Водородная энергетика. 
Размышления о некоторых проблемах энергетики

Термин «водородная энергетика», который иногда заменяют более общим понятием «водородная экономика», предполагает широкое использование водорода в энергетических системах и во многих других секторах экономики. Сегодня водород для целей энергетики практически не применяется.

Действительно важным аргументом для внедрения водорода в энергетику является охрана окружающей среды — при энергетическом использовании водорода в атмосферу сбрасывается только водяной пар. Особенно активно в последнее время водород предлагается как идеальное топливо для автомобилей. Сторонники использования водорода в сочетании с топливными элементами (ТЭ) для автомобилей отмечают, что водородный автомобиль в отличие от автомобилей с бензиновыми или дизельными двигателями не только не загрязняет атмосферу городов, но и приводит к экономии первичного топлива.

Водород нельзя называть источником энергии. В природе он находится в связанном виде, входя в состав воды, тех или иных природных углеводородов, биомассы, различных органических отходов. Получение водорода из этих химических соединений требует затрат энергии. Поэтому водород следует рассматривать как искусственный промежуточный энергоноситель, и для его широкого использования в энергетике должны быть решены проблемы:

• — эффективного производства водорода;
• — методов его хранения и транспортировки;

высокоэкономичного использования водорода в электрохимических процессах и термодинамических циклах для конечного получения электрической, механической энергии и тепла.

Фундаментальные физико-химические и физико-технические проблемы, связанные с широким внедрением водородной энергетики, в основном определяются необходимостью разработки новых методов эффективного и экологически чистого производства водорода из углеводородного сырья, органических отходов, а также из воды с использованием ядерной энергии, энергии возобновляемых источников, угля, в том числе с использованием промежуточных энергоносителей.

Производство водорода из углеводородов и органических отходов чаще всего осуществляется термохимическими методами; при производстве из воды традиционно используется электролиз, а также рассматриваются различные высокотемпературные термохимические циклы. Для целей водородной энергетики необходима разработка новых экономичных, экологически чистых методов получения водорода.

Аккумулирование и хранение водорода в твердофазном связанном состоянии: в металлогидридах и композитных наноконструктурных материалах, в том числе на основе металлуглеродных и каталитических наноструктур, — наиболее безопасно и для многих приложений наиболее эффективно. Исследования и разработки таких новых технологий охватывают как создание и исследование новых металлогидридных систем, так и систем на основе новых водородпоглощающих материалов.

В созданных к настоящему времени низкотемпературных обратимых МеН системах хранения весовое содержание доступного водорода не превышает 2% при его объемной плотности, превышающей плотность жидкого водорода. Для использования в крупномасштабных и транспортных системах аккумулирования такое низкое массовое содержание Н2 является серьезным барьером. Существенно большего весового содержания Н2 (до 5% веса) удается достичь для высокотемпературных обратимых металлогидридных систем. Однако для их функционирования необходимы источники высокопотенциального тепла, что снижает экономическую эффективность таких систем аккумулирования.

В этой связи важнейшими задачами при создании эффективных устройств для хранения водорода в твердофазном связанном состоянии являются разработки новых поглощающих материалов (в том числе композитных, каталитических и наноструктурных) с улучшенной кинетикой сорбции и повышенной емкостью по водороду.

Решение указанных проблем может привести к радикальному расширению практического использования аккумулирующих устройств с применением водородпоглощающих материалов в автотранспорте и автономной энергетике. Это имеет особое значение для целей безопасного хранения Н2 на борту транспортных средств, использующих энергоустановки на базе топливных элементов.

В отличие от ТЭС, в которых химическая энергия топлива вначале преобразуется в тепло, а уж затем в электроэнергию, в ТЭ происходит непосредственное преобразование химической энергии в электрическую. В ТЭ реализуется разомкнутый процесс (близкий к изотермическому), а не цикл, и ограничения, связанные с КПД цикла, здесь неприменимы. Теоретически вся химическая энергия топлива (убыль энергии Гиббса соответствующей реакции топлива с окислителем) может быть превращена в ТЭ в электроэнергию.

Теоретический КПД водород-кислородного ТЭ, рассчитанный как отношение произведенной электроэнергии к теплоте реакции близок к единице. При всей заманчивости идеи использования ТЭ в энергетике, ее реализация наталкивается на серьезные трудности. Именно поэтому, несмотря на то что принцип ТЭ известен уже более 150 лет, практическое применение ТЭ и по сей день весьма ограниченно.

Основная трудность реализации ТЭ состоит в необходимости осуществить реакцию топлива с окислителем электрохимическим путем, для чего в общем случае оба компонента реакции должны быть вначале превращены в ионы. В ТЭ ионизация топлива и окислителя осуществляется при умеренных температурах за счет применения активных катализаторов, включающих металлы платиновой группы.

Сегодня для энергетических приложений рассматривается несколько типов ТЭ с КПД от 40% до 70%, различающихся прежде всего типом электролита — переносчика ионов, и наличием промежуточных реакций:

• 1. ТЭ со щелочным электролитом (ЩТЭ);
• 2. ТЭ с фосфорной кислотой (ФТЭ);
• 3. ТЭ с твердо-полимерными мембранами (ТПТЭ);
• 4. ТЭ с расплавом карбонатов (РКТЭ);
• 5. ТЭ с твердооксидным электролитом (ТОТЭ).

Топливом для этих ТЭ служит водород, а окислителем _ либо кислород, либо воздух. Принципиальная схема каждого из перечисленных ТЭ включает водородный (анод) и кислородный (катод) электроды и электролит, проводящий те или иные ионы. Теоретическая ЭДС ТЭ при стандартных условиях составляет 1,23 В.

Принцип действия ТЭ проще всего проиллюстрировать на примере ЩТЭ, который являлся первым типом ТЭ, примененным как источник энергии для космических аппаратов. На аноде такого ТЭ, к которому подводится газообразный молекулярный водород, происходят его диссоциация и ионизация:

В качестве электролита обычно используется раствор щелочи КОН с концентрацией 30−50% (масс.). ЩТЭ работает при температуре 100−250°С. При высоких температурах концентрацию щелочи доводят до 85% (масс.). Образовавшиеся ионы водорода за счет разности потенциалов анода и катода диффундируют через слой электролита к катоду. Электроны, образовавшиеся на аноде, при замыкании внешней электрической цепи перетекают к катоду, совершая полезную работу. На катоде происходит реакция: т. е. единственным продуктом при работе ЩТЭ является вода (водяной пар).

Эффективность реального ТЭ во многом зависит от каталитических свойств электродов, обеспечивающих ионизацию реагентов. Для ЩТЭ в качестве катализаторов используются никель, серебро, металлы платиновой группы и др. Раствор электролита в ЩТЭ обычно содержится в матрице из, например, асбеста, плотно прилегающего и смачивающего электроды. Водород для питания ЩТЭ должен быть весьма чистым и, в частности, не содержать даже малых количеств СО, отравляющего катализаторы, и СО2, образующего с электролитом карбонат калия К2СО3.

Для транспортной энергетики наибольший интерес представляет ТПТЭ, в котором проводником ионов водорода служит тонкая твердая полимерная мембрана (рис. 12). Рабочая температура ТПТЭ существенно ниже, чем для других ТЭ и составляет 60−80°С. Так же, как у ЩТЭ, примеси СО в газах отравляют катализаторы электродов. Одной из проблем для ТПТЭ является организация отвода воды, образующейся при реакции водорода с кислородом.

Для стационарной энергетики рассматривается высокотемпературный твердооксидный ТЭ, в котором перенос заряда осуществляется отрицательным ионом кислорода, а электролитом служит твердая двуокись циркония ZrO2, стабилизированная окисью иттрия Y2O3. Рабочая температура ТОТЭ лежит в интервале 800−1000°С, что позволяет рассматривать схемы с внутренним риформингом природного газа и комбинированные циклы. Электродом для анода служит цирконат кобальта Co-ZrO2 или никеля Ni-ZrO2, а для катода _ манганит лантана LaMnO3, легированный стронцием. В последние годы рядом фирм были созданы демонстрационные установки на базе ТОТЭ мощностью от 1 до 200 кВт.

Каждый из описанных выше типов ТЭ имеет свою предпочтительную нишу применения. Однако для широкого применения ТЭ требуется, во всяком случае, не меньше чем на порядок снизить их сегодняшнюю стоимость. Именно в этом направлении, по-видимому, будут развиваться в ближайшие годы научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы в области ТЭ.

В настоящее время водород-кислородные (воздушные) ТЭ применяются в качестве бортовых источников электроэнергии для космических аппаратов, разрабатываются опытные и демонстрационные образцы наземных транспортных средств с такими ТЭ и электродвигателями. Делаются попытки применить ТЭ в стационарной энергетике.