Elektrownie wodorowe — trendy i perspektywy

Chociaż elektrownie jądrowe od dawna uważane są za bardzo bezpieczne, awaria w japońskiej elektrowni jądrowej Fukushima w 2011 roku po raz kolejny zmusiła inżynierów energetyki na całym świecie do zastanowienia się nad możliwymi problemami środowiskowymi związanymi z tego rodzaju energią.

Rządy wielu krajów, w tym szeregu krajów UE, zadeklarowały wyraźny zamiar przestawienia swoich gospodarek na alternatywne źródła energii, nie szczędząc inwestycji, obiecując miliardy euro dla tej branży w ciągu najbliższych 5-10 lat. A jednym z najbardziej obiecujących i bezpiecznych dla środowiska rodzajów takiej alternatywy jest wodór.

Jeśli węgiel, gaz i ropa się wyczerpią, to w oceanach jest po prostu nieskończona ilość wodoru, choć nie jest tam przechowywany w czystej postaci, ale w postaci związku chemicznego z tlenem – w postaci wody.

Wodór jest najbardziej przyjaznym dla środowiska źródłem energii. Pozyskiwanie, transport, magazynowanie i wykorzystywanie wodoru wymaga poszerzania wiedzy na temat jego interakcji z metalami.

Jest tu wiele problemów.Oto tylko niektóre z nich, które czekają na rozwiązanie: produkcja wysoce czystych izotopów wodoru przy użyciu filtrów membranowych (na przykład z palladu), tworzenie korzystnych technologicznie akumulatorów wodorowych, problem walki z kosztami wodoru w materiałach itp.

Bezpieczeństwo ekologiczne wodoru w porównaniu z innymi tradycyjnymi rodzajami źródeł energii nie budzi wątpliwości: produktem spalania wodoru jest ponownie woda w postaci pary, przy czym jest ona całkowicie nietoksyczna.

Wodór jako paliwo bez większych zmian można bez problemu stosować w silnikach spalinowych, a także w turbinach i uzyskać więcej energii niż z benzyny. Jeśli ciepło właściwe spalania benzyny w powietrzu wynosi około 44 MJ / kg, to dla wodoru liczba ta wynosi około 141 MJ / kg, czyli ponad 3 razy więcej. Produkty ropopochodne są również toksyczne.

Przechowywanie i transport wodoru nie nastręczy szczególnych problemów, logistyka jest podobna jak w przypadku propanu, ale wodór jest bardziej wybuchowy niż metan, więc są tu jeszcze pewne niuanse.

Rozwiązania do przechowywania wodoru są następujące. Pierwszy sposób to tradycyjne sprężanie i skraplanie, kiedy konieczne będzie zapewnienie jego ultra-niskiej temperatury, aby utrzymać wodór w stanie ciekłym. To jest drogie.

Drugi sposób jest bardziej obiecujący — opiera się na zdolności niektórych kompozytowych gąbek metalowych (wysokoporowatych stopów wanadu, tytanu i żelaza) do aktywnego pochłaniania wodoru i uwalniania go przy niskim ogrzewaniu.

Wiodące firmy naftowe i gazowe, takie jak Enel i BP, aktywnie rozwijają dziś energię wodorową.Kilka lat temu włoski Enel uruchomił pierwszą na świecie elektrownię wodorową, która nie zanieczyszcza atmosfery i nie emituje gazów cieplarnianych. Ale główny punkt zapalny w tym kierunku leży w następującym pytaniu: jak sprawić, by przemysłowa produkcja wodoru była tańsza?

Problemem jest elektroliza wody wymaga dużo energii elektrycznej, a jeśli produkcja wodoru zostanie uruchomiona właśnie poprzez elektrolizę wody, to dla gospodarki jednego kraju ta metoda przemysłowej produkcji wodoru będzie bardzo kosztowna: trzykrotnie, jeśli nie czterokrotnie , w przeliczeniu na równoważne ciepło spalania produktów ropopochodnych.Ponadto z jednego metra kwadratowego elektrod w przemysłowym elektrolizerze można uzyskać maksymalnie 5 metrów sześciennych gazu na godzinę. Jest to powolne i niepraktyczne ekonomicznie.

Jednym z najbardziej obiecujących sposobów produkcji wodoru na skalę przemysłową jest metoda plazmowo-chemiczna. Tutaj wodór otrzymuje się taniej niż przez elektrolizę wody. W nierównowagowych plazmotronach przez zjonizowany gaz w polu magnetycznym przepływa prąd elektryczny, aw procesie przekazywania energii z „ogrzanych” elektronów do cząsteczek gazu zachodzi reakcja chemiczna.

Temperatura gazu mieści się w zakresie od +300 do +1000°C, natomiast szybkość reakcji prowadzącej do wytworzenia wodoru jest większa niż w przypadku elektrolizy. Dzięki tej metodzie można otrzymać wodór, który okazuje się dwukrotnie (a nie trzykrotnie) droższy od tradycyjnego paliwa pozyskiwanego z węglowodorów.

Proces plazmowo-chemiczny przebiega dwuetapowo: najpierw dwutlenek węgla rozkłada się na tlen i tlenek węgla, następnie tlenek węgla reaguje z parą wodną, ​​co prowadzi do powstania wodoru i tego samego dwutlenku węgla, który był na początku (nie jest zużywany, jeśli spojrzysz na całą transformację pętli).

Na etapie eksperymentalnym — plazmowo-chemiczna produkcja wodoru z siarkowodoru, który pozostaje szkodliwym produktem wszędzie w rozwoju pól gazowych i naftowych. Obracająca się plazma po prostu wyrzuca cząsteczki siarki ze strefy reakcji przez siły odśrodkowe, a odwrotna reakcja konwersji do siarkowodoru jest wykluczona. Technologia ta zrównuje cenę produkowanego wodoru z tradycyjnymi rodzajami paliw kopalnych, ponadto równolegle wydobywana jest siarka.

A Japonia już dziś podjęła praktyczny rozwój energii wodorowej. Kawasaki Heavy Industries i Obayashi planują zacząć wykorzystywać energię wodorową do zasilania miasta Kobe do 2018 roku. Staną się pionierami wśród tych, którzy faktycznie zaczną wykorzystywać wodór do produkcji energii elektrycznej na dużą skalę, praktycznie bez szkodliwych emisji.

Bezpośrednio w Kobe powstanie elektrownia wodorowa o mocy 1 MW, która będzie dostarczać energię elektryczną do międzynarodowego centrum kongresowego i biur pracy dla 10 000 lokalnych mieszkańców. A ciepło wytwarzane na stacji w procesie wytwarzania energii elektrycznej z wodoru stanie się wydajnym ogrzewaniem okolicznych domów i biurowców.

Turbiny gazowe produkowane przez Kawasaki Heavy Industries nie będą oczywiście zasilane czystym wodorem, ale mieszanką paliw zawierającą tylko 20% wodoru i 80% gazu ziemnego.Fabryka będzie zużywać równowartość 20 000 pojazdów napędzanych wodorowymi ogniwami paliwowymi rocznie, ale to doświadczenie będzie początkiem dużego rozwoju energii wodorowej w Japonii i poza nią.

Zapasy wodoru będą magazynowane bezpośrednio na terenie elektrowni, a nawet w przypadku trzęsienia ziemi lub innej klęski żywiołowej w stacji będzie paliwo, stacja nie zostanie odcięta od niezbędnej komunikacji. Do 2020 roku port w Kobe będzie miał infrastrukturę do importu wodoru, ponieważ Kawasaki Heavy Industries planuje zbudować dużą sieć elektrowni wodorowych w Japonii.