1. Литературный обзор

1. Использование водорода

Загрязнение воздуха и продолжающееся глобальное потепление являются серьезными экологическими проблемами, они могут вызвать изменение климата и нанести вред окружающей среде и здоровью населения. Загрязнители, такие как монооксид углерода, диоксид серы, оксиды азота способствуют образованию смога. А диоксид углерода вносит наибольший вклад в глобальное повышение температуры. Основным источником антропогенных выбросов диоксида углерода считается широкое использование ископаемых топлив в современной энергетической инфраструктуре. [1] К тому же, в последнее время замечается рост цен на энергоносители вследствие стремительного сокращения запасов нефти, а также особое стремление различных стран обрести энергетическую независимость. [2]

Таким образом, существует необходимость в использовании альтернативных топлив, причем альтернативное топливо должно быть мобильным, экономически оправданным в производстве, безопасным и надежным в эксплуатации и экологически чистым. Исследователями были предложены различные виды альтернативных топлив, например такие, как биодизельные топлива, метанол, этанол, водород, природный газ, топливо Фишера-Тропша и т.д. [3]

Одним из этих альтернативных топлив является водород, использование которого может снизить выбросы диоксида углерода в атмосферу. Водород – самый легкий элемент, нетоксичный газ без цвета и запаха, который присутствует в воздухе в концентрации 0,01%. Это самый распространенный элемент в мире. Однако водород сам по себе не является источником энергии, это не первичный энергетический ресурс, свободно существующий в природе. Водород – это вторичный ресурс, который, так же, как и электричество, необходимо получать, т.е. также является энергоносителем. Водород играет стратегическую важность в переходе к устойчивой энергетической системе, характеризующейся более низким уровнем выбросов. Уникальные свойства водорода позволяют считать его универсальным, экологически чистым энергоносителем, пригодным для использования в любых видах тепловых двигателей и устройствах для получения электроэнергии. Продукты сгорания водорода – вода и малое количество оксидов азота (значительное количество оксидов азота образуется только при высоких температурах сгорания) – не наносят вред экологии. Сырьевая база водорода практически не ограничена.[3]

Важнейшими достоинствами водородного топлива являются: его большая теплота сгорания, составляющая 143,06 МДж/кг, что более чем в 4 раза превышает теплоту сгорания условного углеводородного топлива, высокое октановое число, экологическая чистота как самого водорода, так и продуктов его сгорания, а также низкая вязкость водорода, облегчающая его транспортировку по трубопроводам. [4]

Несмотря на указанные достоинства, использование водорода в качестве топлива и энергоносителя сильно ограничено следующими особенностями его воспламенения и горения, затрудняющими обращение с ним:

• очень легкая воспламеняемость, проявляющаяся в очень широких концентрационных пределах воспламенения в воздухе и малых мощностях импульса, инициирующего горение. Концентрационная область воспламенения водорода намного шире, чем у углеводородов, а поджигающие мощности намного меньше;

• высокие скорости распространения пламени, превышающие скорость пламени бензиновой горючей смеси в 7-8 раз;

• короткие периоды задержки воспламенения водородовоздушных смесей;

• легкий переход горения в режим цепно-теплового взрыва и в детонацию;

• низкая плотность;

• негативные воздействия на свойства конструкционных материалов. [4]

Следует также отметить, что в настоящее время водород является широко применяемым продуктом в различных отраслях промышленности, например, водород используется:

• в химической промышленности в производстве аммиака, хлороводорода, метанола и других органических продуктов, пластмасс;

• в процессах нефтепереработки нефтехимии, а именно, в процессах гидроочистки от сернистых соединений нефтяных фракций, гидрокрекинга, гидрирования бензола, гидродеалкилирования, гидростабилизации пиробензинов, гидрогенизации угля и нефти и многих других;

• в металлургии и металлообработке (входит в состав восстановительных газов) при производстве металлов (например, таких как железо, молибден, вольфрам, индий и т.д.), для поддержки плазменной сварки и резки;

• в качестве горючего в ракетных двигателях;

• в пищевой промышленности для гидрирования растительных жиров (при выработке маргарина);

• в электронной и стекольной промышленности для создания защитной атмосферы при производстве твердых сплавов и полупроводниковых цепей, в процессах получения стекла (в т.ч. автомобильного), радиотехнических приборов, электроламп;

• в фармацевтической промышленности в производстве витаминов, сорбитола и других фармацевтических продуктов. [5, 6]

Таким образом, от разработки экономичных способов получения водорода зависит дальнейший прогресс многих отраслей промышленности и возможности использования водорода в качестве альтернативного топлива.