Waterstofcentrales — trends en vooruitzichten

Hoewel kerncentrales lange tijd als zeer veilig werden beschouwd, dwong het ongeluk in de kerncentrale van Fukushima in Japan in 2011 energie-ingenieurs over de hele wereld opnieuw na te denken over mogelijke milieuproblemen die verband houden met dit soort energie.

De regeringen van veel landen, waaronder een aantal EU-landen, hebben de duidelijke intentie uitgesproken om hun economieën over te schakelen op alternatieve energie, zonder investeringen te sparen, en beloven miljarden euro's voor deze industrie in de komende 5-10 jaar. En een van de meest veelbelovende en milieuvriendelijke varianten van een dergelijk alternatief is waterstof.

Als kolen, gas en olie toch opraken, dan is er simpelweg onbeperkt waterstof in de oceanen, al wordt het daar niet in zuivere vorm opgeslagen, maar in de vorm van een chemische verbinding met zuurstof - in de vorm van water.

Waterstof is de meest milieuvriendelijke energiebron. Het verkrijgen, transporteren, opslaan en gebruiken van waterstof vraagt ​​om uitbreiding van onze kennis over de interactie met metalen.

Er zijn hier veel problemen.Hier zijn slechts enkele van hen die op hun oplossing wachten: de productie van zeer zuivere waterstofisotopen met behulp van membraanfilters (bijvoorbeeld van palladium), de creatie van technologisch voordelige waterstofbatterijen, het probleem van de strijd tegen de waterstofkost van materialen, enz.

Aan de milieuveiligheid van waterstof, in vergelijking met andere traditionele soorten energiebronnen, twijfelt niemand: het product van waterstofverbranding is weer water in de vorm van stoom, terwijl het totaal niet giftig is.

Waterstof als brandstof kan gemakkelijk zonder fundamentele veranderingen worden gebruikt in verbrandingsmotoren, evenals in turbines, en er zal meer energie worden gewonnen dan uit benzine. Als de soortelijke verbrandingswarmte van benzine in lucht ongeveer 44 MJ / kg is, dan is dit cijfer voor waterstof ongeveer 141 MJ / kg, wat meer dan 3 keer hoger is. Aardolieproducten zijn ook giftig.

Opslag en transport van waterstof zullen geen bijzondere problemen opleveren, de logistiek is vergelijkbaar met die van propaan, maar waterstof is explosiever dan methaan, dus er zijn hier nog enkele nuances.

Oplossingen voor waterstofopslag zijn als volgt. De eerste manier is de traditionele compressie en liquefactie, wanneer het nodig zal zijn om de ultralage temperatuur te waarborgen om de vloeibare toestand van waterstof te behouden. Dit is duur.

De tweede manier is veelbelovender - het is gebaseerd op het vermogen van sommige composietmetalen sponzen (zeer poreuze legeringen van vanadium, titanium en ijzer) om actief waterstof te absorberen en bij lage verhitting vrij te geven.

Toonaangevende olie- en gasbedrijven zoals Enel en BP zijn tegenwoordig actief bezig met het ontwikkelen van waterstofenergie.Het Italiaanse Enel startte enkele jaren geleden de eerste waterstofcentrale ter wereld, die de atmosfeer niet vervuilt en geen broeikasgassen uitstoot. Maar het belangrijkste brandpunt in deze richting ligt in de volgende vraag: hoe maak je de industriële productie van waterstof goedkoper?

Het probleem is dat elektrolyse van water vereist veel elektriciteit, en als de productie van waterstof juist door de elektrolyse van water op gang wordt gebracht, dan zal deze methode van industriële productie van waterstof voor de economie in één land erg duur zijn: drie keer, zo niet vier keer , in termen van equivalente verbrandingswarmte van aardolieproducten.Bovendien kan maximaal 5 kubieke meter gas per uur worden verkregen uit één vierkante meter elektroden in een industriële elektrolyseur. Dit is traag en economisch onpraktisch.

Een van de meest veelbelovende manieren om waterstof in industriële volumes te produceren, is de plasmachemische methode. Hier wordt waterstof goedkoper verkregen dan door elektrolyse van water. In niet-evenwichtsplasmatrons wordt een elektrische stroom door een geïoniseerd gas in een magnetisch veld geleid en vindt er een chemische reactie plaats tijdens het overbrengen van energie van "verwarmde" elektronen naar de moleculen van het gas.

De temperatuur van het gas ligt in het bereik van +300 tot +1000 ° C, terwijl de reactiesnelheid die leidt tot de productie van waterstof hoger is dan bij elektrolyse. Deze methode maakt het mogelijk om waterstof te verkrijgen, die twee keer (niet drie keer) duurder blijkt te zijn dan traditionele brandstof uit koolwaterstoffen.

Het plasma-chemische proces vindt plaats in twee fasen: eerst ontleedt kooldioxide in zuurstof en koolmonoxide, vervolgens reageert koolmonoxide met waterdamp, wat leidt tot waterstof en hetzelfde kooldioxide dat in het begin was (het wordt niet verbruikt, als je de hele lustransformatie bekijkt).

In de experimentele fase - de plasmachemische productie van waterstof uit waterstofsulfide, dat overal in de ontwikkeling van gas- en olievelden een schadelijk product blijft. Het roterende plasma werpt eenvoudigweg de zwavelmoleculen uit de reactiezone door centrifugale krachten, en de omgekeerde reactie van omzetting in waterstofsulfide is uitgesloten. Deze technologie maakt de prijs van waterstof die wordt geproduceerd gelijk met traditionele soorten fossiele brandstoffen, daarnaast wordt parallel zwavel gewonnen.

En Japan is vandaag al begonnen met de praktische ontwikkeling van waterstofenergie. Kawasaki Heavy Industries en Obayashi zijn van plan om tegen 2018 waterstofenergie te gaan gebruiken om de stad Kobe van stroom te voorzien. Ze zullen pioniers worden onder degenen die daadwerkelijk waterstof gaan gebruiken voor grootschalige elektriciteitsproductie, met vrijwel geen schadelijke uitstoot.

Direct in Kobe zal een waterstofcentrale van 1 MW worden gebouwd, waar deze elektriciteit zal leveren aan een internationaal congrescentrum en zal werken aan kantoren voor 10.000 lokale bewoners. En de warmte die op het station wordt gegenereerd tijdens het opwekken van elektriciteit uit waterstof, wordt efficiënte verwarming voor lokale huizen en kantoorgebouwen.

De door Kawasaki Heavy Industries geproduceerde gasturbines worden uiteraard niet geleverd met pure waterstof, maar met een brandstofmengsel van slechts 20% waterstof en 80% aardgas.De fabriek zal het equivalent van 20.000 waterstof-brandstofcelvoertuigen per jaar verbruiken, maar deze ervaring zal het begin zijn van een grote ontwikkeling van waterstofenergie in Japan en daarbuiten.

Waterstofreserves zullen direct op het grondgebied van de energiecentrale worden opgeslagen, en zelfs in het geval van een aardbeving of een andere natuurramp zal er brandstof in het station zijn, het station zal niet worden afgesloten van vitale communicatie. Tegen 2020 zal de haven van Kobe infrastructuur hebben voor grote waterstofimporten, aangezien Kawasaki Heavy Industries van plan is een groot netwerk van waterstofcentrales in Japan te ontwikkelen.