انرژی هیدروژن و پیل سوختی
يكشنبه, ۱۵ مهر ۱۳۹۷، ۱۲:۱۹ ب.ظ
پیلهای سوختی برای تولید انرژی ایدهآل هستند. پیلهای سوختی میتوانند بصورت توأمان الکتریسیته و حرارت تولید نمایند که میتوانند برای تأمین برق یک منزل مسکونی بکار رفته و از حرارت آن نیز می‌توان برای آب گرم مصرفی منازل استفاده نمود.
قیمتهای اولیه در حدود $/kw ۱۵۰۰ بوده که باید به زیر قیمت $/kw ۵۰۰ برسد.
برای کامل خواندن متن به ادامه مطلب مراجعه کنید.
در حال حاضر کمپانیهایی نیروگاههایی را با حدود$/kw ۳۰۰۰ ارائه نموده اند و این قیمت در جایی که قیمت برق بالا و قیمت گاز طبیعی پایین است قابل رقابت خواهد بود. پیلهای سوختی باید برای مصارف حمل و نقل ارزانتر شوند.
پیلهای سوختی در سه کاربرد اصلی انواع ثابت، قابل حمل و کاربردهای حمل و نقل به کار میروند. در حالت حاضر تلاشها جهت حضور پیلهای سوختی در نیروگاهها، صنعت حمل و نقل و کاربردهای پرتابل به مرحله تجاری شدن نزدیک است.
عموماً از گاز هیدروژن که میتواند از منابع مختلفی مانند آب، متانل اتانل، طبیعی، بنزین یا سوختهای دیزل، آمونیاک یا بیکربنات سدیم بوجود آید، می‌توان در پیلهای سوختی استفاده نمود.
برخی از انواع پیل سوختی (SOFC, MCFC) میتوانند مستقیماً از انرژیهای فسیلی (از جمله گاز طبیعی) استفاده نمایند.
راندمان بالا، حداقل نشر آلایندههای زیست محیطی، امکان استفاده از سوختهای فسیلی و پاک، مدولار بودن و قابلیت تولید همزمان حرارت و الکتریسیته و استفاده در کاربردهای تولید غیرمتمرکز انرژی از جمله مزایای پیل سوختی میباشند.
پیلهای سوختی در انواع زیر موجود میباشند:
· پیلهای سوختی اسیدفسفریکی
· پیلهای سوختی پلیمری
· پیلهای سوختی اکسید جامد
· پیلهای سوختی قلیایی
· پیلهای سوختی متانولی
پیل سوختی یک سیستم الکتروشیمیایی است که از آند، کاتد و الکترولیت تشکیل شده است و انرژی شیمیایی سوخت را مستقیماً به انرژی الکتریکی تبدیل میکند، سوخت آن هیدروژن و یا سایر گازهای حامل هیدروژن نظیر گاز طبیعی و متانول می‌باشد. در پیل سوختی محصولات جانبی آب و حرارت هستند
تلاش های کنونی تحقیق و توسعه در زمینه ذخیره سازی هیدروژن کافی نمی باشد.
· ظرفیت ذخیره سازی هیدروژن
· تقاضای پایین برای تجهیزات هیدروژنی موجب افزایش قیمت می‌گردد.
· سیستمهای توزیع و پخش هیدروژن پر زحمت و گران است.
· در حال حاضر هزینه تمام شده تکنولوژیهای توزیع هیدروژن بیشتر از هزینه سایر سوختهای متداول است.
· برای گذر به سیستم توزیع هیدروژن نیاز به یک استراتژی مقرون به صرفه و اقتصادی می‌باشد.
در حال حاضر فعالیتهای انجام شده در زمینه تحقیق و توسعه ذخیره سازی هیدروژن کافی نیست
· هزینه تولید هیدروژن نسبت به سوختهای متداول بیشتر است.
· تقاضای پایین برای هیدروژن از پیشرفت ظرفیت تولید جلوگیری مینماید.
· در حال حاضر از تکنولوژیهای موجود در زمینه تولید هیدروژن، مقادیر فراوانی دی‌اکسیدکربن تولید میشود.
· روشهای پیشرفته تولید هیدروژن نیاز به تحقیق و توسعه دارد.
· نمایش عملی تکنولوژیهای تولید هیدروژن ضروری است.
· هزینه سرمایه گذاری آن نسبتاً بالاست.
· عدم وجود زیرساختهای مرتبط با آن
· عدم وجود قوانین و استانداردهای لازم برای هیدروژن
· کمبود آموزشهای عمومی
چرا اقتصاد هیدروژنی بدنبال آن است که هیدروژن را از منابع تجدیدپذیر تولید و در آینده هیدروژن را جایگزین سوختهای فسیلی جایگزین نماید؟اقتصاد هیدروژنی بدنبال آن است که هیدروژن را از منابع تجدیدپذیر استخراج کند و در آینده نزدیک هیدروژن را جایگزین سوختهای فسیلی نماید. عواملی که باعث شده تا اقتصاد هیدروژنی چنین هدفی را دنبال کند، عبارتند از
· مسئله نفت و محدودیت منابع آن
· آلودگی هوا
· خطرات زیست محیطی جهانی
روش الکترولیز اولین بار در سال۱۸۳۰ میلادی توسط دانشمند انگلیسی میشل فارادی مورد بررسی و مطالعه قرار گرفت. در این روش، جریان برق مستقیم از میان محلولی که شامل آب و الکترودها می‌باشد، عبور داده میشود و گازهای هیدروژن و اکسیژن از آب تولید میشود. هر سلول الکترولیز شامل دو الکترود است که داخل محلول الکترولیت غوطهور می‌باشد که این دو الکترود به یک منبع تغذیه جریان مستقیم متصل میباشند. پتانسیل الکتریکی لازم ما بین الکترودها اعمال می‌گردد و هیدروژن و اکسیژن روی کاتد و آند جداگانه جمع میشوند.
در حال حاضر حدود ۹۸ درصد از کل هیدروژن تولید شده در جهان از سوختهای فسیلی بدست می‌آید.
الف) فناوری ذخیره سازی:
امروزه سیستمهای ذخیره سازی هیدروژن جهت مصارف حمل و نقل مشتمل بر ذخیره به اشکال ذیل می‌باشد:
· ذخیره سازی هیدروژن بصورت گاز در مخازن فولادی و کامپوزیتی
· ذخیره سازی هیدروژن بصورت مایع در مخازن فوق سرد
· ذخیره سازی هیدروژن به کمک آلیاژهای فلزی مخصوص
ب) فناوری انتقال و توزیع هیدروژن:
روشهایی که به منظور انتقال هیدروژن به اشکال گاز، مایع و جامد استفاده میشود، اثرات فنی‌ـ اقتصادی چشمگیری بر فرایند تولید تا مصرف هیدروژن خواهد داشت. سه روش متداول که برای انتقال هیدروژن می‌توان استفاده نمود، عبارتند از:
· انتقال از طریق خطوط لوله
· انتقال از طریق جاده و راه آهن
· انتقال از طریق دریا
الکترولیز آب، فتوالکتروشیمیایی،سولفید هیدروژن، بیوشیمیایی،سیکل ترموشیمیایی، ترمولیز آب،گازی سازی مواد زیست توده و پیرولیز،رادیولیز...
هیدروژن از روشهای زیر تولید می شود:
· اکسیداسیون جزئی نفت سنگین
· مبدل گاز طبیعی با پروسه تبدیل گاز توسط بخار
· گازی شدن زغال سنگ
· فرایند بخارـ آهن
· در دمای محیط به سرعت از حالت مایع به حالت گاز در می‌آید.
· برای ذخیره آن در یک مخزن، احتیاج به فشار زیاد در حالت مایع داریم.
· نفوذ پذیری زیاد هیدروژن
· قابلیت ترکیب شدن سریع با اکسیژن
· برای مایع کردن باید دمای آنرا تا ۲۵۳- درجه سانتی گراد پایین آورد و در این حالت دانسیته آن بسیار پایین می باشد.
انرژی حرارتی هیدروژن ۳۲ درصد ارزش حرارتی گاز متان یا حدود ۳۰۷۰ کیلوکالری بر مترمکعب است.
· راندمان ترمودینامیکی تبدیل انرژی هیدروژن / اکسیژن به انرژی الکترکی در دمای پائین واکنش، بسیار بالاتر است.
· راندمان تبدیل انرژی الکتروشیمیایی دربار پائین افرایش مییابد؛ لذا پیلهای سوختی در بارهای کوچک دارای راندمان بالاتر هستند.
· یک پیل سوختی با بار بالا می‌توان بصورت مجموعهای از پیلهای سوختی کوچک و با راندمان بالا ساخت.
در جدول ذیل ایمنی هر یک از سوختهای گازوئیل، متان و هیدروژن با هم مقایسه شده اند.
از ویژگیهایی که هیدروژن را از سایر گزینههای مطرح سوختی متمایز مینماید، می‌توان به فراوانی، مصرف تقریباً منحصر به فرد، انتشار بسیار ناچیز آلایندهها، برگشت پذیر بودن چرخه تولید آن و کاهش اثر گلخانهای اشاره نمود.
هیدروژن سادهترین و فراوانترین عنصر در طبیعت است و گازی بیرنگ، بیبو، بیمزه و قابل احتراق است که میتواند مقدار زیادی انرژی آزاد کند و چگالی آن از هر مادة شیمیایی دیگر کمتر است. این عنصر قابلیت ترکیب مجدد با اکسیژن و همچنین تولید انرژی بسیار زیادی را دارد. هیدروژن در مقایسه با سایر سوختها میتواند با راندمانی بالاتر و احتراق بسیار پاک به سایر اشکال انرژی تبدیل شود. هیدروژن دارای بالاترین ظرفیت انرژی به ازای هر واحد وزن سوخت می‌باشد و میزان حرارت تولید شده از آن در اثر احتراق در واحد وزن بیشتر از هر سوخت دیگری است. هیدروژن از لحاظ شیمیایی بسیار فعال بوده و بندرت بعنوان یک عنصر در طبیعت یافت میشود و معمولاً در واکنش با عناصر دیگر بوجود می‌آید.
