Лекция 26. Химическое (водородное) и электрохимическое аккумулирование энергии

Химическое аккумулирование
Химические аккумуляторы можно разделить на два типа: органические и неорганические.
Термохимическое аккумулирование основано на использование энергии связей обратимых химических реакций:
MgCO3(тв.) + 1,2 МДж/кг = MgO(тв.) + CO2(г.)
Ca(OH)2(тв.) +1,4 МДж/кг = CaO(тв.) + H2O(г.)
SO3(г.) +1,2 МДж/кг = SO2(г.) +0,5O2(г.)
CH4(г.) + H2O(г.) + 6,05 МДж/кг = CO(г.) +3H2(г.)
H2O(г.)+120 МДж/кг = H2+0,5O2

Водород является самым распространенным элементом на поверхности Земли, но при этом он не является источником энергии как природный газ, поскольку в основном находится в связанном состоянии в виде воды.
Поэтому водород это только энергоноситель.

Преимущества использование водородного аккумулятора:
при сгорании водорода образуется только вода, которая может возвращаться в круговорот веществ в природе;
водород легко улетучивается, а значит не возникает застойных взрывоопасных зон;
теплота сгорания водорода в 2,8 раза выше по сравнению с бензином;
в виде газа водород может быть накоплен и передан на большие расстояния без существенных затрат.

Недостатки:
водород более взрывоопасен, чем метан,
сложность хранения водорода (объемная теплота сгорания водорода в три раза меньше, чем у природного газа),
все известные способы получения водорода из воды имеют низкий КПД (менее 60%).

Способы получения водорода:
химические,
электролитические,
термолитические.
фотокаталитические,
биохимические.

Химический способ получения водорода.
частичное окисление,
CH4 + 0,5O2 = CO + 2H2
2. паровая конверсия
CH4 + H2O = CO + 3H2
3. термическое разложение спиртов
CH3OH = CO + 2H2
C2H5OH = CO + H2+CH4

4. конверсия угарного газа,
CO + H2O = CO2 + H2

Электролитический способ получения водорода.
Преимущество – получение водорода высокой степени чистоты, в отличии от химического способа.
Конструктивно электролизеры делятся:
с жидким электролитом (кислотным и щелочным),
с твердополимерным электролитом
с керамическим электролитом

Эффективность электролизеров
КПД электролизера
η = 1,484 / V

Термическое разложение (диссоциация) воды
H2O = 0,5O2 + H2

Термохимическое разложение воды
CaBr2 +2H2O = Ca(OH)2 + 2HBr
Hg + 2HBr = HgBr2 + H2
Реакции восстановления
HgBr2 + Ca(H2O) = CaBr2 + 2H2O + HgO
HgO = Hg + 0,5O2
Температура менее 900 С.

Фотокаталитическое разложение воды
H

Биохимическое разложение воды
Большинство растений на свету потребляют углекислый газ и выделяют кислород.
Однако в темноте происходит обратный процесс, потребляют кислород, необходимый для метаболизма.
Некоторые водоросли в темноте извлекают кислород из воды, выделяя водород.
КПД менее 8%, медленные процессы.

Способы хранения водорода.
в сжиженном состоянии (температура конденсации 20 К).
в сжатом состоянии,
1. В чистом виде:
Основной недостаток водорода как топлива – низкая плотность (около 0,06 кг/м3)

адсорбции,
соединения с сильной водородной связью (метанол, этанол и др.) в виде металлогидридов
2. В химических соединениях:

массовая емкость, кг/кг
объемная емкость, кг/м3
эффективность цикла,
потери водорода в режиме длительного хранения.
Используют следующие оценки эффективности систем хранения водорода:

В алюминиевых баллонах 150 л при давлении 500 атм вмещает 6 кг водорода (860 МДж энергии) при сумарной массе 90 кг (массовая емкость 6,7%).
Подземные структуры.
Магистральный газопровод длиной 1000 км, диаметром 1,2 м и давлением 60 атм содержит 1000 ТДж энергии.
Хранение водорода под давлением:

Для конденсации 1 кг водорода необходимо затратить около 40 МДж энергии.
Плотность жидкого водорода 71 кг/м3.
Хранение водорода при низких температурах.

Водород хорошо адсорбируется углем.
Углеродные нанотрубки при температуре 120К и давлении 0,4 атм достигают массового содержания водорода около 10%.
Хранение водорода в адсорбированном состоянии.

Предъявляемые требования:
Высокая емкость – плотность жидкого водорода 71 кг/м3, содержание водорода в аммиаке (NH3) – 111 кг на 1м3, содержание водорода в гидразине (N2H4) – 126 кг на 1м3.
Хранение водорода в химическисвязанном состоянии (в гидридах).

2. Низкая энергия образования гидрида – энергия выделяемая при сжигании водорода 143 МДж, энергия разложения аммиака 15,4МДж (эффективность цикла 90%).
3. Обратимость реакции.
4. Быстрота протекании реакции без катализаторов и особых условий.
5. Разделимость продуктов реакции.

Хранение водорода в металлогидридах.

Электрохимическое аккумулирование
Свинцово-кислотный аккумулятор состоит из двух пластинок-электродов (свинец и диоксид свинца), помещенных в проводящий раствор-электролит (серная кислота).

Достоинства свинцово-кислотного аккумулятора:
1. Простота обслуживания
2. Стабильность напряжения при изменении температуры и нагрузки

Свинцово-кислотный аккумулятор имеет ряд недостатков:
1. низкая плотность энергии на единицу веса аккумулятора,
(≈0,06 МДж/кг – 15% от идеального кислотно-свинцового аккумулятора)
2. низкий КПД (не допускается полное разряжение),
3. небольшой срок службы.
4. вырабатывает постоянный ток.

Электрическое аккумулирование
Электроаккумуляторы делятся на электростатические и индуктивные.

Достоинства –
простота,
небольшой вес,
качественная аккумулируемая энергия.
Недостатки –
низкая плотность энергии на единицу объема,
самопроизвольная разрядка.

Конденса́тор – устройство для накопления заряда и энергии электрического поля. В простейшем варианте конструкция состоит из двух электродов в форме пластин (называемых обкладками), разделённых диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок.

Практически применяемые конденсаторы имеют много слоёв диэлектрика и многослойные электроды, свёрнутые в цилиндр или параллелепипед.

Основная классификация конденсаторов проводится по типу диэлектрика в конденсаторе.
Тип диэлектрика определяет основные электрические параметры конденсаторов: сопротивление изоляции,
стабильность ёмкости,
величину потерь.

По виду диэлектрика различают:
вакуумные (между обкладками находится вакуум).
2. с газообразным диэлектриком.
3. с жидким диэлектриком.
4. с твёрдым неорганическим диэлектриком: стеклянные, слюдяные, керамические.
с твёрдым органическим диэлектриком: бумажные, металлобумажные, плёночные.
Электролитические.

Электролитические конденсаторы отличаются от всех прочих типов большой удельной ёмкостью.
В качестве диэлектрика используется оксидный слой на металлическом аноде. Вторая обкладка (катод) — это или электролит, или слой полупроводника, нанесённый непосредственно на оксидный слой.
Время наработки на отказ – 3000-5000 часов при максимально допустимой температуре около 100С .

Суперконденсатор (электрохимический конденсатор, ионистор) – это гибрид химической аккумуляторной батареи и обычного конденсатора.
Главное отличие суперконденсатора от привычного конденсатора — в наличии у первого не просто диэлектрика между электродами, а двойного электрического слоя. В результате между электродами образуется очень маленькое расстояние, а его возможность накапливать электрическую энергию получается намного выше.

Преимущества:
1. Большие максимальные токи зарядки и разрядки.
2. Малая деградация даже после сотен тысяч циклов заряда/разряда.
3 . Высокое внутреннее сопротивление у большинства ионисторов (препятствует быстрому саморазряду, а также перегреву и разрушению).
4. Ионистор обладает длительным сроком службы (около 40000 часов с незначительным снижением емкости).

5. Малый вес по сравнению с электролитическими конденсаторами подобной ёмкости.
6. Низкая токсичность материалов (кроме органических электролитов).
7. Неполярность.
8. Малая зависимость от окружающей температуры: могут работать как на морозе, так и на жаре.
9. Большая механическая прочность: выносят многократные перегрузки.

Недостатки:
Высокая цена ионисторов с большими разрядными токами.
2. Напряжение напрямую зависит от степени заряженности.
3. Низкое рабочее напряжение по сравнению с большинством конденсаторов других типов.
4. Больший саморазряд, по сравнению с электрохимическими аккумуляторами.
5. Меньше скорость отдачи заряда по сравнению с обычными конденсаторами.

Типовые характеристики суперконденсаторов
в сравнении с другими накопителями энергии

Суперконденсатор и аккумуляторная батарея имеют различные зарядно-разрядные характеристики. У аккумуляторной батареи график имеет характерную область постоянного напряжение, тогда как у суперконденсатора зависимость напряжения от времени заряда/разряда линейная.

С мая 2017 в Минске эксплуатируют первые белорусские электробусы Белкоммунмаш Е433 Vitovt Max Electro. Электробусы "заправляются" на трёх зарядных станциях, расположенных в конечных точках маршрутов. Зарядка током 500 ампер длится 5-8 минут. Пустой электробус на одном заряде проезжает 20 км.
Ионисторы производит ООО «Чэнду Синьджу Шелковый Путь Развитие» в китайско-белорусском индустриальном парке «Великий камень».

Аккумулирующие системы и их характеристики