Роль водорода в энергетическом переходе и в космической гонке

Водород и его использование в качестве источника энергии сыграли очень важную роль в космических путешествиях. В этом материале мы расскажем, как водород использовался в программе Apollo, которая привела человека на Луну, и его роли в текущем переходе энергии.

В недавних новостях о завоевании космоса и фотоэлектрической революции AleaSoft описал роль некоторых технологий, которые приводят к энергетическому переходу и помогают завоёвывать космос. В частности одна из таких технологий, присутствующая в космических путешествиях – это водород. Несомненно, тот факт, что у него нет ассоциируемой узнаваемой механической конструкции, такой как в случае солнечных батарей с фотоэлектрическими элементами, сделал его присутствие и использование в космических полетах более незаметным. Но не потому что его роль была менее решающей.

Газообразный водород – это самая простая молекула во вселенной, образованная двумя атомами водорода, самый легкий элемент периодической таблицы. В земных условиях температуры и давления он находится в газообразном состоянии, и чтобы превратить его в жидкость, его необходимо охладить до -253 ° С, очень близко к абсолютному нулю. Но для использования в качестве источника энергии его наиболее интересной особенностью является способность сочетаться с кислородом и выделять энергию. 

Водород в путешествии, которое привело людей на Луну

Теперь, когда отмечается пятидесятая годовщина первого полета человека на Луну, интересно упомянуть, что среди других технологий это путешествие стало возможным благодаря водороду. Наиболее заметное участие водорода в полёте Аполлона-11 было его использование в качестве топлива для ракет Сатурн V. Для первой фазы взлета ракеты, когда он поднимается над землей в середине огненного шара, пять двигателей F-1 Сатурна V использовали керосин и кислород в качестве топлива. Но на втором и третьем этапах двигатели J-2 использовали водород и кислород и отвечали за вывод зонда на орбиту и за окончательную тягу, которую транспортное средство отправило на Луну.

Что касается ракетного двигателя, то используется способность сжигать водород в качестве ископаемого топлива и производить тепло, но с той важной разницей, что при его сгорании CO2 не образуется, только H2O, то есть вода. Водород можно использовать в качестве топлива в основном по той же технологии, что и для ископаемого топлива, и развивать аналогичную мощность. Сложность водорода заключается в его управлении, поскольку он должен храниться под давлением, и, будучи такой маленькой молекулой, подвержен утечкам.

Другое применение водорода в полётах на Луну было для производства электричества на модулях миссий Аполлона. Точно так же, как при использовании электричества, вода может быть разделена на водород и кислород путем электролиза, объединение водорода и кислорода в топливном элементе может производить электричество и воду. Три топливных элемента обеспечивали достаточную мощность для работы всех приборов космического зонда. Кроме того, продукт реакции, который объединял водород и кислород, использовался в системе охлаждения некоторых устройств и даже в качестве питьевой воды для экипажа, хотя с некоторыми неудобствами, такими как плохой вкус и пузырьки газа, которые были созданы в невесомых условиях. 

Энергетический переход

Роль, которую водород будет играть в энергетическом переходе, предполагает как его использование в качестве топлива, так и для непосредственного производства электроэнергии. 

С точки зрения его использования в качестве топлива, водород теперь можно использовать в смеси с природным газом до определенной концентрации без изменения существующей технологии. Использование водорода, смешанного с природным газом в комбинированном цикле, для выработки электроэнергии или подачи ее непосредственно в газораспределительную сеть может помочь сократить выбросы CO2 и снизить потребность в природном газе.

В использовании для прямой генерации электричества путем химической реакции с кислородом его наиболее заметное применение – в водородных транспортных средствах. Автомобиль на водороде работает на электрическом двигателе, но в отличие от подключаемых электромобилей, электричество, необходимое для его работы, вырабатывается в самом транспортном средстве в топливном элементе, который заставляет водород реагировать с кислородом воздуха для производства электроэнергии. Электричество приводит в действие электродвигатель, и единственный минус – вода, произведенная во время реакции.

Сравнение между водородными транспортными средствами и электромобилями с аккумуляторной батареей является обычным явлением, и существует очень интересная дискуссия о том, какой из двух вариантов следует выбрать для декарбонизации транспорта. Хотя есть и те, кто отстаивает здравый смысл сосуществования двух технологий в будущем мобильном парке.

Среди преимуществ водородного транспортного средства перед батареями выделяются автономность, вес и время заправки. При этом к недостаткам относятся сложность, оперативность и, по крайней мере, на данный момент, цена и наличие точек заправки. Ожидается, что каждая технология будет иметь свою долю рынка в зависимости от использования и потребностей автомобиля. В обычных автомобилях со средним расстоянием менее 200 км автомобиль с электрическим аккумулятором идеально подходит, если его можно заряжать ночью или во время парковки. Для транспортных средств, которым требуется больше энергии, чтобы преодолевать большие расстояния, таких как грузовые автомобили, лодки или самолеты, водород будет более жизнеспособным вариантом.

Но ключевая роль водорода в переходе энергии, по мнению специалистов AleaSoft, будет в сочетании с возобновляемыми источниками. Недостатки прерывистого источника возобновляемой энергии, такого как ветер или фотоэлектрическая энергия, могут быть решены с использованием водорода в качестве накопителя энергии. Когда имеется избыток электроэнергии или когда цена на рынке электроэнергии очень низкая, возобновляемая генерация может использоваться для производства водорода. Этот водород может храниться и превращаться в электричество в топливном элементе, когда рыночная цена более выгодна, или даже продаваться напрямую для использования в качестве топлива или для заправки водородных транспортных средств. 

Производство водорода

Для того чтобы водород эффективно помогал сократить выбросы CO2, необходимо, чтобы CO2 не генерировался во время его производства. Генерация водорода непосредственно с помощью электролиза воды стоит дорого, потому что это процесс, который требует много электричества, поэтому большая часть водорода в настоящее время производится из метана. В процессе паровой конверсии четыре молекулы водорода образуются из каждой молекулы метана, но также и молекулы CO2.

Но генерирование водорода путем электролиза не означает, что CO2 не выделяется. Если электричество, используемое для электролиза, не является возобновляемым на 100%, то в какой-то момент при выработке водорода произошел выброс CO2. Именно здесь синергия между водородом и возобновляемыми источниками энергии играет ключевую роль. Например, установка по производству водорода, связанная с фотоэлектрической установкой, предполагает наличие возобновляемой энергии при очень низких затратах для производства 100% водорода без выбросов CO2. 

Водородная революция + фотоэлектрическая революция

Будущее водорода ставит очень интересные задачи, которые приведут к значительным улучшениям в эффективности его использования, например, в топливе и топливных элементах, а также в его производстве путем электролиза. Природа возобновляемого и экологически чистого газа позиционирует его как несомненного победителя в борьбе с загрязняющими и невозобновляемыми ископаемыми видами топлива.

Согласно AleaSoft, водородная революция будет завершена, если она будет сочетаться с фотоэлектрической революцией, потому что оба компенсируют недостатки друг друга и дополняют друг друга. Способность использовать водород для хранения энергии будет обеспечивать прерывистость фотоэлектрических технологий и будет означать, что нет необходимости продавать продукцию, когда рыночные цены на электроэнергию ниже. Для водорода недорогая и возобновляемая энергия от фотоэлектрических систем является ключом к наличию газа, который может постепенно заменить другие виды топлива, такие как дизельное топливо, бензин и затем природный газ.

Елизавета

Редактор ЭНЕРГОСМИ.РУ

Добавить комментарий