Какое давление производит водорода

Какое давление производит водорода

Как и зачем производят водород на электростанциях. Технологии большой энергетики. Опус 1.

Настоящей работой открываю серию опусов о большой энергетике. Писал о многом — не читают. Попробуем писать о том, в чём более всего разбираюсь. Об ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ.

Водород. Элемент №1 в периодической системе. Газ в 14.5 раз легче воздуха. С обалденной теплоёмкостью. Без вкуса, цвета и запаха. Горит в воздушной и кислородной среде. При взаимодействии с кислородом образует взрывоопасные смеси. Смесь из двух объёмов водорода с одним объёмом кислорода называется гремучим газом и при взрыве создаёт самое высокое давление.

· для получения аммиака;

· для производства пластмасс;

· для производства синтетических волокон;

· для производства синтетических лекарств;

· в металлургии: для восстановления металлов из оксидов;

· в электроэнергетике: для охлаждения вращающихся электрических машин большой мощности.

Мы будем говорить о последнем пункте применении водорода — для охлаждения электрических машин в большой энергетике.

А почему водород?

С самого начала развития энергетики электрические машины охлаждались воздухом. Вентиляторы, установленные по концам вала внутри корпуса, либо снаружи генератора или электродвигателя обдували сталь статора и обмотку, отводя потери, вызванные нагревом. С ростом единичной мощности турбо и гидрогенераторов возрастала и степень нагрева активных элементов машин, что заставило конструкторов искать более перспективные пути отвода тепла. Наиболее экономичным способом был признан способ охлаждения машин водородом. Поскольку этот газ во много раз легче воздуха и обладает повышенной теплоёмкостью, то наряду со снижением вентиляционных потерь, ведь турбогенераторы вращаются со скоростью 1500 — 3000 об/мин, мощная струя водорода внутри корпуса машины, обеспечивает во много раз более интенсивное охлаждение элементов конструкции. Сам водород охлаждается водой в газоохладителях машины, встроенных в её корпус. Такой способ охлаждения стал применяться в генераторах ТВ2 серии второй пятилетки, начиная с 50 МВт и выше. Справедливости ради, надо сказать, что сейчас, с развитием металлургии и выпуском электротехнических сталей с малыми удельными потерями, удалось добиться производства турбо генераторов мощностью до 100 МВт с воздушным охлаждением.

Итак, мы констатировали, что водород применяется для охлаждения турбо-, гидрогенераторов на электростанциях и синхронных компенсаторов на крупных электроподстанциях. Единичная мощность, охлаждаемых водородом машин начинается от 50 МВт старого образца, и со 150 МВт для машин новых серий. Газовый объём турбогенератора, скажем ТВФ-120-2, номинальной мощностью 100 МВт, составляет 50 м3. Для ТЭЦ среднего по численности города, мощностью 500 МВт в генераторы необходимо закачать 250 м3, плюс допустимые утечки в 5%, плюс аварийный запас. Где взять столько водорода? Водород на электростанциях страны производится способом электролиза воды в специальных аппаратах — электролизерах. Обычно, проектные электролизные станции состоят из двух электролизеров. Рабочий и резервный. Производительность одного электролизера может составлять 4 — 10 м3/час, в зависимости от установленной мощности электростанции.

Как это работает?

Электрохимический процесс разложения воды прост:

Другими словами, если в стакан воды опустить два электрода и присоединить их к батарейке, то на катоде будет выделяться два объёма водорода:

а на аноде один объём кислорода:

Однако, не всё так просто! Дело в том, что чистая вода слабо диссоциирована на ионы, т.е. является хорошим изолятором. Поэтому, чтобы вода стала электропроводной, в ней надо растворить какое — либо вещество, ионы которого будут переносчиками электрических зарядов. В производстве этим веществом является щёлочь — гидрат окиси калия (КОН). Применяется КОН марки ЧДА или технический высшего сорта. КОН растворяют в воде с концентрацией 1.3 Г/см3. Единовременная загрузка КОН для электролизера СЭУ-8М* составляет 600 кг. Для снижения расхода электроэнергии на процесс электролиза в электролит добавляют 1-2 кг хромпика (К2Cr2O7). Ион калия К+ не разряжается на катоде, являясь лишь переносчиком заряда. Разведение электролита производится в баке для щёлочи, где она перемешивается деревянным веслом, либо насосом закачки электролита.

Технологическая схема электролизной установки.

Электролизер представляет собой горизонтальный аппарат фильтр-прессного типа. Он состоит из двух монополярных электродов, расположенных на толстых концевых плитах, изолированных от земли и множества биполярных электродов, разделённых диафрагменными рамами и изолирующими паронитовыми прокладками. Вся конструкция стянута четырьмя шпильками М 120. Для компенсации температурных расширений с одной стороны шпилек установлены тарельчатые пружины. Для разделения анодной и катодной стороны аппарата используются диафрагменные рамы, затянутые асбестовой тканью. Рама не препятствует потоку электролита, но не даёт смешиваться газам. Аппарат работает при температуре до 85°С. Поскольку кислородная среда при такой температуре весьма агрессивна, аноды биполяров делаются никелированными. В верхней части аппарата сделаны два канала — водородный и кислородный, которые отверстиями около 10 мм связаны с водородной и кислородной сторонами биполяров, а снизу — питательный канал для подпитки электролизера электролитом. Аппарат рассчитан на давление газов до 10 ат.

Газы, вместе с электролитом поступают в разделительные колонки, где происходит разделение газов и щёлочи, а также охлаждение электролита технической водой, циркулирующей в змеевиках колонок.

Из разделительных колонок газы попадают в регуляторы-промыватели, которые очищают продукты электролиза от щелочного тумана и уравнивают давление газов внутри системы. Это делается с помощью поплавков, связанных с игольчатыми клапанами.

Для автоматической подпитки системы водой, которая расходуется при электролизе, система имеет уравнительные баки. Емкости баков хватает, примерно, на сутки работы установки, после чего они должны быть пополнены. Баки связаны по водороду газоуравнительной линией и по воде — водоуравнительной.

Далее, кислород выбрасывается в атмосферу через гидрозатвор, а водород, через систему осушки собирается в ресиверы.

Поскольку, при заполнении ёмкостей ресиверов, электролизной, генераторов, не допустимо смешение водорода с кислородом воздуха, заполнение производится через промежуточное вытеснение водорода или воздуха инертным газом (азотом). Азот на электростанции тоже хранится в ресиверах. Трубопроводы азота и водорода проложены до машинного зала электростанции и подключены к газовым постам генераторов.

Для примера технические характеристики электролизера СЭУ-10:

· Количество ячеек — 25 шт.;

· Номинальный ток: — 1000 А;

· Напряжение на электролизере: — 55 В;

· Рабочее давление — 1.0 МПа;

· Чистота водорода — 99,7%;

· Чистота кислорода — 99,5%;

· Масса электролизера — 3305 кг.

Питание электролизера осуществляется от тиристорных преобразователей. Аппараты оснащены технологическими защитами по давлению, чистоте газов, перепаду давлений между водородом и кислородом, а также защитой от коротких замыканий в схеме питания СЭУ. На сегодня, на рынке есть предложения компактных электролизных установок с параметрами нынешних советских, из Италии и Испании. Эти установки размещаются в обычном транспортном морском контейнере, и не требуют регистрации в Ростехнадзоре. Недостатком является только их высокая цена. Около полутора десятков миллионов рублей и выше. Электростанции жадничают.

*Примечание: СЭУ-8М — стационарная электролизная установка производительностью по водороду 8 м3/час.

Статьи автора из серии «Технологии большой энергетики»:

Источник

Проблемы водородной энергетики

Часть 5

Если судить по прошлым статьям , где описывалась водородная энергетика и перспективы водородной экономики, то может возникнуть заблуждение, что никаких технологических ограничений к переходу на водород, в принципе, нет. Однако это не так.

Самая большая нерешённая проблема водородной энергетики и перспектив водородной экономики — это хранение водорода.

Хранение водорода обходится ещё дороже, чем его производство. Всё дело в плотности энергии водорода на 1 м3 , и в больших утечках. Также к хранению водорода предъявлен список строгих требований, среди которых главным является то, что системы хранения должны выдерживать либо криогенные температуры, либо высокие давления, либо содержать активные материалы, которые взаимодействуют с водой или воздухом.

То есть условия хранения водорода — всегда неблагоприятные, требующие обеспечения высокой надёжности и безопасности.

Какие существуют методы хранения водорода?

1. Хранение газообразного водорода под давлением.

Самый простой метод хранения водорода — это его газообразная форма под давлением.

1 килограмм водорода при комнатных условиях занимает 11,2 м3 объёма, что очень много. Сжимая газообразный водород, мы увеличиваем его плотность. Согласно уравнению состояния идеального газа, чем выше давление газа, тем меньший объём он занимает.

Сам принцип, инфраструктура и технические решения такого метода уже давно отработаны на хранении природного газа.

Для хранения используются цилиндрические баллоны и трубы большого диаметра (контейнеры).

В обычных стальных баллонах хранится водород под давлением до 200 атмосфер .

При таком давлении в 1 м3 хранится около 17,8 килограмм водорода. То есть для хранения 1 кг , водорода при давлении в 20 МПа , нужно 56,3 литра объема. И это честно говоря, вообще трэш с энергетической точки зрения.

Самостоятельно можно подсчитать энергетическую плотность, и узнать, почему это трэш.

Существуют титановые баллоны, способные хранить водород под давлением 400 атмосфер .

Наиболее передовые, композитные баллоны, используемые на автотранспорте, способны безопасно выдерживать давление до 700 атмосфер .

Однако даже при таком высоком давлении энергетическая плотность водорода составляет всего 4,4 МДж на 1 литр , что более чем в 7 раз меньше аналогичного показателя бензина — 31,6 МДж на 1 литр .

Хранение водорода под рабочим давлением 160 атмосфер в стационарных условиях происходит в трубах-контейнерах, часто объединённых по 18 штук . Это позволяет запасти до 700 кг водорода.

2. Хранение водорода в жидком виде.

Плотность жидкого водорода составляет 70,8 кг/м3 , что в 1,83 раза больше чем в газообразной форме при давлении в 700 Атмосфер . Соответственно, энергетическая плотность будет более 8 МДж на 1 литр .

Однако сам процесс сжижения водорода энергоёмкий: от 25 до 45 % энергии сжиженного водорода расходуется на сам процесс сжижения, что соответствует 10-14 кВт*ч затрат электроэнергии на 1 кг водорода.

Хранится жидкий водород в криогенных контейнерах, конструкция которых сильно отличается от конструкции композитного баллона для хранения газообразного водорода.

Для производства используются высококачественные стали, предназначенные для требуемых температурных диапазонов. Резервуары оснащены фильтрами тонкой очистки жидкого водорода и пробоотборником специальной конструкции, и имеют высокоэффективную теплоизоляционную систему.

Однако, какой бы хорошей ни была изоляция, потери на испарение водорода существуют, и довольно-таки существенные. Они особенно заметны для небольших резервуаров с высоким соотношением поверхности к объему.

Наибольших успехов в плане уменьшения утечек добились специалисты BMW. Они разработали и испытали несколько автомобилей с водородным топливом, хранящимся в жидком виде в специальных баллонах. Им удалось уменьшить потери на испарение до 1,5 % массы в день.

При хранении жидкого водорода в стационарных контейнерах нужно учитывать одну особенность: хранение водорода в герметичных ёмкостях в жидком виде нерационально для небольших количеств водорода (менее 1 кг ), так как утечка жидкого водорода для небольших количеств очень велика, а оборудование слишком дорогое.

Последние разработки в области контейнерного хранения водорода предлагают хранить водород независимо от условий заполнения. Баллоны могут быть заполнены жидким водородом при высоком или низком давлении, сжатым газообразным водородом при низкой или комнатной температуре, возможны и комбинации этих операций (если исходная температура баллона находится в диапазоне от 180 до 300 К ). В этом случае водород хранится не в жидком состоянии, а как сжатый криогаз или смесь жидкого и газообразного водорода (в зависимости от условий). Кроме того, в таких системах могут использоваться сорбенты с большой удельной поверхностью. При заполнении жидким водородом обеспечивается высокая плотность и малые потери на испарение.

Обобщая вышенаписанное, подводим итоги:

1. Энергоёмкость водорода, хранимого в газообразной форме под давлением до 400 атмосфер , очень маленькая. Баллоны, способные хранить водород под давлением 700 атмосфер , существенно дороже, и тоже обладают недостаточно высокой энергоёмкостью.

2. Стоимость хранения водорода в жидком виде относительно высокая, так как требует соответствующего оборудования с высокой стоимостью.

3. Уровень утечки жидкого водорода для небольших хранилищ, особенно в случае длительного времени хранения, очень высок.

Всё это заставляет искать новые и более эффективные способы хранения водорода. И они есть. Один из таких способов — это хранение водорода в твёрдых носителях (гидридах металлов), где возможно добиться плотности в 2,7 раза больше, чем в жидком водороде . И об этом в следующей статье.

Часть 6. Современные проблемы хранения водорода

P. S. Ссылки на источники теперь находятся в группе Вконтакте !

Источник

Источник