ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ ДЛЯ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Основными источниками электроэнергии для Беларуси на сегодняшний день являются тепловая, ядерная, гидро- и альтернативная энергетика. Тепловая энергетика вырабатывает электроэнергию за счёт сгорания природного газа либо нефтепродуктов. Ядерная энергетика вырабатывает электроэнергию за счёт химической реакции. Альтернативная энергетика в Беларуси развита не на достаточном уровне, т. к. здесь не бывает сильных ветров, мало солнечных дней, а гидроэнергетика слишком долго окупается, но она экологически чиста, чего не скажешь о ядерной и тепловой. Водородная энергетика наоборот же экологически чистая, так как она работает за счёт смешения водорода с кислородом, выделяя при этом воду с перегретым водородом и воздухом.

Водородная энергетика — отрасль энергетики, основанная на использовании водорода в качестве средства для аккумулирования, транспортировки, производства и потребления энергии. Водород выбран как наиболее распространенный элемент на поверхности земли и в космосе, теплота сгорания водорода наиболее высока, а продуктом сгорания в кислороде является вода (которая вновь вводится в оборот водородной энергетики). Водородная энергетика относится к альтернативной энергетике.

В мире всё чаще стараются перейти от традиционных источников электричества к более чистым по отношению к окружающей среде. В этом плане водород является лучшим заменителем, так как он присутствует в составе воды и не токсичен, а на выходе процесса мы имеем водяной пар.

Концепция экологически чистой водородной энергетики, часто называемая «водородной экономикой», включает:

• Производство водорода из воды с использованием невозобновляемых источников энергии (углеводороды, атомная энергия, термоядерная энергия);

• Производство водорода с использованием возобновляемых источников энергии (солнце, ветер, энергия морских приливов, биомасса и т. д.);

• Надежная транспортировка и хранение водорода;

• Широкое использование водорода в промышленности, на транспорте (наземном, воздушном, водном и подводном), в быту;

• Обеспечение надежности материалов и безопасности водородных энергетических систем.

В данной работе будет рассмотрена стационарная водородная станция, основанной на твердооксидных топливных элементах. Такие станции используют процесс электролиза, где в качестве электролита выступает тугоплавкий оксид.

Твердооксидные (твердоокисные) топливные элементы (англ. Solid-oxide fuel cells, SOFC) — разновидность топливных элементов, электролитом в которых является керамический материал (например, на базе диоксида циркония), проницаемый для ионов кислорода. Эти элементы работают при очень высокой температуре (700—1000 °C) и применяются в основном для стационарных установок мощностью от 1 кВт и выше. Их отработанные газы могут быть использованы для приведения в действия газовой турбины, чтобы повысить общий коэффициент полезного действия. КПД такой гибридной установки может достигать 70 %.

В этих топливных элементах ионы кислорода проходят через твёрдый оксид, который используется в качестве электролита, и при высокой температуре реагируют с водородом на аноде. Хотя в твердооксидных топливных элементах необходима высокая рабочая температура (что требует специальных керамических материалов), зато они не нуждаются в таком дорогом катализаторе, как платина (в отличие от топливных элементов с протонно-обменной мембраной). Это также значит, что твердооксидные топливные элементы не отравляются монооксидом углерода, и в них могут использоваться разные виды топлива. Твердооксидные топливные элементы могут работать на метане, пропане, бутане, биогазе. Сера, содержащаяся в топливе, должна быть удалена перед поступлением его в топливный элемент, что легко сделать с помощью адсорбентов. Сера может и не удаляться из топлива, но тогда необходимо будет повысить рабочую температуру (не менее 700 °C).

Рисунок 1. Схема работы твердооксидного топливного элемента

Водород не источник энергии - это средство преобразования других источников энергии в химическую энергию в форме запасенного чистого водорода, которую можно использовать впоследствии при его окислении. По сути, резервуар или другой накопитель водорода в техническом смысле подобен аккумуляторной батарее или бензобаку, и поэтому сравнивать нужно не только КПД, но и другие параметры.

Только 4% водорода получают из воды посредством электролиза. Себестоимость производства водорода из воды (различные виды электролиза) в 3-6 раз выше, чем получение водорода из природного газа. Этот метод используют лишь тогда, когда необходимо получить особо чистый водород.

Водород можно получить из биомассы. Водород из биомассы получается термохимическим или биохимическим способом.

Рассмотрим возможное обеспечение электроэнергией за счет водорода на примере промышленного предприятия средней мощности.

В данной работе будет рассмотрена типография «Спектр». Типография — полиграфическое производственное предприятие, на котором в общем случае осуществляется допечатная подготовка (изготовление печатных форм, клише, штампов для высечки, фотоформ), нанесение изображения на носитель (бумага, пластик, металл) — печатание тиража, а также послепечатная обработка печатной продукции (брошюровка, переплет, ламинация, тиснение, конгрев, высечка, склейка и тому подобное).

Типографии могут быть универсальными или специализироваться на отдельных способах печати и видах печатной продукции. Весь цикл полиграфических работ типографий обычно делится на три этапа:

-допечатная подготовка (препресс);

-печать (пресс);

-послепечатная обработка (постпресс).

Предполагаемая мощность предприятия

На предприятии потребляют:

1. Цех 1: 4 линии по 110 кВт(440 кВт), освещение 50 кВт, вентиляция50кВт,кондиционер 10 кВт.

2. Цех 2: 5 станков по 5 кВт (25 кВт), освещение 3 кВт, вентиляция 1,5 кВт.

3. Компрессорная: компрессор на 100 кВт, освещение 20 Вт.

4. Офис 30 кВт.

5. Склад готовой продукции: освещение 5 кВт.

6. Склад сырья: освещение 5 кВт.

Сложив все необходимые мощности получим 674,52 кВт.

Расчёт необходимого водорода

В доступной информации имеется, то что в 2018 году добываемая плотность энергии составила  .

Из одного литра воды можно получить 1234,44 литра водорода или 111,11 грамм и 604,69 литра воздуха. То есть для выработки 700 кВт (берем с запасом) нам понадобится 35 литров водорода в секунду или 3,15 грамма. В сутки понадобится 11,34 кг водорода.

В мире себестоимость килограмма водорода составляет 3-4 доллара, либо можно не закупать, а производить самим водород из воды, за счёт электролиза, либо за счёт разложения биомусора.

Список литературы:

1. Н.Н. Пономарев-Степной и др. Атомный энерготехнологический комплекс с высокотемпературными газоохлаждаемыми реакторами для масштабного экологически чистого производства водорода из воды и природного газа. / Газовая промышленность, №11 – 2018 г.
2. Козлов С. И. Водородная энергетика: современное состояние, проблемы, перспективы. — М.: Газпром ВНИИГАЗ, 2009. — 520 с.
3. Кузык Б. Н., Яковец, Ю. В. Россия: стратегия перехода к водородной энергетике. - М.: Институт экономических стратегий, 2007. - 400 с.
4. International Energy Agency. The Future of Hydrogen. Seizing today’s opportunities. Report prepared by the IEA for the G20. IEA Publication - Japan, June 2019.
5. Марцинкевич Б.Л. Здравствуй, дивный водородный мир. Авторский блог Бориса Марцинкевича от 28 июля 2020 года.
6. Клямкин С. Н. Водородная энергетика: достижения и проблемы / С. Н. Клямкин, Б. П. Тарасов // Возобновляемые источники энергии. Вып. 5 : 6 Всерос. науч.-молодежная школа, Москва, 26-27 нояб. 2008 г. – М., 2008. – С. 147-157.