Водородная экономика представляет собой концепцию энергетической промышленности, которая использует главным образом или исключительно водород в качестве энергоносителя. До сих пор водородная экономика не была реализована ни в одной стране на Земле.

Как и электричество, водород не является источником первичной энергии, но должен быть сначала получен искусственно и с потерями энергии из других источников энергии (ископаемых, ядерных или возобновляемых энергий). Таким образом, водородная экономика не является автоматически устойчивой, но только устойчивой, как первичная энергия, из которой производится водород. В настоящее время это в основном осуществляется с использованием водорода для использования в химической промышленности на основе ископаемого топлива, с другой стороны, Концепции будущих экономик водорода, в основном предусматривают образование водорода из возобновляемых источников энергии, что может привести к такой водородной экономике без вредных выбросов.

Хотя во многих странах в настоящее время не существует классической современной водородной экономики, планируется включить водород или водородные топлива, такие как метан или метанол, в существующую энергетическую инфраструктуру в рамках перехода энергии и расширения возобновляемых источников энергии. Важную роль играет технология «газ-газ», которая играет важную роль в качестве долговременного хранения.

Уровни энергетической отрасли
Идеи основаны на внедрении водорода на всех уровнях энергетики:

Разработка необходимых первичных источников энергии
Энергетическая продукция
Хранилище энергии
Использование энергии
Торговля и распределение энергии
Продажа и выставление счетов
Обеспечение безопасности поставок
Каждый из этих уровней технически исследован и частично реализован для водорода.

Производство, хранение, инфраструктура
Сегодня в основном добывается водород (> 90%) из ископаемых источников. Связывание его централизованного производства с парком легковых транспортных средств на топливных элементах потребует размещения и строительства распределительной инфраструктуры с большими инвестициями капитала. Кроме того, необходимо устранить технологическую проблему обеспечения безопасного и энергоемкого хранения водорода на борту транспортного средства, чтобы обеспечить достаточный диапазон между наполнителями.

Способы производства
Молекулярный водород недоступен на Земле в удобных природных водоемах. Большинство водорода в литосфере связано с кислородом в воде. Для изготовления элементарного водорода требуется потребление водородного носителя, такого как ископаемое топливо или вода. Бывший перевозчик потребляет ископаемый ресурс и производит углекислый газ, но часто не требует дополнительной подачи энергии за пределы ископаемого топлива. Для разложения воды последний носитель требует ввода электро- или тепловой энергии, генерируемого из источника первичной энергии (ископаемого топлива, ядерной энергии или возобновляемой энергии). Водород также может быть получен путем очистки сточных вод от геотермальных источников в литосфере. Водород, полученный из источников возобновляемой энергии с нулевым уровнем выбросов, таких как электролиз воды с использованием энергии ветра, солнечной энергии, гидроэнергии, мощности волн или приливной энергии, называется зеленым водородом. Водород, вырабатываемый невозобновляемыми источниками энергии, может упоминаться как коричневый водород. Водород, образующийся в качестве побочного продукта отходов или промышленного побочного продукта, иногда называют серосодержащим водородом.

Современные методы производства
Водород промышленно производится из парового риформинга, в котором используются ископаемые виды топлива, такие как природный газ, нефть или уголь. Энергетическое содержание полученного водорода меньше, чем энергетическое содержание исходного топлива, часть которого теряется как чрезмерное тепло во время производства. Паровой риформинг приводит к выбросам углекислого газа, как и двигатель автомобиля.

Небольшая часть (4% в 2006 году) производится электролизом с использованием электричества и воды, потребляя около 50 киловатт-часов электроэнергии на килограмм произведенного водорода.

Kværner-процесс
Процесс Кварнер-процесса или Кварнер-углеродно-водородный процесс (CB & H) — это метод, разработанный в 1980-х годах одноименной норвежской компанией для производства водорода из углеводородов (CnHm), таких как метан, природный газ и биогаз , Из доступной энергии корма примерно 48% содержится в водороде, 40% содержится в активированном угле и 10% в перегретом паре.

Электролиз воды
Водород может быть получен посредством электролиза высокого давления, электролиза низкого давления воды или ряда других возникающих электрохимических процессов, таких как электролиз с высокой температурой или электролиз с углеродом. Однако лучшие в настоящее время процессы электролиза воды имеют эффективный электрический КПД 70-80%, так что для получения 1 кг водорода (удельная энергия 143 МДж / кг или около 40 кВтч / кг) требуется 50-55 кВтч электричество. При стоимости электроэнергии в размере 0,06 долл. США за кВтч, как указано в целевых показателях производства водорода на месторождении Департамента энергетики на 2015 год, стоимость водорода составляет 3 долл. США / кг. Учитывая диапазон цен на природный газ с 2016 года, как показано на графике («Дорожная карта технической технологии производства водорода», ноябрь 2017 года), стоимость стоимости SMR водорода составляет от 1,20 долл. США до 1,50 долл. США, себестоимость водорода через электролиз по-прежнему превышает вдвое 2015 год водород водорода целевые цены. Ориентировочная цена США на энергоносители в 2020 году составляет 2,30 долл. США / кг, что требует стоимости электроэнергии в размере 0,037 долл. США за кВтч, чего можно достичь, учитывая недавние тендеры по ППА для ветра и солнечной энергии во многих регионах. Это ставит объектно-ориентированную задачу в размере $ 4 / gge H2 в пределах досягаемости и приближается к немного повышенной стоимости добычи природного газа для SMR.

В других частях мира реформинг пара метана составляет в среднем от 1-3 до 3 кг. Это делает производство водорода по электролизу конкурентоспособным по стоимости во многих регионах уже, как об этом говорит Нил Водород и другие, в том числе статья МЭА, в которой рассматриваются условия, которые могут привести к конкурентному преимуществу для электролиза.

Экспериментальные методы производства

Биологическое производство
Ферментативное производство водорода представляет собой ферментативное превращение органического субстрата в биоводород, проявляемое разнообразной группой бактерий с использованием нескольких ферментных систем с тремя стадиями, аналогичными анаэробной конверсии. Реакции темной ферментации не требуют световой энергии, поэтому они способны непрерывно производить водород из органических соединений в течение дня и ночи. Фотоферментация отличается от темного брожения, потому что она протекает только при наличии света. Например, фото-ферментация с Rhodobacter sphaeroides SH2C может быть использована для превращения небольших молекулярных жирных кислот в водород. Электрогидрогенез используется в микробных топливных элементах, где водород образуется из органического вещества (например, из сточных вод или твердого вещества), в то время как применяется 0,2-0,8 В.

Биологический водород может быть получен в биореакторе водорослей. В конце 1990-х годов было обнаружено, что если водоросли лишены серы, он переключится с производства кислорода, то есть нормального фотосинтеза, на производство водорода.

Биологический водород может быть получен в биореакторах, которые используют сырье, отличное от водорослей, наиболее распространенным сырьем является поток отходов. Этот процесс включает бактерии, питающиеся углеводородами и выделяющие водород и CO2. СО2 можно успешно секвестрировать несколькими способами, оставив газообразный водород. В 2006-2007 годах NanoLogix впервые продемонстрировал прототип водородного биореактора с использованием отходов в качестве сырья на заводе виноградного сока Уэлча на северо-востоке штата Пенсильвания (США).

Биолитический электролиз
Помимо регулярного электролиза, электролиз с использованием микробов — еще одна возможность. При биокатализированном электролизе водород образуется после прохождения через микробный топливный элемент, и могут использоваться различные водные растения. К ним относятся тростниковая сладкая трава, кордушка, рис, помидоры, люпины и водоросли

Электролиз высокого давления
Электролиз высокого давления — это электролиз воды путем разложения воды (H2O) на кислород (O2) и газообразный водород (H2) посредством пропускания электрического тока через воду. Разница со стандартным электролизером — сжатый водородный выход около 120-200 бар (1740-2900 фунтов на квадратный дюйм, 12-20 МПа). Из-за повышения давления водорода в электролизере с помощью процесса, известного как химическое сжатие, устраняется необходимость в внешнем водородном компрессоре, средний расход энергии для внутреннего сжатия составляет около 3%. В Коккола, Финляндия, работает крупнейший в Европе (1 400 000 кг / год, электролиз высокого давления воды, алкановая технология).

Высокотемпературный электролиз
Водород может генерироваться из энергии, подаваемой в виде тепла и электричества через высокотемпературный электролиз (HTE). Поскольку часть энергии в HTE подается в виде тепла, меньшее количество энергии должно быть преобразовано дважды (от тепла к электричеству, а затем в химическую форму), и поэтому на килограмм произведенного водорода требуется гораздо меньше энергии.

В то время как ядерная энергия может быть использована для электролиза, ядерное тепло может быть непосредственно применено для разделения водорода из воды. Газовые охладители с высокой температурой (950-1000 ° C) имеют потенциал для разделения водорода из воды с помощью термохимических средств с использованием ядерного тепла. Исследование высокотемпературных ядерных реакторов может в конечном итоге привести к поставке водорода, которая является конкурентоспособной по стоимости с паровым риформингом природного газа. General Atomics прогнозирует, что водород, образующийся в высокотемпературном газоохлаждаемом реакторе (HTGR), будет стоить $ 1,53 / кг. В 2003 году паровой риформинг природного газа дал водород на уровне 1,40 долл. США / кг. В 2005 году цены на природный газ, водород стоят 2,70 долл. / Кг.

Высокотемпературный электролиз был продемонстрирован в лаборатории на 108 МДж (тепловой) на килограмм произведенного водорода, но не в промышленном масштабе. Кроме того, это низкокачественный «коммерческий» сорт водород, непригодный для использования в топливных элементах.

Фотоэлектрохимическое разделение воды
Использование электроэнергии, производимой фотогальваническими системами, предлагает самый чистый способ получения водорода. Вода разбивается на водород и кислород путем электролиза — фотоэлектрохимической ячейки (PEC), который также называется искусственным фотосинтезом. Уильям Айерс из Energy Conversion Devices продемонстрировал и запатентовал первую многоцелевую высокоэффективную фотоэлектрохимическую систему для прямого разделения воды в 1983 году. Эта группа продемонстрировала прямое разделение воды, которое теперь называется «искусственным листом» или «беспроводным солнечным расщеплением воды» с низкой стоимостью тонкопленочный аморфный кремниевый многослойный лист, погруженный непосредственно в воду. Водород выделялся на передней поверхности аморфного кремния, украшенной различными катализаторами, в то время как кислород выделялся из задней металлической подложки. Мембрана Nafion над многоцелевой ячейкой обеспечивала путь переноса ионов. В их патенте также перечислены различные полупроводниковые многоцелевые материалы для прямого разделения воды в дополнение к аморфным сплавам на основе кремния и кремния. Исследования продолжаются в направлении разработки высокоэффективных многоячеистых сотовых технологий в университетах и ​​фотоэлектрической промышленности. Если этому процессу помогают фотокатализаторы, суспендированные непосредственно в воде, вместо использования фотовольтаической и электролитической систем, реакция протекает всего за один шаг, что может повысить эффективность.

Фотоэлектрокаталитическое производство
Метод, изученный Томасом Нанном и его командой в Университете Восточной Англии, состоит из золотого электрода, покрытого слоями наночастиц фосфида индия (InP). Они ввели комплекс железо-серум в слоистую структуру, которая при погружении в воду и облучение светом под небольшим электрическим током производила водород с эффективностью 60%.

В 2015 году сообщалось, что Panasonic Corp. разработала фотокатализатор на основе нитрида ниобия, который может поглощать 57% солнечного света для поддержки разложения воды для получения газообразного водорода. Компания планирует достичь коммерческого применения «как можно раньше», а не до 2020 года.

Концентрация солнечной теплоты
Для диссоциации воды в водород и кислород требуются очень высокие температуры. Для обеспечения работы процесса при допустимых температурах необходим катализатор. Нагревание воды может быть достигнуто за счет использования концентрирующей солнечной энергии. Hydrosol-2 является 100-киловаттной экспериментальной установкой в ​​Plataforma Solar de Almería в Испании, которая использует солнечный свет для получения требуемого от 800 до 1200 ° C для нагрева воды. Hydrosol II работает с 2008 года. Конструкция этой 100-киловаттной опытной установки основана на модульной концепции. В результате может оказаться возможным, что эта технология может быть легко увеличена до мегаваттного диапазона путем умножения доступных блоков реактора и подключения станции к гелиостатным полям (полям солнцезащитных зеркал) подходящего размера.

Термохимическое производство
Существует более 352 термохимических цикла, которые могут быть использованы для разделения воды, около десятка таких циклов, таких как цикл оксида железа, оксидный цикл оксид-церий (III) церия (IV), цинк-оксид цинка, серо-йод цикл, цикл медь-хлор и гибридный цикл серы находятся в стадии исследования и на стадии испытаний для производства водорода и кислорода из воды и тепла без использования электричества. Эти процессы могут быть более эффективными, чем высокотемпературный электролиз, типичный в диапазоне от 35 до 49% эффективности LHV. Термохимическое производство водорода с использованием химической энергии из угля или природного газа обычно не рассматривается, поскольку прямой химический путь более эффективен.

На производственных уровнях ни один из процессов производства термохимического водорода не был продемонстрирован, хотя некоторые из них были продемонстрированы в лабораториях.

Водород как побочный продукт других химических процессов
Промышленное производство хлора и каустической соды путем электролиза генерирует значительное количество водорода в качестве побочного продукта. В порту Антверпена 1-миллиметровая демонстрационная электростанция топливных элементов питается от такого побочного продукта. Это устройство работает с конца 2011 года. Избыток водорода часто управляется с помощью анализа водорослей.

Место хранения
Хотя молекулярный водород имеет очень высокую плотность энергии на основе массы, частично из-за его низкой молекулярной массы, в качестве газа при окружающих условиях он имеет очень низкую плотность энергии по объему. Если он используется в качестве топлива, хранящегося на борту транспортного средства, чистый газообразный водород должен храниться в плотной форме, чтобы обеспечить достаточный диапазон движения.

Напорный газообразный водород
Увеличение давления газа увеличивает плотность энергии по объему, делая для меньших, но не более легких контейнерных емкостей (см. Сосуд высокого давления). Достижение более высокого давления требует более широкого использования внешней энергии для сжатия. Масса водородных резервуаров, необходимых для сжатого водорода, уменьшает экономию топлива транспортного средства. Поскольку это небольшая молекула, водород имеет тенденцию диффундировать через любой материал гильзы, предназначенный для его содержания, что приводит к охрупчиванию или ослаблению его контейнера. Наиболее распространенный метод хранения водорода на борту в современных демонстрационных транспортных средствах — это сжатый газ при давлениях около 700 бар (70 МПа).

Жидкий водород
Альтернативно, можно использовать более высокую объемную плотность энергии жидкого водорода или слякотного водорода. Однако жидкий водород является криогенным и кипит при 20,268 К (-252,882 ° С или -423,188 ° F). Криогенное хранение уменьшает вес, но требует больших энергий сжижения. Процесс сжижения, включающий стадии повышения давления и охлаждения, является энергоемким. Сжиженный водород имеет более низкую плотность энергии по объему, чем бензин, примерно в четыре раза из-за низкой плотности жидкого водорода — на литр бензина (116 грамм) на самом деле больше водорода, чем в литре чистой жидкости водорода (71 г). Жидкие резервуары для хранения водорода также должны быть хорошо изолированы, чтобы свести к минимуму кипение.

В Японии есть хранилище жидкого водорода (LH2) на терминале в Кобе, и ожидается, что он будет получать первую партию жидкого водорода через носитель LH2 в 2020 году. Водород сжижается путем снижения его температуры до -253 ° C, аналогично сжиженному природному газ (СПГ), который хранится при -162 ° С. Потенциальная потеря эффективности составляет 12,79%, или 4,26 кВт / ч из 33,3 кВт / ч.

Хранение в виде гидрида
В отличие от хранения молекулярного водорода, водород можно хранить в виде гидрида или в каком-либо другом водосодержащем соединении. Водородный газ взаимодействует с некоторыми другими материалами для получения материала для хранения водорода, который можно транспортировать относительно легко. В момент использования материал для хранения водорода можно разлагать, получая газообразный водород. Так же, как и проблемы массовой и объемной плотности, связанные с хранением молекулярного водорода, существующие барьеры для практических схем хранения обусловлены условиями высокого давления и температуры, необходимыми для образования гидрида и выделения водорода. Для многих потенциальных систем также необходимо решить проблемы, связанные с гидрированием и обезвоживанием, а также с управлением теплотой. Французская компания McPhy Energy разрабатывает первый промышленный продукт на основе гидрата магния, который уже продан некоторым крупным клиентам, таким как Иватани и ENEL.

адсорбция
Третий подход заключается в адсорбировании молекулярного водорода на поверхности твердого материала для хранения. В отличие от упомянутых выше гидридов, водород не диссоциирует / рекомбинируется при зарядке / разряде системы хранения и, следовательно, не страдает кинетическими ограничениями многих систем хранения гидридов. Плотность водорода, подобную сжиженному водороду, может быть достигнута с использованием подходящих адсорбирующих материалов. Некоторые предлагаемые адсорбенты включают активированный уголь, наноструктурированные атомы углерода (включая УНТ), МОФ и гидрат клатрата водорода.

Подземное хранилище водорода
Подземное хранилище водорода — это практика хранения водорода в подземных пещерах, соляных куполах и истощенных нефтяных и газовых месторождениях. Большое количество газообразного водорода хранилось в подземных пещерах ICI в течение многих лет без каких-либо трудностей. Хранение больших количеств жидкого водородного подземного газа может функционировать в качестве хранилища энергии в сетях. Эффективность обратного хода составляет приблизительно 40% (против 75-80% для насосно-гидроузла (PHES)), а стоимость немного выше, чем нагнетаемая гидросистема. Другое исследование, на которое ссылается рабочий документ европейского персонала, показало, что для крупногабаритного хранилища самым дешевым вариантом является водород при 140 евро / МВт-ч в течение 2000 часов хранения с использованием электролизера, хранилища соляных пещер и электростанции с комбинированным циклом. Европейский проект Hyunder указал в 2013 году, что для хранения энергии ветра и солнечной энергии требуются дополнительные 85 пещер, поскольку они не могут быть охвачены системами PHES и CAES. В немецком исследовании, посвященном хранению водорода в соляных пещерах, было обнаружено, что если избыток германской энергии (7% от общей переменной возобновляемой генерации к 2025 году и 20% к 2050 году) будет преобразован в водород и сохранен в подземном режиме, для этих количеств потребуется около 15 пещер к 2025 году — 500 000 кубических метров, а к 2050 году — около 60 пещер, что соответствует примерно трети количества подземных газовых пещер, которые в настоящее время эксплуатируются в Германии. В США Sandia Labs проводит исследования по хранению водорода в истощенных нефтяных и газовых месторождениях, которые могут легко поглощать большое количество возобновляемого водорода, поскольку существует около 2,7 миллиона истощенных скважин.

Мощность газа
Мощность газа — это технология, которая преобразует электроэнергию в газовое топливо. Существует 2 метода: первый — использовать электричество для разделения воды и впрыскивать полученный водород в сетку природного газа. Второй (менее эффективный) метод используется для преобразования двуокиси углерода и воды в метан (см. Природный газ) с использованием электролиза и реакции Сабатье. Затем избыточная мощность или пиковая мощность, генерируемая ветрогенераторами или солнечными батареями, затем используется для балансировки нагрузки в энергосети. Использование существующей системы природного газа для водорода Производитель топливных элементов Водород и распределитель природного газа Enbridge объединились для развития такой мощности в газовой системе в Канаде.

Хранение трубопроводов
Для хранения водорода может использоваться сеть природного газа. Перед переходом на природный газ немецкие газовые сети эксплуатировались с использованием городских горок, которые по большей части состояли из водорода. Емкость хранилища немецкой сети природного газа составляет более 200 000 ГВт • ч, что достаточно для нескольких месяцев потребления энергии. Для сравнения, мощность всех немецких насосных станций составляет всего около 40 ГВт • ч. Транспортировка энергии через газовую сеть осуществляется с гораздо меньшими потерями (<0,1%), чем в энергосистеме (8%). Использование существующих газопроводов для водорода изучалось NaturalHy инфраструктура Водородная инфраструктура будет состоять в основном из промышленного водопроводного транспорта и оборудованных водородом заправочных станций, подобных тем, которые находятся на водородной магистрали. Водородные станции, которые не были расположены вблизи водопровода, получили бы поставку через цистерны для водорода, прессованные водотрубные прицепы, жидкие водородные прицепы, цистерны с жидким водородом или специализированное производство на месте. Из-за водородного охрупчивания стали и коррозии трубы природного газа требуют внутренних покрытий или замены для подачи водорода. Методы хорошо известны; более 700 миль водородного трубопровода в настоящее время существуют в Соединенных Штатах. Хотя дороги, трубопроводы являются самым дешевым способом перемещения водорода. Водородные газопроводы являются обычными на крупных нефтеперерабатывающих заводах, поскольку водород используется для гидрокрекинга топлива из сырой нефти. Водородные трубопроводы можно теоретически избегать в распределенных системах производства водорода, где водород обычно производится на месте с использованием средних или малогабаритных генераторов, которые продуцируют достаточное количество водорода для личного использования или, возможно, окрестности. В конце концов, комбинация вариантов распределения газообразного водорода может преуспеть. Хотя миллионы тонн элементарного водорода распределяются по всему миру каждый год по-разному, приведение водорода к отдельным потребителям потребует развития топливной инфраструктуры. Например, согласно GM, 70% населения США живет вблизи объекта, создающего водород, но малодоступно для этого водорода. Тем не менее, одно и то же исследование показывает, что построение инфраструктуры на систематической основе является гораздо более выполнимым и доступным, чем думают многие. Например, в одной статье было отмечено, что водородные станции могут быть установлены через каждые 10 миль в метро Лос-Анджелесе, а также на шоссе между Лос-Анджелесом и соседними городами, такими как Палм-Спрингс, Лас-Вегас, Сан-Диего и Санта-Барбара, за стоимость Starbuck's латте для каждого из 15 миллионов жителей, проживающих в этих районах. Ключевой компромисс: централизованное и распределенное производство В будущей полной водородной экономике первичные источники энергии и сырье будут использоваться для производства газообразного водорода в качестве запасенной энергии для использования в различных секторах экономики. Производство водорода из первичных источников энергии, отличных от угля, нефти и природного газа, приведет к снижению производства парниковых газов, характерных для сжигания этих ископаемых энергетических ресурсов. Одной из ключевых особенностей водородной экономики было бы то, что в мобильных приложениях (прежде всего в автомобильном транспорте) производство энергии и ее использование могут быть разделены. Первичный источник энергии не должен больше путешествовать с транспортным средством, как это в настоящее время происходит с углеводородным топливом. Вместо выхлопных трубок, создающих рассеянные выбросы, энергия (и загрязнение) может быть получена из точечных источников, таких как крупномасштабные, централизованные объекты с повышенной эффективностью. Это позволит использовать такие технологии, как улавливание углерода, которые в противном случае невозможны для мобильных приложений. В качестве альтернативы могут использоваться схемы распределения энергии (такие как малые возобновляемые источники энергии), возможно, связанные с водородными станциями. Помимо производства энергии, производство водорода может быть централизовано, распределено или смесь обоих. В то время как производство водорода на централизованных первичных энергетических установках обещает более высокую эффективность производства водорода, трудности в транспортировке водорода большого объема на большие расстояния (из-за таких факторов, как повреждение водорода и легкость диффузии водорода через твердые материалы) делают распределение электрической энергии привлекательным в водороде экономика. В таком случае небольшие региональные заводы или даже местные заправочные станции могут генерировать водород, используя энергию, обеспечиваемую через электрическую распределительную сетку. Хотя эффективность генерации водорода, вероятно, будет ниже, чем для централизованной генерации водорода, потери в транспортировке водорода могут сделать такую ​​схему более эффективной с точки зрения первичной энергии, используемой на килограмм водорода, доставляемого конечному пользователю. Правильный баланс между распределением водорода и распределением электроэнергии на большие расстояния является одним из основных вопросов, связанных с водородной экономикой. Опять же, дилеммы источников добычи и транспортировки водорода теперь можно преодолеть с использованием на месте (дома, бизнеса или топливной станции) образования водорода из возобновляемых источников энергии. Распределенный электролиз Распределенный электролиз обходит проблемы распределения водорода путем распределения электроэнергии вместо этого. Он будет использовать существующие электрические сети для транспортировки электроэнергии на небольшие электролизеры на месте, расположенные на заправочных станциях. Однако учет энергии, используемой для производства электроэнергии и потерь при передаче, снизит общую эффективность. Электростанции с комбинированным циклом природного газа, которые составляют почти все строительство новых электростанций в Соединенных Штатах, вырабатывают электроэнергию с эффективностью 60% и более. Увеличение спроса на электроэнергию, будь то из-за водородных автомобилей или другого спроса, окажет маргинальное влияние на добавление новых электростанций с комбинированным циклом. Исходя из этого, распределенное производство водорода будет примерно на 40% эффективным. Однако, если маргинальное воздействие относится к сегодняшней энергосистеме с эффективностью около 40% благодаря сочетанию топлив и методов конверсии, эффективность распределенного производства водорода составит примерно 25%. Ожидается, что распределенное производство водорода таким образом будет генерировать выбросы загрязняющих веществ и диоксида углерода в различных точках цепочки поставок, например, электролиз, транспортировку и хранение. Такие внешние эффекты, как загрязнение, должны быть сопоставлены с потенциальными преимуществами водородной экономики. Энергетическое использование водорода Наиболее важным элементом в использовании водорода является топливный элемент. Он преобразует энергию, содержащуюся в водороде, в тепло и электроэнергию. Использование в доме В производстве электроэнергии внутри страны топливным элементом можно, как и в когенерационном оборудовании, осуществлять когенерацию, что повышает общую эффективность. Поскольку этот режим работы сосредоточен на производстве тепла, эти системы контролируются в соответствии с потребностью в тепловой энергии, а генерируемый электрический ток подается в государственную энергосистему. Vaillant разработал нагреватель топливных элементов, который также может работать с природным газом через риформинг. Теоретически достижимая эффективность, связанная с теплотворной способностью, составляет ок. 83%. Если эффективность, как в случае с тепловыми электростанциями и двигателями внутреннего сгорания, обычно основана на теплотворной способности, это приводит к теоретическому максимальному КПД ок. 98%. В зависимости от типа топливных элементов эффективность системы колеблется от 40% до 65%, хотя неясно, являются ли эти значения теплотворной способностью или калорийностью. Использовать в трафике Автомобиль с водородом имеет i. A. резервуар под давлением (например, 700 бар), который можно заправлять топливом на станции заправки водородом. В качестве способов создания силы можно использовать либо в основном обычный двигатель внутреннего сгорания, аналогичный движению с природным газом, либо «холодное сгорание» в топливном элементе. В транспортном средстве топливного элемента вырабатывается электрическая энергия с топливным элементом, который управляет электродвигателем. Двигатель внутреннего сгорания В качестве горючего газа водород можно сжечь в основном обычном двигателе внутреннего сгорания («двигатель с водородным двигателем»), подобном двигателям с природным газом, с механической вращательной энергией (например, в BMW Hydrogen 7). Топливная ячейка В транспортном средстве топливного элемента вырабатывается электрическая энергия с топливным элементом, который управляет электродвигателем. Водородная технология также проверяется на практике на автобусах. Нынешнее производство водородных автобусов (2009) достигает диапазона около 250 км с 35 кг водорода. Автомобили на топливных элементах намного дороже, чем электромобили. По словам Фрица Хендерсона (CEO General Motors), такой автомобиль будет стоить около 400 000 долларов США (по состоянию на 2009 год). Производители автомобилей Toyota, Nissan, Mercedes-Benz и Honda, как сообщается, резко сократили издержки на производство транспортных средств с водородным двигателем. (Например, Toyota Mirai доступна в Германии чуть менее 80 000 евро.) Toyota выпускает H 2 машины в небольших сериях и отлично вписывается в топливный элемент. С Mercedes B-Class F-Cell и двумя предварительно изготовленными автомобилями Hyundai ix35 Fuel Cell Electric Vehicle (FCEV) диапазон 500 км был достигнут с максимальной скоростью 80 км / ч. Чтобы продемонстрировать пригодность для ежедневного использования водородного привода, Daimler успешно завершил «кругосветное плавание» в мире с несколькими автомобилями на топливных элементах B-класса. 200 автомобилей этого типа были доставлены клиентам в 2010 году. Есть теперь несколько автобусов, z. Например, гибрид Mercedes-Benz Citaro FuelCELL от разных производителей, работающих с топливными элементами. Кроме того, с технологией Hydrail с 2005 года железнодорожные транспортные средства вошли в перспективу водородной экономики. Как одна из первых компаний японской компании East Railroad взяла на себя участие в тестировании гибридного локомотива. В конце 2017 года было заказано 14 поездов с приводом топливных элементов от производителя Alstom в Нижней Саксонии. Швейцарские федеральные железные дороги (SBB) вводили водородные топливные элементы в своих прокатных мини-барах с весны 2014 года, чтобы иметь достаточную энергию для интегрированной эспрессо-машины на дороге, которая теперь также может предложить капучино пассажирам. Обычные аккумуляторы, используемые до сих пор, были бы слишком тяжелыми для этой энергоемкой задачи. Безопасность водорода Водород имеет один из самых широких диапазонов смешения взрывчатых веществ / зажигания с воздухом всех газов, за некоторыми исключениями, такими как ацетилен, силан и этиленоксид. Это означает, что независимо от доли смеси между воздухом и водородом утечка водорода, скорее всего, приведет к взрыву, а не простому пламени, когда пламя или искра воспламенит смесь. Это делает использование водорода особенно опасным в закрытых помещениях, таких как туннели или подземная парковка. Чистые водородно-кислородные пламени сгорают в ультрафиолетовом цветовом диапазоне и почти невидимы невооруженным глазом, поэтому для обнаружения утечки водорода требуется детектор пламени. Водород не имеет запаха, и утечки не могут быть обнаружены запахом. Коды и стандарты водорода - это коды и стандарты для транспортных средств на водородном топливном элементе, применения стационарных топливных элементов и применения переносных топливных элементов.Существуют коды и стандарты для хранения и хранения водорода, например, для установки стационарных систем топливных элементов из Национальной ассоциации противопожарной защиты. Коды и стандарты неоднократно были как нормальный барьер для внедрения водородных технологий и развития водородной экономики. Чтобы обеспечить коммерциализацию водорода в потребительских продуктах, новые строительные нормы и оборудование, а также другие технические стандарты разрабатываются и признаются федеральными, государственными и местными органами власти. Одной из мер дорожной карты является внедрение более высоких стандартов безопасности, таких как раннее обнаружение утечки с помощью датчиков водорода.Канадская программа по обеспечению безопасности в том, что водородное топливо является таким же безопасным, как или более безопасным, чем сжиженный природный газ (СПГ). Европейская комиссия профинансировала первую в мире высшую учебную программу по технике безопасности водорода в Университете Ольстера. Ожидается, что широкая общественность сможет использовать водородные технологии в повседневной жизни, по крайней мере, с таким же уровнем безопасности и комфорта, как и с сегодняшними ископаемыми видами топлива.