрохімічних генераторів і способів їх роботи...........................................................................................................166 5.6. Електрохімічний генератор.....................................................................166 5.6.1. Спосіб експлуатації електрохімічного генератора ............................168 5.6.2. ХДС з підживлювальною ємністю......................................................170 5.6.3. Газорідинне хімічне джерело струму.....................................................172 5.6.4. Спосіб експлуатації електрохімічного генератора з камерою опалювання…………………………………………………………………….176 5.6.5. Електроліти і електролітична дисоціація............................................178 5.6.6. Паливні елементи.................................................................................179 5.7. Електроди ХДС........................................................................................181 5.7.1. Алюміній...............................................................................................181 5.7.2. Цинк і кадмій........................................................................................183 5.7.3. Хімія і електричний струм...................................................................184 5.7.4. Вуглець.....................................................................................................194 5.7.5. Метан....................................................................................................203 5.7.6. Дія окислу вуглецю на людину...............................................................208 5.7.7. Газогенераторний процес....................................................................209 5.7.8. Кругообіг вуглецю в природі...............................................................211 5.8. Електроліти..................................................................................................216 5.8.1. Розчини електролітів..............................................................................216 5.8.2. Гальванічні елементи. Електродні процеси........................................218 Розділ 6. Основи створення паливних елементів та електрохімічних генераторів на їх базі..........................................................................................224 6.1. Паливний елемент......................................................................................224 6.2. Класифікація ПЕ, принцип та особливості їх роботи............................ 224 6.3. Пристрій і робота електрохімічного генератора на основі воднево-кисневого ПЕ…………………………………………………………………..227 6.4. Ефективність роботи різних електродів для ЕХГ..................................239 6.5. Електродні електрохімічні реакції в ЕХГ..............................................247 6.6. Хімічні процеси в ЕХГ при використанні як палива окислу вуглецю....248 6.7. ЕХГ з паливом у вигляді вуглеводневмісних речовин.............................249 6.8. ЕХГ із кисневмісними органічними сполуками........................................249 6.9. ЕХГ з іонообмінними мембранами............................................................253 6.10. ЕХГ з рідким паливом...........................................................................257 6.11. ЕХГ із твердим паливом...........................................................................259 6.12. Електрохімічні процеси на кисневому електроді.................................261 6.13. Перетворення енергії водню..................................................................265 Розділ 7. Паливні елементи з фосфорно-кислим електролітом (ФКПЕ)…………………………………………………………………………268 7.1. Фосфорнокислий ПЕ.................................................................................268 7.2. Робота установки ФКПЕ на природному газі та водні............................269 7.3. Робота і дослідження потужної ФКПЕ......................................................271 7.4. Вплив дії тиску на властивості ФКПЕ.......................................................274 7.5. Вплив дії температури на характеристики ФКПЕ.................................274 7.6. Ефект від використання реагуючого складу газу....................................275 7.7. Вплив домішок і температури на ефективність ФКПЕ.........................277 7.8. Ефекти, пов'язані з густиною потоку.....................................................279 7.9. Терміни експлуатації елемента..................................................................279 Розділ 8. Паливні елементи з розплавленим карбонатним електролітом (РКПЕ) ...........................................................................................................282 8.1. Структура РКПЕ і хімічні процеси, що відбуваються в ньому............282 8.2. Компоненти паливного елемента з розплавленою карбонатно-електролітичною структурою...........................................................................284 8.3. Електричні й енергетичні характеристики РКПЕ..................................284 8.4. Ефект тиску..............................................................................................285 8.5. Ефект температури......................................................................................288 8.6. Внутрішні перетворення для вдосконалення РКПЕ.................................289 Розділ 9. Паливні елементи з твердооксидним електролітом (ТОПЕ)……..293 9.1. Реакція на аноді та катоді.........................................................................293 9.2. Тверді електроліти................................................................................... 295 9.3. Оптимізація структури паливного елемента...........................................300 9.4. Конструктивні особливості й енергетичні характеристики ТОПЕ........301 9.5. Вплив тиску і температури на енергетичні характеристики ПЕ……....305 9.6. Вплив газового складу на характеристики ТОПЕ....................................307 9.7. Вплив домішок на характеристики ПЕ......................................................309 9.8. Урахування впливу густини струму на енергетичні характеристики і ресурс роботи ПЕ................................................................................................309 Розділ 10. Енергетичне використання водню.................................................311 10.1. Структурні схеми водневої енергетики.................................................311 10.2. Вітроводень...............................................................................................311 10.3. Електроліз води за рахунок ВЕУ............................................................316 10.4. Вітроводневі енергетичні системи та розрахунок їх енергетичних та економічних характеристик..............................................................................319 10.5. Одержання водню за рахунок сонячної енергії (порівняння її з енергією вітру).............................................................................................................329 10.6. Етап практичних рішень у галузі водневої енергетики........................337 10.6.1. Використання водню в ДВЗ...................................................................337 10.6.2. Застосування водню в ПЕ......................................................................339 10.6.3. Застосування водню в поновлюваній енергетиці…………………….340 10.6.4. Комбінований енерговузол, призначений для енергозабезпечення житлових і промислових об'єктів сільського господарства............................343 10.6.5. Автономна комбінована енергосистема............................................344 10.6.6. Системи акумуляції електроенергії тепла і холоду………………….345 10.6.7. Система енергоустановок комбінованого виконання........................346 Розділ 11. Виробництво електроенергії і аміаку у водневих комплексах ....350 11.1. Загальні відомості про водневі пікові електростанції...........................350 11.2. Приклад реалізації фосфорно-кислих паливних елементів та електростанцій на їх основі................................................................................356 11.3. Комбіновані енергосистеми на основі НВДЕ і систем акумуляції водню....................................................................................................................357 11.3.1. Водень - акумулятор енергії..................................................................357 11.3.2. Конструктивні особливості ПЕ з твердим електролітом та їх робочі режими..................................................................................................................361 11.4. Електрохімічні енергоустановки на основі паливних елементів ...............................................................................................................................372 11.5. Ефективні методи енергетичного використання водню ......................375 11.6. Розрахунки автономних комбінованих установок на основі ВЕУ з киснево-водневим ЕХГ.......................................................................................375 11.7. Регенеративний цикл воднево-кисневого ПЕ..........................................376 11.8. Вартість виробництва водню методом електролізу води ......................378 Розділ 12. Ефективність використання водню та кисню в автотранспортних засобах..................................................................................................................382 12.1. Робота двигунів внутрішнього згоряння на водневому паливі ...............................................................................................................................382 12.2. Використання кисню в енергоустановках автомобілів на ПЕ..............386 12.3. Робота ДВЗ на чистому водні....................................................................391 12.4. Автотракторний генератор водню............................................................395 12.5. Водневі мотоцикли.....................................................................................395 12.6. Добування водню зі скидних газових сумішей нафтохімічних підприємств.........................................................................................................396 12.7. Водневе вприскування в ДВЗ для зниження шкідливих викидів........399 12.8. Установка для осушення водню...............................................................401 12.9. Використання рідкого водню як пального в двигуні зовнішнього згоряння Р. Стерлінга.................