Получение водорода. Водородная энергетика. Водородная энергетика и проблемы её развития
Современные технологии промышленного производства водорода , к сожалению, имеют свои недостатки. Практически во всех случаях водород получают посредством парового риформинга: каталитического разложения метана при помощи водяного пара. Однако этот метод получения водорода потребляет много энергии и к тому же приводит к образованию углекислого газа в довольно большом количестве. В наше время его вклад в увеличение концентрации парниковых газов в атмосфере относительно невелик, но при использовании парового риформинга для обеспечения потребностей водородной экономики он возрастет в десятки, если не в сотни раз. Для перевода на водородное топливо одного только автотранспорта в США потребовалось бы ежегодно около 150 млн. тонн водорода. Это в 15 раз больше объемов производства водорода в США.
Подобная стратегия ни в коей мере не помогла бы человечеству замедлить темпы всемирного потепления. Стоимость каждой калории тепловой энергии, извлеченной из полученного таким способом водорода, сегодня в 3-4 раза превышает стоимость калории, полученной при сгорании бензина - и это при том, что риформинг является самой дешевой технологией производства этого газа. К тому же природный метан сам по себе является наиболее экологичным органическим топливом, поэтому его использование для получения больших объемов водорода было бы нерациональным.
Водород можно также производить из угля, который предварительно должен подвергнуться газификации. Этот процесс предотвращает проникновение в атмосферу содержащейся в угле серы и прочих токсичных примесей, которые можно предварительно отфильтровывать. Однако все эти операции очень энергоемки и тоже дают двуокись углерода в качестве побочного продукта. Кроме того, угольные залежи не безграничны . Расчеты показывают, что водородная экономика на угольном обеспечении могла бы привести к истощению всех угольных месторождений США всего лишь за 75 лет. Использование растительной биомассы в качестве исходного сырья опять-таки увеличит темпы накопления в атмосфере углекислого газа и к тому же резко увеличит нагрузки на почвы планеты, которые могут привезти к их деградации.
Наиболее оптимальным сырьем для производства водородного топлива могла бы служить вода. В последние годы в ряде стран разработаны экспериментальные технологии каталитического расщепления водяного пара в высокотемпературных химических реакторах. В общей сложности сейчас известно свыше ста каталитических циклов этого рода. Однако все эти процессы требуют нагрева реагентов до температур порядка 800-1000 градусов и потому при массовом применении вызывают больше проблем, чем решают.
Известен также способ расщепления воды, как ее диссоциация с помощью электричества - электролиз. В экологическом отношении такой способ производства водорода идеален, но только при условии, что удастся найти такие способы получения электроэнергии, которые не приводили бы к выбросам парниковых газов и прочим видам загрязнения окружающей среды и не требовали захоронения высокоактивных радионуклидов, образующихся при работе атомных реакторов.
Практически неограниченным источником дешевой и чистой энергии могли бы стать термоядерные электростанции, но существую они пока только в теории. Экологически чистую электроэнергию можно производить и в солнечных установках, предпочтительно на полупроводниковых фотоэлементах, однако она обходится очень дорого и в обозримой перспективе вряд ли серьезно подешевеет.
В ряде стран уделяется серьезное внимание использованию энергии ветра . Однако, еще требуется время, чтобы, полученная таким образом, электроэнергия по себестоимости могла бы конкурировать с другими видами энергии.
Некоторые специалисты возлагают самые серьезны надежды на микробиологию и геномику. На нашей планете существуют одноклеточные организмы, поглощающие углекислый газ, воду и солнечный свет и выделяющие кислород и водород. Эти процессы происходят при участии различных ферментов, которые сейчас интенсивно изучаются. В 2007 году Университет Пенсильвании аннонсировал технологию по производству водородного топлива из пищевых отходов (см. Производство водородного топлива из пищевых отходов). Не исключено, что со временем усовершенствованные аналоги применить и в промышленных масштабах. Подобные системы могли бы не только производить кислород и водород, но и утилизировать углекислый газ, что было бы дополнительным выигрышем. Однако эти исследования начались сравнительно недавно, и их практическая ценность пока остается под вопросом.
По материалам Washington ProFile
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.
Оглавление 1. Введение…………………………………………………………………3 Глава 1. Получение и использование водорода…………………………5 1.1 Способы хранения водорода……………………………………………6 Глава 2. Основные проблемы развития водородной энергетики………. 7 2.1. Сравнение с традиционными видами энергии………………………12 Глава 3. Топливные элементы ……………………………………………13 3.1 Преимущества топливных элементов ………………………………16 Глава 4. Водородная энергетика в настоящее время ……………………21 4.1. Основные причины, препятствующие развитию водородной энергетики…………………………………………………………. 23 Заключение…………………………………………………………………24 Список литературы ………………………………………………………26
1. Введение Водородная энергетика - направление выработки и потребления энергии человечеством, основанное на использовании водорода в качестве средства для аккумулирования, транспортировки и потребления энергии людьми, транспортной инфраструктурой и различными производственными направлениями. С водородной энергетикой связаны надежды на глобальное переустройство мировой экономики, переход от ископаемых углеводородных энергоносителей к водороду, что открывает возможность использования в качестве неограниченной сырьевой базы водные ресурсы, а продуктами сгорания водорода являются пары воды. Водород производится человеком искусственно. В природе Он существует в виде соединений в свободном виде практически не встречается. При производстве необходимо затратить энергию. Для получения энергии выделяемой при сжигании одного литра бензина, потребуется 3,74 литра жидкого водорода. В газообразном состоянии дело обстоит еще хуже. При 30 МПа требуется 9 литров водорода для получения энергии, эквивалентной одному литру бензина. При комнатных параметрах, водород занимает в 3000 раз больший объем, чем бензин. Поэтому его необходимо сжимать, связывать или сжижать. А это дополнительная работа. Всего 5% водорода получают электролизом. Это дороже, чем получение водорода из метана в 3-4 раза. Однако этот методом позволяет получить очень чистый водород. КПД электролиза составляет порядка 70 %. Чтоб получить водород посредством ветряной энергии необходимо затратить 3 единицы энергии ветра чтоб получить 1 единицу водородной энергии. Для солнечной энергии 9 единиц. Использование морских водорослей, для производства водорода имеет КПД 2%. Тем не менее наличие солнечного света и потребность в энергии не всегда совпадают. Когда потребление энергии незначительное, электрическая энергия от солнечной батареи или ветреного генератора может использоваться для электролиза воды и получения водорода. Водород скапливается в баке и по мере необходимости расходуется для выработки электроэнергии в водородных электрохимических генераторах. Такая гибридная система, возможно, и будет основой для будущей энергетики. Производство водорода требует больших затрат энергии. Тем не менее переход от углеводородов снимает проблему глобального потепления, так как не образуются парниковые газы. С водородной энергетикой связаны надежды на глобальное переустройство мировой экономики, к переходу от ископаемых углеводородных энергоносителей к водороду, что открывает возможность использования в качестве неограниченной сырьевой базы водные ресурсы, а продуктами сгорания водорода являются пары воды. В отдаленном будущем для получения электролитического водорода предполагается использовать в основном термоядерную, солнечную и другие возобновляемые источники энергии (ВИЭ). Внедрение в топливо энергетический комплекс (ТЭК) водородной энергетики, требует значительных затрат ресурсов и инвестиций. Задачей данной работы является показать наиболее приемлемые пути развития и внедрения водородных технологий. А так же возможные «препятствия» с которыми придётся столкнуться. Глава 1. Получение и использование водорода Запасы водорода, связанного в органическом веществе и в воде, практически неисчерпаемы. Разрыв этих связей позволяет производить водород и затем использовать его как топливо. В связи с этим ставиться вопрос о получении водорода самым мало затратным образом. Ведь при некоторых условиях диссоциация происходит практических без затрат энергии. Как и где подобрать эти условия задача многих исследований и экспериментов. При нагревании свыше 2500°С вода разлагается на водород и кислород (прямой термолиз). Камеры сгорания летательных аппаратов сравнительно легко конвертируются на применение в качестве топлива водорода. Использование водорода в космической технике в виде топлива имеет широкое распространение. Ранее горючим для ракет была солярка, а окислителем выступал сжижений кислород. Затем в качестве топлива выступает сжиженный водород. В настоящее время в мире большая часть производимого в промышленном масштабе водорода получается в процессе паровой конверсии метана (ПКМ). Так же водород применяют в газовой сварке. Так называемый «резак» тоже работает с использованием водорода.
1.1. Способы хранения водорода Хранение и использование водорода опасно. Так водород в смеси с воздухом образует взрывоопасную смесь - гремучий газ. Наибольшую взрывоопасность этот газ имеет при объёмном отношении водорода и кислорода 2:1, или водорода и воздуха приближённо 2:5, так как в воздухе кислорода содержится примерно 21%. Также водород пожароопасное вещество. Жидкий водород при попадании на кожу может вызвать сильное обморожение. К отрицательным свойствам водорода относиться: низкая плотность, объемная теплотворная способность, высокая температура горения. Самый эффективный способ хранения - это баллоны. Отмечу, что целесообразно максимально согласовать во времени процессы производства водорода из традиционного топлива и его потребления, чтобы минимизировать потребность в хранении водорода. 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. Технологии хранения водорода далеки от стадии технологического внедрения. Транспортировка водорода так же является проблемой в сжиженном и сжатом состоянии необходима толстая стальная стенка и изоляция. При транспортировке по трубопроводам металл подвергается так называемому «водородному охрупчиванию». При воздействии давлений появляются трещины и возникают утечки. Что может привести к аварии.
Глава 2. Основные проблемы развития водородной энергетики 1) Для разложения воды на молекулы H2 и O2 необходимо затратить в двое больше энергии, чем выделяется при сжигании водорода кислородом. 2) Огромная конкуренция со стороны уже добываемых углеводородов. 3) Необходимы специальные агрегаты которые могли бы обеспечивать столь сложный цикл: разложение воды или насыщенного пара на молекулы H2 и O2; камеры сгорания в которых осуществлялось сжигание водорода кислородом. Турбина для расширения пара высоких параметров. Не будем забывать о законе сохранения энергии, ведь даже в идеальном случае при электролизе воды и выделении теплоты при сжигании водорода энергия будет равна. На деле удельная теплота сгорания водорода равна 120,9 МДж/кг. Для выделения из воды 1 кг водорода необходимо затратить как минимум в 2 раза больше. Весь цикл выглядел бы следующим образом:
Рис.1. Цикл установки, КС – камера сгорания, Т – турбина, ЭГ – электрогенератор. Такую установку можно было бы использовать для покрытия пиковых графиков нагрузки. Электролизер питался бы излишней (дешёвой) энергией системы при избытках энергии, при этом газы накапливались бы в баках запасах, затем выдавал бы в сеть электрическую энергию при её дефиците. Конечно такая установка имела очень большую стоимость. Большие температуры сгорания газов в КС, Высокие параметры пара на входе в турбину, электролизер. Пути улучшения технологического процесса: Совершенство самого электролиза, получение водорода при помощи химических реакций и биомассы. Само горение вполне возможно прямо в воде. При этом графические электроды на которых выделятся газы сближают, происходит горение под водой и выделение пара. Возможно регулировать впрыски дистиллята в камеру сгорания. То есть таким образом аккумулировать электроэнергию. Сейчас эту функцию выполняют ГАЭС. В некоторых ситуациях водородные элементы обладают значительными техническими преимуществами по сравнению с аккумуляторами, например, при необходимости высокой отдачи мощности в короткое время. Однако в данном конкретном приложении таких преимуществ пока нет. Судя по огромному количеству научных публикаций, предлагающих все новые и новые материалы и способы для хранения водорода, удачного способа, пригодного для таких крупномасштабных хранилищ, к сожалению, не найдено. Достигнут значительный прогресс в сетях электроснабжения в Европе, где количество мини - ТЭС значительно и каждая из них использует местный наиболее доступный вид топлива и легко может быть остановлена в случае излишней мощности, а нагрузка в сети оптимизируется автоматически, сделал эту проблему неравномерности нагрузки не столь актуальной. Если сравнить удельную установочную цену на 2006 год, то получится картина не в пользу использования водородных элементов: цена водородных ТЭ равняется примерно 4 тыс. долларов за киловатт установленной мощности, мини- электростанция на газопоршневом двигателе Caterpillar - порядка 1 тыс. долларов за киловатт установленной мощности, бензиновый мотор-генератор – около 100 долларов за киловатт установленной мощности, газовый мотор-генератор – 30 долларов за киловатт установленной мощности. Для массовой энергетики именно она является одним из определяющих факторов. Так же уже существуют автомобили частично работающее на воде. К клеммам аккумулятора присоединяют электролизер, между пластин которого вода. При движении автомобиля аккумулятор постоянно подзаряжается и из электролизера выделяется водород который направляется в двигатель. Так же существуют модели автомобилей, работающие на водороде. Например, экспериментальная модель Honda FCX 3 поколения с баком водорода 156 л (содержит 3,12 кг водорода под давлением 25 МПа) проезжает 355 км . В настоящее время широкомасштабное производство водорода из воды ограничивается отсутствием дешевых энергетических мощностей. Например, для замены во всех странах моторного топлива водородом потребовалось бы 20 – 30 тыс. млрд. кВт*ч электроэнергии, в то время как мировая выработка ее составляет примерно 15 тыс. млрд. кВт*ч. Тем не менее для улучшения экологической обстановки в городе уже в настоящее время необходимо и можно изыскать энергетические ресурсы для получения водорода. Здесь же возникает следующая проблема при получении электроэнергии традиционным способом атмосферу загрязняем, зато в месте использования водорода ситуация налаживается. Сюда можно отнести использование избыточных мощностей электрогенерирующих станций в ночные часы и выходные дни, когда спадает потребность в электроэнергии. Например, только на Ленинградской АЭС потенциал неиспользованной электроэнергии составляют порядка 390 млн. кВт*ч, в год (в целом же по России – примерно 20 млрд. кВт*ч, что превышает экономию электроэнергии с переходом на летнее время). Использование указанных мощностей дало бы возможность получать около 5000 т. жидкого электролитического водорода в год или обеспечить водородом около 3900 единиц автотранспорта (в первую очередь, грузового и автобусного). Водород эффективен и в качестве присадки к моторному топливу. Например, 5 – 8 % водорода на 70 % снижают токсичность выхлопа ДВС и повышает его экономичность. В этом случае количество автотранспорта, использующего то же количество водорода, увеличивается до 11 тыс. единиц. Тогда и экономические затраты на создание водородной инфраструктуры окупятся в течение нескольких лет за счет экономии бензина и снижения экологического ущерба. Экономически оправданным и целесообразным являлось бы использование энергетических резервов, получаемых за счет снижения удельной энергоемкости экономики (примерно на 3,5 относительных % в год). Предварительная оценка показывает, что вполне реальной представляется задача постепенного перевода автотранспорта на водород, примерно в количестве 10 тыс. единиц к 2020 г. и 20 тыс. – к 2030 г. Для выработки электролитического водорода и его последующего сжижения потребуется около 1 млрд. кВт*ч электроэнергии (при существующей технике электролиза и сжижения), что составляет соответственно 0,1 и 0,2 % от объема потребляемой в стране в настоящее время электроэнергии. Стоимость капитальных затрат на водородную инфраструктуру (мощностью 11155 т водорода в год) составит примерно 95,7 млн. долларов. При окупаемости в течении пяти лет. Учитывая стоимость неиспользованного бензина в ценах 2010 г. и отсутствие экологического ущерба за счет токсичности выхлопа двигателей внутреннего сгорания и отсутствия ущерба окружающей среде, наносимого при использовании углеводородов. Развитие водородной энергетики необходимо увязывать с развитием топливо энергетического комплекса страны, экологической ситуацией, в каждом конкретном регионе.
2.1. Сравнение с традиционными видами энергии На ТЭС основным топливом является: уголь, мазут или природный газ. Горение осуществляется при помощи воздуха в котле. Температура воздуха на выходе из котла примерно 130 С. Воздух на 78% состоит из азота. То есть значительная часть теплоты сгорания топлива расходуется на подогрев азота до 120 градусов и выброс его в атмосферу. Теплота сгорания топлива направляется на перегрев пара и дальнейший отпуск его в турбину. Затем пар проходит через паровую турбину, в конце которой происходит его конденсация. Теплота парообразования передается циркулирующей воде. Циркулирующая вода опять же отдает свою теплоту в атмосферу в результате КПД ТЭС примерно равен 37% и то в номинальном режиме. Существуют конечно и более современные циклы, в которых энергия топлива используется более полно: ТЭЦ и ПГУ, циклы с газификацией угля, особенно ПГУ-ТЭЦ. Самой идей водородной энергетики является использование как топлива водорода (H2) и как окислителя воздуха или же в лучшем случае кислорода (O2). Водородная энергетика является альтернативным видом энергии. Наиболее передовым способом получения электрической энергии являются топливные элементы. В топливных элементах нет превращения химической энергии топлива в тепловую и механическую энергию. В связи с этим КПД топливных элементов в 2 раза боле чем на ТЭС, примерно 73%.
Глава 3. Топливные элементы Наибольшее внимание исследователей, разработчиков, промышленности и инвесторов привлекают к себе топливные элементы. Топливный элемент (электрохимические генераторы - ЭХГ) – тип технологий, использующих реакцию окисления водорода в мембранном электрохимическом процессе, который производит электричество, тепловую энергию и воду, подобное гальваническому элементу, но отличающееся от него тем, что вещества для электрохимической реакции поддаются в него извне – в отличие от ограниченного количества энергии, запасенного в гальваническом элементе или аккумуляторе. КПД у топливных элементов доходит до 90%. Американская и советская космические программы использовали ЭХГ в течение десятилетий. Топливные элементы (ТЭ) для привода автомобилей и автобусов успешно разрабатываются для транспортных средств, а также для автономных систем энергопитания. 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. Чтобы создать топливные элементы, необходимые для развития водородной энергетики, требуется большое количество палладия и металлов платиновой группы. Водородный топливный элемент Рис.2 представляет собой устройство, преобразующее химическую энергию реакции соединения водорода с кислородом в электричество. Водород поступает на анод топливного элемента, где атомы разлагаются на электроны и протоны. Для ускорения процесса используют катализатор. Электроны поступают в электрическую цепь, создавая ток. Протоны проходят через полимерную электролитическую мембрану. Кислород из окружающего воздуха поступает на катод и соединяется с протонами и электронами водорода, образуя воду.
Рис.2. Топливный элемент, принцип действия (превращение химической энергии водорода в электроэнергию). В простейшем топливном элементе, где используются чистый водород и чистый кислород, на аноде происходит разложение водорода и его ионизация. Из молекулы Н2 образуются два иона водорода и два электрона. На катоде водород соединяется с кислородом и возникает вода. Фактически в атмосферу выбрасывается водяной пар вместо огромного количества углекислого газа, образующегося при работе традиционных тепловых электростанций. Первая электрическая энергия была получена с помощью топливного элемента еще в 19 веке. Однако бум вокруг водородной энергетики возник тогда, когда началось освоение космоса. В 60-е годы 20 века были созданы топливные элементы мощностью до 1 кВт для программ "Джеми" и "Аполлон", в 70-80-е годы - 10-киловаттные топливные элементы для "Шаттла". У нас такие установки разрабатывались для программы "Буран" в НПО "Энергия", которое выступало координатором всей программы, сами щелочные топливные элементы создавались в Новоуральске на электрохимическом комбинате. В те же годы были построены электростанции мощностью порядка 100 кВт на фосфорнокислотных топливных элементах. В Японии и США имеются опытные 10-мегаваттные электростанции. Топливный элемент состоит из ионного проводника (электролита) и двух электронных проводников (электродов), находящихся в контакте с электролитом. Топливо и окислитель непрерывно подводятся к электродам - аноду и катоду, продукты (инертные компоненты и остатки окислителя, а также продукты окисления) непрерывно отводятся от них.
3.1. Преимущества топливных элементов Сравним получение электроэнергии на ТЭС и с помощью топливных элементов. Наиболее наглядно это можно представить в виде таблицы.
Рис.3. Ступени преобразования химической энергии традиционным и электрохимическим способом. Для создания автомобиля на топливных элементах Российский АвтоВАЗ сотрудничает с ракетно-космической корпорацией "Энергия" и предприятиями Минатома России. Одно из направлений водородной энергетики - подземные необслуживаемые АЭС, удаленные от мест проживания людей. Именно с их помощью целесообразно получать водород из морской или речной воды в электролизерах высокого давления, а затем в сжатом или сжиженном виде по трубопроводам направлять его потребителям густонаселенных регионов. А водород, после его окисления, т. е. использования его энергии, уже в составе пресной воды возвращать в реки. Такие АЭС целесообразно размещать в северных регионах Сибири, где в изобилии морская и речная вода, есть морские транспортные коммуникации и средства доставки крупногабаритных грузов. Такие АЭС могут более 25 лет работать без обслуживания. Кроме того, их нетрудно автоматически захоронить на глубине до 100 м после выработки ресурса. Но существует проблема. Которая, казалось бы, может остановить почти реализованную мечту человечества о дешёвом топливе – водород, производимый и передаваемый в больших объемах взрывается. Благодаря топливным элементам нет необходимости производить и хранить водород в больших количествах, если водород задействован в дело исключительно в виде протона. В топливных элементах происходит процесс, обратный электролизу. Распространение источников энергии, основанных на топливных элементах мощностью 15-200 кВт создаст основу для развития так называемой распределённой системы производства электроэнергии, когда производитель энергии является и её потребителем. Тем самым можно будет избавиться от многокилометровых электрических сетей и гигантских электростанций. Комбинация же «топливный элемент - тепловой насос» весьма перспективна для отопительного теплоснабжения будущего. В последние десятилетие стало совершенно очевидным, что дальнейшее интенсивное развитие современной энергетики и транспорта ведет человечество к крупномасштабному экологическому кризису. Развитие новой технологии производства энергии позволит Российской Федерации находиться в одном ряду с развитыми странами мира. Это действительно реальная возможность постепенного перехода экономики страны с «нефтяной иглы» на магистраль развитого будущего является создание индустрии, связанной с получением, хранением, транспортировкой водородных энергоносителей и производством различных видов топливных элементов. Отечественная наука обладает достаточным потенциалом для реализации этого проекта. Правительство Российской Федерации понимает значимость осуществления проекта и прилагает усилия для его осуществления. В первую очередь - вопрос цены подобного энергоносителя. По прогнозам специалистов, когда-нибудь стоимость «серийно выпускаемого» водородного топлива будет не выше цены бензина. Но когда наступит это «счастливое завтра», и не постигнет ли его судьба коммунизма, при котором, как ожидалось, будет жить каждый советский человек, - большой вопрос. Экологичность. Сам по себе характер реакции, результатом которой должен стать выхлоп водяного пара, особых сомнений не вызывает. Но, как и в случае с ценой, процесс получения водорода в промышленных масштабах может оказаться не особенно «чистым». Например, в США уже создают первые станции по электролизу воды, использующие ток, выработанный солнечными батареями. На первый взгляд все вроде бы очень экологично. Однако «закон сохранения сложности» работает и здесь. Для реализации таких проектов, очевидно, в огромном количестве требуются солнечные батареи. А вот «чистота» их производства, аккуратно скажем, сомнительна. Т.е., уменьшая объемы загрязнения в одном месте, человечество создает их в другом. Создание масштабной розничной инфраструктуры. Отдельные водородные заправки в мире потихоньку появляются: в США, Германии, Японии. Однако пока это, скорее, лишь экзотика. А без их появления переход на водород для автовладельцев лишен всякого смысла: им просто негде заправляться. Отчасти данная проблема может быть решена инициативой некоторых мировых автопроизводителей, предполагающей создать системы, позволяющих сжигать водород в двигателях внутреннего сгорания. Принципиальный выигрыш при этом состоит в том, что автомобиль сохранит способность работать и на классическом бензине. Фактически, эта идея дублирует существующую схему двух топливных машин «бензин/газ». Это позволяет решить проблему отсутствия сети «водородных» заправок и в то же время создаст со стороны автовладельцев потенциальный спрос, необходимый для ее развертывания. В настоящее время наблюдается рост интереса крупных компаний и государственных структур к водородным топливным элементам (ТЭ). Можно выделить две основные причины этого: высокий КПД топливных элементов (70-80%) и их экологические преимущества. С другой стороны, сдерживающими факторами выступают высокая стоимость Твердополимерных топливных элементов, отсутствие развитой инфраструктуры хранения, транспортировки и распределения водорода. Во многих странах мира исследования в области водородной энергетики являются приоритетным направлением развития науки и техники. Под этим термином обычно понимают такой способ организации топливно-энергетического комплекса, при котором в качестве основного энергоносителя используется водород, а для выработки электроэнергии на его основе применяются топливные элементы. Они представляют собой электрохимические устройства, производящие электроэнергию без процесса горения, за счет реакции окисления водорода кислородом воздуха. Помимо водорода в качестве топлива могут быть использованы метанол, этанол, природный газ, биомасса, уголь, аммиак и пр. Использование перечисленных видов топлив определяет конкретный тип топливного элемента и его особенности. Наибольшее практическое значение имеют в настоящий момент водородные топливные элементы. Водород не является первичным источником энергии, как нефть или природный газ, но может быть использован в качестве энергоносителя.
Глава 4. Водородная энергетика в настоящее время Водородная энергетика уже живет и процветает. Имеются в виду технологии конверсии углеводородов – прежде всего гидрокрекинг, а также производство синтетической нефти и моторных топлив газификация углей и т.д. В основе большинства перечисленных технологий лежит образование синтез- газа (смеси водорода H2 и угарного газа CO) из воды и углеводородного топлива и последующий синтез другого углеводорода. Эта технология промышленно используется со времен второй мировой войны, прежде всего в Германии и ЮАР, лишенных внутренних источников нефти для экономического развития. Процесс превращения природного газа в средние дистилляты: дизельное топливо, керосин, бензин – основан на технологии Фишера-Тропша (Ф-Т), разработанной еще в 20-е годы прошлого века. Всего 10 лет назад эта технология считалась весьма дорогостоящей и экзотической, представляющей чисто академический интерес. Сейчас - это одна из самых перспективных энергетических технологий. Превращение произошло благодаря разработкам новых высокоэффективных катализаторов (в том числе и отечественных) и усовершенствованию технологии Ф-Т на стадии получения из природного газа промежуточного продукта – синтез-газа, в результате чего цена конечных синтезированных нефтепродуктов стала заметно ниже (около 20 долларов за баррель) и приблизилась к себестоимости природной нефти. На каждый атом углерода в угле приходится, в среднем, один атом водорода. А в нефти, тоже в среднем, два с небольшим водородных атома на один углеродный. Для того, чтобы получить синтетическую нефть, надо изменить среднее отношение углерод/водород в исходном углеводородном сырье. А требуемый для этого водород проще всего взять из воды: можно электролизом (но это слишком дорого), поэтому чаще используется паровой риформинг. Наиболее крупнотоннажный процесс такого типа – гидрокрекинг нефти. Именно в этой области производится и потребляется огромное количество водорода, составляющее заметную весовую долю в потребляемых нефтепродуктах. Водородная энергия как бы запасается в виде повышения доли водорода в продуктах. Все «неудобные» углеводороды – уголь, сланцы, тяжелая и вязкая нефть и т.д. – могут быть преобразованы в более «удобный» вид и при этом более гораздо более энергоемкое топливо, например, высокооктановый бензин или аналог дизельного топлива. При этом не требуется решать многочисленных технологических проблем, которые возникают при работе с чистым водородом.
4.1. Основные причины, препятствующие развитию водородной энергетики 1) Нет программы по разработке и производству энергетических установок, работающих на водороде. 2) Отсутствие финансирования со стороны государства в области исследований и разработок водородной энергетики. 3) Неразвитость промышленной базы для производства и последующего потребления водорода для производства электроэнергии. 4) Существующая конкуренция со стороны уже добываемых углеводородов. 5) Необходимо разработать новые технологии для развития водородной энергетики. 6) Разработать целый комплекс по производству очистке, хранению транспортировке и использованию водорода. 7) Разработать инфраструктуру в данной области Главная цель водородной для водородной энергетики - снижение зависимости от углеводородов. Так сказать, слезть с нефтяной иглы. Если через 15 лет в результате внедрения водородной энергетики потребление нефти и газа значительно снизиться, нас ждет повышение ВВП ведь благодаря этому снизиться стоимость электроэнергии, а значит и стоимость продуктов. Так что альтернативы переходу на водородную энергетику значительны.
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. 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. 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%. Переход на водородную энергетику означает крупномасштабное производство водорода, его хранение, распределение и транспортировку. Водород находит применение и во многих областях, таких как металлургия, органический синтез, химическая и пищевая промышленность, транспорт и т.д. Судя по современным темпам и масштабам развития водородной энергетики на нашей планете, мировая цивилизация в ближайшее время должна перейти к водородной экономике. Очень важно выбрать ключевое направления для развития. Работы по водородной энергетике во многих странах относятся к приоритетным направлениям социально-экономического развития. Ведется активный поиск путей перевода большинства энергоемких отраслей промышленности, на водородное топливо и на топливные элементы (ТЭ) Использование водорода в качестве основного энергоносителя приведет к созданию принципиально новой водородной экономики, станет научно-техническим прорывом, влияющим на развитие человечества в целом.
Список литературы 1. Козлов С.И. Водородная энергетика: современное состояние, проблемы, перспективы / С.И. Козлов, В.Н. Фатеев. - М.: Газпром ВНИИГАЗ, 2009. - 518 с. 2. Шпильрайн Э.Э. Введение в водородную энергетику / Шпильрайн Э.Э, С. П. Малышенко - издательство "Энергоатомиздат", 2012. - 262 с. 3. «Перспективы и проблемы развития водородной энергетики и топливных элементов». Программа ОАО «Норильский Никель» / Статья Георгия Лазарева, депутата Государственной думы. "ЭПРО" № 3 2007 4. Инновационные технологии в энергетике. Книга вторая. Инновационные водородные и сверхпроводниковые технологии для энергетики. Сборник статей. Под ред. О.М. Бударгина и С.П. Малышенко. М., "Наука", 2012 г. 162 стр. 5. Кузык Б.Н., Яковец Ю.В. Россия: стратегия перехода к водородной энергетике: Институт экономических стратегий, 2007. – 400 стр.
Во многих странах мира исследования в области водородной энергетики являются приоритетным направлением развития науки и техники. Под этим термином обычно понимают такой способ организации топливно-энергетического комплекса, при котором в качестве основного энергоносителя используется водород, а для выработки электроэнергии на его основе применяются топливные элементы. Они представляют собой электрохимические устройства, производящие электроэнергию без процесса горения, за счет реакции окисления водорода кислородом воздуха. Помимо водорода в качестве топлива могут быть использованы метанол, этанол, природный газ, биомасса, уголь, аммиак и пр. Использование перечисленных видов топлив определяет конкретный тип топливного элемента и его особенности. Наибольшее практическое значение имеют в настоящий момент водородные и метанольные топливные элементы.Водород не является первичным источником энергии, как нефть или природный газ, но может быть использован в качестве энергоносителя. Его удельная энергоемкость (в пересчете на вес и объем) представлена в таблице в сравнении с аналогичными показателями для других видов топлива.
Таблица. Энергоемкость различных видов топлива
Энергоемкость
Анализ приведенных данных свидетельствует о значительном преимуществе водорода, по сравнению с традиционными энергоносителями, по тепловой способности в пересчете на единицу веса. В то же время он почти в три раза уступает природному газу и бензину по объемным показателям. Ситуация практически не улучшается при использовании сжатого или сжиженного водорода. Его теплотворная способность все равно существенно уступает характеристикам традиционных углеводородов и низших спиртов. Это обстоятельство служит основанием для ряда современных разработок в области транспортировки и хранения водорода, основными источниками которого являются все виды углеводородов, а также уголь, вода и биомасса. По оценкам Министерства энергетики США, в ближайшее десятилетие основными ресурсами для получения водорода будут оставаться нефть, уголь и природный газ. Их переработка в водород осуществляется методами каталитической вводно-паровой или окислительной конверсии, остающимися пока наиболее технически отработанными и рентабельными процессами. Поскольку производство водорода путем конверсии угля или углеводородов сопровождается эмиссией двуокиси углерода, экологические проблемы в этом случае решаются лишь в части сокращения объемов вредных выбросов в атмосферу и централизации источников двуокиси углерода. Второй по масштабам метод производства водорода - это электролитическое разложение воды. Преимущества данной технологии заключаются в высокой чистоте получаемого продукта и возможности его непосредственного использования в ТЭ без стадий дополнительной очистки. Однако на практике эти преимущества нивелируются высокими энергозатратами. И все же электролиз воды остается перспективным способом получения водорода, для этого можно использовать энергию атомных электростанций в период малых нагрузок и возобновляемые источники энергии. Наиболее перспективный метод - выделение водорода из биомассы с помощью биотехнологий. Потенциально для этих целей могут быть использованы любые виды органических отходов. Их обработка специальными штаммами бактерий, для которых водород является одним из продуктов жизнедеятельности, позволяет его получать без нанесения ущерба окружающей среде и без значительных затрат электроэнергии. Однако развитие данного направления требует создания новых высокопроизводительных микроорганизмов, устойчивых к более жестким температурным условиям. По оценкам специально созданной рабочей группы ЕС по вопросам водорода, биотехнологические методы начнут играть заметную роль в суммарном производстве водорода к 2030 г. и смогут стать основными его источниками не раньше 2050 г. Немедленному массовому внедрению ТЭ препятствует весь комплекс вопросов, связанных с производством, транспортировкой и хранением водорода. Исходя из низкой объемной энергоемкости этого вида топлива, переход на его использование потребует 3-4 кратного увеличения объемов транспортировки, для чего будет необходимо построить новые дорогостоящие трубопроводные системы. Одним их путей решения проблемы является использование для транспортировки и хранения водорода гидридов металлов. Однако в этом случае утрачивается преимущество энергоемкости водорода на единицу веса. В последнее время увеличилось число публикаций и патентов по использованию для подобных целей углеродных нанотрубок, которые значительно легче металлогидридов и обладают большей емкостью по водороду.
Таким образом, водородная энергетика привлекательна, однако задачи, которые приходится решать на пути к ней, сегодня пока трудновыполнимы. Водород может стать массовым видом топлива не раньше, чем через 20-30 лет.
Интерметаллич. соединений; транспортирование Н 2 к потребителю с небольшими потерями. Водородная пока не получила массового применения. Методы получения Н 2 , способы его хранения и транспортировки, к-рые рассматриваются как перспективные для водородной , находятся на стадии опытных разработок и лаб. исследований.
Выбор Н 2 как энергоносителя обусловлен рядом преимуществ, главные из к-рых: экологич. безопасность Н 2 , поскольку продуктом его сгорания является , исключительно высокая , равная - 143,06 МДж/кг (для условного углеводородного - 29,3 МДж/кг); высокая , а также низкая , что очень важно при его транспортировании по трубопроводам; практически неогранич. запасы сырья, если в кач-ве исходного соед. для получения Н 2 рассматривать (содержание в 1,39*10 18 т); возможность многостороннего применения Н 2 . м. б. использован как во многих хим. и металлургич. процессах, а также в авиации и автотранспорте как самостоятельное , так и в виде к .
Перспективно использование Н 2 для передачи энергии т. наз. хим. способами. По одному из них смесь Н 2 с СО, полученная на первой ступени каталитич. конверсии , передается к потребителю по трубопроводу и поступает в аппарат - метанатор, в к-ром осуществляется обратная экзотермич. р-ция: ЗН 2 + СО -> СН 4 + Н 2 О. Выделяемое тепло м. б. использовано для бытового и пром. теплоснабжения, а паро-газовая смесь возвращается обратно в цикл для конверсии .
Традиц. способы получения Н 2 (см. )для водородной экономически не выгодны. Для нужд водородной предполагается усовершенствовать традиц. методы и разработать новые, нетрадиционные, используя ядерную и солнечную энергию. Предлагаемое усовершенствование осн. традиц. метода получения Н 2 - каталитич. конверсии прир. и - заключается в том, что процесс проводят в , тепло подводят от высокотемпературного ядерного газоохлаждаемого реактора (ВТГР). Применение этого метода позволит более чем в 10 раз увеличить объемную скорость процесса, снизить т-ру в хим. реакторе на 150°С, уменьшить затраты на произ-во Н 2 на 20-25%. Однако ВТГР, обеспечивающие высокие т-ры (ок. 1000°С), пока находятся в стадии разработок. Др. вариант получения Н 2 - водно-щелочной под с использованием дешевой разгрузочной электроэнергии, вырабатываемой в ночное время атомной электростанцией. 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 в до 3 МПа. Использование установок по получению Н 2 в ночное время на атомных электростанциях позволит регулировать график их суточной нагрузки и снизить себестоимость Н 2 . Полученный Н 2 может направляться на нужды промети либо использоваться как на электростанции для выработки дополнит. электроэнергии в дневное время.
Ниже описаны предлагаемые нетрадиц. методы получения Н 2 . с использованием в кач-ве (т. наз. расплавнощелочной ), твердого (твердополимерный, или ТП-электролиз), на основе ZrO 2 (высокотемпературный, или ВТ-электролиз) требует затрат электроэнергии на 30-40% меньше, чем традиц. способ. При расплавнощелочном в составляет 0,5-2,0% по массе (иногда 4%), атмосферное, т-ра определяется выбором . Использование позволяет значительно сократить расстояние между в ячейке (до 250 мкм), в результате чего в неск. раз повышается плотность тока без увеличения напряжения на ячейке . В кач-ве при ТП-электролизе можно использовать, напр., пленку из сульфированного фторопласта-4; т-ра процесса до 150°С, достижимый кпд 90%, расход электроэнергии на получение 1 м 3 Н 2 3,5 кВт*ч. наиб. перспективен ВТ-электролиз с использованием тепла от ВТГР: служит из ZrO 2 с (преим. Y 2 O 3 , CaO, Sc 2 O 3); т-ра процесса 800-1000 °С, достижимый уровень расхода электроэнергии на получение 1 м 3 Н 2 2,5 кВт*ч при плотностях тока 3-10 кА/м 2 .
Из плазмохим. методов получения Н 2 наиб. перспективен двухстадийный углекислотный цикл, включающий: 1) (2СО 2 -> 2СО + О 2), осуществляемую в плазмотроне с энергетич. эффективностью до 75-80%; 2) конверсию СО с водяным (СО + Н 2 О -> Н 2 + СО 2), после к-рой образовавшийся СО 2 возвращается в плазмотрон.
Термохим. циклы получения Н 2 представляют собой совокупность последоват. хим. р-ций, приводящих к разложению исходного водородсодержащего сырья (обычно ) при более низкой т-ре, чем та, к-рая требуется для термич. . Так, степень термич. при 2483°С составляет 11,1%. В этих циклах все , кроме водородсодержащего сырья, регенерируются. Ниже приводятся примеры термохим. циклов разложения .
Представляют интерес также сероводородные термохим. циклы, напр.:
При использовании H 2 S вместо снижаются затраты энергии на получение Н 2 , т.к. энергия связи Н-S в значительно меньше энергии связи Н-О в , и кроме Н 2 образуется - важное хим. сырье.
Перспективен и водных р-ров СО 2 , H 2 SO 4 , HC1, HBr, H 2 S, AgCl и др. под действием ядерного излучения (жесткого, нейтронного). наиб. мощные источники такого излучения - ядерные реакторы. 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 радиац. выходом более 10 Н 2 на 100 эВ.
Исследуются фотохим. методы получения Н 2 с использованием солнечной энергии. Осуществлен фотоэлектролиз (с раздельным получением Н 2 и О 2); метод будет представлять практич. интерес, если его кпд достигнет 10-12% (пока он составляет ок. 3%). Биофотолиз основан на том, что нек-рые (напр., хлорелла), поглощающие солнечную энергию, способны разлагать