Есть ли перспективы в будущем. Достижения и перспективы водородной энергетики

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Водородная энергетика

Выполнил

студент группы СТР 1-14

Коновалов И.Н.

Преподаватель

Малкин А.А.

Введение

2. Свойства водорода

4. Производство водорода

Заключение

Литература

Введение

Сегодня многие передовые в экономическом отношении страны все более пристально рассматривают водород не только в упомянутых сферах его традиционного применения, но и как основу энергетики завтрашнего дня.

На фоне катастрофического ухудшения экологического состояния планеты и истощения ресурсов углеводородного сырья, заманчиво использовать водород как абсолютно безвредное топливо для средств транспорта, обогрева жилищ в удаленных регионах, в автономных и стационарных источниках вторичной энергии. При этом наиболее заманчивым методом получения водорода является электролиз воды. Ведь сгорая, водород опять даст ту же воду.

Поистине неисчерпаемый источник горючего! Но здесь встает другая проблема: для электролиза требуется электричество, а его получение из возобновляемых источников составляет сегодня ничтожную долю от общих объемов производства электроэнергии. И здесь вспомним про наше Солнце и другие звезды. Термоядерная реакция и вновь водород. Человек уже создал термоядерную (водородную) бомбу. Но в ней чудовищная по масштабам Земли энергия высвобождается в доли секунды, принося разрушения и смерть.

На Солнце реакция идет миллиарды лет медленно и стабильно, принося жизнь и тепло. Ученые бьются над проблемой обуздания термояда, и не за горами то время, когда управляемая термоядерная энергия вкупе с экологически безопасным топливом навсегда избавит нас от опасений о конечности энергетических ресурсов нашей планеты и гибели окружающей среды.

1. Перспективы применения водорода

Решение проблем энергетики и энергоснабжения -- ключ к решению очень многих экономических и хозяйственных проблем.

Прежде всего, рассмотрим источники, из которых человечество в настоящее время черпает энергию для своей хозяйственной деятельности:

Приведем данные нескольких исследователей.

По данным "Центра Кургиняна", на начало 1997г. доли различных источников в совокупном мировом энергопотреблении составляли: нефть -- 38%, газ -- 29%, уголь -- 22%, и лишь около 10% приходилось на все остальные источники энергии вместе взятые

Российский журнал "Фактор" в №5 за 2001 год со ссылкой на World Energy Council представляет следующие данные на 2000 год: на ископаемые виды топлива приходится 90% мирового потребления энергоресурсов, в том числе на нефть -- 40,1%, уголь -- 27,8%, природный газ -- 22,9%.

Итак, около 90% энергии мир получает, сжигая ископаемое топливо: нефть, газ, каменный уголь. Перед тем, как остановиться на водородном источнике энергии подробно, необходимо обсудить атомную энергию. Её апологеты утверждают, что она дешевая и (несколько неуверенно после апреля 1996 года) безопасная. Признаем, что обеспечить безопасность АЭС можно. А вот с дешевизной много сложнее. Скажем прямо: главным мотивом отказа от АЭС во всем мире является не вопрос безопасности, а вопрос стоимости.

Многие деятели атомной индустрии утверждают, что "стоимость электроэнергии АЭС уже сейчас меньше на 15-20% стоимости электроэнергии тепловых станций" (Инвестиционная программа атомной энергетики на 2002-2005 годы и на период до 2010 года). Это не так. Методику расчета экономической эффективности "мирного атома" иначе как нечестной назвать трудно. "Расходы на реабилитацию мест радиоактивного загрязнения идут в России по другим статьям, нежели развертывание ядерных программ, -- отмечает академик Яблоков -- Если же подсчитать их все вместе, то эффективность развития ядерного комплекса окажется мизерной. Отходы приходится остекловывать или каким-то другим способом организовывать их длительное хранение. При этом стоимость проекта резко возрастает. В будущем нам надо находить средства на разборку отслуживших АЭС, на очистку больших территорий и акваторий от радиоактивного загрязнения".

Теперь рассмотрим менее очевидный вопрос: зачем искать альтернативы нефтегазовой энергетике?

Начнем с того, что нефть и газ не вечны. Существуют много оценок запасов нефти, которые колеблются от 30 до 100 лет использования.

Не удержусь и от повторения расхожей цитаты Дмитрия Ивановича Менделеева о том, что топить печь нефтью -- это все равно, что топить ее ассигнациями: ведь нефть является уникальным, ценнейшим химическим сырьем, из которого делают даже чёрную икру.

Сжигание углеводородов создают заметные экологические проблемы, особенно при использовании для нужд транспорта. Но если совершенствованием технологий можно решить проблемы токсичных выбросов, то выбросы углекислоты, приводящие к изменению глобального климата, являются неизбежными спутниками использования ископаемого топлива.

И тогда встает вопрос: если не углеводородное топливо и не АЭС -- тогда что же?

Ответ: возобновляемые источники энергии.

На долю этого сегмента приходиться менее 10%. Эта цифра означает не скудость этих источников, а низкий уровень внедрения технологий их использования.

Что же это за источники? Это в первую очередь Солнце: в среднем 1 киловатт/м 2 земной поверхности, что в сумме в 100 раз (!) превышает количество вырабатываемой человечеством энергии. Не следует забывать и производные энергии Солнца: гидроэнергия, энергия ветра, морских волн.

На втором месте по значимости и перспективности стоит геотермальная энергия. Она практически неисчерпаемая и вечная, но проблема ее стоимости стоит довольно остро. Отметим также энергию приливов и отливов, энергетическое использование биомассы.

Почему же такой богатейший потенциал дает менее 10% вырабатываемой энергии?

Потому что данные источники непостоянны во времени и неравномерно распределены пространстве. Поэтому прямое их использование целесообразно (на уровне сегодняшних технологий) только в децентрализованных малых источниках энергии. Например, гелиоустановки для нагрева воды. Так, в Крыму уже есть индустрия установки систем, за счет энергии Солнца нагревающих воду до 95 градусов Цельсия (хоть для этого мазут из Тюмени не надо везти…). Но для снабжения электричеством заводов (и других крупных предприятий народного хозяйства) прямое использование этих источников абсурдно.

2. Свойства водорода

В свободном состоянии и при нормальных условиях водород -- бесцветный газ, без запаха и вкуса. Относительно воздуха водород имеет плотность 1/14. Он обычно и существует в комбинации с другими элементами, например, кислорода в воде, углерода в метане и в органических соединениях. Поскольку водород химически чрезвычайно активен, он редко присутствует как несвязанный элемент.

Охлажденный до жидкого состояния водород занимает 1/700 объема газообразного состояния. Водород при соединении с кислородом имеет самое высокое содержание энергии на единицу массы: 120.7 ГДж/т. Это -- одна из причин, почему жидкий водород используется как топливо для ракет и энергетики космического корабля, для которой малая молекулярная масса и высокое удельное энергосодержание водорода имеют первостепенное значение.

При сжигании в чистом кислороде единственные продукты -- высокотемпературное тепло и вода. Таким образом, при использовании водорода не образуются парниковые газы и не нарушается даже круговорот воды в природе.

Неисчерпаемость.

Отметим преимущества водорода как топлива.

В Мировом океане водорода содержится 1,2·1017 т, дейтерия -- 2·1013 т. Суммарная масса водорода составляет 1% общей массы Земли, а число атомов -- 16%. Особенно важен здесь тот фактор, что при сгорании водород превращается в воду и полностью возвращается в круговорот природы. В то же время, по самым оптимистическим прогнозам, ресурсы углеводородного топлива будут истощены примерно через 100 с лишним лет, в то время как угля -- через многие столетия. Величина запасов угля важна и в контексте водородной энергетики: ближайшей промышленной перспективой производства водорода будет получение его при газификации углей.

Весовая теплотворная способность водорода (28630 ккал/кг) в 2.8 раза выше по сравнению с бензином.

Энергия воспламенения в 15 раз меньше, чем для углеводородного топлива.

Максимальная скорость распространения фронта пламени в 8 раз больше по сравнению с углеводородами.

Излучение пламени в 10 раз меньше по сравнению с пламенем углеводородов.

Экологичность

При использовании водорода как топлива исключается возможность усиления парникового эффекта, не выделяются вредные вещества (автомобильный двигатель выбрасывает 45 токсичных веществ, в том числе и канцерогены, нет опасности образования застойных зон водорода -- он легко улетучивается. Отметим и отрицательные качества водорода. Это низкие плотность и объемная теплотворная способность, более широкие пределы взрываемости и более высокая температура воспламенения по сравнению с углеводородами. Применение концепции энергоаккумулирующих веществ (ЭАВ), описанной ниже, позволит снизить негативное влияние этих недостатков водорода как топлива, которые заметно перекрываются его достоинствами.

3. Концепция энергоаккумулирующих веществ

Как получить водород и как избежать его взрывов?

При применении ЭАВ эти проблемы полностью решаются. При этом схема процесса состоит из трех этапов:

Получение ЭАВ, используя один из названных источников энергии.

Получение с помощью ЭАВ водорода.

Использование водорода как топлива.

Вспомним школьный опыт: Вы бросаете в воду натрий, и начинает выделяться водород. Представьте себе, что это происходит в камере сгорания: водород в свободном виде появляется только там, где ему и положено взорваться. А на борту его нет -- он связан в воде. В этом иллюстративном примере в качестве ЭАВ выступил натрий.

Конечно, это не промышленная технология -- это иллюстрация. Но я представлю Вашему вниманию промышленную технологию, разработанную в свое время в СССР для покорения Луны.

Она базировалась на следующих реакциях

Q + C + SiO2 > Si + CO2 ^ + H2O -- восстановление кремния углеродом

Si + 2H2O > SiO2 + 2H2^ + Q -- получение водорода

2H2 + O2 > 2H2O + Q -- сжигание водорода

Используя источник тепла (например, солнечную печь) восстанавливается кремний из окисла (реакция 1). Кремний представляет собой прекрасное ЭАВ, не требующее специальных условий хранения. Он доставляется к месту необходимого получения энергии (в том числе на транспортный двигатель). В специальном реакторе происходит реакция вытеснения водорода (реакция 2). И наконец, водород поступает в двигатель в качестве топлива. Образовавшийся в результате второй реакции оксид кремния можно использовать многократно.

Сероводород (H2S) является, по сути, ископаемым "самородным" водородом в очень плотной упаковке: энергия образования сероводорода примерно в 14 раз меньше, чем энергия образования воды. Это означает, что, затратив один киловатт-час энергии на разложение сероводорода, мы получим от сжигания выделившегося водорода 14 киловатт-час энергии. То есть от реакции 1 (получение ЭАВ для получения водорода) мы в данном случае избавлены. Нам остаются только две реакции:

H2S+ Q > H2^ + S

2H2 + O2 > 2H2O+ 14Q

Эксплуатационно сероводород при вполне реальных давлениях (порядка 20 атм.) сжижается при нормальной температуре, что позволяет, помимо получения удельной плотности много большей, чем у сжатого и даже жидкого водорода вести процесс разложения H2S в электролизерах. Возможно, правда, что электролиз сероводорода в связи с зашлакованием электрода элементарной серой окажется настолько затрудненным, что вести его придется через галогены.

Так, Варшавским, Максименко А.И. (Украина) и Терещуком в 1997 году получено в Госпатенте РФ положительное решение на чрезвычайно перспективный способ получения и использования водорода посредством разложения сероводорода, добываемого оригинальным методом из глубинных слоев некоторых водоемов, в частности, Черного моря. Данный метод не обязательно требует затрат национального масштаба, и может применяться не только в общенациональной энергетической системе, но и автономно.

4. Производство водорода

Запасы водорода, связанного в органическом веществе и в воде, практически неисчерпаемы. Разрыв этих связей позволяет производить водород и затем использовать его как топливо. Разработаны многочисленные процессы по разложению воды на составные элементы.

При нагревании свыше 2500°С вода разлагается на водород и кислород (прямой термолиз). Столь высокую температуру можно получить, например, с помощью концентраторов солнечной энергии. Проблема здесь состоит в том, чтобы предотвратить рекомбинацию водорода и кислорода.

В настоящее время в мире большая часть производимого в промышленном масштабе водорода получается в процессе паровой конверсии метана (ПКМ). Полученный таким путем водород используется как реагент для очистки нефти и как компонент азотных удобрений, а также для ракетной техники. Пар и тепловая энергия при температурах 750-850°С требуются, чтобы отделить водород от углеродной основы в метане, что и происходит в химических паровых реформерах на каталитических поверхностях. Первая ступень процесса ПКМ расщепляет метан и водяной пар на водород и моноксид углерода. Вслед за этим на второй ступени "реакция сдвига" превращает моноксид углерода и воду в диоксид углерода и водород. Эта реакция происходит при температурах 200-250°С.

Начиная с 70-х годов прошлого века в стране были выполнены и получили необходимое научно-техническое обоснование и экспериментальное подтверждение проекты высокотемпературных гелиевых реакторов (ВТГР) атомных энерготехнологических станций (АЭТС) для химической промышленности и черной металлургии. Среди них АБТУ-50, а позднее -- проект атомной энерготехнологической станции с реактором ВГ-400 мощностью 1060 МВт(т) для ядерно-химического комплекса по производству водорода и смесей на его основе, по выпуску аммиака и метанола, а также ряд последующих проектов этого направления.

Основой для проектов ВТГР послужили разработки ядерных ракетных двигателей на водороде. Созданные в нашей стране для этих целей испытательные высокотемпературные реакторы и демонстрационные ядерные ракетные двигатели продемонстрировали работоспособность при нагреве водорода до рекордной температуры 3000 К.

Высокотемпературные реакторы с гелиевым теплоносителем -- это новый тип экологически чистых универсальных атомных энергоисточников, уникальные свойства которых -- способность вырабатывать тепло при температурах более 1000°С и высокий уровень безопасности -- определяют широкие возможности их использования для производства в газотурбинном цикле электроэнергии с высоким КПД и для снабжения высокотемпературным теплом и электричеством процессов производства водорода, опреснения воды, технологических процессов химической, нефтеперерабатывающей, металлургической и др. отраслей промышленности.

Одним из наиболее продвинутых в этой области является международный проект ГТ-МГР, который разрабатывается совместными усилиями российских институтов (ОКБМ, РНЦ "Курчатовский институт", ВНИИНМ, НПО "Луч") и американской кампании GA при управлении и финансировании со стороны Минатома РФ и DOE US. С проектом сотрудничают также кампании Фраматом и Фуджи электрик.

К настоящему времени разработан проект модульного гелиевого реактора для генерации электричества (с КПД ~ 50%) с использованием прямого газотурбинного цикла. Энергетическая установка ГТ-МГР состоит из двух связанных воедино блоков: модульного высокотемпературного гелиевого реактора (МГР) и газотурбинного преобразователя энергии прямого цикла (ГТ). Работы находятся на стадии технического проектирования с экспериментально-стендовой отработкой ключевых технологий: топливо и система преобразования энергии. В настоящее время проводится оценка технологического применения этого проекта для производства водорода с использованием термохимических циклов, в том числе и на базе ПКМ (см. рис. 3,4). Создание такого тандема (ВТГР-ПКМ) открывает путь широкому применению ядерной энергии в энергоемкой промышленности: крупнотоннажной химии, металлургии, а также позволяет путем выработки вторичного энергоносителя (чистого водорода или его смеси с СО) создавать ядерные энерго-технологические комплексы для регионального теплоэнергоснабжения с поставкой топлива для транспорта и низкопотенциального тепла для коммунально-бытовых нужд и коммерческого сектора.

Термохимический процесс получения водорода из воды использует цикл реакций с химически активными соединениями, например, соединениями брома или йода, и проводится при высокой температуре. Требуется несколько стадий -- обычно три, чтобы выполнить полный процесс. Предложено и рассматривается несколько сотен возможных циклов. В ведущих странах мира этому процессу уделяется особое внимание как потенциально наиболее эффективной технологии производства водорода из воды с помощью ВТГР. Такой цикл может быть построен и на базе ПКМ, поскольку при паровой конверсии метана половина водорода производится не из метана, а из воды. Довести в этом цикле долю водорода, получаемого расщеплением воды, до 100% и, тем самым, полностью избежать расхода метана можно, если получать в качестве промежуточного продукта метанол с последующим электрохимическим восстановлением метана, возвращаемого в голову процесса. Подобное развитие технологии по отношению к связке "ВТГР-ПКМ" может стать рентабельным при росте цен на природный газ свыше 120-150 долл./1000 нм 3 .

Электролитическое разложение воды (электролиз). Электролитический водород является наиболее доступным, но дорогим продуктом. В промышленных и опытно-промышленных установках реализован КПД электролизера ~ 70-80% при плотностях тока менее 1 А/см 2 , в том числе для электролиза под давлением. Японские исследователи разработали экспериментальные мембранно-электродные блоки с твердополимерным электролитом, обеспечивающие электролиз воды с КПД (по электричеству) > 90% при плотностях тока 3 А/см 2 .

В мире лучшими из промышленных воднощелочных электролизеров считаются канадские, изготавливаемые корпорацией "Stuart Energy". Они стабильно в течение длительного, ресурса обеспечивают удельный расход менее 5 кВт * ч/нм 3 H2, что делает их (при низкой стоимости потребляемой электроэнергии и мировых ценах на метан) конкурентоспособными с получением водорода конверсией природного газа с применением коротко-цикловой адсорбции. Кроме того, эти электролизеры позволяют изменять нагрузку в пределах от 3% до 100%, в то время как изменение нагрузки на электролизерах типа ФВ-500, приводит к существенному сокращению срока их работы.

Особый интерес представляет электролиз в сочетании с возобновляемыми источниками энергии. Например, Исследовательский центр Энергии Университета Гумбольта разработал автономную солнечно-водородную систему, которая использует фотоэлектрический элемент мощностью 9.2 кВт, чтобы обеспечить привод компрессоров для аэрации бассейнов рыборазведения, и биполярный щелочной электролизер мощностью 7.2 кВт, способный производить 25 л H2/мин. Система работает автономно начиная с 1993 г. Когда отсутствует солнечный свет, запасенный водород служит топливом для полуторакиловаттного ЭХГ, обеспечивающего привод компрессоров.

5. Потенциал применения водорода

В Европе в конце XIX столетия сжигали топливо, называемое "городской, или синтез-газ" -- смесь водорода и монооксида углерода (СО). Несколько стран, включая Бразилию и Германию, кое-где все еще применяют это топливо. Применяли водород и для перемещения по воздуху (дирижабли и воздушные шары), начиная с первого полета во Франции 27 августа 1784 г. Жака Шарля на воздушном шаре, наполненным водородом. В настоящее время многие отрасли промышленности используют водород для очистки нефти и для синтеза аммиака и метанола. Космическая система "Шаттл" использует водород как топливо для блоков разгона. Водород применяется и для запуска ракеты-носителя "Энергия", предназначенной для доставки на орбиту сверхтяжелых грузов, в частности, корабля "Буран".

Автомашины и камеры сгорания летательных аппаратов сравнительно легко конвертируются на применение в качестве топлива водорода. В нашей стране впервые автомобильный двигатель на водороде работал в блокадном Ленинграде в 1942 году. В 80-е годы Авиационный научно-технический комплекс (АНТК) имени А.Н. Туполева создал летающую лабораторию (на базе самолета ТУ-154В), использующую в качестве топлива жидкий водород. В результате был создан первый в мире самолет на криогенном топливе -- жидком водороде и сжиженном природном газе (СПГ), -- ТУ-155.

Ленинградская атомная электростанция.

Интересен водород и для атомных электростанций как аккумулятор энергии. В проекте, который разрабатывали РНЦ "Курчатовский институт", ЛАЭС1 и канадские фирмы AECL ("Atomic Energy of Canada Limited") и "Stuart Energy" в 1990-1992 гг., на первом этапе предполагалось создание производства водорода электролизом воды мощностью 30 МВт, т.е. с производительностью 14.5 т водорода в сутки. Вторым этапом проекта предусматривалось увеличение мощности цеха электролиза до 300 МВт. Причем, естественно, предусматривалось использование электроэнергии провальной части нагрузки на АЭС. Сегодня ЛАЭС недовырабатывает примерно 400 млн. кВт * ч/год, что позволило бы произвести около 8 тыс. т водорода. Полученный водород предполагалось продавать в Финляндию и использовать в общественном транспорте в г. Сосновый Бор. Другим вариантом использования получаемого водорода рассматривалась его поставка на Киришский нефтеперерабатывающий завод. Получаемый при этом кислород мог бы стать основой производства озона для очистки промышленных стоков Санкт-Петербурга.

Сейчас наблюдается новый всплеск интереса к масштабной атомно-водородной энергетике, основным инициатором которого явились автомобилестроительные гиганты. Водород имеет много преимуществ в качестве топлива для транспортных средств и автомобильная промышленность активно включилась в его использование.

Однако наибольшее внимание исследователей, разработчиков, промышленности и инвесторов привлекают к себе топливные элементы. Топливные элементы (электрохимические генераторы -- ЭХГ) -- тип технологий, использующих реакцию окисления водорода в мембранном электрохимическом процессе, который производит электричество, тепловую энергию и воду. Американская и советская космические программы использовали ЭХГ в течение десятилетий. Топливные элементы (ТЭ) для привода автомобилей и автобусов успешно разрабатываются для следующего поколения транспортных средств, а также для автономных систем энерголитания. Твердополимерные (ТП) ТЭ по техническому уровню находятся на пороге коммерциализации. Однако в настоящее время их высокая стоимость (энергоустановка ~104 долл./кВт) в значительной степени сдерживает этот процесс. Многие компании прогнозируют снижение стоимости энергоустановок с ТП ТЭ на порядок и более при их массовом производстве. Для массового применения ТП ТЭ в автотранспорте их стоимость должна быть снижена до 50-100 долл./кВт (при современной стоимости бензина и отсутствии финансовых механизмов, учитывающих ущерб от выхлопных газов). В недалекой перспективе в результате ужесточения стандартов на выбросы, повышения стоимости бензина и снижения стоимости ТЭ ожидается изменение конъюнктуры в пользу автомобилей и автономных энергоустановок мощностью до 100-300 кВт с ТП ТЭ, В этих направлениях НИОКР развиваются с возрастающей активностью. В США, Германии, Японии, Канаде созданы и эксплуатируются опытные водородные автозаправочные станции. Первые продажи водородных автомобилей планируются на ближайшие годы.

Программа, по которой в США осуществляется финансирование исследовательских и опытно-конструкторских работ, направленных на создание семейного седана с эквивалентным удельным пробегом в три раза выше, чем у американского семейного седана образца 1993 г., называется Partnership for a New Generation of Vehicles (PNGV). По программе (PNGV) финансируются работы 800 человек в 21 лаборатории семи федеральных агентств, в том числе и таких, которые ранее занимались созданием ядерного оружия, а также в исследовательских центрах Детройтской тройки и многочисленных компаниях, изготавливающих комплектующие. С 1995 г. по программе было израсходовано 1.7 млрд. долл. Большая часть средств была направлена на создание автомобилей-гибридов и с топливными элементами. В программе речь идет о создании автомобиля по габаритам и весу сходного с Chevrolet Lumina, Dodge Intrepid и Ford Taurus (длина -- 500 см, снаряженная масса -- 1500 кг) и временем разгона до скорости 100 км/ч -- не более 10 с. Первые концептуальные модели четырехдверных пятиместных седанов, близких к поставленной задаче, были переданы на испытания в конце 2001 г. DaimlerChrysler представил Dodge ESX3, Ford Motor -- Ford Prodigy, General Motors -- GM Precept. Для снижения веса во всех моделях конструкторы старались максимально использовать легкие сплавы алюминия и магния и композиционные пластики типа тех, что применяют в корпусах ракет. водород энергетика разложение окисление

Первые созданные образцы использовали водород в баллонах. Затем появились автомобили с водородом, химически связанным в метиловом спирте (метаноле). В 2002 г. продемонстрированы первые варианты машин, в которых водород генерируется из бензина.

Первый автомобиль на топливных элементах был показан компанией Daimler-Benz в 1994 г. К 2000 г. был готов улучшенный образец NECAR-4, намеченный к опытному выпуску с 2004 г. Топливные элементы и бак, содержащий 100 л жидкого водорода, расположены под полом, что обеспечивает достаточное пространство в салоне для пассажиров и багажа. Мощность электромотора -- 74 л.с., максимальная скорость -- 160 км/ч, запас хода -- 450 км. Движение начинается сразу после нажатия на педаль акселератора. 90% максимальной мощности двигателя достигается за две секунды. Автомобиль с топливными. элементами имеет динамику, сопоставимую с машинами, оснащенными бензиновыми или дизельными моторами.

Партию легковых автомобилей с топливными элементами на жидком водороде на базе популярной модели Ford Focus к выпуску в 2004 г. готовит исследовательский центр американской Ford Motor Company. Немецкий филиал компании Ford Forschungszentrum Aachen в сотрудничестве с 40 университетами из 12 стран создал модель Mondeo P2000 HFC на платформе семейного седана Ford Taurus. Бак с жидким водородом расположен за задним сиденьем, пробег между двумя заправками -- 160 км. Партия Mondeo P2000 HFC для опытной эксплуатации будет также собрана в США. Ориентировочная стоимость -- 35 тыс. долл. Баварский концерн BMW демонстрирует во многих странах седан BMW 750hl с баком на 140 л жидкого водорода. Максимальная скорость -- 200 км/ч, запас хода -- 350 км. Роботизированная станция для заправки жидким водородом была построена в 1999 г. в Мюнхене, рядом с аэропортом. 16 машин MBW 750hl с 1999 г. пробежали, в общей сложности, 65 тыс. миль. Японский автоконцерн Toyota начинает выпускать первую партию автомобилей с топливными элементами на жидком водороде ценой 75 тыс. долл. Возможные покупатели -- правительство и крупные корпорации. На начальном этапе эксплуатация машин будет только в Токио, где построены специальные заправочные станции. Высокая стоимость автомобилей на топливных элементах с жидким водородом обусловлена высокими требованиями к составным элементам установок ЭХГ и сложной системой хранения водорода при весьма низкой температуре. Дополнительные проблемы возникают при стоянке машины, когда начинаются потери испаряющегося водорода. Хранение водорода под давлением вызывает и другие проблемы.

Потенциально более эффективно хранить водород в гидридах. Гидриды -- химические соединения водорода с другими химическими элементами. В настоящее время разрабатываются системы хранения на основе гидридов магния. Некоторые металлические сплавы типа магний-никель, магний-медь и железо-титановые сплавы поглощают водород в относительно больших количествах и освобождают его при нагреве. Гидриды, однако, хранят водород с относительно небольшой плотностью энергии на единицу веса, а процессы их заправки идут недопустимо медленно. Цель проводимых текущих исследований -- создать состав, который будет запасать существенное количество водорода с высокой плотностью энергии, легко освобождать его и быть рентабельным. С этой точки зрения уже освоенные в крупнотоннажной химии технологии синтеза водородонесущих химических соединений -- аммиака, метанола и некоторых других позволяют уменьшить затраты на необходимую инфраструктуру доставки и заправки водорода, использовать оптимальные системы его хранения на борту. По объемной плотности хранения водорода метанол в 1.5 раза превосходит жидкий водород. К таким системам относится и диметиловый эфир (ДМЭ), производимый из метанола для применения на автотранспорте вместо дизельного топлива.

В связи с этим системы, где источником водорода является жидкий (при атмосферном давлении) метиловый спирт или бензин, представляются более перспективными. При применении метанола упрощается система хранения и транспортировки топлива. С бензином еще проще, но пока не разрешены все проблемы создания недорогого и надежного в эксплуатации конвертера для разложения углеводородов с образованием водорода и углекислого газа. Daimler Chrysler намерен изготовить для опытной эксплуатации партию автомобилей NECAR-3 с топливными элементами на метаноле и запасом хода между двумя заправками 400 миль. У фордовской модели Ford Mondeo P2000 FC5, создаваемой в европейском исследовательском центре компании Ford Forschungzentrum Aachen, 400 топливных ячеек на метаноле массой 172 кг расположены под капотом. При повышенной температуре начинается реакция образования водорода из метанола. Электромотор мощностью 120 л.с. обеспечивает достижение максимальной скорости 145 км/ч. До запуска в производство в 2004 г. создатели машины рассчитывают снизить цену до 15 тыс. долл. Автомобили с электродвигателями и топливными элементами -- экологически чистые машины. Но возникают новые технические и экономические проблемы при создании портативных установок для получения водорода непосредственно в силовом агрегате автомобиля. Например, на сегодняшний день после стоянки с неработающим двигателем требуется до двух минут, чтобы вся система начала работать снова. General Motors в апреле 2002 г. продемонстрировала журналистам пикап Chevrolet S10 с топливными элементами, источником водорода для которых служит бензин. General Motors рассчитывает стать первой компанией, которая выпустит миллион автомобилей с топливными элементами. Для реализации проекта необходимо производство в стране бензина без или с ничтожно малым содержанием серы. Галлон такого бензина будет стоить на 5 центов дороже. Цена конвертера для выделения водорода при массовом производстве может быть не более 3 тыс. долл.

Для создания автомобиля на топливных элементах Российский АвтоВАЗ сотрудничает с ракетно-космической корпорацией "Энергия" и предприятиями Минатома России.

Многие автопроизводители стремятся первые партии машин на топливных элементах выпустить в 2004, в крайнем случае -- в 2005 г. Японские компании Toyota и Honda объявили, что они начинают опытно-промышленное производство легковых автомобилей с топливными элементами. Ради накопления опыта, необходимого для решения возникающих технических задач, в 2000 г. была начата эксплуатация шести автобусов в Чикаго и Ванкувере (Британская Колумбия, Канада), Несколько лет уйдет на опытную эксплуатацию и отработку наиболее безопасной и технологичной системы. К 2010 г. будет накоплен большой опыт эксплуатации и обслуживания машин с гибридными приводами. Различные направления работ по исключению или резкому сокращению применения бензина на автотранспорте неизбежно приведут к коренному изменению структуры автомобильного парка. Одновременно значительно уменьшится негативное воздействие на окружающую среду, и в жизнь войдут более жесткие экологические нормативы. Определятся экономически эффективные области применения принципиально разных типов двигателей. В результате снизится общая потребность индустриальных стран в углеводородном топливе, снизится его стоимость и уменьшится политическое влияние крупных производителей нефти, в первую очередь -- ближневосточных.

Потребление нефтепродуктов осталось только в сфере автотранспорта и рыболовстве, Проведя необходимые сравнения и проектную подготовку, правительство Исландии пришло к выводу о переводе в ближайшие годы на экологически чистое водородное топливо всего парка автомобилей и рыболовецких судов. На основе опыта эксплуатации первых десятков водородных автобусов в Европе в Рейкьявике в начале 2003 г. компанией Shell по проекту ECTOS пущена первая станция заправки автобусов сжатым электролизным водородом производительностью 60 нм 3 ч. Как основа производства водорода из воды используются керамические высокотемпературные электролизеры.

Заключение

Энергетика является одной из основных отраслей народного хозяйства, по уровню ее развития и потенциальным возможностям можно судить об экономической мощи страны.

Нынешнюю энергетическую ситуацию в мире можно назвать относительно благополучной благодаря наличию больших запасов ископаемого топлива, стабильности цен, неуклонному прогрессу в области сохранения и рационального использования энергии, совершенствованию энергетических технологий, более эффективному использованию рыночных регуляторов. Анализ современного состояния и использования энергетических ресурсов свидетельствует о том, что высокого уровня потребления энергии достигли лишь промышленно развитые страны.

После мирового энергетического кризиса были приняты меры по сохранению и рациональному использованию энергии, что способствовало значительному снижению энергоемкости материального производства В результате общая энергоемкость единицы ВВП в промышленно развитых странах с 1973 г до начала 90-х годов снизилась на 22%, при этом нефтеемкость -- почти на 38%.

Рост инвестиций не в производство электроэнергии, а в энергосберегающие технологии способствовал сокращению потребления энергии в промышленно развитых странах, что в свою очередь привело к уменьшению негативного воздействия на окружающую среду.

Кризисные явления в развитии мировой энергетики, которые проявились в середине 2000 г, по нашему мнению, могут вызвать новый виток в росте энергосбережений и изменений в структуре энергопотребления.

За прошедшие три десятилетия структура энергопотребления на глобальном и национальном уровнях претерпела значительные изменения, однако по-прежнему исключительно важное значение имеют ископаемые виды топлива, на которые в конце 90-х годов приходилось более 90% мирового потребления энергоресурсов, в том числе на нефть -- 40,1%, уголь -- 27,8%, природный газ -- 22,9%.

Несмотря на почти трехкратное увеличение производства энергии за счет использования водных и ядерных источников, их доля в мировом энергобалансе остается незначительной и составляла в конце 90-х годов соответственно примерно 5% и 6%.

При современных темпах роста потребления ископаемых видов топлива запасов нефти хватит минимум на 75 лет, природного газа -- более чем на 100 лет, угля -- более чем на 200 лет.

По прогнозу Международного энергетического агентства (МЭА), при сохранении современных тенденций в мировой энергетике в период до 2020 г глобальное потребление первичных энергоресурсов может возрасти на 65% Доля ископаемых видов топлива в мировом энергобалансе к 2020 году должна сократиться до 76% и к 2050 г -- до 45%.

Надежды, которые возлагались на новые или альтернативные источники энергии, такие как энергия солнца, ветра, биоэнергия, геотермальная энергия и другие, так и остаются пока нереализованными, не внеся кардинальных изменений в структуру мирового энергобаланса Удельный вес новых или альтернативных источников энергии, исключая гидроэлектроэнергию, в ее глобальной выработке к 2020 г будет составлять около 2%.

В рамках общей энергетической стратегии страны Европейского союза поставили задачу повысить долю электроэнергии, получаемой из возобновляемых источников энергии к 2010 г до 22%.

Литература

1. Варшавский И.Л. Энергоаккумулирующие вещества и некоторые принципы их использования для транспорта, энергетики и промышленности. -- М.: Наука, 1970. -- 51 с.

2. www.businessweek.com/common_frames/gb.htm?/2000/00_38/b3699304. htm

3. www.kurginyan.ru/publ.shtml?cmd=sch&cat=588&vip=13

4. Глобальное потепление: Доклад Гринпис / Под ред. Дж. Леггетта. Пер. с англ. -- М.: Изд-во МГУ, 1993. -- 272 с

5. www.mamok.mesi.ru/busines_club_analitics_energy_ru.htm

6. www.infoatom.ru/Win/info/info-060502.htm

7. "Энергия" 2003, №7. С. 33-39. статья С.П. Малышенко

8. Журнал "Фактор"№5 -- 2001 г.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Современная энергетика. Сокращение запасов ископаемого топлива. Топливные элементы. Типы топливных элементов и области их применения. Состояние работ по водородной энергетике в России. Примеры использования водорода, в качестве источника энергии.

реферат , добавлен 02.10.2008

Рассмотрение химического описания (бесцветный газ), свойств (неисчерпаемость, экологичность), производства и потенциальных направлений применения водорода как альтернативного источника энергии. Ознакомление с концепцией энергоаккумулирующих веществ.

курсовая работа , добавлен 26.02.2010

Солнечно-водородная энергетика. Фотокатализ и фотосенсибилизация. Биофотолиз воды. Основные принципы работы солнечных батарей. Фотокаталитические системы разложения воды. Солнечное теплоснабжение. Перспективы развития фотоэлектрических технологий.

реферат , добавлен 10.07.2008

Первая водородная авиабомба. Испытание самого мощного в истории термоядерного устройства. Световая вспышка. Политический результат испытания. Термоядерные реакции. Изотопы водорода. Разработка водородной бомбы. Последствия взрыва. Радиоактивные осадки.

доклад , добавлен 11.09.2008

Понятие и общая характеристика резины, физические и потребительские свойства данного материала. Способы и методы, основные этапы получения, сферы и преимущества практического применения. Области применения материала в электротехнике и энергетике.

реферат , добавлен 30.06.2014

Схема топливного элемента. Различные типы топливных элементов. Влияние влажности на проводимость Нафиона. Структура каталитического слоя. Методы получения водорода. Термохимический цикл в гелиумном ядерном реакторе. Фотохимическая генерация водорода.

презентация , добавлен 15.09.2014

Представление об атомах как неделимых мельчайших частицах. Опыт Резерфорда по рассеянию альфа частиц. Рассмотрение линейчатого спектра атома водорода. Идея Бора о существовании в атомах стационарных состояний. Описание основных опытов Франка и Герца.

презентация , добавлен 30.07.2015

Определение социального значения инновационных технологий в сфере энергетики. Водородные топливные элементы, геотермальная энергетика, биотопливо, беспроводная передача электричества, ветрогенераторы. Изменения в энергетике и их социальный характер.

эссе , добавлен 01.03.2013

Типовые источники энергии. Проблемы современной энергетики. "Чистота" получаемой, производимой энергии как преимущество альтернативной энергетики. Направления развития альтернативных источников энергии. Водород как источник энергии, способы его получения.

реферат , добавлен 30.05.2016

Значение воды в природе и жизни человечества. Изучение ее молекулярного строения. Использование воды как уникального энергетического вещества в системах отопления, водяных реакторах АЭС, паровых машинах, судоходстве и как сырья в водородной энергетике.

ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА, область энергетики, основанная на использовании водорода в качестве энергоносителя. Предмет водородной энергетики включает в основном разработку и совершенствование методов получения водорода, в том числе из воды и природного углеводородного сырья, методов использования водорода, в частности в топливных элементах, способов его хранения и транспортировки, а также приёмов обеспечения безопасности при работе, хранении и транспортировке водорода.

В водородной энергетике выработка электрической, тепловой или механической энергии происходит за счёт энергии процесса окисления вторичного энергоносителя - водорода кислородом воздуха при температурах менее или порядка 1000 °С по схеме: Н 2 + 1 / 2 О 2 →Н 2 О. При этом выделяется теплота - около 3 кВтч на 1 м 3 водорода (с учётом конденсации водяного пара около 3,5 кВтч/м 3). Взаимодействуя с кислородом воздуха, водород продуцирует только воду и является поэтому наиболее экологически чистым из известных химических энергоносителей. При рабочих температурах окисления Н 2 в электрохимической ячейке топливного элемента окисления азота воздуха не происходит, что также обусловливает экологическую безопасность.

Получение водорода . Традиционный метод получения сравнительно небольших количеств Н 2 - электролиз воды. Водощелочной электролиз характеризуется относительно высокими энергозатратами (около 4,5-5,5 кВтч/м 3), низкой удельной производительностью - плотность электрического тока 0,2-0,3 А/см 2 , высоким содержанием примесей в продукте.

Более совершенными являются твердополимерный электролиз (ТПЭ) и высокотемпературный электролиз (ВТЭ). В ТПЭ роль электролита выполняет катионопроводящий полимер, например на основе сульфурированного тетрафторэтилена. Через диффузионную мембрану переносится ион гидроксония Н 3 0 + , на катоде выделяется водород, на аноде - кислород. Энергозатраты метода -3,7-3,9 кВтч/м 3 , удельная производительность около 1,2 А/см 2 ; наличие мембраны позволяет получить Н 2 высокой чистоты (менее 0,001% примесей). В ТПЭ водород может быть получен под давлением 3-5 МПа, что облегчает его компримирование.

При ВТЭ рабочая температура 800-1000 °С; электролитом служит керамика на основе оксида циркония ZrО 2 , стабилизированная оксидом иттрия Y 2 О 3 или оксидом кальция СаО; электрическая проводимость достигается переносом аниона О 2 - . При температуре 1000 °С энергозатраты составляют 3,0-3,2 кВтч/м 3 , удельная производительность - около 0,4 А/см 2 . Недостаток ВТЭ - высокая температура рабочей зоны аппарата. Наиболее перспективно использование ВТЭ в сочетании с высокотемпературным ядерным реактором в качестве источника энергии.

С целью понижения температуры рабочей зоны предложены различные многостадийные - представляющие собой совокупность последовательных реакций - циклы получения водорода: иод-серный и сернокислотный термохимические циклы, сероводородный термокаталитический цикл, фотоэлектролиз воды с использованием солнечной энергии и пр. Однако многостадийность снижает кпд системы в целом и повышает сложность технологического оформления.

Альтернативой электролизу является получение Н 2 из углеродсодержащих энергоносителей: природного горючего газа, метанола, бензина, керосина и других углеводородов нефти, угля. Достоинства метода - меньшие, чем при электролизе воды, энергозатраты и соответственно меньшая (в 2-3 раза) стоимость получаемого продукта. Однако процесс является многостадийным и требует стадии очистки водорода от образующегося во многих циклах диоксида углерода, а также от непрореагировавших примесей СО, СН 4 , Н 2 О и пр. Для удаления СО используют главным образом мембранные и каталитические методы. Возникает также необходимость утилизации СО 2 .

Более 90% производства водорода реализуется в процессах конверсии лёгких углеводородов природного газа. Основные методы получения водорода из метана: пиролиз СН 4 → 2Н 2 + С; паровая конверсия или риформинг СН 4 → 2Н 2 + С; паровая конверсия или риформинг СН 4 + Н 2 O → ЗН 2 + СО (образующийся оксид углерода также подвергается конверсии СО + Н 2 O → Н 2 + СO 2); углекислотная, или «сухая», конверсия СН 4 + СO 2 → 2Н 2 + 2СО; парокислородная конверсия СН 4 + (1 -δ)Η 2 O + 1 / 2 δO 2 → (3-δ)Η 2 + СО; парциальное окисление СН 4 + 1 / 2 O 2 → 2Н 2 + СО.

Процесс парциального окисления является экзотермическим. Остальные перечисленные процессы - эндотермические, проводятся обычно в термокаталитическом варианте, характеризуются относительно невысокой удельной производительностью. Парциальное окисление осуществляется главным образом в автотермическом каталитическом режиме при температурах 800-900 °С с использованием катализаторов (Rh, Ni на корунде, перовскиты) при малом (менее 0,1 с) времени контакта; характеризуется очень высокой удельной производительностью. Процесс может быть проведён без катализатора при температурах выше 1200 °С в две стадии: на первой получается синтез-газ, на второй, экзотермической, происходит конверсия СО. Наиболее крупнотоннажное производство Н 2 - паровая конверсия метана.

В нефтехимии и нефтепереработке используется водород, получаемый в процессе каталитического риформинга (ароматизации) углеводородов С 6 -С 7 , например: н-С 6 Н 14 →С 6 Н 6 + 4Н 2 .

При истощении запасов нефти и природного газа перспективно использование эндотермического процесса конверсии угля с водяным паром: С + Н 2 О→ Н 2 + СО.

Исследовано (1996-2004) явление плазменно-каталитического превращения углеводородов, в котором процессы конверсии ускоряются за счёт каталитических свойств плазменной фазы. При этом резко уменьшаются (до 0,15-0,10 кВтч/м 3) энергозатраты; метод характеризуется высокой удельной производительностью и экологической безопасностью, не требует использования традиционных катализаторов.

Для получения водорода применяют биотехнологии: ферментацию зелёной массы растений, процессы с использованием водородопроизводящих бактерий и некоторых видов водорослей. Биотехнологические методы имеют низкую удельную производительность и требуют использования громоздкого технологического оборудования.

По способу организации энергопитания производящие Н 2 системы подразделяются на два класса: системы базового энергопитания (за счёт теплоты сгорания углеводородного сырья, теплоты, выделяемой атомным реактором, за счёт питания от централизованной электросети и пр.) и автономные системы, использующие возобновляемые источники первичной энергии (энергию солнца, ветра, приливов, гидроэнергию, геотермальную энергию). Автономная система должна включать: преобразователь первичной энергии в электрическую, генерирующий Н 2 агрегат, аккумулятор Н 2 и топливный элемент, трансформирующий химическую энергию окисления водорода в электрическую.

Производимый в начале 21 века в мире водород - около 50 миллионов т/год - потребляется главным образом в нефтепереработке (для очистки нефти) и в наиболее крупнотоннажных отраслях химической промышленности (производстве аммиака и метанола). При реализации возможности использования водорода в качестве экологически безопасного топлива для транспорта объём производства водорода может возрасти в несколько раз.

Хранение и транспортировка водорода. Для хранения Н 2 используют гидридные (на основе гидридов металлов и интерметаллидов, смотри в статье Аккумуляторы водорода) системы, для которых аспектное число α, определяемое как отношение массы поглощённого Н 2 к массе «резервуара» (в %), не более 2-3, или баллоны; для последних α= 10-12 при хранении Н 2 под давлением до 30-40 МПа. Используют так называемые супербаллоны из композитных материалов, выдерживающие давление до 60 МПа. При использовании баллонов, заполненных углеродными наноматериалами (нановолокна, нанотрубки), при хранении Н 2 под давлением до 10-15 МПа аспектное число, по некоторым данным, возрастёт до 10-15.

Особое направление водородная энергетика - сжижение Н 2 и хранение его в жидком состоянии. Технически задача довольно сложная, поскольку, во-первых, водород сжижается при очень низкой температуре (t кип -252,77 °С), во-вторых, необходимо затратить энергию, чтобы осуществить его орто-пара-превращение (около 2кВтч/м 3). Испарение с относительно высокой скоростью жидкого Н 2 из контейнера также ограничивает его применение, в частности для наземного транспорта.

Для транспортирования жидкого Н 2 используют герметичные контейнеры с эффективной тепловой изоляцией, газообразного - специальные трубопроводные системы.

Использование водорода. Водород может быть использован как топливо во многих химических и металлургических процессах, а также в авиации, космической технике, на подводном флоте, для наземного транспорта, для организации систем автономной энергетики. С конца 19 века в Европе в качестве топлива его применяли в смеси с оксидом углерода (синтез-газ). В СССР автомобильный двигатель на водороде впервые был разработан в 1942 году; в конце 1980-х годов успешные полётные испытания прошёл первый в мире самолёт с реактивным двигателем на жидком водороде ТУ-155. Жидкий водород использовался в качестве горючего для космических систем типа «Спейс Шаттл» (США) и «Буран» (СССР).

Наиболее перспективный метод использования Н 2 на транспорте и в автономной энергетике - применение топливных элементов (ТЭ). Вырабатываемая в ТЭ электрическая энергия используется в электродвигателях транспортных средств или для выработки тепловой и электроэнергии в энергетике.

Для ТЭ с полимерной мембраной (на основе катионопроводящего полимерного электролита, например сульфурированного тетрафторэтилена) в качестве горючего используется Н 2 высокой степени чистоты или водородосодержащий газ, содержащий менее 0,001% примесей СО. Данный тип ТЭ характеризуется высоким (около 70%) кпд, что существенно превышает кпд двигателя внутреннего сгорания (менее 35%). ТЭ с другими электролитами (водощелочным, фосфорнокислотным, твёрдым оксидным, электролитом в виде расплава различных карбонатов) пока уступают ТЭ с полимерной мембраной по ряду параметров.

Применение ТЭ с полимерной мембраной для оснащения наземного транспорта полностью исключает токсичные выхлопы. При использовании в качестве топлива водородосодержащих газовых смесей (Н 2 и СО 2 , Н 2 и N 2 , Н 2 с N 2 и СО 2) ТЭ может функционировать при пониженной эффективности за счёт разбавления водорода условно инертными компонентами (N 2 , СО 2). ТЭ с полимерной мембраной в сочетании с аккумулирующим водород устройством (главным образом на основе метанола) используется для создания водородных аккумуляторов энергии для сотовых телефонов, миниатюрных компьютеров и других портативных устройств.

Хранение Н 2 или его производство из природного углеводородного сырья, а также потребление водорода на борту транспортного средства с использованием ТЭ позволяют создать водородный транспорт, не загрязняющий атмосферу токсичными выхлопами, существенно более эффективный, чем транспорт с двигателем внутреннего сгорания.

Обеспечение безопасности. В замкнутых системах при наличии аппаратов, использующих водород, и при его хранении возможна утечка Н 2 в замкнутое пространство. При концентрации Н 2 более 4% по объёму в смеси с воздухом образуется горючая взрывоопасная смесь.

Для предупреждения взрыва или возгорания смеси применяют специальные системы дожигания - рекомбайнеры, в которых концентрация Н 2 понижается за счёт его термокаталитического окисления на каталитической мембране, например платиновой. Эффективный процесс окисления Н 2 (начиная с концентрации 0,7% Н 2 при нормальной температуре) осуществляют, используя высокоячеистый пористый материал, покрытый тонким слоем платины. Многие подобные устройства снабжены сенсорами Н 2 . Система дожигателей функционирует в автономном режиме без дополнительных средств инициации - тепловых или электрических - и может быть использована для обеспечения безопасности на транспорте, в заводских помещениях или на атомной электростанции, поскольку ядерный блок АЭС, употребляющий воду в качестве теплоносителя, также является водородоопасным объектом.

Лит.: Кикоин А. К., Кикоин И. К. Молекулярная физика. 2-е изд. М., 1976; Hydrogen energy system: proceedings of the 2nd World hydrogen energy conference. Oxf., 1979; Водород. Свойства, получение, хранение, транспортирование, применение. М., 1989; Tributsch Н. Chemistry for the energy future. L., 1999; 13th World hydrogen energy conference. Beijing, 2000.

На Саммите тысячелетия в Нью-Йорке 6 сентября 2000 г. Россией была выдвинута инициатива по реализации программы энергетического обеспечения устойчивого развития человечества, кардинального решения проблем нераспространения ядерного оружия и экологического оздоровления планеты Земля. На встрече президентов России и США в России в мае 2002 г. было заявлено о научно-техническом и деловом сотрудничестве в области использования нетрадиционных источников энергии, энергосберегающих и экологически чистых технологий и о разработке и развитии новых более экологически безопасных технологий ядерной энергетики. На встрече руководителей ведущих стран мира в Эвиане в мае 2003 г. заявлено, что важной составляющей дальнейшего устойчивого развития цивилизации становится Водородная энергетика.

Атомно-водородная энергетика -пути развития Н.Н. ПОНОМАРЕВ-СТЕПНОЙ, академик,
А.Я. СТОЛЯРЕВСКИЙ, кандидат технических наук

«Энергия» 2004, № 1. С. 3-9 .

Свойства водорода
В свободном состоянии и при нормальных условиях водород - бесцветный газ, без запаха и вкуса. Относительно воздуха водород имеет плотность 1/14. Он обычно и существует в комбинации с другими элементами, например, кислорода в воде,углерода в метане и в органических соединениях. Поскольку водород химически чрезвычайно активен, он редко присутствует как несвязанный элемент.

Охлажденный до жидкого состояния водород занимает 1/700 объема газообразного состояния. Водород при соединении с кислородом имеет самое высокое содержание энергии на единицу массы: 120.7 ГДж/т. Это - одна из причин, почему жидкий водород используется как топливо для ракет и энергетики космического корабля, для которой малая молекулярная масса и высокое удельное энергосодержание водорода имеют первостепенное значение.

При сжигании в чистом кислороде единственные продукты - высокотемпературное тепло и вода. Таким образом, при использовании водорода не образуются парниковые газы и не нарушается даже круговорот воды в природе.

Производство водорода
Запасы водорода, связанного в органическом веществе и в воде, практически неисчерпаемы. Разрыв этих связей позволяет производить водород и затем использовать его как топливо. Разработаны многочисленные процессы по разложению воды на составные элементы.

В настоящее время в мире большая часть производимого в промышленном масштабе водорода получается в процессе паровой конверсии метана (ПКМ). Полученный таким путем водород используется как реагент для очистки нефти и как компонент азотных удобрений, а также для ракетной техники. Пар и тепловая энергия при температурах 750-850°С требуются, чтобы отделить водород от углеродной основы в метане, что и происходит в химических паровых реформерах на каталитических поверхностях. Первая ступень процесса ПКМ расщепляет метан и водяной пар на водород и моноксид углерода. Вслед за этим на второй ступени «реакция сдвига» превращает моноксид углерода и воду в диоксид углерода и водород. Эта реакция происходит при температурах 200-250°С.

Начиная с 70-х годов прошлого века в стране были выполнены и получили необходимое научно-техническое обоснование и экспериментальное подтверждение проекты высокотемпературных гелиевых реакторов (ВТГР) атомных энерготехнологических станций (АЭТС) для химической промышленности и черной металлургии. Среди них АБТУ-50, а позднее - проект атомной энерготехнологической станции с реактором ВГ-400 мощностью 1060 МВт(т) для ядерно-химического комплекса по производству водорода и смесей на его основе, по выпуску аммиака и метанола, а также ряд последующих проектов этого направления.

Высокотемпературные реакторы с гелиевым теплоносителем - это новый тип экологически чистых универсальных атомных энергоисточников, уникальные свойства которых - способность вырабатывать тепло при температурах более 1000°С и высокий уровень безопасности - определяют широкие возможности их использования для производства в газотурбинном цикле электроэнергии с высоким КПД и для снабжения высокотемпературным теплом и электричеством процессов производства водорода, опреснения воды, технологических процессов химической, нефтеперерабатывающей, металлургической и др. отраслей промышленности.

Одним из наиболее продвинутых в этой области является международный проект ГТ-МГР, который разрабатывается совместными усилиями российских институтов (ОКБМ, РНЦ «Курчатовский институт», ВНИИНМ, НПО «Луч») и американской кампании GA при управлении и финансировании со стороны Минатома РФ и DOE US. С проектом сотрудничают также кампании Фраматом и Фуджи электрик.

Рис. 1.
Модульный гелиевый
реактор с паровой
конверсией метана.

К настоящему времени разработан проект модульного гелиевого реактора для генерации электричества (с КПД ~ 50%) с использованием прямого газотурбинного цикла. Энергетическая установка ГТ-МГР состоит из двух связанных воедино блоков: модульного высокотемпературного гелиевого реактора (МГР) и газотурбинного преобразователя энергии прямого цикла (ГТ). Работы находятся на стадии технического проектирования с экспериментально-стендовой отработкой ключевых технологий: топливо и система преобразования энергии. В настоящее время проводится оценка технологического применения этого проекта для производства водорода с использованием термохимических циклов, в том числе и на базе ПКМ (см. рис. 1, 2). Создание такого тандема (ВТГР-ПКМ) открывает путь широкому применению ядерной энергии в энергоемкой промышленности: крупнотоннажной химии, металлургии, а также позволяет путем выработки вторичного энергоносителя (чистого водорода или его смеси с СО) создавать ядерные энерго-технологические комплексы для регионального теплоэнергоснабжения с поставкой топлива для транспорта и низкопотенциального тепла для коммунально-бытовых нужд и коммерческого сектора.

Рис. 2.
Компоновка
модульного
гелиевого реактора
в здании.

Термохимический процесс получения водорода из воды использует цикл реакций с химически активными соединениями, например, соединениями брома или йода, и проводится при высокой температуре. Требуется несколько стадий - обычно три, чтобы выполнить полный процесс. Предложено и рассматривается несколько сотен возможных циклов. В ведущих странах мира этому процессу уделяется особое внимание как потенциально наиболее эффективной технологии производства водорода из воды с помощью ВТГР. Такой цикл может быть построен и на базе ПКМ, поскольку при паровой конверсии метана половина водорода производится не из метана, а из воды. Довести в этом цикле долю водорода, получаемого расщеплением воды, до 100% и, тем самым, полностью избежать расхода метана можно, если получать в качестве промежуточного продукта метанол с последующим электрохимическим восстановлением метана, возвращаемого в голову процесса. Подобное развитие технологии по отношению к связке «ВТГР-ПКМ» может стать рентабельным при росте цен на природный газ свыше 120-150 долл./1000 нм3.

Электролитическое разложение воды (электролиз). Электролитический водород является наиболее доступным, но дорогим продуктом. В промышленных и опытно-промышленных установках реализован КПД электролизера ~ 70-80% при плотностях тока менее 1 А/см2, в том числе для электролиза под давлением. Японские исследователи разработали экспериментальные мембранно-электродные блоки с твердополимерным электролитом, обеспечивающие электролиз воды с КПД (по электричеству) > 90% при плотностях тока 3 А/см2.

В мире лучшими из промышленных воднощелочных электролизеров считаются канадские, изготавливаемые корпорацией «Stuart Energy». Они стабильно в течение длительного, ресурса обеспечивают удельный расход менее 5 кВт ч/нм3 H2, что делает их (при низкой стоимости потребляемой электроэнергии и мировых ценах на метан) конкурентоспособными с получением водорода конверсией природного газа с применением коротко-цикловой адсорбции. Кроме того, эти электролизеры позволяют изменять нагрузку в пределах от 3% до 100%, в то время как изменение нагрузки на электролизерах типа ФВ-500, приводит к существенному сокращению срока их работы.

Потенциал применения водорода
В Европе в конце XIX столетия сжигали топливо, называемое «городской, или синтез-газ» - смесь водорода и монооксида углерода (СО). Несколько стран, включая Бразилию и Германию, кое-где все еще применяют это топливо. Применяли водород и для перемещения по воздуху (дирижабли и воздушные шары), начиная с первого полета во Франции 27 августа 1784 г. Жака Шарля на воздушном шаре, наполненным водородом. В настоящее время многие отрасли промышленности используют водород для очистки нефти и для синтеза аммиака и метанола. Космическая система «Шаттл» использует водород как топливо для блоков разгона. Водород применяется и для запуска ракеты-носителя «Энергия», предназначенной для доставки на орбиту сверхтяжелых грузов, в частности, корабля «Буран».

Автомашины и камеры сгорания летательных аппаратов сравнительно легко конвертируются на применение в качестве топлива водорода. В нашей стране впервые автомобильный двигатель на водороде работал в блокадном Ленинграде в 1942 году. В 80-е годы Авиационный научно-технический комплекс (АНТК) имени А.Н. Туполева создал летающую лабораторию (на базе самолета ТУ-154В), использующую в качестве топлива жидкий водород. В результате был создан первый в мире самолет на криогенном топливе - жидком водороде и сжиженном природном газе (СПГ), - ТУ-155.

1 Ленинградская атомная электростанция.Интересен водород и для атомных электростанций как аккумулятор энергии. В проекте, который разрабатывали РНЦ «Курчатовский институт», ЛАЭС1 и канадские фирмы AECL («Atomic Energy of Canada Limited») и «Stuart Energy» в 1990-1992 гг., на первом этапе предполагалось создание производства водорода электролизом воды мощностью 30 МВт, т.е. с производительностью 14.5 т водорода в сутки. Вторым этапом проекта предусматривалось увеличение мощности цеха электролиза до 300 МВт. Причем, естественно, предусматривалось использование электроэнергии провальной части нагрузки на АЭС. Сегодня ЛАЭС недовырабатывает примерно 400 млн. кВт ч/год, что позволило бы произвести около 8 тыс. т водорода. Полученный водород предполагалось продавать в Финляндию и использовать в общественном транспорте в г. Сосновый Бор. Другим вариантом использования получаемого водорода рассматривалась его поставка на Киришский нефтеперерабатывающий завод. Получаемый при этом кислород мог бы стать основой производства озона для очистки промышленных стоков Санкт-Петербурга.

Однако наибольшее внимание исследователей, разработчиков, промышленности и инвесторов привлекают к себе топливные элементы. Топливные элементы (электрохимические генераторы - ЭХГ) - тип технологий, использующих реакцию окисления водорода в мембранном электрохимическом процессе, который производит электричество, тепловую энергию и воду. Американская и советская космические программы использовали ЭХГ в течение десятилетий. Топливные элементы (ТЭ) для привода автомобилей и автобусов успешно разрабатываются для следующего поколения транспортных средств, а также для автономных систем энерголитания. Твердополимерные (ТП) ТЭ по техническому уровню находятся на пороге коммерциализации. Однако в настоящее время их высокая стоимость (энергоустановка ~104 долл./кВт) в значительной степени сдерживает этот процесс. Многие компании прогнозируют снижение стоимости энергоустановок с ТП ТЭ на порядок и более при их массовом производстве. Для массового применения ТП ТЭ в автотранспорте их стоимость должна быть снижена до 50-100 долл./кВт (при современной стоимости бензина и отсутствии финансовых механизмов, учитывающих ущерб от выхлопных газов). В недалекой перспективе в результате ужесточения стандартов на выбросы, повышения стоимости бензина и снижения стоимости ТЭ ожидается изменение конъюнктуры в пользу автомобилей и автономных энергоустановок мощностью до 100-300 кВт с ТП ТЭ, В этих направлениях НИОКР развиваются с возрастающей активностью. В США, Германии, Японии, Канаде созданы и эксплуатируются опытные водородные автозаправочные станции. Первые продажи водородных автомобилей планируются на ближайшие годы2.

2 Подробнее - см. статью С.П. Малышенко в N 7, 2003.Создание автомобилей с принципиально новыми типами двигателей требует больших денег и практически невозможно безгосударственной поддержки. Программа, по которой в США осуществляется финансирование исследовательских и опытно-конструкторских работ, направленных на создание семейного седана с эквивалентным удельным пробегом в три раза выше, чем у американского семейного седана образца 1993 г., называется Partnership for a New Generation of Vehicles (PNGV). По программе (PNGV) финансируются работы 800 человек в 21 лаборатории семи федеральных агентств, в том числе и таких, которые ранее занимались созданием ядерного оружия, а также в исследовательских центрах Детройтской тройки и многочисленных компаниях, изготавливающих комплектующие. С 1995 г. по программе было израсходовано 1.7 млрд. долл. Большая часть средств была направлена на создание автомобилей-гибридов и с топливными элементами. В программе речь идет о создании автомобиля по габаритам и весу сходного с Chevrolet Lumina, Dodge Intrepid и Ford Taurus (длина - 500 см, снаряженная масса - 1500 кг) и временем разгона до скорости 100 км/ч - не более 10 с. Первые концептуальные модели четырехдверных пятиместных седанов, близких к поставленной задаче, были переданы на испытания в конце 2001 г. DaimlerChrysler представил Dodge ESX3, Ford Motor - Ford Prodigy, General Motors - GM Precept. Для снижения веса во всех моделях конструкторы старались максимально использовать легкие сплавы алюминия и магния и композиционные пластики типа тех, что применяют в корпусах ракет.

Рис. 3. Автомобиль Daimler Chrysler NECAR 5 на базе
Мерседес Бенц А класса в штате Вайоминг во время
пробега через территорию США (20 мая - 4 июня 2002).
Для поставки водорода к ЭХГ на 75кВт
используется метанол, который разработчики
называют «метанолизированный водород или МН2».

Первый автомобиль на топливных элементах был показан компанией Daimler-Benz в 1994 г. К 2000 г. был готов улучшенный образец NECAR-4, намеченный к опытному выпуску с 2004 г. Топливные элементы и бак, содержащий 100 л жидкого водорода, расположены под полом, что обеспечивает достаточное пространство в салоне для пассажиров и багажа. Мощность электромотора - 74 л.с., максимальная скорость - 160 км/ч, запас хода - 450 км. Движение начинается сразу после нажатия на педаль акселератора. 90% максимальной мощности двигателя достигается за две секунды. Автомобиль с топливными. элементами имеет динамику, сопоставимую с машинами, оснащенными бензиновыми или дизельными моторами.

Партию легковых автомобилей с топливными элементами на жидком водороде на базе популярной модели Ford Focus к выпуску в 2004 г. готовит исследовательский центр американской Ford Motor Company. Немецкий филиал компании Ford Forschungszentrum Aachen в сотрудничестве с 40 университетами из 12 стран создал модель Mondeo P2000 HFC на платформе семейного седана Ford Taurus. Бак с жидким водородом расположен за задним сиденьем, пробег между двумя заправками - 160 км., Партия Mondeo P2000 HFC для опытной эксплуатации будет также собрана в США. Ориентировочная стоимость - 35 тыс. долл. Баварский концерн BMW демонстрирует во многих странах седан BMW 750hl с баком на 140 л жидкого водорода. Максимальная скорость - 200 км/ч, запас хода - 350 км. Роботизированная станция для заправки жидким водородом была построена в 1999 г. в Мюнхене, рядом с аэропортом. 16 машин MBW 750hl с 1999 г. пробежали, в общей сложности, 65 тыс. миль. Японский автоконцерн Toyota начинает выпускать первую партию автомобилей с топливными элементами на жидком водороде ценой 75 тыс. долл. Возможные покупатели - правительство и крупные корпорации. На начальном этапе эксплуатация машин будет только в Токио, где построены специальные заправочные станции. Высокая стоимость автомобилей на топливных элементах с жидким водородом обусловлена высокими требованиями к составным элементам установок ЭХГ и сложной системой хранения водорода при весьма низкой температуре. Дополнительные проблемы возникают при стоянке машины, когда начинаются потери испаряющегося водорода. Хранение водорода под давлением вызывает и другие проблемы.

Потенциально более эффективно хранить водород в гидридах. Гидриды - химические соединения водорода с другими химическими элементами. В настоящее время разрабатываются системы хранения на основе гидридов магния. Некоторые металлические сплавы типа магний-никель, магний-медь и железо-титановые сплавы поглощают водород в относительно больших количествах и освобождают его при нагреве. Гидриды, однако, хранят водород с относительно небольшой плотностью энергии на единицу веса, а процессы их заправки идут недопустимо медленно. Цель проводимых текущих исследований - создать состав, который будет запасать существенное количество водорода с высокой плотностью энергии, легко освобождать его и быть рентабельным. С этой точки зрения уже освоенные в крупнотоннажной химии технологии синтеза водородонесущих химических соединений - аммиака, метанола и некоторых других позволяют уменьшить затраты на необходимую инфраструктуру доставки и заправки водорода, использовать оптимальные системы его хранения на борту. По объемной плотности хранения водорода метанол в 1.5 раза превосходит жидкий водород. К таким системам относится и диметиловый эфир (ДМЭ), производимый из метанола для применения на автотранспорте вместо дизельного топлива.

В связи с этим системы, где источником водорода является жидкий (при атмосферном давлении) метиловый спирт или бензин, представляются более перспективными. При применении метанола упрощается система хранения и транспортировки топлива. С бензином еще проще, но пока не разрешены все проблемы создания недорогого и надежного в эксплуатации конвертера для разложения углеводородов с образованием водорода и углекислого газа. Daimler Chrysler намерен изготовить для опытной эксплуатации партию автомобилей NECAR-3 с топливными элементами на метаноле и запасом хода между двумя заправками 400 миль. У фордовской модели Ford Mondeo P2000 FC5, создаваемой в европейском исследовательском центре компании Ford Forschungzentrum Aachen, 400 топливных ячеек на метаноле массой 172 кг расположены под капотом. При повышенной температуре начинается реакция образования водорода из метанола. Электромотор мощностью 120 л.с. обеспечивает достижение максимальной скорости 145 км/ч. До запуска в производство в 2004 г. создатели машины рассчитывают снизить цену до 15 тыс. долл. Автомобили с электродвигателями и топливными элементами - экологически чистые машины. Но возникают новые технические и экономические проблемы при создании портативных установок для получения водорода непосредственно в силовом агрегате автомобиля. Например, на сегодняшний день после стоянки с неработающим двигателем требуется до двух минут, чтобы вся система начала работать снова. General Motors в апреле 2002 г. продемонстрировала журналистам пикап Chevrolet S10 с топливными элементами, источником водорода для которых служит бензин. General Motors рассчитывает стать первой компанией, которая выпустит миллион автомобилей с топливными элементами. Для реализации проекта необходимо производство в стране бензина без или с ничтожно малым содержанием серы. Галлон такого бензина будет стоить на 5 центов дороже. Цена конвертера для выделения водорода при массовом производстве может быть не более 3 тыс. долл.

Для создания автомобиля на топливных элементах Российский АвтоВАЗ сотрудничает с ракетно-космической корпорацией «Энергия» и предприятиями Минатома России.

Многие автопроизводители стремятся первые партии машин на топливных элементах выпустить в 2004, в крайнем случае - в 2005 г. Японские компании Toyota и Honda объявили, что они начинают опытно-промышленное производство легковых автомобилей с топливными элементами. Ради накопления опыта, необходимого для решения возникающих технических задач, в 2000 г. была начата эксплуатация шести автобусов в Чикаго и Ванкувере (Британская Колумбия, Канада), Несколько лет уйдет на опытную эксплуатацию и отработку наиболее безопасной и технологичной системы. К 2010 г. будет накоплен большой опыт эксплуатации и обслуживания машин с гибридными приводами. Различные направления работ по исключению или резкому сокращению применения бензина на автотранспорте неизбежно приведут к коренному изменению структуры автомобильного парка. Одновременно значительно уменьшится негативное воздействие на окружающую среду, и в жизнь войдут более жесткие экологические нормативы. Определятся экономически эффективные области применения принципиально разных типов двигателей. В результате снизится общая потребность индустриальных стран в углеводородном топливе, снизится его стоимость и уменьшится политическое влияние крупных производителей нефти, в первую очередь - ближневосточных.

В июне 2002 г. о переводе транспортных наземных систем и рыболовецкого флота на водородные системы было объявлено правительством Исландии. В этой стране на новых чистых видах энергии, в первую очередь - геотермальной, базируется вся энергетика и теплоснабжение. Потребление нефтепродуктов осталось только в сфере автотранспорта и рыболовстве, Проведя необходимые сравнения и проектную подготовку, правительство Исландии пришло к выводу о переводе в ближайшие годы на экологически чистое водородное топливо всего парка автомобилей и рыболовецких судов. На основе опыта эксплуатации первых десятков водородных автобусов в Европе в Рейкьявике в начале 2003 г. компанией Shell по проекту ECTOS пущена первая станция заправки автобусов сжатым электролизным водородом производительностью 60 нм3ч. Как основа производства водорода из воды используются керамические высокотемпературные электролизеры.

Стоимость водорода
В настоящее время наиболее рентабельный способ производить водород - паровая конверсия. Согласно данным Минэнерго США, в 1995 г. стоимость водорода была 7 долл./ГДж (для условий большого завода), что эквивалентно стоимости бензина 0.24 долл./л. Для расчета принималась стоимость природного газа 2.30 долл./Гдж (80 долл./ 1000нм3), примерно в 3 раза превышающая его стоимость в России. Таким образом, даже при увеличении внутренних цен на природный газ в России в 2-3 раза водород, производимый с помощью ПКМ, будет более дешевым поставщиком энергии, чем бензин при текущих внутренних ценах на углеводородное топливо.

Производство водорода электролизом воды на основе современных технологий оценивается по затратам от 10 до 20 долл. за ГДж. Аналогичные цифры дают оценки, полученные для термохимического производства водорода из воды с использованием энергии ВТГР. В ближайшей перспективе водород, получаемый из воды в процессе паровой конверсии метана с помощью энергии ВТГР, может производиться в стране при затратах ниже 7 долл./ГДж, то есть дешевле, чем бензин при цене последнего в 7-8 руб./л.

Ситуация развивается чрезвычайно быстро
В феврале 2003 г. объявлено о начале работ по программе Минэнерго США «Атомно-водородная инициатива», нацеленной на создание до 2015 г. Атомно-водородного комплекса по производству водорода с помощью высокотемпературного ядерного реактора. В июле 2003 г. Сенат США выделил на Атомно-водородную инициативу в 2 раза больше, чем запросила Администрация Президента США.

В июне 2003 г. на сессии Международного энергетического агентства министр энергетики США Спенсер Абрахам заявил, что через 20 лет весь мир (а развитые страны и того раньше) перейдет на новый вид моторного топлива, например, водород. В течение пяти лет на разработку водородного двигателя США потратят 1.7 млрд. долл., а Европейский союз выделит 2 млрд. долл. на создание самого водородного топлива и иных возобновляемых источников энергии. Выступая на конференции Евросоюза в Брюсселе, С. Абрахам призвал Европу присоединиться к разработкам по развитию водородной энергетики, базируясь на атомных энергоисточниках.

25 июня 2003 г. в совместном заявлении Президент США Дж. Буш и председатель Евросоюза Романо Проди заявили о необходимости международного сотрудничества по развитию Водородной энергетики.

Во время российско-американского делового энергетического саммита (Санкт-Петербург, 22-23 сентября 2003 г.) американским и российским министрами энергетики были сделаны заявления о сотрудничестве России и США в работах по развитию водородной экономики.

В последние десятилетие стало очевидным фактом, что дальнейшее интенсивное развитие современной энергетики и транспорта ведет человечество к крупномасштабному экологическому кризису. Стремительное сокращение запасов ископаемого топлива будет принуждать индустриально развитые страны расширять сеть атомных энергоустановок, которые во все возрастающей степени станут повышать опасность их эксплуатации. Резко обострится проблема утилизации радиоактивных отходов. Учитывая эту тревожную тенденцию, многие ученые и практики определенно высказываются в пользу ускоренного поиска альтернативных нетрадиционных источников энергии. В частности, их взоры обращаются к водороду, запасы которого водах Мирового океана неисчерпаемы. Неоспоримым достоинством водородного топлива являются относительная экологическая безопасность его использования, приемлемость для тепловых двигателей без существенного изменения их конструкции, высокая калорийность, возможность долговременного хранения, транспортировки по существующей транспортной сети, нетоксичность и т.д. Однако существенной непреодолимой проблемой до сегодняшнего дня остается неэкономичность его промышленного производства.

Для нужд водородной энергетики в будущем предполагается усовершенствовать традиционные методы и разработать новые, нетрадиционные, используя ядерную и солнечную энергию . Предлагаемое усовершенствование основного метода получения водорода – каталитической конверсии природного газа заключается в том, что процесс проводят в кипящем слое катализатора, а тепло в свою очередь подводят от высокотемпературного ядерного газоохлаждаемого реактора (ВТГР). Применение этого метода позволит более чем в 10 раз увеличить объемную скорость процесса, снизить температуру в химическом реакторе на 150 °С, а также уменьшить затраты на производство водорода на 20-25%. Однако такие реакторы, обеспечивающие высокие температуры теплоносителя (ок. 1000°С), пока находятся в стадии разработок.

Другой вариант получения водорода водно-щелочной электролиз под давлением с использованием дешевой электроэнергии, вырабатываемой в ночное время атомной электростанцией. При этом расход электроэнергии на получение 1 м 3 Н 2 составляет 4,3-4,7 кВт ч (по обычному способу 5,1-5,6 кВт ч), напряжение на ячейке 1,7-2,0 В при плотности тока 3-5 кА/м 2 и давлении в электролизёре до 3 МПа. Полученный таким способом водород может направляться на нужды промышленности либо использоваться как топливо на электростанции для выработки дополнительной электроэнергии в дневное время.

Другим методом получения водорода является электролиз воды с использованием в качестве электролита расплава щёлочи, твердого полимера (твердополимерный , или ТП-электролиз ), или керамики на основе ZrO 2 (высокотемпературный , или ВТ-электролиз ). Электролитический метод требует затрат электроэнергии на 30-40% меньше, чем традиционные способы получения водорода. Использование твёрдых электролитов позволяет значительно сократить расстояние между электродами в ячейке (до 250 мкм), в результате чего в несколько раз повышается плотность тока без увеличения напряжения на ячейке электролизёра. В качестве электролита при твёрдополимерном электролизе можно использовать пленку из сульфированного фторопласта-4. При этом температура процесса составляет 150°С, достижимый кпд электролизёра 90%, расход электроэнергии на получение 1 м 3 Н 2 3,5 кВт ч. Наиболее перспективен высокотемпературный электролиз с использованием тепла от реактора: при этом электролитом служит керамика из оксида циркония ZrO 2 с добавками оксидов других металлов (например, Va 2 O 3 , CaO, Sc 2 O 3). При этом температура процесса существенно повышается до 800-1000 °С, а достижимый уровень расхода электроэнергии на получение 1 м 3 Н 2 при плотностях тока 3-10 кА/м 2 составляет 2,5 кВт ч.

Из плазмохимических методов получения водорода наиболее перспективен двухстадийный углекислотный цикл , включающий: 1) диссоциацию углекислоты (2СО 2 -> 2СО + О 2), осуществляемую в плазмотроне с эффективностью до 75-80%; 2) последующую конверсию СО с водяным паром (СО + Н 2 О -> Н 2 + СО 2), после которой образовавшийся СО 2 возвращается в плазмотрон.

Термохимические способы получения водорода представляют собой совокупность последовательных химических реакций, приводящих к разложению исходного водородсодержащего сырья – воды при более низкой температуре, чем та, которая требуется для термической диссоциации. Так, степень термической диссоциации воды при 2483°С составляет 11,1%. В этих циклах все компоненты системы, кроме водородсодержащего сырья, регенерируются. Ниже приводятся примеры термохимических циклов разложения воды.

Также представляют интерес сероводородные термохимические циклы , например:

При использовании сероводорода (H 2 S) вместо воды снижаются затраты энергии на получение водорода, т.к. энергия связи Н-S в сероводороде значительно меньше энергии связи Н-О в воде, и кроме водорода образуется сера - важное химическое сырье.

К другим перспективным методам получения водорода относится радиолиз воды и водных растворов СО 2 , H 2 SO 4 , HC1, HBr, H 2 S, AgCl и др. под действием ядерного излучения (жесткого, нейтронного). Наиболее мощные источники такого излучения - ядерные реакторы. Однако, для развития этого метода необходимо создать источники ядерного излучения с высокой энергонапряженностью, разработать системы, способные поглощать реагирующей средой более 50% энергии излучения и использовать ее с радиационным выходом более 10 молекул водорода на 100 эВ.

Исследуются также и фотохимические методы получения водорода с использованием солнечной энергии. Осуществлен фотоэлектролиз воды (с раздельным получением Н 2 и О 2); метод будет представлять практический интерес, если его кпд достигнет 10-12% (пока он составляет ок. 3%).

Другим интересным способом получения водорода является биофотолиз воды . Биофотолиз воды основан на том, что некоторые микроорганизмы и микроводоросли (например, хлорелла), поглощающие солнечную энергию, способны разлагать воду с выделением водорода. Однако кпд трансформации солнечной энергии такими микроорганизмами очень низок – примерно 8%.

В последнее время как альтернативу водородной энергетики предлагается использовать тяжёлую воду . В ходе ядерной реакции двух атомов дейтерия образуется водород и гелий:

В такой реакции неприменим закон сохранения массы, каким пользуется обычная химия; в результате реакции получается недостача:

(2x2,014-1,008-3,016)г=0,004г

Она означает, что если бы удалось найти условия, при которых может протекать реакция между двумя молями тяжелого водорода, то, согласно уравнению Эйнштейна:

можно было бы получить энергию:

0,00433х(3,0х1010)2 эрг=3,9х1018 эрг=3,9х1011 Дж.

В наше время, чтобы получить такую энергию, приходится сжигать 14 т угля.

Между тем в соответствии с уравнением ядерной реакции такую энергию можно получить при затрате всего лишь двух молей дейтерия, которые содержатся в одном моле тяжелой воды. Следовательно, простой воды для этого потребуется:

6700x18/1000 кг = 120,6 кг

или 120 л. Значит, из одного литра обычной воды можно добыть больше энергии, чем можно получить ее из ста килограммов высококачественного угля. А запасы воды на нашей Земле огромны.

Однако, некоторые учёные считают, что решение энергетических проблем за счёт водородного топлива - это тупиковый и опасный путь. Поскольку, освобождаясь от загрязнения среды обитания продуктами горения углеводородного топлива, человечество приобретает достаточно мощный и непредсказуемый "продукт", который может послужить источником глобальной катастрофы.

К.х.н. О. В. Мосин

Исп. литература: « Водородная энергетика» : Легасов В. А. 1980, Атомно-водородная энергетика и технология, М., 1978, с. 11-36; Мищенко А. И., Применение водорода для автомобильных двигателей, К., 1984; McAul - iffe Ch . A ., Hydrogen and energy , Ц., 1980.

Водородная энергетика

Многие специалисты высказывают опасение по поводу все возрастающей
тенденции к сплошной электрификации экономики и хозяйства: на тепловых
электростанциях сжигается все больше химического топлива, а сотни новых атомных
электростанций, как и зарождающиеся солнечные, ветряные и геотермальные
станции, будут во все более широком масштабе (и в конце концов исключительно)
работать для производства электрической энергии. Поэтому ученые заняты поиском
принципиально новых энергетических систем.
К.п.д. тепловых электростанций относительно низок, хотя конструкторы
прилагают все силы, чтобы его повысить. В современных электростанциях на
органическом топливе он составляет около 40%, а в атомных электростанциях – 33%.
При этом большая доля энергии теряется с отходящим теплом (например, вместе со
сбрасываемой из систем охлаждения теплой водой), что приводит к так называемому
тепловому загрязнению окружающей среды. Отсюда следует, что тепловые
электростанции нужно строить в тех местах, где имеется а достаточном количестве
охлаждающая вода, или же в открытых ветрам местностях, где воздушное
охлаждение не будет оказывать отрицательного влияния на микроклимат. К этому
добавляются вопросы безопасности и гигиены. Вот почему будущие крупные АЭС
должны располагаться как можно дальше от густонаселенных районов. Но тем самым
источники электроэнергии удаляются от ее потребителей, что значительно усложняет
проблему электропередачи.
Передача электроэнергии по проводам обходится очень дорого: она составляет
около трети себестоимости энергии для потребителя. Чтобы снизить расходы, строят
линии электропередачи все более высокого напряжения – оно скоро достигнет 1500
кВ. Но воздушные высоковольтные линии требуют отчуждения большой земельной
площади, к тому же они уязвимы для очень сильных ветров и иных
метеорологических факторов. А подземные кабельные линии обходятся в 10 – 20 раз

дороже, и их прокладывают лишь в исключительных случаях (например, когда это
вызвано соображениями архитектуры или надежности).
Серьезнейшую проблему составляет накопление и хранение электроэнергии,
поскольку электростанции наиболее экономично работают при постоянной мощности
и полной нагрузке. Между тем спрос на электроэнергию меняется в течение суток,
недели и года, так что мощность электростанций приходится к нему приспосабливать.
Единственную возможность сохранять впрок большие количества электроэнергии в
настоящее время дают гидроаккумулирующие электростанции, но и они в свою
очередь связаны с множеством проблем.
Все эти проблемы, стоящие перед современной энергетикой, могло бы – по
мнению многих специалистов – разрешить использование водорода в качестве
топлива и создание так называемого водородного энергетического хозяйства.
Водород, самый простой и легкий из всех химических элементов, можно считать
идеальным топливом. Он имеется всюду, где есть вода. При сжигании водорода
образуется вода, которую можно снова разложить на водород и кислород, причем
этот процесс не вызывает никакого загрязнения окружающей среды. Водородное
пламя не выделяет в атмосферу продуктов, которыми неизбежно сопровождается
горение любых других видов топлива: углекислого газа, окиси углерода, сернистого
газа, углеводородов, золы, органических перекисей н т. п. Водород обладает очень
высокой теплотворной способностью: при сжигании 1 г водорода получается 120 Дж
тепловой энергии, а при сжигании 1 г бензина – только 47 Дж.
Водород можно транспортировать и распределять по трубопроводам, как
природный газ. Трубопроводный транспорт топлива – самый дешевый способ
дальней передачи энергии. К тому же трубопроводы прокладываются под землей, что
не нарушает ландшафта. Газопроводы занимают меньше земельной площади, чем
воздушные электрические линии. Передача энергии в форме газообразного водорода
по трубопроводу диаметром 750 мм на расстояние свыше 80 км обойдется дешевле,
чем передача тоги же количества энергии в форме переменного тока по подземному
кабелю. На расстояниях больше 450 км трубопроводный транспорт водорода
дешевле, чем использование воздушной линии электропередачи постоянного тока с
напряжением 40кВ, а па расстоянии свыше 900 км – дешевле воздушной линии
электропередачи переменного тока с напряжением 500 кВ.
Водород – синтетическое топливо. Его можно получать из угля, нефти,
природного газа либо путем разложения воды. Согласно оценкам, сегодня в мире
производят и потребляют около 20 млн. т водорода в год. Половина этого количества
расходуется на производство аммиака и удобрений, а остальное – на удаление серы из
газообразного топлива, в металлургии, для гидрогенизации угля и других топлив. В
современной экономике водород остается скорее химическим, нежели
энергетическим сырьем.
Современные и перспективные методы производства водорода
Сейчас водород производят главным образом (около 80%) из нефти. Но это
неэкономичный для энергетики процесс, потому что энергия, получаемая из такого
водорода, обходится в 3,5 раза дороже, чем энергия от сжигания бензина. К тому же
себестоимость такого водорода постоянно возрастает по мере повышения цен на
нефть.
Небольшое количество водорода получают путем электролиза. Производство
водорода методом электролиза воды обходится дороже, чем выработка его из нефти,
но оно будет расширяться и с развитием атомной энергетики станет дешевле. Вблизи
атомных электростанций можно разместить станции электролиза воды, где вся
энергия, выработанная электростанцией, пойдет на разложение воды с образованием
водорода. Правда, цена электролитического водорода останется выше цены
электрического тока, зато расходы на транспортировку и распределение водорода
настолько малы, что окончательная цена для потребителя будет вполне приемлема по
сравнению с ценой электроэнергии.
Сегодня исследователи интенсивно работают над удешевлением
технологических процессов крупнотоннажного производства водорода за счет более
эффективного разложения воды, используя высокотемпературный электролиз
водяного пара, применяя катализаторы, полунепроницаемые мембраны и т. п.
Большое внимание уделяют термолитическому методу, который (в перспективе)
заключается в разложении воды на водород и кислород при температуре 2500 °С. Но
такой температурный предел инженеры еще не освоили в больших технологических
агрегатах, в том числе и работающих на атомной энергии (в высокотемпературных
реакторах пока рассчитывают лишь на температуру около 1000°С). Поэтому
исследователи стремятся разработать процессы, протекающие в несколько стадий,
что позволило бы вырабатывать водород в температурных интервалах ниже 1000°С.
В 1969 г. в итальянском отделении «Евратома» была пущена в эксплуатацию
установка для термолитического получения водорода, работающая с к.п.д. 55% при
температуре 730°С. При этом использовали бромистый кальций, воду и ртуть. Вода в
установке разлагается на водород и кислород, а остальные реагенты циркулируют в
повторных циклах. Другие – сконструированные установки работали – при
температурах 700–800°С. Как полагают, высокотемпературные реакторы позволят
поднять к.п.д. таких процессов до 85%. Сегодня мы не в состоянии точно предсказать,
сколько будет стоить водород. Но если учесть, что цены всех современных видов
энергии проявляют тенденцию к росту, можно предположить, что в долгосрочной
перспективе энергия в форме водорода будет обходиться дешевле, чем в форме
природного газа, а возможно, и в форме электрического тока.
Использование водорода
Когда водород станет столь же доступным топливом, как сегодня природный
газ, он сможет всюду его заменить. Водород можно будет сжигать в кухонных
плитах, в водонагревателях и отопительных печах, снабженных горелками, которые
почти или совсем не будут отличаться от современных горелок, применяемых для
сжигания природного газа.
Как мы уже говорили, при сжигании водорода не остается никаких вредных
продуктов сгорания. Поэтому отпадает нужда в системах отвода этих продуктов для
отопительных устройств, работающих на водороде, Более того, образующийся при
горении водяной пар можно считать полезным продуктом - он увлажняет воздух
(как известно, в современных квартирах с центральным отоплением воздух слишком
сух). А отсутствие дымоходов не только способствует экономии строительных
расходов, но и повышает к. п. д. отопления на 30%.
Водород может служить и химическим сырьем во многих отраслях
промышленности, например при производстве удобрений и продуктов питания, в
металлургии и нефтехимии. Его можно использовать и для выработки электроэнергии
на местных тепловых электростанциях.

Есть ли перспективы в будущем. Достижения и перспективы водородной энергетики

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Подобные документы

Новые статьи

Популярные статьи