Основы энергосбережения и нетрадиционные источники энергии

–реакция с гелием-3 потребует достичь миллиардных температур в плазме;

–трудность получения гелия-3, который слишком рассеян. Поэтому на сегодняшний день гелий-3 добывают из земной ат-

мосферы в очень небольших количествах, всего по нескольку десятков граммов в год. Существует альтернатива, на Луне можно добыть до 500 тысяч тонн изотопа (в атмосфере Земли – всего лишь около 35 тысяч тонн).

3.3. Водородная энергетика. Электрохимические генераторы (ЭХГ) и энергоустановки (ЭЭУ)

Крупномасштабная концепция водородной энергетики как одного из направлений научно-технического прогресса сформировалась в середине 70-х годов прошлого столетия в разгар охватившего мир энергетического кризиса. Главная идея этого направления – замена ископаемых органических видов топлива во всех сферах их применения на новый энергоноситель – водород, при сжигании которого образуется только вода и практически отсутствуют какие-либо вредные выбросы (рис. 3.11).

Рис. 3.11. Особенности водородной энергетики

231

В качестве других преимуществ водорода как топлива можно назвать:

–неисчерпаемость;

–массовая теплотворная способность водорода в 2,8 раза выше по сравнению с бензином;

–температура воспламенения в 15 раз меньше, чем для углеводородного топлива;

– максимальная скорость распространения фронта пламени

в8 раз больше по сравнению с углеводородами;

–излучение пламени в 10 раз меньше по сравнению с пламенем углеводородов;

–экологичность.

Водородная энергетика включает следующие технологические циклы:

–производство водорода;

–его хранение;

–транспортирование и распределение;

–использование.

В настоящее время применяются следующие способы производства водорода:

–электролиз (разложение воды);

–риформинг (паровая конверсия метана);

–газификация – разложение тяжелых углеводородов и биомассы на водород и газы для последующего риформинга;

–термохимические циклы, использующие дешевое высокотемпературное тепло ядерных реакторов или концентрированной солнечной энергии;

–биологическое производство: при некоторых условиях водоросли и бактерии вырабатывают водород.

Электролиз – это разложение воды на молекулярный водород и кислород при прохождении через нее электрического тока (рис. 3.12). Обеспечивает получение водорода высокой степени чистоты. Однако процесс связан с большими затратами электроэнергии.

Перспективным является использование для электролиза избытков возобновляемой электрической энергии (солнечной, ветро-, гидроэнергии) (см. рис. 2.204).

232

Рис. 3.12. Схема электролиза и общий вид электролизера

Паровая конверсия – это процесс получения чистого водорода из легких углеводородов (например, метана, пропан-бутановой фракции) путем парового риформинга (каталитической конверсии углеводородов в присутствии водяного пара) (рис. 3.13).

Рис. 3.13. Схема получения водорода методом паровой конверсии: stack – дымовая труба; purge gas – продувочный газ

На сегодняшний день является самым дешевым способом получения водорода. Недостатки: конечный продукт содержит примеси; требуется газоочистка для некоторых приложений; выбросы двуокиси углерода; дополнительные затраты на секвестрацию двуокиси углерода.

233

Этот процесс хорошо отработан и широко применяется в настоящее время в промышленности (рис. 3.14).

Рис. 3.14. Общий вид промышленных установок для реформинга водорода

Термохимическая газификация. Как было рассмотрено в раз-

деле «Биоэнергетика» термохимическая газификация представляет собой процесс частичного окисления углеродсодержащего сырья, такого, как биомасса, торф или уголь с получением газообразного энергоносителя – генераторного газа (рис. 3.15). Полученный газ состоит из монооксида углерода, метана, диоксида углерода, водорода и других газов. Получаемый таким способом водород требует интенсивной очистки перед использованием.

Рис. 3.15. Получение водорода методом термохимической газификации

234

Термохимические и термоэлектрохимические циклы. Для пря-

мого термического разложения воды на водород и кислород требуется высокая температура на уровне 2500 С (рис. 3.16). Такую высокую температуру можно получить, например, с помощью концентраторов солнечной энергии, ядерных реакторов. Однако воду можно термически разложить и при более низкой температуре, используя последовательность химических реакций, которые выполняют следующие функции: связывание воды, отщепление водорода и кислорода, регенерация реагентов.

ZnO Zn 1/2O2 (при 2300 К)

Zn Н2O ZnO H2 (при 700 К)

3.16. Получение водорода термохимическими циклами

Для получения водорода можно применить метод и многостадийных термохимических циклов, например, Сера – Йодных (рис. 3.17). Эффективность процесса – 42–56 %. Однако он сложен в реализации, еще не имеет коммерческого значения, требуются долговременные исследования материалов, усовершенствование химической технологии; необходим высокотемпературный ядерный реактор (ВТЯР) или солнечные концентраторы.

235

Рис. 3.17. Схема получения водорода с применением многостадийных термохимических циклов (Сера – Йодных циклов)

Биологическое способы производства водорода из водорос-

лей. Некоторые образцы теплолюбивых сине-зеленых водорослей в присутствии платинового катализатора начинают бурную реакцию выделения водорода при температурах выше 55 °C, то есть при температуре типичной для безводных пустынь с высокой насыщенностью солнечной энергией, при этом производительность процесса может возрасти на порядок по мере увеличения температуры. В результате можно добиться выхода водорода, эквивалентного производству порядка 75 литров бензина с квадратного метра ежедневно (рис. 3.18). Технология потенциально имеет большой ресурс. Однако характеризуется малой скоростью накопления водорода; нужны большие площади; наиболее подходящие объекты (виды водорослей) еще не найдены.

Рис. 3.18. Схема и общий вид установки для производства водорода из водорослей

236

Хранение и транспортирование водорода. Низкая плотность газообразного водорода, высокая взрывоопасность в сочетании с негативным воздействием на свойства конструкционных материалов, ставят на первый план проблемы разработки эффективных и безопасных систем хранения водорода – именно эти проблемы сдерживают развитие водородной энергетики и технологии в настоящее время.

Методы хранения водородного топлива можно разделить на три группы (рис. 3.19):

–использование естественных подземных хранилищ;

–физические методы, которые используют физические процессы (главным образом, компрессирование или сжижение) для переведения газообразного водорода в компактное состояние;

–химические методы (хранение водорода обеспечивается физическими или химическими процессами его взаимодействия с некоторыми материалами).

Рис. 3.19. Способы хранения водорода

Наиболее простой способ – это закачка водорода в глубокие подземные выработки (угольные и другие виды шахт, естественные подземные пустые полости и т. п.) (рис. 3.20). Технология требует постоянного контроля утечек газа.

237

Рис. 3.20. Закачка водорода в подземные хранилища

Физические методы: водород, хранимый с помощью физических методов, состоит из молекул Н2, слабо взаимодействующих со средой хранения.

На сегодня реализованы следующие физические методы хранения водорода (рис. 3.21):

–сжатый газообразный водород;

–газовые баллоны;

–стационарные массивные системы хранения, включая подземные резервуары;

–хранение в трубопроводах;

–стеклянные микросферы.

Для хранения жидкого водорода применяются стационарные и транспортные криогенные контейнеры и емкости (рис. 3.22).

Рис. 3.21. Физические способы хранения водорода

238

Рис. 3.22. Стационарные и транспортные криогенные контейнеры и емкости для хранения жидкого водорода

Хранение и транспортирование водорода в химически связанном состоянии. Применяемые методы:

Адсорбционные.

–цеолиты и родственные соединения;

–активированный уголь;

–углеводородные наноматериалы;

–абсорбция в объеме материала (металлогидриды).

Химическое взаимодействие.

–фуллерены и органические гидриды;

–аммиак;

–губчатое железо;

–водореагирующие сплавы на основе алюминия и кремния. Преимущества хранения и транспортирование водорода в форме

аммиака, метанола, этанола на дальние расстояния состоят в высокой плотности объемного содержания водорода. Однако в этих формах хранения водорода среда хранения используется однократно (температура сжижения аммиака 239,76 К, критическая температура 405 К). Так при нормальной температуре аммиак сжижается при давлении 1,0 МПа и его можно транспортировать по трубам и хранить в жидком виде.

239

Использование водорода. В настоящее время известны следующие применения водорода в энергетических целях:

–прямое сжигание водорода в энергетических установках;

–использование топливных элементов;

–использование водорода в двигателях внутреннего сгорания. Прямое сжигание водорода в энергетических установках осу-

ществляется редко ввиду его взрывоопасности. Более перспективным является применение топливных элементов. Во всем мире установлено более 900 стационарных энергетических установок на топливных элементах мощностью более 10 кВт. Их суммарная мощность около 150 МВт. Для повышения эффективности, снижения себестоимости энергии и для утилизации тепловой энергии применяются установки, совмещающие топливные элементы и газовые турбины (рис. 3.23).

Рис. 3.23. Общий вид газовой турбины для утилизации водорода и подводная лодка класса U212 (Германия) с силовой установкой на водородных топливных элементах

Водородный транспорт – это различные транспортные средства, использующие в качестве топлива водород. Это могут быть транспортные средства как с двигателями внутреннего сгорания, с газотурбинными двигателями, так и с водородными топливными элементами. Наиболее широкое применение находят автомобили на топливных элементах (рис. 3.24).

Примером таких разработок является биотопливный автомобиль корпорации BMW Hydrogen 7. Двигатель внутреннего сгорания автомобиля может работать на бензине или водороде. На Hydrogen 7 установлен бензобак 74 литра и баллон для хранения 8 кг водорода. Автомобиль может проехать 200−300 км на водороде и 480 км на бензине. Переключение с одного вида топлива на другой происходит автоматически, но предпочтение отдается водороду. Водород

240