21.Развитие водородной энергетики.

В широком смысле водородная энергетика основана на использовании в качестве топлива водорода. Водородная энергетика также включает: получение водорода из воды и др. природного сырья; хранение водорода в газообразном и сжиженном состояниях или в виде искусственно полученных химических соединений, например гидридов интерметаллических соединений; а также транспортировку водорода к потребителю с небольшими потерями. Однако, водородная энергетика пока не получила широкого применения. Методы получения водорода, способы его хранения и транспортировки, которые рассматриваются как перспективные для водородной энергетики, находятся на стадии опытных разработок и лабораторных исследований.

Выбор водорода в качестве энергоносителя обусловлен рядом преимуществ, главные из которых являются экологическая безопасность водорода, поскольку продуктом его сгорания является вода, исключительно высокая энтальпия 

 

, равная - 143,06 МДж/кг (для обычного углеводородного топлива — 29,3 МДж/кг); высокая теплопроводность водорода, а также его низкая вязкость, что очень важно при его транспортировании по трубопроводам.

Запасы водородного сырья для водородной энергетики неограниченны, если в качестве исходного соединения для получения водорода рассматривать воду (содержание воды в гидросфере 1,39*1018т).

Мировые запасы воды на Земле неисчерпаемы. Мы лихорадочно ищем топливо будущего, а сами буквально купаемся в нем. Ведь чтобы пользоваться водой как топливом, надо придумать некое устройство, работающее на ней, а вернее, на ее составляющих  водороде и кислороде. Из основ химии известны методы диссоциации (способы разложения) воды на водород и кислород – термическая, электрическая, под действием ионизирующих излучений, радиоволн и др.

Это способствует возможности многостороннего использования водорода. Водород может быть использован в качестве топлива во многих химических и металлургических процессах, а также как топливо в авиации и автотранспорте, так и в виде добавок к моторным топливам.

Для получения и передачи энергии также перспективно получение и использование водородахимическими способами. По одному из них смесь водорода с монооксидом углерода (СО), полученная на первой ступени каталитической конверсии метана, передается к потребителю по трубопроводу и поступает в аппарат - метанатор, в котором осуществляется обратная экзотермическая реакция:

ЗН2 + СО -> СН4 + Н2О

Выделяемое при этом тепло может быть использовано для бытового и промышленного теплоснабжения, а паро-газовая смесь возвращается обратно в цикл для конверсии метана.

Следует отметить, что традиционные способы получения водорода для водородной энергетики экономически не выгодны.  Есть целый ряд известных способов разложения воды: химический, термохимический, электролиз и др., но все они обладают одним и тем же крупным недостатком - в технологическом процессе получения водорода используется высокопотенциальная энергия, на получение которой в свою очередь затрачивается дефицитное ископаемое топливо (уголь, природный газ, нефтепродукты) или электроэнергия, вырабатываемая на электростанциях. Такое производство водорода, естественно, всегда будет оставаться неэкономичным и экологически опасным, а, следовательно, бесперспективным.

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 газазаключается 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 экспериментальных 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 м3 Н2 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/м2 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 ZrO2 (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 м3 Н2 3,5 кВт*ч. Наиболее перспективен высокотемпературный электролиз с использованием тепла от реактора: при этом электролитом служит керамика из оксида циркония ZrO2 с добавками оксидов других металлов (например, Va2O3, CaO, Sc2O3). При этом температура процесса существенно повышается до 800-1000 °С, а достижимый уровень расхода электроэнергии на получение 1 м3 Н2 при плотностях тока 3-10 кА/м2 составляет 2,5 кВт*ч.

Из плазмохимических методов получения водорода наиболее перспективен двухстадийныйуглекислотный цикл, включающий: 1) диссоциацию углекислоты (2СО2 -> 2СО + О2), осуществляемую в плазмотроне с эффективностью до 75-80%; 2) последующую конверсию СО с водяным паром (СО + Н2О -> Н2+ СО2), после которой образовавшийся СО2 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.