ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА РЕАЛЬНОСТЬ ВИРТУАЛЬНАЯ РЕАЛЬНОСТЬ ХИМЕРА Основные

ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА РЕАЛЬНОСТЬ? ВИРТУАЛЬНАЯ РЕАЛЬНОСТЬ? ХИМЕРА?

Основные технологические стадии водородной энергетики 1. Конверсия углеводородов 2. Газификация угля 3. Конверсия метанола 4. Электролиз воды 1. Жидкий 2. Адсорбированный 3. Обратимо химически связанный 4. Необратимо химически связанные 1. Двигатель внутреннего сгорания 2. Топливный элемент

Методы аккумулирования чистого водорода. Сжатый газообразный водород: газовые баллоны; стационарные массивные системы хранения, включая подземные резервуары; l для хранения 0. 5 кг Н 2 требуется баллон массой 53 кг. Прогресс в материаловедении даёт возможность снизить массу материала баллона до 8 – 10 кг с одновременным увеличением давления до 1000 атм. l Жидкий водород: стационарные и транспортные криогенные контейнеры l Главная часть криогенной системы хранения водорода – теплоизолированные сосуды, масса которых примерно в 4 – 5 раз меньше, массы баллонов высокого давления при равном количестве хранимого водорода. l l l

Система заправки водородом, получаемым за счет солнечной энергии электролизерами фирмы Stuart Energy System. Суперлегкие баллоны фирмы Dynetek для хранения водорода под давлением (соотношение вес/объем — 0. 35 кг/л), давление до 450 атм. ).

H 2 -2 e = 2 H+ O 2+4 e = 2 O 22 H+ + O 2 - = H 2 O H 2 + O 2 - -2 e = H 2 O 4 H+ + O 2 +4 e = 2 H 2 O

Германские ВМС спустили на воду новую подводную лодку "U 31", в двигательной установке которой в сочетании с дизелем используются топливные элементы. Бортовые запасы водорода и кислорода позволяют "U 31" оставаться под водой одну-две недели, что значительно дольше, чем для обычных неатомных п/л с электроаккумуляторами. Бесшумная работа ТЭ с минимальным тепловыделением и без образования каких-либо газообразных продуктов обеспечивают исключительно высокую скрытность в подводном положении. Недостатком является относительно невысокая скорость при использовании ТЭ. Субмарина была построена на верфи Howaldtswerke Deutsche Werft (HDW) в Киле, ее стоимость оценивается в 300 -350 млн долларов. Планируемый район применения - Балтийское море. Кроме того, заинтересованность в приобретении п/л класса "U 31" уже проявили ВМС Греции, Кореи и Тайваня. Немецкая подводная лодка типа 212 с энергетической установкой на топливных элементах

Development of Fuel Cell-Based Power Plants at RSC Energia 2002 2003 RSC ENERGIA, Independent Power Technologies Alkaline hydrogen and air electrochemical generator with circulating electrolyte for electrical and heat supply of different objects “Cascade-1” Nel = 5, 6 k. W, U = 29 43 В, Nheat=5, 7 k. W, Gspec H 2 = 4, 3 m 3/h, dimensions 1, 25 0, 58 0, 6 m, Gpp = 250 кg Basic Advantages of the Cascade-1 Power Plant q Simple design and easy control of heat and mass exchange. q The expensive and power consuming air compressor is not required. q Minimal noise. q High cold resistance.

Development of Fuel Cell-Based Power Plants at RSC Energia 2000 2001 RSC Energia, UEIP, Auto. VAZ Power Plant with forced alkaline ECG FOTON and compressed hydrogen and oxygen storage for fivedoor NIVA LADA-ANTEL-1 Nlong-dur = 15 к. W, Npeak = 25 к. W, U = 115 150 V, Р = 300 кg/сm 2, one fueling range= 220 кm ECG control unit Oxygen Supply Unit Hydrogen tank Nitrogen Tank Hydrogen Supply Unit ECG Power Unit Control System Oxygen Tank

29 мая 2003 года Toyota сдала в аренду муниципалитету Нагойи первые шесть автомобилей, работающих на водороде. Еще четыре машины досталось крупным энергетическим компаниям, на пробу. Срок аренды в обоих случаях составляет 2, 5 года. Стоимость — от 1, 2 млн. иен в месяц. До конца года Toyota планирует реализовать еще десять машин. Среди возможных арендаторов не только японские компании или чиновники, но и американцы — в прошлом году Toyota уже сдавала в аренду свои автомобили Калифорнийскому университету. FCX от Honda Motor сдается в аренду желающим с декабря прошлого года. Способен развивать скорость до 150 км/час. Одной заправки хватает на 270 км. При создании этой модели использовались разработки компании Ballard. Первые пять машин были сданы в аренду в Лос-Анжелесе. В ближайшие два-три года Honda планирует сдать в аренду порядка тридцати автомобилей. В 2003 году Daimler. Chrysler выпустил автобусы Mercedes-Benz Citaro, работающие на топливных элементах. На сегодняшний тридцать автобусов Citaro, разъезжающие по десяти европейским городам, представляют собой самый большой автобусный парк в мире. Если, конечно, ограничиться только «водородными» автобусами. Автомобиль Hy. Wire, представленный General Motors в августе прошлого года, является концепт-каром, продолжающим идеи, заложенные в первый «водородный» концепт от GM — AUTOnomy. Впрочем, нестандартный источник питания — не единственная особенность этого автомобиля. Его уникальность в том, что управление им — полностью электронное. По большому счету, съемный кузов можно считать просто джойстиком, который управляет шасси, где и расположены все системы автомобиля.

Basic Features of the Fuel Cell Power Plant Mockup for Railcar q Electric power, k. W: - long-duration - peak (up to 1 -2 min) using energy storage q Direct current voltage, V q Power intensity, no less than, k. W • h q Run without recharge, no less than, km q Speed, km/h Manufacture and test date Cost 15… 20 80 -100 100… 120 200 50 2004… 2006 ~ 35 M rubles!!

Cost reduction is imperative for FC commercialization 100000 10000 Microelectronics Fuel cells $ 6500 /k. W $ 3000 /k. W $ 500 /k. W 1000 Gas turbines 100 $ 50 /k. W Automotive sector 10 1960 1970 1980 1990 2005 2010 2015

Выбросы от транспортных средств работающих на водородных топливных элементах, и электрических автомобилей, работающих на аккумуляторных батареях, по сравнению с выбросами от традиционных транспортных средств Контролируемые загрязнители Неметановы е органически е газыв Оксид углерод а (СО) Окиси азота (NOx) Окиси серы (SOx) Тверды е частиц ы Парниковы е газы Базовый уровень: Двигатели внутреннего сгорания на бензине (грамм на километр) 0, 48 3, 81 0, 28 0, 035 0, 01 282, 5 Электрические транспортные средства на аккумуляторных батареях -95 -99 -56 +321 +153 -37 Электрические транспортные средства на топливных элементах (сжатый водород, образуемый за счет природного газа) -100 -100 -65 Электрические транспортные средства на топливных элементах (сжатый водород, образуемый за счет солнечной энергии) -100 -100 -94 -100 -100 Транспортное средство Электрические транспортные средства на топливных элементах или аккумуляторных батареях (водород, образуемый

Физические методы аккумулирования водорода l Адсорбционный: l в цеолиты и родственные соединения; l в активированный уголь; l в углеродные наноматериалы; l в пористые координационные соединения l в металлические сплавы и ИМС

Основные типы углеродных наноматериалов перспективных для аккумулирования водорода Фуллерены: C 60 , C 70 и др. Одностенные нанотрубки Многостенные нанотрубки Графеновые нановолокна

>500 MOFs prepared!

Hydrogen storage at RT and 10 bar Volumetric [mg H 2/g IRMOF-8 (C) 1. 6 1. 2 IRMOF-6 (B) 0. 8 0. 4 0. 0 MOF-5 (A) Graphite carbon Active carbon 0. 5 1. 0 Gravimetric [mg H 2/g] 1. 5 2. 0

Аккумулирование водорода через соединения с химической связью Вещества, материалы, реакции 1 Li. NH 2 + 2 Li. H Li 2 NH + Li. H + H 2 Li 3 N + 2 H 2 2 Li. NH 2+Mg. H 2 →Li 2 Mg(NH)2+2 H 2 2 Li. H+Mg(NH 2)2 + 4 Li. H ⇔ 4/3 Li 3 N + 1/3 Mg 3 N 2 + 4 H 2 H, масс. % 6. 5 + 5 >5 9 4. 5 ~13 Na. BH 4 Na. H + B + 2 H 2 ~8 C 10 H 18 (декалин) C 10 H 8 (нафталин) + 5 H 2 ~7 C 60 H 60 (гидрофуллерен) C 60 (фуллерен) + 30 H 2 3 3 Na. Al. H 4 + (Ti. Cl 3, Ti. N) Na 3 Al. H 6 + 2 Al + 3 H 2 2 Li. BH 4 2 Li. H +2 B +3 H 2 2 ~7 4 Металл-органические каркасы (MOF-5: Zn 4 L 3 ) ~4 % при 77 К 5 Al + 3 H 20 → Al(OH)3 + 3/2 H 2 10 Al. H 3 + 3 H 20 → Al(OH)3 + 3 H 2 20 Mg. H 2+ 2 H 20 → Mg(OH)2 + 2 H 2 15. 4 Na. BH 4 + 2 H 20 → Na. BO 2 + 4 H 2 22. 2

Van’t Hoff Plots o 200 o C 100 C 25 o. C 2 2 Li. NH 2+ Mg. H 2 1. 5 * Na. Al. H 4 30 atm Mg 2 Ni. H 4 Log P, atm 1 10 atm La. Ni 5 H 6 Mg. H 2 0. 5 3 atm 0 1 atm -0. 5 Na 3 Al. H 6 Li. NH 2+Li. H Ca. Ni 5 H 6 La. Ni 4 Al. H 5 -1 1 1. 5 2 2. 5 3 o 1000/T, K Reaction enthalpy**: -34 k. J / mol-H 2 * B. Bogdanovic et al, J. Alloys and Compounds, 302, 36 (2000). ** W. Luo, J. Alloys and Compounds, in press 3. 5 4

Absorption of Catalyzed Na. Al. H 4 Absorption rates in alanate cartridges

Sodium Alanate - Na. Al. H 4 First reaction ¡ absorption rate < 10 min. ¡ reversible capacity of up to 3 wt. % ¡ desorption at 70 C - 100 C Both reactions ¡ reversible capacity of up to 4. 5 wt. % ¡ absorption rate < 10 min. ¡ desorption at 120 C - 130 C Ø Ø Ø No capacity loss due to the reaction with catalyst and the promise of good cyclability (demonstrated at 20 -30 cycles) Low cost of solid-state production At present, Na. Al. H 4 represents the best combination of hydrogen capacity and temperature of operation

Перспективные для аккумулирования водорода металлические материалы Материал Состав Рабочий интервал H, масс. % P, атм 300 - 400 1 - 10 7. 6 V 0 - 200 1 - 200 3. 5 Ti Металлы T, o. C 500 - 600 1 - 10 4. 0 0 - 200 0. 1 - 150 1. 2 -1. 5 – 70 - 150 0. 1 - 250 1. 5 -2. 5 0 - 150 1 - 100 1. 7 -2. 0 250 - 400 1 - 10 4 -7 На основе V: V-Cr-Mn 0 - 200 1 - 150 1. 8 -3. 7 На основе Ti: Ti-Al-Ni 200 - 600 1 - 10 3 -5 На основе Al: Al-Ti-Ni 200 - 600 1 - 10 3 -10 Mg Интерметал- AB 5 (A - La, Mm, Ca; B - Ni, Al, Co, Sn) лические соединения AB 2 (A - Ti, Zr; B - Cr, Mn, Fe) AB (A - Ti, Zr; B - Fe, Ni) Сплавы На основе Mg: Mg-Ni, Mg-Ni-RE

CHARACTERISTICS OF TYPICAL HSAs HSA La. Ni 5 Mm. Ni 5 Mg 2 Ni Ti. Fe H-STORAGE DENSITY 1. 4 wt% 3. 6 wt% 1. 8 wt% H 2 DESORPTION TEMP. Weak point 40℃ Excellent activation, high durability against impurity but expensive 300℃ A Light HAS with a high H storage density, but H 2 desorption at high temperatures 40℃ Cheap elements but difficult initial activation !

Разработки для металло-гидридных технологий на Химическом факультете МГУ Лабораторные аккумуляторы водорода на основе сплавов АВ 5. Первый в СССР грузовой автомобиль с системой хранения водорода в виде металлогидридов (1985 г. ) Премия Ленинского Комсомола 1988 года

Получение и аккумулирование водорода. l l l l Необратимо химически связанный водород Гидриды, комплексные гидриды. фуллерены и органические гидриды; аммиак; метанол; Водореагирующие металлы и сплавы на основе алюминия, магния и кремния; Водные клатраты водорода и смеси водородметан.

Типы многогранников, образующихся из молекул воды в клатратах