МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ (ИПЭЭф) ___________________________________________________________________________________________________________

Направление подготовки: 140100 – Теплоэнергетика и теплотехника

Магистерская программа: Автономные энергетические системы. Водородная и электрохимическая энергетика.

Квалификация (степень) выпускника: магистр

Форма обучения: очная

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

"ВОДОРОДНЫЕ НАКОПИТЕЛИ ЭНЕРГИИ"

Цикл:

Дисциплины по выбору

Часть цикла:

№2

№ дисциплины по учебному плану:

11.1

Часов (всего) по учебному плану:

180

Трудоемкость в зачетных единицах:

4


1 семестр

Лекции

36час

1- семестр

Практические занятия

18 час

1-семестр

Лабораторные работы

Расчетные задания, рефераты

10 час самостоят. работы

1 семестр

Объем самостоятельной работы по учебному плану (всего)

126час

Экзамены

1 семестр

Курсовые проекты (работы)

Москва – 2011

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

Целью дисциплины является изучение процессов, протекающих в водородных накопителях энергии.

Магистр в соответствии целями основной образовательной программы и задачами профессиональной деятельности, указанными в ФГОС ВПО по направлению 140100 - Теплоэнергетика и теплотехника должен обладать следующими компетенциями:

а) общекультурными (ОК):

–  способностью к обобщению, анализу, восприятию информации, постановке цели и выбору путей ее достижения (ОК-1);

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

–  способностью к письменной и устной коммуникации на государственном языке: умением логически верно, аргументировано и ясно строить устную и письменную речь; готовностью к использованию одного из иностранных языков (ОК-2);

–  готовностью к кооперации с коллегами, работе в коллективе (ОК-3);

–  способностью находить организационно-управленческие решения в нестандартных условиях и в условиях различных мнений и готовность нести за них ответственность (ОК-4);

–  способностью и готовностью понимать движущие силы и закономерности исторического процесса, место человека в историческом процессе, политической организации общества, к анализу политических событий и тенденций, к ответственному участию в политической жизни (ОК-5);

–  способностью в условиях развития науки и изменяющейся социальной практики к переоценке накопленного опыта, анализу своих возможностей, готовностью приобретать новые знания, использовать различные средства и технологии обучения (ОК-6);

–  готовностью к самостоятельной, индивидуальной работе, принятию решений в рамках своей профессиональной компетенции (ОК-7);

–  способностью и готовностью осуществлять свою деятельность в различных сферах общественной жизни с учетом принятых в обществе моральных и правовых норм (ОК-8);

–  способностью и готовностью к соблюдению прав и обязанностей гражданина; к свободному и ответственному поведению (ОК-9);

–  способностью научно анализировать социально значимые проблемы и процессы, готовностью использовать на практике методы гуманитарных, социальных и экономических наук в различных видах профессиональной и социальной деятельности (ОК-10);

–  способностью и готовностью применять основные методы, способы и средства получения, хранения, переработки информации, готов использовать компьютер как средство работы с информацией (ОК-11);

–  способностью и готовностью к практическому анализу логики различного рода рассуждений, к публичным выступлениям, аргументации, ведению дискуссии и полемики (ОК-12);

–  способностью и готовностью понимать роль искусства, стремиться к эстетическому развитию и самосовершенствованию, уважительно и бережно относиться к историческому наследию и культурным традициям, толерантно воспринимать социальные и культурные различия, понимать многообразие культур и цивилизаций в их взаимодействии (ОК-13);

–  способностью и готовностью понимать и анализировать экономические проблемы и общественные процессы, быть активным субъектом экономической деятельности (ОК-14);

–  способностью понимать сущность и значение информации в развитии современного информационного общества, сознавать опасности и угрозы, возникающие в этом процессе, соблюдать основные требования информационной безопасности, с том числе защиты государственной тайны (ОК-15);

–  способностью самостоятельно, методически правильно использовать методы физического воспитания и укрепления здоровья, готовностью к достижению должного уровня физической подготовленности для обеспечения полноценной социальной и профессиональной деятельности (ОК-16);

Задачами дисциплины являются

а) расчётно-проектная и проектно-конструкторская деятельность:

сбор и анализ информационных данных для проектирования электрохимических установок, топливных элементов, установок водородной энергетики и технологии;

расчет и проектирование деталей и узлов электрохимических установок, топливных элементов, установок для водородной энергетики и технологии в соответствии с техническим заданием с использованием стандартных средств автоматизации проектирования;

участие в разработке проектной и рабочей документации;

проведение предварительного технико-экономического обоснования проектных решений.

б) производственно-технологическая деятельность:

организация рабочих мест, их техническое оснащение, размещение лабораторного и технологического оборудования электрохимических установок, топливных элементов, установок водородной энергетики и технологии;

участие в проведении электрохимических измерений с использованием современных технических средств;

участие в разработке первичной документации по экспериментальным данным, первичная обработка экспериментальной информации;

обработка, обобщение экспериментальных данных с использованием современных методов анализа и вычислительной техники;

контроль соблюдения экологической безопасности.

в) научно-исследовательская деятельность:

работа на экспериментальных лабораторных установках, моделях, работа на лабораторном оборудовании и приборах;

составление научно-технических отчетов, пояснительных записок;

подготовка данных для составления обзоров, аннотаций, составление рефератов и библиографии по тематике проводимых исследований;

участие в работе семинаров, научно-технических конференций, в подготовке публикаций, составлении заявок на изобретения и открытия.

г) организационно-управленческая деятельность:

выполнение работ по стандартизации и подготовке к сертификации технических средств, систем, процессов, оборудования и материалов для водородной энергетики и технологии, электролиза, топливных элементов, аккумуляторов, электрохимических энергоустановок;

организация работы малых коллективов исполнителей;

проведение анализа затрат и результатов деятельности производственных подразделений;

подготовка исходных данных для выбора и обоснования научно-технических и организационных решений на основе экономического анализа;

разработка оперативных планов работы первичных производственных подразделений.

д) монтажно-наладочная деятельность:

наладка, настройка, регулировка и опытная проверка оборудования для водородной энергетики и технологии, электролиза, топливных элементов, аккумуляторов, электрохимических энергоустановок;

монтаж, наладка, испытания и приемка/сдача в эксплуатацию оборудования для водородной энергетики и технологии, электролиза, топливных элементов, аккумуляторов, электрохимических энергоустановок в целом, а также изделий, узлов, систем и деталей в отдельности.

е) сервисно-эксплуатационная деятельность:

обслуживание технологического оборудования;

проверка технического состояния и остаточного ресурса оборудования для водородной энергетики и технологии, электролизеров, топливных элементов, аккумуляторов, электрохимических энергоустановок, организация профилактического осмотра и текущего ремонта;

приемка и освоение вводимого оборудования;

составление заявок на оборудование и запасные части, подготовка технической документации на ремонт;

составление инструкций по эксплуатации оборудования для водородной энергетики и технологии, электролиза, топливных элементов, аккумуляторов, электрохимических энергоустановок и программ испытаний.

2. МЕСТО ДИСЦИПЛИНЫ В СТРУКТУРЕ ООП ВПО

Дисциплина относится к вариативной части профессионального цикла Б.3 основной образовательной программы подготовки магистров по профилю "Автономные энергетические системы. Водородная и электрохимическая энергетика»" направления 140100 – Теплоэнергетика и теплотехника

.Дисциплина базируется на следующих дисциплинах: «Электрохимическая и водородная энергетика»,"Теоретическая электрохимия", "Физическая химия", “Основы тепло-массопереноса” "Теоретические основы топливных элементов" и учебно-производственной практике.)

Знания, полученные по освоению дисциплины, необходимы при выполнении бакалаврской выпускной квалификационной работы и изучении дисциплин "Энергосберегающая автономная энергетика" и "Энергосбережение в электрохимических технологиях", а также программы магистерской подготовки «Водородная и электрохимическая энергетика».

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

В результате освоения учебной дисциплины обучающиеся должны демонстрировать следующие результаты образования:

Знать:

общие закономерности химических процессов, элементы химической термодинамики и химической кинетики, адсорбционные процессы, основные свойства растворов, основы учения о катализе;

основные компоненты и показатели качества природных вод, влияние примесей в воде на работу электрохимических энергоустановок, основные физико-химические методы очистки воды;

теорию электролитов, основные законы электрохимической термодинамики, законы химической и электрохимической кинетики;

особенности и характеристики способов получения водорода в щелочных, твердополимерных и высокотемпературных электролизерах, технико-экономическое сравнение различных способов хранения и транспорта водорода, использование водорода в энергетике;

основные характеристики и закономерности коррозионных процессов; пути предотвращения коррозии в водородной и электрохимической энергетике,

параметры и проблемы электрохимических энергоустановок и их подсистем, законы и методы оптимизации электрохимических процессов и энергоустановок;

основные закономерности термодинамики и кинетики процессов в химических источниках тока, классификацию и параметры первичных, вторичных и топливных элементов;

Уметь:

проводить термодинамические расчеты химических процессов, определять условия самопроизвольного протекания химических процессов, владеть интерпретацией фазовых диаграмм, рассчитывать параметры фотохимических процессов;

оценивать состав, свойства и технологические показатели природной воды, способы очистки воды;

проводить расчеты потенциала электродов I и II рода, расчеты ЭДС гальванической цепи, расчеты, рассчитывать режимы для нанесения гальванических покрытий, проводить расчеты по диффузионной кинетике, рассчитывать и анализировать механизмы выделения водорода;

проводить материальные, тепловые, гидравлические расчеты электролизеров воды, проводить расчеты и анализ по оптимизации эксплуатационных параметров установок производства водорода, измерять основные параметры установок электролиза воды;

проводить термодинамический анализ электрохимических энергоустановок различного типа;

составлять математические модели и проводить оптимизационные расчеты элементов, батарей, генераторов и электрохимических энергоустановок;

проводить расчеты, анализ и оценку экологических систем;

производить выбор методов и режимов очистки атмосферы и гидросферы;

проводить расчеты, анализ коррозионных процессов и производить выбор способов защиты металлов от химической и электрохимической коррозии в водородной и электрохимической энергетике;

проводить электрохимические исследования и анализ характеристик электродов, топливных элементов и электролизных ячеек;

проводить исследования физико-химических показателей растворов электролитов, водных и газовых технологических сред, исследования состава и структуры электродов и электролитов;

проводить измерения и оценку вольтамперных, разрядных характеристик первичных и топливных элементов, разрядных и зарядных характеристик аккумуляторов;

проводить термодинамический, кинетический, материальный расчеты и анализ параметров первичных, вторичных химических источников тока, топливных элементов.

Владеть:

методами расчета термодинамических параметров химического, физикохимического и электрохимического процессов, методиками расчета, анализа и регулирования сложных химических реакций;

методами химического анализа, методами водоподготовки с применением технологии и аппаратуры современной химводоочистки;

методиками расчета термодинамических и кинетических параметров электрохимических процессов, методиками расчета, анализа и регулирования электрохимического и диффузионного перенапряжения электрохимических процессов;

методикой проведения материального, теплового и гидравлического расчета электролизеров воды, методикой проведения балансного расчета генератора водорода для сглаживания пиковых нагрузок, методикой проведения расчета батареи электролизных элементов различной производительности на основе различных электрохимических групп, методикой проведения оптимизации эксплуатационных и конструктивных параметров систем производства водорода;

методами химического анализа атмосферы и гидросферы, проблематикой экологической защиты окружающей среды;

методиками расчета, анализа коррозионных процессов при конкретных технологических условиях, проблематикой выбора способов защиты металлов от химической и электрохимической коррозии в водородной и электрохимической энергетике;

методиками сравнительного термодинамического анализа электрохимических энергоустановок, составления обобщенных технологических схем электрохимических энергоустановок и их компонентов, методами оптимизации электрохимических энергоустановок и их узлов, методами разработки проектов электрохимических энергоустановок для различных условий функционирования;

методикой электрохимических исследований, обработки результатов и оценки погрешности измерений характеристик электродов, топливных элементов и электролизных ячеек;

методикой проведения исследований, обработки результатов и анализа физико-химических показателей и состава и структуры электродов, растворов электролитов, водных и газовых технологических сред;

методиками проведения измерений и анализа вольтамперных, разрядных характеристик первичных и топливных элементов, разрядных и зарядных характеристик аккумуляторов;

методами термодинамического, кинетического, материального расчета, анализа и оптимизации параметров первичных, вторичных химических источников тока, топливных элементов;

4. СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

4.1 Структура дисциплины

Общая трудоемкость дисциплины составляет 4 зачетных единицы, 144 часов.

№

п/п

Раздел дисциплины.

Форма промежуточной аттестации
(по семестрам)

Всего часов на раздел

Семестр

Виды учебной работы, включая самостоятельную работу студентов и
трудоемкость (в часах)

Формы текущего контроля успеваемости

(по разделам)

лк

пр

лаб

сам.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1

Производство водорода из органического сырья

10

1

2

4

Тест

2

Технологические схемы процессов получения водорода из углеродного сырья.

10

1

2

2

4

Тест

3

Газификация твердых углеводородов

6

1

2

4

Тест

4

Способы хранения водорода

10

1

2

2

4

Выдача расчетного задания №1

5

Хранение водорода в газообразном виде.

10

1

4

4

Контрольная работа

6

Хранение водорода в носителях

6

1

2

2

4

Подготовка расчетного задания №1

7

Хранение жидкого водорода

10

1

2

4

тест

8

Наноматериалы для хранения водорода

10

1

2

2

4

Подготовка расчетного задания №1

9

Модели интегрированных систем.

6

1

2

4

Контрольная работа

10

Низкотемпературный электролиз воды

.

10

1

2

2

4

тест

11

Низкотемпературные топливные элементы

10

1

2

4

Тест

12

Высокотемпературные электролизеры и топливные элементы.

6

1

2

2

4

Подготовка расчетного задания №1

13

Другие способы производства водорода

10

1

2

4

Тест

14

Транспорт водорода

10

1

2

2

4

Тест:

15

Гибридные системы ГТУ-Электрохимические Энергоустановки

6

1

2

4

Тест:

16

Использование водорода для аккумулирования энергии возобновляемых источников.

6

1

2

2

4

Презентация и защита расчетного задания №1

17

Вопросы безопасности водородной энергетики.

6

1

2

2

4

Зачет

2

--

--

--

2

Экзамен

36

--

--

--

36

письменный

Итого:

180

36

18

126

4.2 Содержание лекционно-практических форм обучения

4.2.1. Лекции

1. Производство водорода из органического сырья.

Паровая и углекислотная конверсия углеводородов. Парциальное окисление углеводородов. Автотермический реформинг углеводородов. Термический крекинг (пиролиз) углеводородного сырья..

2.Технологические схемы процессов получения водорода.

Подготовка сырья: гидрогенизация сернистых соединений и их удаление, их адсорбция оксидами и щелочными растворами.. Утилизация тепла горячих реакционных и дымовых газов. Реакция сдвига. Очистка водорода.

3. Газификация твердых углеводородов.

Физико - химические основы процессов газификации. Содержание сырого газа. Влияние температуры на выход компонентов. Технологические установки газификации. Экономика и экология газификации.

4. Способы хранения водорода

Сравнительный анализ методов хранения водорода. Влияние стоимости электроэнергии на стоимость хранения водорода. Затраты на хранение водорода в различных системах: газобаллонный, в жидком виде, хранение в гидридах металлов и др.

5. Хранение водорода в газообразном виде.

Эффективность хранения сжатого водорода при различных давлениях. Энергозатраты на компримирование. Работа адиабатического сжатия водорода. Классификация контейнеров для хранения водорода под давлением. Крупномасштабное, геологическое хранение водорода.

6. Хранение водорода в носителях

Хранение водорода в гидридах. Аланты (алюмогидриды). Борогидгиды. Амиды.

Гидриды металлов, сплавов, интерметаллидов. Идеализированные изотермы реакции, кривые Вант Гоффа, РСТ диаграммы процессов адсорбция-десорбция водорода. Классификация и примеры сплавов – накопителей водорода.

7. Хранение жидкого водорода

Энергетические и капитальные затраты для ожижения водорода. Сравнение циклов ожижения. Примеры отечественных ожижительных установок. Требования к резервуарам для хранения водорода. Потери на испарение.

8. Наноматериалы для хранения водорода

Классификация наноструктур. Сорбция водорода в фуллеренах, одно - и многостенных нанотрубках, углеродных и графитовых нановолокнах. Основы синтеза наноматериалов.

9. Модели интегрированных систем.

Интегрированная энергоустановка «электролизер - система хранения-топливный элемент». Выбор типа электролизеров, систем хранения и топливного элемента.

Математическое моделирование процессов тепломассообмена в основных узлах энергоустановки.

10.Низкотемпературный электролиз воды

Воднощелочной и твердополимерный электролиз. Тепломассоперенос в щелочной электролизной электрохимической группе. Расчет ионных и молекулярных потоков. Использование элементов термодинамики необратимых процессов. Особенности падения напряжения в ячейке щелочного электролиза. Катализаторы катодного выделения водорода и анодного выделения кислорода.. Особенности поляризации на границе катализатор – твердополимерный электролит. Мембранно –электродные блоки. Принципы конструирования электролизеров.

11. Низкотемпературные топливные элементы

Элементная база. Топливные элементы с ТПЭ с прямым окислением спиртов. Фосфорнокислые топливные элементы. Расплавно-карбанатные топливные элементы. Протонпроводящие ионообменные мембраны. Принципиальная схема топливного элемента с ТПЭ. Электрокаталитический слой. Носители электрокаталитического слоя. Проблема снижения закладки драгметаллов. Математическая модель массопереноса в зоне воздушного электрода ТЭ. Зависимость плотности тока от геометрии канала. Распределение плотности тока от пористости газодиффузионного слоя.

12.Высокотемпературные электролизеры и топливные элементы.

Тепловой баланс высокотемпературной ячейки. Напряжение на ячейке. Проблема создания высокотемпературной керамической перегородки. Тепловыделение в системе. Особенности оксидных материалов для анодов. Возможности использование металлическо­го никеля и кобальта в качестве катодного материала. Планарные и трубчатые элементы. Технология нанесения электролита на пористый электрод.

13 Другие способы производства водорода

ермохимические циклы. Гибридные термохимические циклы. Получение водорода из неорганических материалов. Атомно-водородная энергетика. Физические методы получения водорода.

13. Транспорт водорода

Сравнительный анализ способов транспорта водорода. Транспорт газообразного водорода. Транспорт жидкого водорода. Водорода с помощью носителей. Воздействие водорода на конструктивные материалы.

15. Гибридные системы ГТУ-Электрохимические Энергоустановки

Схемы гибридных установок. Сравнительные характеристики ГТУ при использовании в качестве топлива водорода и стандартного углеводорода.

Сглаживание пиковых нагрузок в энергосистеме. Использование других электрохимических систем в недельном и сезонном процессе выравнивания нагрузки.

16. Использование водорода для аккумулирования энергии возобновляемых источников.

Особенности аккумулирования энергии солнца, ветра. Аккумулирование энергии приливов. Оптимизация схем аккумулирования.

17.Вопросы безопасности водородной энергетики.

Принципы обеспечения пожаровзрывобезопасности водорода. Технические средства обеспечения водородной безопасности. Стандарты и другие нормативные документы по безопасности в области водородной энергетики.

4.2.2. Практические занятия

Расчет параметров гибридных электрохимических систем на основе топливных элементов, электролизеров и металлогидридных систем хранения.

Расчет термодинамических параметров электрохимических систем различного типа.

Оптимизация эксплуатационных параметров электролизеров.

Материальный расчет электролизных установок различной производительности.

Проведение теплового и гидравлического расчета электролизера.

4.4. Расчетные задания

№1. Провести оптимизацию эксплуатационных и конструктивных параметров элементов интегрированных энергетических систем..

5. ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Лекционные занятия проводятся в форме лекций с использованием презентаций и видео роликов. Презентации лекций содержат большое количество фотоматериалов.

Практические занятия предполагают использование обучающего оборудования ЦКП « Водородная энергетика и электрохимические технологии»

Самостоятельная работа включает подготовку к тестам и контрольным работам, сдаче расчетных заданий и подготовку его презентации к защите, подготовку к зачету и экзамену.

6. ОЦЕНОЧНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ТЕКУЩЕГО КОНТРОЛЯ УСПЕВАЕМОСТИ, ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ ПО ИТОГАМ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

Для текущего контроля успеваемости используются различные виды тестов, контрольные работы, устный опрос, защита расчетного задания.

Аттестация по дисциплине – зачет и экзамен.

Оценка за освоение дисциплины, определяется как оценка на экзамене

7. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

7.1. Литература:

а) основная литература:

1. Вода: эффекты и технологии / , ., / Глава3, Электролиз воды, «Инженер», 2с.

1. Топливные элементы и электрохимические энергоустановки, МЭИ, 2005;

2. , , Фатеев энергоустановки для водородной энергетики, МЭИ, 2007 г.

3. , , Водородная энергетика: современное состояние, проблемы, перспективы, Газпром, 2009.

4. , , Наноматериалы и нанотехнологии в электрохимических системах, МЭИ, 2010 г.

б) дополнительная литература:

1. , , Введение в водородную энергетику, М., Энергоатомиздат, 1984;

2. , , Водородная энергетика. Способы получения водорода для энергоустановок. МЭИ, 1989;

3. , ,Ткачек воды. – М.: Химия, 1970. –

7.2. Электронные образовательные ресурсы:

а) лицензионное программное обеспечение и Интернет-ресурсы:

www. ; www. *****; www. ; www. electrolyzers.com; www. teledyne.com.

б) другие:

Материалы 1-го, (2005 г.), 2-го (2007 г.), 3-го (2009 г.) Международного симпозиума по водородной энергетике.

8. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

В качестве материально-технического обеспечения дисциплины предполагается использование оборудования Федерального Центра Коллективного Пользования «Водородная энергетика и электрохимические технологии», созданного в 2005 г. на базе кафедры Химии и электрохимической энергетики.

Для обеспечения освоения дисциплины необходимо наличие учебной аудитории, снабженной мультимедийными средствами для представления презентаций лекций и показа учебных фильмов.

Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО и с учетом рекомендаций ПрООП ВПО по направлению подготовки 141100 «Теплоэнергетика и теплотехника » и профилю «Автономные энергетические системы»

ПРОГРАММУ СОСТАВИЛ:

д. т.н., профессор,

зав. кафедрой Химии и Электрохимической энергетики

"СОГЛАСОВАНО":

Директор ИПЭЭф

д. т.н. профессор

"УТВЕРЖДАЮ":

Зав. кафедрой

д. т.н., профессор