Теплотворная способность и теплота сгорания водорода
Если водород сжигается в воздухе, выделяется тепло за счет химического превращения с кислородом воздуха. Поэтому он считается топливом, а также топливом из-за его пригодности для использования в двигателях. 3 Поскольку этот тип сгорания — в отличие от того, с помощью которого двигатели вырабатывают энергию, — основан только на электрохимической реакции, он также известен как «холодное сгорание». Технология топливных элементов использует этот принцип: в водородном топливном элементе или топливном элементе прямого действия на метаноле водород вступает в реакцию с атмосферным кислородом, снова образуя воду. Вода, электричество и тепло вырабатываются одновременно. Большим преимуществом является то, что при реакции водорода с атмосферным кислородом в топливном элементе не образуются вредные побочные продукты. 5
Теплотворная способность водорода, а также его теплотворная способность используются для количественного определения его содержания энергии. В большинстве случаев теплотворная способность несколько выше теплотворной способности. Теплотворная способность топлива показывает, сколько энергии (т.е. тепла) можно получить при его сгорании. 1
Почему теплотворная способность выше теплотворной и в чем разница?
В отличие от теплотворной способности водорода теплотворная способность предполагает, что водяной пар, содержащийся в дымовых газах, полностью конденсируется, т. е. сжижается. [4] В случае теплотворной способности водорода, с другой стороны, предполагается, что водяной пар не конденсируется, несмотря на охлаждение дымовых газов до 25 градусов Цельсия, а покидает установку в газообразном виде. Разница в том, что теплотворная способность водорода не включает теплоту конденсации и поэтому обычно ниже теплотворной способности. Другими словами, теплотворная способность водорода количественно определяет, сколько энергии становится пригодным для использования в виде тепла при простом сжигании водорода. С другой стороны, теплотворная способность водорода описывает, сколько энергии рекуперируется в виде тепла, если энергия также извлекается из выхлопных газов сгорания. Теплотворная способность водорода используется, когда продукт реакции, вода, является газообразным. Если он жидкий, речь идет о теплотворной способности. Например, большинство двигателей внутреннего сгорания выбрасывают образующуюся воду в газообразном виде, поэтому невозможно получить теплоту конденсации. 2
Определение теплотворной и теплотворной способности водорода
Как уже было сказано, при конденсации выделяется дополнительное тепло, так называемая теплота конденсации. По этой причине теплотворная способность обычно выше теплотворной способности водорода. Это относится не только к водороду, но и почти ко всем видам топлива — например, к природному газу, теплотворная способность которого примерно на десять процентов превышает теплотворную способность. Насколько велика разница между значениями, зависит от топлива. Например, в случае лигнита, который содержит много воды, разница достигает 20 процентов. С другой стороны, неводные виды топлива, такие как окись углерода, имеют почти идентичные теплотворную способность и теплотворную способность. 4
Единицей, в которой указывается теплотворная способность и теплотворная способность водорода, являются джоуль на килограмм (Дж/кг) и мегаджоуль на килограмм (МДж/кг) соответственно. Однако расчеты также можно найти в киловатт-часах на килограмм (кВтч/кг). Если вы возьмете плотность водорода (в килограммах на литр (кг/л)), вы также можете преобразовать теплотворную способность водорода в энергию, произведенную на литр.
По сравнению с другими видами топлива, такими как уголь или природный газ, теплотворная способность водорода и его теплотворная способность исключительно высоки. 1 Теплотворная способность и, следовательно, энергосодержание бензина составляет 43.6 мегаджоулей на килограмм, тогда как теплотворная способность водорода равна 120. Теплота сгорания бензина составляет 47 мегаджоулей на килограмм, а теплотворная способность водорода равна 143. 7 Теплотворная способность водорода , и, следовательно, его плотность энергии превосходит бензин примерно в три раза. 7
Как определяется теплота сгорания и теплотворная способность водорода?
Непосредственно теплотворную способность водорода определить трудно. Для этого нужно было бы не только передать выделяющееся при сгорании тепло определенному количеству воды и затем измерить повышение температуры, но и следить за тем, чтобы образующийся водяной пар не конденсировался. Поэтому, как правило, вычисляют теплотворную способность водорода следующим образом: с помощью калориметра определяют теплотворную способность водорода и включают наиболее полную возможную конденсацию водяного пара. На этой основе затем вычисляют теплотворную способность водорода, определяя количество конденсированной воды и затем вычитая энергию, необходимую для испарения воды, образующейся при сгорании. 2
Какие еще термины следует знать и понимать в связи с теплотворной способностью водорода?
- Калориметр: Измерительное устройство, используемое для измерения тепловых эффектов, возникающих в результате физических, химических или биологических процессов. 9
- Hu: теплотворная способность также называется низшей теплотворной способностью (Hu). 2
- Энтальпия сгорания: количество энергии, выделяемой при сгорании топлива. Теплотворная способность соответствует энтальпии сгорания в пересчете на количество. 4
- Энтальпия испарения: количество энергии, необходимое для полного испарения жидкости. 8
Итоговая теплота сгорания и теплотворная способность водорода:
Что еще нужно знать о теплотворной способности и теплотворной способности водорода?
Отопление водородом может удвоить счета потребителей, предупреждает отчет
Поскольку дешевого ископаемого газа становится все меньше, некоторые надеются, что однажды водородное топливо заполнит этот пробел экологически чистой альтернативой. Сторонники водородного отопления утверждают, что существующие газовые котлы можно перепрофилировать с небольшими затратами и снизить финансовую нагрузку при переходе на низкоуглеродное отопление.
Тем не менее, поскольку цены на энергоносители растут до небес, переход на водородное отопление рискует удвоить потребительские счета, предупреждает новый отчет, подготовленный по заказу международной неправительственной организации Global Witness.
Согласно отчету, подготовленному консалтинговой компанией по энергетическому рынку Element Energy, даже к 2050 году домохозяйства могут тратить в среднем 12.5 цента за киловатт-час (кВтч), в то время как средние цены на газ в конце 2021 года составляли всего 6.7 цента за кВтч.
«Последнее, что нужно услышать десяткам миллионов людей по всей Европе, которые столкнутся с энергетической бедностью этой зимой, — это то, что их счета снова вырастут», — сказал Джонатан Норонья-Гант, старший газовый активист Global Witness, во вторник. (6 сентября).
«Депутаты Европарламента и национальные правительства должны закрыть дверь для водородного отопления, которое является непозволительной несбыточной мечтой», — добавил он.
Ученые давно пытаются развенчать заявления о достоинствах водородного отопления.
«Отопление с помощью водорода неэффективно и более дорого по сравнению с такими альтернативами, как тепловые насосы, централизованное теплоснабжение и солнечное тепло», — говорит Ян Розенов, директор Проекта нормативно-правовой помощи, аналитического центра по энергетике и климату.
«Есть случаи использования, когда водород необходим», — сказал он EURACTIV, имея в виду такие отрасли, как химическая промышленность, судоходство или удобрения, у которых мало альтернативы. «Но все независимые анализы показывают, что нагрев не входит в их число», — сказал Розенов, проанализировавший более дюжины независимых исследований достоинств водородного отопления.
ЕС обдумывает стандарт 20% готовности к использованию водорода для газовых котлов
Новые газовые котлы, размещенные на европейском рынке, вскоре могут быть обязаны работать с «не менее 20% водорода» в соответствии с новыми стандартами, предусмотренными на уровне ЕС.
Счет за инфраструктуру
Сторонники использования водорода в качестве топлива для отопления заявляют, что его можно использовать в качестве замены газа в домашних котлах лишь с небольшими изменениями в приборах и сетевой инфраструктуре.
Водородные котлы и водородное топливо «могут работать в существующей сети газоснабжения и легко достигать потребителей. Для них не требуется новая инфраструктура, поэтому их можно внедрить сразу же», — пояснила лондонская газовая лоббистская группа Gasify.
Но, по данным Global Witness, счет за водородную инфраструктуру для потребителей газа может составить 240 миллиардов евро за 40 лет использования.
Вопрос о том, кто должен принять этот законопроект, был предметом интенсивного лоббирования со стороны газовой отрасли.
Global Witness предупредила, что в своем пакетном предложении по газу и водороду от декабря 2021 года Европейская комиссия оставила открытой дверь для так называемого «перекрестного субсидирования», при котором расходы на водородную инфраструктуру могут частично оплачиваться потребителями.
«Протоколы совещаний, полученные в соответствии с запросами о свободе информации, показывают, что немецкие и бельгийские TSO [операторы системы передачи], а также лоббистская группа ЕС по основной газовой инфраструктуре Gas Infrastructure Europe лоббировала Европейскую комиссию, чтобы она переложила расходы на потребителей», — говорится в сообщении НПО. говорится в заявлении.
Промышленность утверждает, что хочет избежать эффекта безбилетника, когда будущие участники рынка извлекают выгоду из инфраструктуры, созданной и финансируемой их конкурентами.
«Следует избегать перекрестного субсидирования между пользователями разных сетей, поскольку маловероятно, что все пользователи газовых сетей станут пользователями водородных сетей, или, по крайней мере, не одновременно», — предупредили европейские регуляторы ACER и CEER.
ЕС надеется использовать прошлый опыт для ускорения развития рынка водорода
В своей попытке создать общеевропейский рынок чистого водорода Европейская комиссия стремится опираться на многолетний опыт, потраченный на попытки интегрировать рынки газа и электроэнергии ЕС. Эти уроки могут оказаться решающими для роста рынка водорода и достижения климатических целей блока к 2030 году.
Водородный тупик: домашнее отопление
«Мы очень оптимистично настроены в отношении возобновляемого водорода», — заявил представитель NW Natural, крупнейшей газовой компании штата Орегон, выступая в поддержку законопроекта о водороде 2021 года в Орегоне. Энтузиазм в отношении водорода находится на рекордно высоком уровне, учитывая недавнее выделение многомиллиардных субсидий федеральными политиками и крупными нефтегазовыми корпорациями, поддерживающими водородные проекты, включая Северо-Западные коммунальные предприятия. Сторонники топлива предвидят будущее, в котором водород — и, в частности, его разновидность, продаваемая как «возобновляемый водород», — обогревает дома и предприятия, приводит в движение поезда и автомобили и балансирует электрическую сеть.
Возобновляемый водород, также известный как зеленый водород, имеет свое место в безвредном для климата будущем, а именно в очистке труднодоступных для обезуглероживания секторов, таких как сталелитейное производство, дальние перевозки и авиация, а также в производстве электроэнергии в безветренные и пасмурные периоды. . Кроме того, существующие потребители водорода, такие как нефтехимические заводы, металлургические предприятия, а также производители аммиака и удобрений, могли бы сократить свои выбросы, перейдя с водорода, полученного из ископаемого топлива, на водород, полученный из возобновляемой электроэнергии (см. наш учебник по различным типам водорода).
Но коммунальные предприятия, работающие на природном газе, в том числе в Каскадии, нацелились на гораздо более крупный приз: прокачку водорода через систему трубопроводов природного газа для обогрева зданий и получение сопутствующей прибыли. К сожалению, водород — это не решение, которым его пытаются представить корпорации, работающие на ископаемом топливе, и он не должен стать их следующей дойной коровой. Это просто задерживает столь необходимый переход к электрификации, ставя налогоплательщиков в зависимость от более дорогой инфраструктуры на ископаемом топливе и более опасного и менее эффективного топлива — и все это при замедлении прогресса в достижении целей региона по обезуглероживанию. Законодатели и регулирующие органы должны остерегаться ажиотажа в отрасли, поскольку они взвешивают разрешенные виды использования водорода.
Водород для отопления дома имеет низкие оценки эффективности, стоимости, эффективности и безопасности.
Несмотря на то, что коммунальные предприятия, работающие на природном газе, рекламируют его как лучший способ чистого отопления дома, водород гораздо менее эффективен при обезуглероживании зданий, чем электричество. Только небольшие объемы водорода, возможно, до соотношения 20% водорода к 80% природного газа, можно безопасно закачивать в существующие газопроводы. Но 20-процентная смесь водорода сокращает только около 7 процентов выбросов при сгорании системы, работающей на 100-процентном природном газе. В контексте, например, в Вашингтоне выбросы от зданий должны сократиться на 96 процентов к 2050 году, чтобы штат выполнил свои законодательные обязательства по обезуглероживанию.
Более того, смешивание водорода с более высоким содержанием водорода с существующей газовой инфраструктурой для достижения большего сокращения выбросов может стоить миллиарды долларов. Большинство газораспределительных трубопроводов необходимо будет заменить или серьезно переоборудовать, чтобы обеспечить безопасное использование нового топлива, поскольку при более высоких объемах, чем 20 процентов, водород может разрушать трубопроводы. Кроме того, более высокие отношения водорода несовместимость с существующими приборами таких как печи и водонагреватели, а это означает, что потребителям также придется покупать новые водородосовместимые приборы. Эти требования к замене и связанные с этим затраты являются причиной того, что крупные исследования на Северо-Западе пришли к выводу, что широко распространенная электрификация является наименее дорогим способом обезуглероживания зданий.
Кроме того, водород менее эффективны чем электричество при отоплении дома. Исследование 2021 года показало, что отопление дома зеленым водородом имеет эффективность около 46 процентов. 1 Эффективность обогрева – это отношение количества энергии, выводимой системой отопления в виде тепла на одну единицу подводимой энергии: (выходная энергия/вводимая энергия) x 100%.
С другой стороны, отопление дома электрическим тепловым насосом с воздушным источником имеет почти в шесть раз большую эффективность, около 270 процентов. Да, водород может обеспечить безуглеродное тепло в доме, но для отопления водородом требуется почти в шесть раз больше возобновляемой электроэнергии, чем для электрического теплового насоса. Другими словами, нагревание водородом похоже на сушку посуды паяльной лампой.
Наконец, водород создает серьезные проблемы с безопасностью. Водород легче воспламеняется, чем природный газ. Воспламеняемость в сочетании с нарушением целостности трубопровода из-за смесей с высоким содержанием водорода — это прямой путь к катастрофе. Согласно исследованию, проведенному в 2021 году для правительства Великобритании, число серьезных травм увеличилось бы почти в четыре раза, если бы водород полностью заменил природный газ. Даже при скромных концентрациях водорода в трубопроводе природного газа ученые поднимают тревожные флажки. «Общий риск значительно возрастает для всех уровней содержания водорода и становится серьезным при уровне водорода выше 20 процентов», — говорится в анализе, проведенном Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии Министерства энергетики США в Голдене, штат Колорадо. Водород также невидим и не имеет запаха, и до сих пор не было обнаружено никаких одорантов, которые можно было бы применять к водороду для обнаружения утечек.
Учитывая проблемы, связанные с эффективностью, стоимостью, эффективностью и безопасностью, неудивительно, что отопление дома является самым низким приоритетом среди 15 возможных применений водорода определены Международным агентством по возобновляемым источникам энергии, как показано на рисунке ниже.
Cascadian коммунальные предприятия спешат сделать большие ставки на водород; Законодатели и регуляторы остерегаются
Водородное отопление в Каскадии не является чем-то далеким; это активный бизнес-план региональных газовых компаний. Как Puget Sound Energy (PSE), так и NW Natural, крупнейшие газовые компании Вашингтона и Орегона, соответственно, уже взяли на себя обязательства по проекту перекачки водорода через свои газораспределительные трубопроводы. NW Natural предполагает закачивать водород в свой газопровод для «транспортировки, отопления, производства и других процессов» и сообщила своим инвесторам, что намерена достичь своей цели по углеродной нейтральности, заменив природный газ водородом, чтобы избежать от 20 до 58 процентов его выбросов. Ранее в этом году PSE подала иск по общей ставке, которая включала 6.6 млн долларов на пилотные проекты по смешиванию водорода в течение следующих 3 лет. Другие газовые компании Cascadia, Fortis BC, Cascade Natural Gas и Avista, также присматриваются к возможностям использования водорода.
К сожалению, законодатели Орегона и Вашингтона, а также регулирующие органы Британской Колумбии заложили основу для обогрева зданий водородом, разрешив газовым компаниям продавать зеленый водород. Если законодатели и регулирующие органы в Каскадии серьезно относятся к выполнению климатических обязательств региона, им было бы разумно внимательно изучить предложения газовых компаний по водороду и установить ограничения на разрешенное использование водорода. Хотя небольшая экономия выбросов за счет более низкого соотношения смеси водорода и природного газа может быть привлекательной в ближайшем будущем, когда здания не будут широко электрифицированы, инвестиционные требования и риски безопасности высоки для этих малых объемов водорода, которые необходимо взвесить с альтернативами. — а именно электрификация.
Таким образом, несмотря на растущее количество исследований, подтверждающих, что электрификация зданий предлагает самый дешевый и наиболее эффективный способ снижения выбросов в результате использования энергии зданиями, газовые компании Cascadia настойчиво выбирают рискованный альтернативный путь: водород. Разрешить им использовать водород для отопления зданий, что они вот-вот сделают, было бы колоссальным просчетом и подорвало бы климатический прогресс Cascadia. Если лидеры региона не примут окончательной политики и регулирования в отношении наилучшего использования водорода, жители Каскадии увидят, как газовые компании будут делать дорогостоящие инвестиции в расширение своей инфраструктуры во имя нереального и потенциально опасного пути к домашнему отоплению.
