Статья поступила в редакцию 12.03.12. Ред. рег. № 1265
The article has entered in publishing office 12.03.12. Ed. reg. No. 1265
УДК 661.96, 629.02
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВОДОРОДНЫХ ТРАНСПОРТНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ
12 11 А.В. Вахрушев , Ю.Г. Яновский , И.А. Шестаков , А.Ю. Федотов
1Институт механики УрО РАН 426067 Ижевск, ул. Татьяны Барамзиной, д. 34 Тел.: 8 (3412) 21-45-83, e-mail: vakhrushev-a@yandex.ru, dvigateligor@gmail.com, alezfed@gmail.com 2Институт прикладной механики РАН 125040 Москва, Ленинградский пр., д. 7 Тел.: 8 (495) 938-18-36, e-mail: iam@ipsun.ras.ru
Заключение совета рецензентов: 25.03.12 Заключение совета экспертов: 05.04.12 Принято к публикации: 15.04.12
В настоящее время в связи с использованием в качестве топлива нефти происходит глобальное потепление и загрязнение окружающей среды, которое признают все ученые мира. Наиболее экологически чистым источником энергии является водород. Важно создать единую транспортную и энергетическую систему, которая включает в себя водородный транспорт и полностью автономную водородную энергетическую станцию, не зависящую от снабжения извне электрической энергией и топливом. Целью данной статьи является предложение схемы единой водородной транспортно-энергетической системы, включающей водородную энергетическую станцию и автомобиль специального назначения с использованием бака водорода.
Ключевые слова: водородная энергетика, водородный транспорт, солнечная электростанция.
SCIENTIFIC AND TECHNICAL BASIS OF HYDROGEN TRANSPORT
AND ENERGY SYSTEMS
A.V. Vakhrushev1, Yu.G. Yanovskiy2, I.A. Shestakov1 A.Yu. Fedotov1
'Institute of Mechanics, Ural Branch of RAS 34 Baramzinoy str., Izhevsk, 426067, Russia Tel.: 8 (3412) 21-45-83, e-mail: vakhrushev-a@yandex.ru, dvigateligor@gmail.com, alezfed@gmail.com 2Institute of Applied Mechanics of RAS 7 Leninskiy ave., Moscow, 125040, Russia Tel.: 8 (495) 938-18-36, e-mail: iam@ipsun.ras.ru
Referred: 25.03.12 Expertise: 05.04.12 Accepted: 15.04.12
At the present time due to the use of oil as fuel, global warming and pollution takes place, which is recognized by all scientists in the world. The most environmentally friendly source of energy is hydrogen. Most important is to create a unified transport and energy system, which includes the hydrogen vehicles and completely autonomous hydrogen station, which is independent of external supply of electrical energy and fuel. The purpose of this paper is to propose a unified scheme of hydrogen transport and energy systems, including hydrogen energy station and a special purpose vehicle with the tank of hydrogen.
Keywords: hydrogen energy, hydrogen vehicles, solar power.
Александр Васильевич Вахрушев
Сведения об авторе: д-р физ.-мат. наук, заведующий лабораторией механики наноструктур Института механики УрО РАН.
Образование: Ижевский механический институт (1976).
Область научных интересов: физико-химия наносистем, наночастицы, нанокомпозиты, методы математического моделирования наносистем. Публикации: более 180 статей, 10 патентов.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 04 (108) 2012 © Научно-технический центр «TATA», 2012
Сведения об авторе: д-р техн. наук, профессор, директор Института прикладной механики РАН.
Область научных интересов: физико-химия наносистем, наночастицы, нанокомпозиты Публикации: более 400 статей, ряд монографий и книг, свыше 50 отечественных и зарубежных патентов на изобретения..
Юрий Григорьевич Яновский
Игорь Александрович Шестаков
Алексей Юрьевич Федотов
Сведения об авторе: канд. техн. наук, научный сотрудник лаборатории механики наноструктур Института механики УрО РАН.
Образование: Ижевский механический институт (2004).
Область научных интересов: аккумулирование водорода с использованием наноматериа-лов, водородная энергетика, инженерные задачи по созданию аккумулятора-бака водорода, конструирование автомобилей.
Публикации: 5 статей, 15 тезисов докладов конференций, 5 патентов.
Сведения об авторе: канд. физ.-мат. наук, старший научный сотрудник лаборатории механики наноструктур Института механики УрО РАН.
Образование: Ижевский технический государственный университет (2005). Область научных интересов: формирование наночастиц и композиционных материалов, моделирование наносистем.
Публикации: около 40 статей, 1 патент.
Введение
В настоящее время в связи с использованием в качестве топлива нефти происходит глобальное потепление и загрязнение окружающей среды, которое признают все ученые мира. Парниковый эффект является основной причиной повышения температуры. Исследованию данной темы и конкретные предложения по внедрению солнечных электростанций посвящены работы [1-6].
В сложившейся ситуации актуально и перспективно создание мощной альтернативы углеводородному сырью для транспортных средств. Наиболее экологически чистым источником энергии является водород. Это обусловлено рядом причин: для получения водорода используются возобновляемые источники энергии (солнце, ветер, вода), в результате сгорания водорода образуется чистая вода.
Наиболее важно создать единую транспортную и энергетическую систему, которая включает в себя
водородный транспорт и полностью автономную водородную энергетическую станцию, не зависящую от снабжения извне электрической энергией и топливом. Только комплексная система позволит полноценно развиться водородной энергетике, так как у водородных энергетических станций есть постоянные потребители, а у потребителей есть надежный поставщик топлива. Целью данной статьи является предложение схемы единой водородной транспорт-но-энергетической системы, включающей водородную энергетическую станцию и автомобиль специального назначения с использованием бака водорода.
Анализ ситуации
Солнечная станция по производству водорода.
Швейцарская компания Clean Hydrogen Producers разработала параболические солнечные концентраторы, которые способны произвести водород из воды [7]. Площадь зеркал установки составляет 93 м2, при
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 04 (108) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
таких параметрах в фокусе концентратора температура составляет 2200 °С, а вода начинает разделяться на кислород и водород уже при температуре 1700 °С. За одни сутки установка может разделить на кислород и водород 94,9 литра воды, что соответствует 10,4 кг водорода в день. Фирма NANOPTEK также разрабатывает и производит солнечные водородные генераторы [8-9].
Солнечные электростанции. Все солнечные электростанции делятся на следующие типы: СЭС башенного типа, тарельчатого типа, использующие фотобатареи, использующие параболические концентраторы, комбинированные, аэростатные солнечные электростанции. Входной энергией является солнечный энергетический поток, далее он преобразуется в электрический ток. При этом солнечная электростанция работает параллельно и питает энергией вспомогательные системы: параболические солнечные концентраторы, станцию по хранению водорода, станцию по производству и хранению жидкого азота и станцию по заправке водородом.
В 2011 году в ОАЭ открыта первая в мире коммерческая электростанция Gemasolar Power Plant, способная работать за счет солнечной энергии 24 часа в сутки [10]. Мощность этой станции 19,9 МВт. Gemasolar - концентрационная солнечная электро-
станция, она использует энергию солнца для нагрева расплавленных солей, которые вырабатывают из воды пар. Пар приводит во вращение турбины, производящие электрический ток.
Австрийская компания Activ Solar в 2011 г. построила в Перово (Крым) солнечную электростанцию мощностью 100 МВт. Электростанция состоит из 440 000 кристаллических солнечных фотоэлектрических модулей, установленных на более чем 200 га площади и соединенных кабелем длиной 1500 км. Установка будет производить 132 500 МВтч чистой электроэнергии в год, что достаточно для удовлетворения плановой пиковой потребности в электроэнергии Симферополя, столицы Крыма. Станция позволяет сократить выбросы СО2 на 105 тысяч тонн в год.
Водородная энергетическая станция
В работе предлагается следующая схема стационарной водородной энергетической системы: солнечная электростанция, станция по производству водорода, станция по хранению водорода, станция по производству и хранению жидкого азота, станция по заправке водородом (рис. 1).
Рис. 1. Водородная транспортно-энергетическая система: 1 - параболические солнечные концентраторы, вырабатывающие водород; 2 - солнечные фотоэлектрические модули, вырабатывающие электрический ток, необходимый для работы станции и дополнительного получения водорода; 3 - электрическая подстанция; 4 - модуль по производству водорода электролизом воды, сжатию кислорода и водорода; 5 - станция по хранению сжатого водорода, кислорода, вспомогательная станция по производству и хранению жидкого азота; 6 - станция по заправке водородом и жидким азотом; 7 - автомобиль специального назначения Fig. 1. Hydrogen transport and energy system: 1 - parabolic solar concentrators that produce hydrogen; 2 - solar photovoltaic modules that produce electricity needed to operate the station and additional hydrogen; 3 - electric substation; 4 - module to produce hydrogen by electrolysis of water, compressed hydrogen and oxygen; 5 - station for the storage of compressed hydrogen, oxygen, auxiliary plant for the production and storage of liquid nitrogen; 6 - fueling station for hydrogen and liquid nitrogen; 7 - special-purpose vehicle
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 04 (108) 2012 © Научно-технический центр «TATA», 2012
Солнечная станция по производству водорода.
Будут использоваться параболические солнечные концентраторы. Таким образом, отпадает необходимость в солнечной электростанции как основном источнике энергии для производства водорода. Данная схема получения водорода, по мнению авторов, наиболее проста, эффективна и значительно дешевле, так как солнечная энергия напрямую направлена на производство водорода из воды.
Солнечная электростанция. В энергетической системе
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.