Водородная энергетика и двигатели внутреннего сгорания на основе воды и водорода.

Часть 1

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.

С водородной энергетикой (экономикой) 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. Однако существенной непреодолимой проблемой до сегодняшнего дня остается неэкономичность промышленного производства водорода.

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 водорода химическими 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 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 экспериментальных разработок.

Другой вариант получения водородаводно-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/м²составляет 2,5 кВт*ч.

Из плазмохимических методов получения водорода наиболее перспективен двухстадийный углекислотный 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.

Сернокислотный:

Также представляют интерес сероводородные термохимические циклы, например:

При использовании сероводорода (H₂S) 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.

Другим перспективным методам получения водорода относится радиолиз воды и водных растворов СО₂, H₂SO₄, HC1, HBr, H₂S, 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 Н₂ и О₂); 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:

D + D = H + He

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:

E=mc2

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.