Водородная энергетика и движки внутреннего сгорания на базе воды и водорода.
К.х.н. О. В. Мосин
Водородная энергетика и движки внутреннего сгорания на базе воды и водорода. Часть 1
В последние десятилетие стало естественным фактом, что предстоящее насыщенное развитие современной энергетики и транспорта ведет население земли к крупномасштабному экологическому кризису. Быстрое сокращение припасов ископаемого горючего будет заставлять индустриально продвинутые страны расширять сеть атомных энергоустановок, которые во все растущей степени станут увеличивать опасность их эксплуатации. Резко обострится неувязка утилизации радиоактивных отходов.
Беря во внимание эту тревожную тенденцию, многие ученые и практики точно высказываются в пользу ускоренного поиска других нестандартных источников энергии. А именно, их взгляды обращаются к водороду, припасы которого водах Мирового океана неистощимы. Бесспорным достоинством водородного горючего являются относительная экологическая безопасность его использования, приемлемость для термических движков без существенного конфигурации их конструкции, высочайшая калорийность, возможность длительного хранения, транспортировки по имеющейся транспортной сети, нетоксичность и т.д.
С водородной энергетикой (экономикой) связаны надежды на глобальное переустройство мировой экономики, к переходу от ископаемых углеводородных энергоэлементов 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 подразумевается использовать в главном термоядерную, солнечную и другие возобновляемые источники энергии. Но значимой неодолимой неувязкой до нынешнего денька остается неэкономичность промышленного производства водорода.
В широком смысле водородная энергетика базирована на использовании в качестве горючего водорода. Водородная энергетика также включает: получение водорода из воды и др. природного сырья; хранение водорода в газообразном и сжиженном состояниях либо в виде искусственно приобретенных хим соединений, к примеру гидридов интерметаллических соединений; также транспортировку водорода к потребителю с маленькими потерями. Но, водородная энергетика пока не получила широкого внедрения. Способы получения водорода, методы его хранения и транспортировки, которые рассматриваются как многообещающие для водородной энергетики, находятся на стадии опытнейших разработок и лабораторных исследовательских работ.
Выбор водорода в качестве энергоэлемента обоснован рядом преимуществ, главные из которых являются экологическая безопасность водорода, так как продуктом его сгорания является вода, только высочайшая энтальпия
, равная — 143,06 МДж/кг (для обыденного углеводородного горючего — 29,3 МДж/кг); высочайшая теплопроводимость водорода, также его низкая вязкость, что очень принципиально при его транспортировании по трубопроводам.
Припасы водородного сырья для водородной энергетики неограниченны, если в качестве начального соединения для получения водорода рассматривать воду (содержание воды в гидросфере 1,39*1018т).
Мировые припасы воды на Земле неистощимы. Мы лихорадочно ищем горючее грядущего, а сами практически купаемся в нем. Ведь чтоб воспользоваться водой как топливом, нужно придумать некоторое устройство, работающее на ней, а точнее, на ее составляющих водороде и кислороде. Из основ химии известны способы диссоциации (методы разложения) воды на водород и кислород – тепловая, электронная, под действием ионизирующих излучений, радиоволн и др.
Это содействует способности многостороннего использования водорода. Водород может быть применен в качестве горючего в почти всех хим и металлургических процессах, также как горючее в авиации и автотранспорте, так и в виде добавок к моторным топливам.
Для получения и передачи энергии также перспективно получение и внедрение водорода хим методами. По одному из их смесь водорода с монооксидом углерода (СО), приобретенная на первой ступени каталитической конверсии метана, передается к потребителю по трубопроводу и поступает в аппарат — метанатор, в каком осуществляется оборотная экзотермическая реакция:
ЗН2 + СО -> СН4 + Н2О
Выделяемое при всем этом тепло может быть применено для бытового и промышленного теплоснабжения, а паро-газовая смесь ворачивается назад в цикл для конверсии метана.
Необходимо подчеркнуть, что классические методы получения водорода для водородной энергетики экономически не прибыльны. Есть целый ряд узнаваемых методов разложения воды: хим, термохимический, электролиз и др., но они все владеют одним и этим же большим недочетом — в технологическом процессе получения водорода употребляется высокопотенциальная энергия, на получение которой в свою очередь затрачивается дефицитное ископаемое горючее (уголь, природный газ, нефтепродукты) либо электроэнергия, вырабатываемая на электрических станциях. Такое создание водорода, естественно, всегда будет оставаться неэкономичным и экологически небезопасным, а, как следует, бесперспективным.
Для нужд водородной энергетики в дальнейшем подразумевается усовершенствовать классические способы и создать новые, нетрадиционные, используя ядерную и солнечную энергию. Предлагаемое усовершенствование основного способа получения водорода– каталитической конверсии природного газа состоит в том, что процесс проводят в кипящем слое катализатора, а тепло в свою очередь подводят от высокотемпературного ядерного газоохлаждаемого реактора (ВТГР). Применение этого способа позволит более чем в 10 раз прирастить объемную скорость процесса, понизить температуру в хим реакторе на 150 °С, также уменьшить издержки на создание водорода на 20-25%. Но такие реакторы, обеспечивающие высочайшие температуры теплоносителя (ок. 1000°С), пока находятся в стадии экспериментальных разработок.
Другой вариант получения водородаводно-щелочной электролиз под давлением с внедрением дешевенькой электроэнергии, вырабатываемой в ночное время атомной электрической станцией. При всем этом расход электроэнергии на получение 1 м3 Н2 составляет 4,3-4,7 кВт*ч (по обыкновенному методу 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. Приобретенный таким методом водород может направляться на нужды индустрии или употребляться как горючее на электростанции для выработки дополнительной электроэнергии в дневное время.
Другим способом получения водорода является электролиз воды с внедрением в качестве электролита расплава щёлочи, твердого полимера (твердополимерный, либо ТП-электролиз), либо керамики на базе ZrO2 (высокотемпературный, либо ВТ-электролиз). Электролитический способ просит издержек электроэнергии на 30-40% меньше, чем классические методы получения водорода. Внедрение твёрдых электролитов позволяет существенно уменьшить расстояние меж электродами в ячейке (до 250 мкм), в итоге чего в пару раз увеличивается плотность тока без роста напряжения на ячейке электролизёра. В качестве электролита при твёрдополимерном электролизе можно использовать пленку из сульфированного фторопласта-4. При всем этом температура процесса составляет 150°С, достижимый кпд электролизёра 90%, расход электроэнергии на получение 1 м3 Н2 3,5 кВт*ч. Более перспективен высокотемпературный электролиз с внедрением тепла от реактора: при всем этом электролитом служит керамика из оксида циркония ZrO2 с добавками оксидов других металлов (к примеру, Va2O3, CaO, Sc2O3). При всем этом температура процесса значительно увеличивается до 800-1000 °С, а достижимый уровень расхода электроэнергии на получение 1 м3 Н2 при плотностях тока 3-10 кА/м2 составляет 2,5 кВт*ч.
Из плазмохимических способов получения водорода более перспективен двухстадийный углекислотный цикл, включающий: 1) диссоциацию углекислоты (2СО2 -> 2СО + О2), осуществляемую в плазмотроне с эффективностью до 75-80%; 2) следующую конверсию СО с водяным паром (СО + Н2О -> Н2 + СО2), после которой образовавшийся СО2 ворачивается в плазмотрон.
Термохимические методы получения водорода представляют собой совокупа поочередных хим реакций, приводящих к разложению начального водородсодержащего сырья – воды при более низкой температуре, чем та, которая требуется для тепловой диссоциации. Так, степень тепловой диссоциации воды при 2483°С составляет 11,1%. В этих циклах все составляющие системы, не считая водородсодержащего сырья, регенерируются. Ниже приводятся примеры термохимических циклов разложения воды.
Сернокислотный:
Также представляют энтузиазм сероводородные термохимические циклы, к примеру:
При использовании сероводорода (H2S) заместо воды понижаются энергозатраты на получение водорода, т.к. энергия связи Н—S в сероводороде существенно меньше энергии связи Н—О в воде, и не считая водорода появляется сера — принципиальное хим сырье.
Другим многообещающим способам получения водорода относится радиолиз воды и аква смесей СО2, H2SO4, HC1, HBr, H2S, AgCl и др. под действием ядерного излучения (жесткого, нейтронного). Более массивные источники такового излучения — ядерные реакторы. Но, для развития этого способа нужно сделать источники ядерного излучения с высочайшей энергонапряженностью, создать системы, способные всасывать реагирующей средой более 50% энергии излучения и использовать ее с радиационным выходом более 10 молекул водорода на 100 эВ.
Исследуются также и фотохимические способы получения водорода с внедрением солнечной энергии. Осуществлен фотоэлектролиз воды (с раздельным получением Н2 и О2); способ будет представлять практический энтузиазм, если его кпд достигнет 10-12% (пока он составляет ок. 3%).
Другим увлекательным методом получения водорода является биофотолиз воды. Биофотолиз воды основан на том, что некие мельчайшие организмы и микроводоросли (к примеру, хлорелла), всасывающие солнечную энергию, способны разлагать воду с выделением водорода. Но кпд трансформации солнечной энергии такими микробами очень низок – приблизительно 8%.
В ближайшее время как кандидатуру водородной энергетики предлагается использовать тяжёлую воду. В процессе ядерной реакции 2-ух атомов дейтерия появляется водород и гелий:
D + D = H + He
В таковой реакции неприменим закон сохранения массы, каким пользуется рядовая химия; в итоге реакции выходит недостача:
(2×2,014-1,008-3,016)г=0,004г
Она значит, что если б удалось отыскать условия, при которых может протекать реакция меж 2-мя молями томного 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, чтоб получить такую энергию, приходится спаливать 14 т угля.
Меж тем в согласовании с уравнением ядерной реакции такую энергию можно получить при издержке всего только 2-ух молей дейтерия, которые содержатся в одном моле тяжеленной воды. Как следует, обычный воды для этого будет нужно:
6700×18/1000 кг = 120,6 кг
либо 120 л. Означает, из 1-го литра обыкновенной воды можно добыть больше энергии, чем можно получить ее из 100 кг качественного угля. А припасы воды на нашей Земле громадны.