مرکز دانلود خلاصه کتاب و جزوات دانشگاهی

 

فهرست مطالب

عنوان صفحه

هيدروژن و پيل سوختي... 1

مقدمه. 1

بيان مسئله. 1

پيشينه پژوهش..... 2

فرضيه و سوالهاي پژوهشي... 3

موقعيت جغرافيايي... 3

ارزش و اهميت پژوهش..... 3

اهداف پژوهش..... 4

فناوري هاي توليد هيدروژن.. 5

فناوري هاي عرضه و ذخيره هيدروژن.. 5

ذخيره سازي هيدروژن به كمك آلياژهاي فلزي مخصوص تشكيل هيدريدهاي فلزي... 6

فناوري انتقال و پخش هيدروژن.. 6

نتيجه گيري... 7

منابع.. 8

هيدروژن و پيل سوختي:

مقدمه:

هيدروژن يكي از عناصري است كه در سطح زمين به وفور يافت مي شود. اين عنصر در طبيعت به صورت خالص وجود ندارد و آن را نمي توان توسط روش هاي مختلف از ساير عناصر بدست آورد. هيدروژن عمده ترين گزينه مطرح به عنوان حامل جديد انرژي است. اين ماده در مقايسه با ساير سوختها مي تواند با راندماني بالاتر و احتراق بسيار پاك به ساير اشكال انرژي تبديل شود. هيدروژن در صنايع شيميايي، غذايي، كاني و فلزي كاربردهاي زيادي دارد.

با توسعه صنعتي جهان و تقاضاي روز افزون انرژي، جهان با دو معضل مهم يكي آلودگي زياد محيط زيست و محدود بودن ذخاير سوختهاي فسيلي مواجه شده است.

با توجه به ماهيت اغلب انرژي هاي نو و تجديد پذير كه امكان دسترسي به آنها در زمان و مكان مناسب جهت ذخيره و حمل آنها ضروري است، هم اكنون از هيدروژن به عنوان سوخت آينده بشر نام برده مي شود.

پيل هاي سوختي پتانسيل شيميايي هيدروژن را به انرژي الكتريكي تبديل كرده و محصول جانبي آن آب و حرارت است. هيدروژن عمدتاً به عنوان يك خوراك جانبي، ماده شيميايي حد واسط يا به عنوان يك ماده شيميايي خاص مورد استفاده قرار مي گيرد و در حال حاضر تنها سهم كوچكي از هيدروژن توليدي به عنوان يك حامل انرژي مورد استفاده قرار مي گيرد هيدروژن را مي توان به شكل احتراق جهت توليد انرژي حرارتي و يا در اثر واكنش شيميايي جهت توليد حرارت و الكتريسيته (پيل سوختي) مصرف نمود.

بيان مسئله:

در حال حاضر با توجه به بحران انرژي محدوديت سوختهاي فسيلي و مشكلات ناشي از آلودگي هاي سوختهاي فسيلي، استفاده از منابع جديد انرژي بيش از پيش مورد توجه قرار گرفته است، در همين راستا ديدگاه نويني براي استفاده از هيدروژن با توجه به خصوصيت منحصر به فرد آن ايجاد شده است.

هيدروژن مورد نياز پيل هاي سوختي را مي توان از منابع مختلفي همانند منابع هيدروكربني نظير نفت خام، گاز طبيعي زغال سنگ و منابع تجديد پذير نظير باد و خورشيد بدست آورد. طبقه بندي پيل هاي سوختي براساس نوع الكتروليت به اين شرح است:

پيل سوختي پليمري (PEMFC)، پيل سوختي قليايي (AFC)، پيل سوختي اسيد فسفريك (PAFC)، پيل سوختي كربنات مذاب (MCFC)، پيل سوختي اكسيد جامد (SOFC)، پيل سوختي متانولي (DMFC).

امروزه تلاش ها جهت حضور پيل هاي سوختي در صنايع نيرگاهي، حمل و نقل و كاربردهاي قابل حمل به مرحله تجاري شدن نزديك شده است.

راندمان و نشر آلاينده هاي زيست محيطي خودروهاي پيل سوختي به مراتب از خودروهاي رايج مناسب تر است همچنين پيل هاي سوختي به عنوان نسل چهارم نيروگاهها در آينده امكان توسعه سيستم هاي غيرمتمركز توليد انرژي را فراهم مي سازد. امكان استفاده از سوختهاي فسيلي همانند متانول و يا گاز طبيعي در پيل هاي سوختي تا زمان دستيابي به زير ساختهاي لازم جهت ارائه هيدروژن به پيل هاي سوختي از ديگر مزاياي كاربردي اين سيستم هاست. تكنولوژي پيل سوختي مانند هر تكنولوژي جديد ديگر در ابتداي توليد، قيمت محصولات آن زياد است اما با توليد تجاري محصول در مقياس وسيع و افزايش ميزان تقاضا و توسعه فناوري قيمت به ميزان قابل توجهي كاهش خواهد يافت.

پيشينه پژوهش:

در دهه 1980 ميلادي شواهد علمي نشان مي داد كه انتشارگازهاي گل خانه اي ناشي از فعاليت هاي انساني خطراتي را براي آب و هواي جهان بوجود آورده است و به اين ترتيب افكار عمومي، لزوم ايجاد كنفرانسهاي بين المللي دوره اي و تشكيل پيمان نامه اي براي حل اين مسئله را احساس كرد. در سال 1997 ميلادي كنوانسيون تغييرات آب و هوايي با هدف تثبيت گازهاي گل خانه اي در اتمسفر تا سطحي كه از تداخل خطرناك فعاليت هاي بشر با سيستم آب و هوايي جلوگيري شود. پروتكل كيوتو را مطرح كرد و به موجب اين پروتكل كشورهاي صنعتي ملزم به كاهش انتشار گازهاي گل خانه اي مي شوند. هدف نهايي اين كنوانسيون دستيابي به تثبيت غلظت گازهاي گل خانه اي در اتمسفر تا سطحي است كه از تداخل خطرناك فعاليت هاي بشر با سيستم آب و هوايي جلوگيري نمايد و چنين سطحي بايد در يك چهارچوب زماني كافي حاصل گردد تا اكوسيستم ها به طور طبيعي خود را با تغييرات آب و هوا وفق دهند و اطمينان حاصل شود كه امنيت غذايي تهديد نمي شود و توسعه اقتصادي بطور پايدار ايجاد مي گردد. از انرژي اي تجديد پذير روزبه روز سهم بيشتري درسيستم تامين انرژي جهان را به عهده مي گيرد. منابع انرژي تجديد پذير به صورت تناوبي در دسترس هستند و قابل حمل يا ذخيره سازي نيستند و نمي توانند به صورت سوخت بخصوص در بخش حمل و نقل مورد استفاده قرار گيرند.

فرضيه و سوالهاي پژوهشي:

آيا روش هاي پيشرفته اي جهت جداسازي مواد آلاينده لازم است؟ بله لازم است تا قيمت هاي هيدروژن توليدي را كاهش داده و راندمان را افزايش دهند.

آيا امكان ذخيره سازي هيدروژن در مخازن زير زميني وجود دارد؟ بله ولي پر هزينه ترين روشي براي ذخيره هيدروژن است.

موقعيت جغرافيايي:

پايلوت هاي انرژي هيدروژن خورشيدي در سايت طالقان واقع شده است.

ارزش و اهميت پژوهش:

با توجه به مزيت نسبي در ايران در خصوص توسعه فن آوري هاي هيدروژن نظير بهره مندي از منابع انرژي هاي نوو تجديد پذير مانند انرژي باد، خورشيد و وجود منابع غني انرژي فسيلي بويژه گاز طبيعي (با قابليت تبديل به هيدروژن) و زير ساختهاي عرضه آن سازمان انرژي هاي نو ايران از سال 1375 پروژه هاي مختلفي را در خصوص شناخت و بررسي علمي و عملي، فن آوري هاي مختلف توليد ذخيره، عرضه و مصرف هيدروژن، با تمركز فعاليت هاي اجرايي در سايت انرژي هي طالقان آغاز نموده كه در حال حاضر پروژه هاي توليد هيدروژن به روش الكتروليز قليايي و ذخيره سازي هيدروژن در حال اجرا بوده است وبا ساخت سيستم هاي پيل سوختي و اتصال اين مجموعه به پانل هاي فتوولتائيك، چرخه كامل توليد، ذخيره و مصرف انرژي پاك براساس هيدروژن انجام مي گردد.

كشور ايران از يك سو با بالا بودن مصرف ساليانه سوخت و از سوي ديگر با عدم توسعه يافتگي مناسب فناوري در صنايع خودرو و نيروگاهي روبرو است و عدم توجه به مشكلات ناشي از آلودگي هاي زيست محيطي نيز موجب مشكلات جدي زيست محيطي دركلان شهرها شده است.

اهداف پژوهش:

كارشناسان بر اين باور هستند كه با جايگزيني انرژي هاي پاك بجاي انرژي هاي حاصل از سوختهاي فسيلي مي توان از ميزان آلودگي هاي زيست محيطي كاست و از خطرات ناشي از آن جلوگيري به عمل آورد.

هدف استفاده از هيدروژن و پالايشگاه هاي بزرگ/ در مناطق صنعتي، پارك هاي انرژي و جايگاههاي سوخت گيري است و مصرف هيدروژن در صنايع نفت و پالايش مي باشد.

پيل هاي سوختي دامنه كاربرد وسيعي از موارد مصرف را از سفينه هاي فضايي تا تامين انرژي و سيكل كوچك الكترونيكي شامل مي شوند. پيل هاي سوختي نوعي مبدل انرژي مي باشندكه انرژي شيمياي را مستقيماً به انرژي الكتريكي تبديل مي نمايند.

اهداف پژوهش در مورد هيدروژن شامل توليد هيدروژن/ عرضه و ذخيره سازي هيدروژن و مصرف آن است. و در مورد پيل هاي سوختي شامل بازده بالا آلاينده گيهاي كم شيميايي، صوتي و گرمايي، قابليت انعطاف در موقعيت نصب، قابليت اطمينان بالا، هزينه كمتر نگهداري پايين، تقسيم بار اجرايي، قابليت تعديل كردن، قابليت انعطاف در سخت مصرفي و امكان بازيافت حرارتي توليدي مي باشد.

فناوري هاي توليد هيدروژن:

براي بهينه سازي و ايجاد تنوع در روشهاي تجاري توليد هيدروژن نياز به تحقيق و توسعه بيشتر و ساخت نمونه است. هيدروژن در پالايشگاههاي بزرگ در مناطق صنعتي- پارك هاي انرژي و محل هاي سوخت گيري جوامع مختلف توليد شده و به سهولت در مناطق روستايي و منازل مشتريان توزيع و پخش خواهد شد.

فناوري هاي عرضه و ذخيره هيدروژن:

فناوري ذخيره سازي هيدروژن: در امور ذخيره سازي هيدروژن حدود 15% انرژي كل فرآينده ذخيره سازي، صرف فشرده سازي هيدروژن مي شود و ميزان 30 تا 40% آن نيز مصرف فرآيند مايع سازي هيدروژن مي گردد.

امروزه سيستم هاي ذخيره سازي هيدروژن شامل ذخيره سازي بصورت گاز فشرده در مخازن فولادي و كامپوزيتي ذخيره سازي به صورت مايع در مخازن سرد، و ذخيره سازي در هيدريدهاي فلزي مي باشد.

يكي از ساده ترين روش هاي ذخيره سازي هيدروژن ذخيره به حالت گازي است كه هزينه آن نسبت به ساير روش هاي ذخيره سازي كمتر است. هيدروژن گاز معمولاً در مخازن لوله اي تحت فشار بالا ذخيره مي گردند. ذخيره سازي هيدروژن گازي تحت فشار جز تكنولوژي هاي قديمي و متداول مي باشد.

ذخيره سازي هيدروژن به صورت مايع داراي بالاترين دانسيته ذخيره سازي است. يكي از مشكلات كاربرد هيدروژن مايع فرآيند مايع سازي آن است كه در چند مرحله صورت مي گيرد. درصد معيني از هيدروژن مايع در حين فرآيند مايع سازي به صورت تبخير از دست مي رود. در حال حاضر تكنولوژي اين فرآيند در ايران موجود نيست و چون ميزان توليد هيدروژن مايع پاييني است ازنظر اقتصادي توليد اين تجهيزات مقرون به صرفه نيست.

ذخيره سازي هيدروژن به كمك آلياژهاي فلزي مخصوص تشكيل هيدريدهاي فلزي:

يكي از روشهاي نسبتاً جديد جهت ذخيره سازي هيدروژن: استفاده از آلياژهاي مخصوص فلويست كه قادرند ضمن تشكيل هيدريد فلزي دو واكنش با هيدروژن. ميزان قابل توجهي هيدروژن در خود نگه دارند. مشكل اساسي در استفاده از اين روش آماده سازي آلياژ مربوط به خصوصيات فيزيكي و شيميايي لازم است تا بتوانند در شرايط مناسب عمل جذب هيدروژن را انجام دهند و در شرايط مناسب حجم قابل توجهي از هيدروژن ذخيره شده را آزاد سازد.

فناوري انتقال و پخش هيدروژن:

روش هايي كه به منظور انتقال هيدروژن به اشكال گاز – مايع و جامد استفاده مي شود اثرات فني- اقتصادي بر فرآيند توليد تامصرف هيدروژن خواهد داشت. سه روش متداول كه براي انتقال هيدروژن مي توان استفاده كرد شامل:

1) انتقال از طريق خط لوله: هيدروژن مي تواند به صورت گاز يا مايع در لوله انتقال داده شود.

2) انتقال از طريق جاده و راه آهن: هيدروژن مي تواند به صورت گاز فشار بالا در سيلندرهاي در محدوده فشر حدود 15 تا 40 مگا پاسكال توسط كاميون حمل شود.

3) انتقال از طريق دريا: در حال حاضر بيش از يكصد كشتي حال مخازن گاز طبيعي مايع موجود دارد كه حمل ونقل تمام گاز طبيعي ميان اروپا- شمال و جنوب آمريكا و كشورهاي حاشيه اقيانوس آرام را انجام مي دهند و به طور معمول در هر بار در حدود 150000 گالن را انتقال مي دهند.

نتيجه گيري:

مصرف گسترده و كلان انرژي حاصل از سوختهاي فسيلي اگرچه رشد سريع اقتصادي جوامع مدرن صنعتي را به همراه داشته است اما به واسطه نشر آلاينده هاي حاصل از احتراق و افزايش غلظت گاز كربنيك در اتمسفر و پيامدهاي آن جهان را با تغييرات برگشت ناپذير و تهديد آميزي مواجه ساخته است.

امروزه يكي از مشكلات بزرگ جهان، انتشار مواد آلاينده حاصل از سوختهاي فسيلي، هيدروژن در اين بخش نيز داراي مزياياي نسبي مي باشد. لذا با توجه به نكات مثبت زيست محيطي، اقتصادي و قوانين وضع شده، جهان امروزه به سمت توسعه پايدار با استفاده از انرژي هيدروژني سوق داده شده است.

از جمله ويژگي هايي كه هيدروژن را از ساير گزينه هاي سوختي متمايز مي نمايد مي تواند به فراواني، مصرف تقريباً منحصر به فرد، انتشار بسيار ناچيز آلاينده ها، برگشت پذير بودن چرخه توليد آن و كاهش اثرات گل خانه اي آن اشاره نمود.

گروه هيدروژن در سه بخش عمده به شرح ذيل فعاليت مي نمايد.

1) فن آوري هاي توليد هيدروژن.

2) فن آوري هاي عرضه و ذخيره سازي هيدروژن.

3) فن آوري هاي مصرف هيدروژن.

امكان توليد هيدروژن از منابع انرژي پاك و فسيلي وجود داشته و با توليد هيدروژن از منابع انرژي نو و تجديد پذير امكان ذخيره سازي انرژي منابع استفاده از آن در زمان و مكان مناسب فراهم مي گردد.

قابليت احتراق مستقيم هيدروژن درموتورهاي داخلي و يا واكنش شيميايي در پيل سوختي و توليد الكترويسيته بدون ايجاد آلودگي، از مزاياي هيدروژن به عنوان يك حامل انرژي پاك مي باشد.

توسعه فن آوري پيل هاي سوختي مي تواند يك راه حل مناسب جهت توسعه پايدار و بلند مدت باشد.

در حال حاضر از هيدروژن توليدي در صنعت به عنوان يك فرآورده شيميايي استفاده مي شود.

امروزه هيدروژن را مي توان از فرآيندهاي همچون الكتروليز آب، رفورمينگ گاز طبيعي و اكسيداسيون جزئي سوختهاي فسيلي بدست آورد.

 

منابع:

كتاب: از انرژي هاي نو چه مي د انيد؟ ناشر: سازمان انرژي هاي نو ايران (سانا)

http://daneshjooqom.4kia.ir/