Водородная энергетика. 
Альтернативные источники энергии

Огромный интерес к водороду как к перспективному топливу обусловлен рядом неоспоримых его преимуществ, главные из которых таковы: 1) экологическая безопасность водорода в отличие от других топлив, так как продуктом сгорания его является водяной пар; 2) очень высокое значение теплоты сгорания (вчетверо больше, чем у каменного угля); 3) высокая теплопроводность; 4) низкая вязкость, что очень важно при необходимости его транспортировки по трубопроводам, особенно на большие расстояния; 5) практически неограниченные запасы сырья, если в качестве такового рассматривать воду; 6) возможность многостороннего применения водорода: он может быть использован как топливо во многих химических и металлургических процессах, в авиации и автотранспорте, а также в виде добавок к моторным топливам.

Вышеизложенное дало толчок к созданию так называемой водородной энергетики, в которой водород используется как носитель энергии. Водородная энергетика включает следующие стадии: получение водорода из различного сырья; хранение его в газообразном и сжиженном состояниях или в виде искусственно полученных химических соединений, например, гидридов (NaH); транспортирование водорода к потребителю.

Получение водорода. Для промышленного производства водорода используют в основном природный газ, жидкие и твердые горючие ископаемые, воду.

В настоящее время наибольшее количество водорода получают паровой конверсией природного газа. Указанный процесс включает следующие стадии:

1. Каталитическая конверсия метана с водяным паром:

СН4 + Н20 СО + ЗН2 — 206 кДж.

Реакция осуществляется в присутствии Ni — катализатора при 750−870 °С.

2. Конверсия СО с водяным паром:

СО + Н20 С02 + Н2 + 41 кДж.

Процесс проводят при 370—440°С в присутствии железохромоксидного катализатора (первая ступень) и при 230—260°С в присутствии цинкхроммедного катализатора (вторая ступень).

3. Выделение водорода из газовой смеси.

Процесс проводят путем последовательной очистки газовой смеси от С02 и остатков непрореагировавших СО, СН4 и Н20.

Получение водорода из твердых горючих ископаемых (например, угля) включает переработку последних с водяным паром и воздухом или кислородом (газификацию):

С + Н20 СОТ + Н2Т — 118,9 кДж 2С + 02 —" 2СОТ + 230 кДж.

При этом образуется водяной газ, который содержит до 40% СО и 50% Н2, а также С02, СН4, N2 и примеси сернистых соединений. В дальнейшем газы очищают от нежелательных компонентов, прежде всего негорючих примесей.

Электролизом воды можно получать водород совместно с кислородом. При этом электролитом служит водный раствор КОН (350— 400 г/л); давление в электролизерах варьируют от атмосферного до 4 МПа (40 атм), расход электроэнергии составляет 5,1—5,6 кВтЧч на 1 м³ водорода (теоретический расход при 25 °C 2,94 кВтЧч).

Описанные традиционные методы получения водорода недостаточно экономичны, если речь идет о широкомасштабном его производстве, исчисляемом сотнями млн т (ныне мировое производство водорода на уровне ста млн т). Это связано, прежде всего, с чрезмерными затратами энергии. Поэтому для нужд водородной энергетики предлагается как усовершенствовать традиционные методы, так и разработать новые, причем с использованием преимущественно ядерной и солнечной энергии.

Возможное усовершенствование основного традиционного метода получения водорода — каталитической конверсии природного газа — заключается в том, что процесс проводят в кипящем слое катализатора (газ проходит снизу вверх, взрыхляя последний), а необходимое тепло подводят с высокотемпературного ядерного реактора. При этом возможно снизить затраты на производство водорода на 20—25%.

Другой вариант получения водорода — водно-щелочной электролиз под давлением с использованием относительно дешевой разгрузочной электроэнергии, вырабатываемой в ночное время АЭС. При этом расход электроэнергии на получение I м3 водорода составляет 4,3—4,7 кВт-ч, т. е. на 15—20% меньше, чем по обычному способу.

Рассмотрим некоторые из недавно предложенных, т.н. нетрадиционных методов получения водорода.

Установлена возможность электролиза воды с использованием в качестве электролита расплава щелочи, твердого полимера (ТП-электролиз), керамики на основе Zr02 (высокотемпературный электролиз); процесс требует затрат электроэнергии на 30—40% меньше, нежели традиционный способ. Укажем, что в случае использования расплава щелочи концентрация воды в электролите составляет всего лишь 0,5— 2,0% по массе. Наиболее перспективным считается высокотемпературный электролиз с использованием тепла от АЭС. Электролитом здесь служит керамика из Zr02 с добавлением некоторых оксидов металлов (CaO, Sc203); температура процесса 800 — 1000 °C, достижимый уровень расхода электроэнергии на получение 1 м³ водорода снижается до 2,5 кВт-ч.

В последние годы интенсивно разрабатываются плазмохимические технологии получения водорода, связанные с использованием низкотемпературной (103—105 К) плазмы. Из них наиболее перспективен двухстадийный углекислотный цикл, включающий: 1) диссоциацию (2С02 —> 2СО + 02), осуществляемую в плазмотроне — устройстве для создания плазмы при помощи электрической дуги; 2) конверсию СО с водяным паром (СО + Н20 -" Н2 + С02), после чего образовавшийся диоксид углерода возвращается в плазмотрон для нового цикла.

Имеют перспективу и термохимические циклы получения водорода из воды. Известно, что степень термической диссоциации воды при 2483 °C составляет 11,1%. Указанные термохимические циклы представляют собой совокупность последовательных химических реакций, приводящих к разложению воды при более низкой температуре, чем та, которая требуется для термической диссоциации. В этих циклах все компоненты системы, кроме водородсодержащего сырья (воды), регенерируются. Ниже в качестве примера приводятся реакции, лежащие в основе сернокислотного термохимического цикла:

S02 + 2Н20 H2S04 + Н, Т Изучается также радиолиз воды и водных растворов H2S04, НС1, HBr, H2S, AgCI и др. под действием ядерного излучения (жесткого, gи нейтронного). Наиболее мощные источники такого излучения — ядерные реакторы.

Среди других исследуемых в последнее время методов получения водорода из воды следует отметить фотоэлектролиз и биофотолиз.

Фотоэлектролиз — метод получения водорода и кислорода из воды при помощи солнечной энергии. Этот процесс осуществлен с КПД пока около 3—4%; он будет представлять практический интерес, если удастся довести КПД до ~ 10—12%.

Биофотолиз воды основан на том, что определенные микроорганизмы, например, хлорелла, использующие солнечную энергию для своей жизнедеятельности, способны разлагать воду с образованием водорода. При этом КПД трансформации солнечной энергии такими микроорганизмами составляет около 8%.

Хранение и транспортирование водорода. Газообразный водород хранят в специальных емкостях — газгольдерах, а также сосудах высокого давления — баллонах. Существуют проекты подземного хранения больших количеств водорода в выработанных месторождениях нефти и газа, горных выработках, искусственных соляных кавернах. Жидкий водород хранят и транспортируют в специальных герметических резервуарах с эффективной тепловой изоляцией. При этом емкость стационарных хранилищ достигает 3000 м³ и более, железнодорожных цистерн — 100—125 м3, автомобильных — 25—75 м3. Наконец, проводятся исследования в области получения и хранения водорода в твердом и шугообразном (до 50% твердой фазы) состояниях.

Для хранения и транспортировки водорода перспективно использование твердых соединений — гидридов металлов. Среди последних представляют интерес ионные, к которым относят гидриды щелочных и щелочноземельных металлов (кроме Mg). Гидрид лития LiH, например, может быть получен взаимодействием водорода с расплавом лития под давлением:

Li + 0,5Н2 —> LiH.

1 г гидрида лития может выделить при нагревании около 1,6 л Н2, поэтому гидриды щелочных металлов рассматриваются одновременно как перспективное ракетное топливо.

Особенно интересны металлоподобные гидриды и гидриды интерметаллических соединений, многие из которых могут быть получены взаимодействием металла с водородом при обычной или относительно небольшой температуре (табл. 3.1).

Таблица 1 Свойства некоторых гидридов.

Из гидридов интерметаллов наиболее перспективны соединения на основе Ti, Fe, Mg, Ni, La: TiFeH2, Mg2NiH2, LaNi5H6. Они содержат до 400 см³ Н2 на 1 г гидрида, выделяют водород при сравнительно низких температурах (150—200°С) и относительно дешевы.

Гидриды некоторых металлов, прежде всего интерметаллов, могут быть использованы и на автотранспорте. Бак с гидридным «топливом» устанавливается на автомобиле и обогревается горячими выхлопными газами. В результате гидрид разлагается с образованием водорода, который далее подается в камеру сгорания двигателя как добавка к бензину.

MgH2 + 2Н20 -" Mg (OH)2 + 2Н2Т Выделением при этом больших объемов водорода: на I кг указанного гидрида может выделиться до 1,7 м³ водорода.