Водородная энергетика и её развитие
Водородная энергетика и её развитие Виталий Болдырев
начальник Отдела координации
научно-технической деятельности
концерна «Росэнергоатом», к. т. н.
На данный момент много молвят о развитии водородной энергетики (на Западе популярен термин «водородная экономика»). С ней связывают способности уменьшить антропогенное воздействие на парниковый эффект, хотя научные подтверждения происходящего глобального конфигурации климата, как резу
льтата антропогенного воздействия, отсутствуют. Тем ни наименее, нужно разглядеть и такую делему как усиление глобального парникового эффекта в итоге антропогенного воздействия при массовом производстве и применении водорода, и воздействие этого воздействия на защитный озоновый слой Земли.
По данным многих учёных, из 33,2 оС увеличения температуры в приземном слое атмосферы из-за парникового эффекта только 7,2 оС обосновано действием углекислого газа, а 26оС – парами воды. Также понятно, что при сжигании углеводородного горючего, как и водородного, окислитель — атмосферный кислород расходуется не только лишь на образование углекислого газа, да и паров воды, создающих дополнительный парниковый эффект в приземном слое атмосферы.
Другими словами, даже с позиций приверженцев антропогенного происхождения глобального потепления, рассматривать и квотировать следует не только лишь антропогенные выбросы углекислого газа, да и антропогенные выбросы водяного пара, по другому говоря, нужно квотировать суммарное антропогенное потребление атмосферного кислорода. При таком подходе в парниковом эффекте будут учтены и выбросы «парникового» углекислого газа и выбросы «парникового» водяного пара.
Главным устройством для использования водорода предполагаются топливные элементы, в каких происходит процесс, оборотный электролизу. Распространение источников энергии, основанных на топливных элементах мощностью 15-200 кВт создаст базу для развития так именуемой распределённой системы производства электроэнергии, когда производитель энергии является и её потребителем. Тем можно будет избавиться от многокилометровых электронных сетей и циклопических электрических станций. Композиция же «топливный элемент — термический насос» очень перспективна для отопительного теплоснабжения грядущего.
Сейчас существует три главных метода производства водорода, не связанные впрямую с неминуемыми значительными выбросами двуокиси углерода, и так оценённые за килограмм произведенного водорода в докладе US National Academy of Engineering:
— воздействие на природный газ при помощи пара, что позволяет связывать находящийся в нём углерод для следующего хранения, себестоимость $1,72;
— воздействие пара и кислорода на угольный порошок, что снова же позволяет связывать углерод — $1,45;
— электролиз воды — $3,93.
1-ые два метода, т.е. реформинг природного газа и угля, требуют для предстоящего внедрения водорода потреблять из атмосферы кислорода и, тем, делают атмосферное природопользование в энергетике неминуемым. Потому такие технологии являются экологически неприемлемыми.
Электролиз воды, в том числе с внедрением протонных мембран для электролизёров нового типа, позволяет извлекать главное недостающее звено водородной энергетики грядущего — молекулярный кислород с следующим его возвращением в природную среду.
Припасы молекулярного водорода в Земле фактически неистощимы. Минеральная концепция происхождения нефти и газа, исходящая из космогонической истории углеводородов, гласит о практической неисчерпаемости мантийного молекулярного водорода, входящего и в состав природного газа.
В октябре 1989 года совещание в Геологическом институте РАН, заслушав доклад доктора геолого-минералогических наук В.Н. Ларина, постановило: «Рекомендовать сверхглубокое бурение (до 10-12 км) в области современного рифтогенеза… Предложить в качестве объекта
Тункинскую впадину». По воззрению геологов в области так именуемого Байкальского рифтогенеза (Тункинская впадина), где земная кора тоньше, кремний-магний-железистые слои, насыщенные водородом, залегают на глубинах всего 4-6 км. На этой глубине электрическое зондирование выявило гигантскую зону с аномально высочайшей проводимостью. Потому предлагалось выполнить глубочайшее бурение с целью оценить и проверить наличие экологически незапятнанного энергоресурса для получения газообразного водорода (см. “Водородное горючее из вулканической преисподней”. – “Промышленные ведомости № 24, декабрь 2003 г.).
По воззрению создателя теории В.Н. Ларина срединные океанские хребты интенсивно «газят» водородом. В Исландии водород в неких местах вырывается из-под земли просто со свистом, ещё одна из зон близкого залегания слоёв металлогидратов – в Израиле, ещё одна – штат Невада в США. Другими словами, по воззрению геологов, в атмосферу Земли безпрерывно выделяется неограниченное количество газообразного водорода без всякого антропогенного вмешательства. Потому, по нашему воззрению, роль утрат при промышленном производстве водорода, его хранении и транспортировке нуждается в количественном сравнении с ролью его природного выделения, в том числе и в воздействии на озоновый слой.
Молекулярный же кислород имеет чисто биогенное происхождение. В итоге эволюционных динамических процессов в биосфере Земли были сформированы определенные условия (в том числе и поддержание определённого количества молекулярного кислорода в атмосфере Земли) для саморегуляции, называемое гомеостазом, всепостоянство которых во времени требуется для обычного функционирования совокупы всех живых организмов, составляющих нынешнюю биосферу.
Другими словами нужно, в том числе, равновесное создание растениями атмосферного кислорода и его употребления природой, животными и человеком. При увеличении добычи и сжигания органического горючего до 20 миллиардов. тонн условного горючего в год, в том числе и водорода, промышленное потребление кислорода из атмосферы составит приблизительно 50 миллиардов. тонн, что в совокупы с естественным потреблением превзойдет нижнюю границу его воспроизводства в природе. В почти всех промышленно продвинутых странах эта граница издавна уже пройдена.
Группа учёных из Duquesne University (США) во главе с химиком Шахед Ханом получила на базе диоксида титана, обогащённого углеродом, катализатор, который поглощает фотоны солнечных лучей и раскалывает молекулы воды с выделением газообразного водорода и кислорода. Достоинства этого катализатора –стабильность при длительном контакте с солнечным светом и, не считая того, он довольно дёшев.
Катализатор конвертирует 8,5% солнечного света (ультрафиолетовую, фиолетовую, голубую и зелёную часть водимого диапазона) в водород и кислород. Но до промышленного внедрения фотохимического разложения воды на водород и кислород ещё довольно далековато. Подобными неуввязками в Рф занимается Институт хим физики РАН. Но из-за низкой плотности потока солнечной радиации такая разработка, как и сельскохозяйственное создание даже в более продвинутых странах, является малорентабельной, а поточнее. просто убыточной.
Дешёвое же общее создание водорода электролизерами просит значимого понижения их нынешней цены. При сегодняшней стоимости они должны работать безпрерывно. Потому досужие размышления о типо эффективности использования для производства водорода электролизерами электроэнергии АЭС при их недогрузке лишены всякого экономического смысла.
Исследовательские подразделения GE Global Research (США) предприняли попытку понизить цена электролизёров, выполнив их корпуса из пластмассы, стойкой к щелочной среде электролита, а массу металла, применённого в электродах, понизить за счёт напыления из катализатора на базе никеля. После этого стоимость производства водорода была снижена до $3 за килограмм. Но и этого для конкурентоспособности очевидно недостаточно.
Южноамериканские исследователи Ричард Дайвер и Джим Миллер из Sandia National Laboratories выдумали ещё один метод получения водорода — без электролизной обработки воды. Новый генератор водорода состоит из колец обратного вращения, скомпонованных из активных частей – нанокомпозитного ферритного состава с двуокисью циркония.
После подачи водяного пара эти кольца отбирают из него кислород оковём хим реакции, а освобождённый водород откачивается в особые баллоны. Потом за счёт термический обработки колец освобождается кислород. Но гласить об экономической необходимости внедрения этого способа так же ещё рано, как и многих других, хотя этими неуввязками, в том числе в рамках Мировой ассоциации водородной энергетики, сделанной ещё в 1974 году, занимаются много лет.
Создание водорода на базе атомных станций и электролизёров сейчас является пока единственным на техническом уровне реализуемым и экологически применимым методом сотворения массовой водородной энергетики. Испытанные технологии ядерной энергетики способны создавать большие количества электроэнергии. Хотя при всем этом всё ещё необходимо преодолевать ужас общества перед катастрофами и продолжать поиск способностей неопасной ликвидации радиоактивных отходов. Производимые же водород и кислород из воды при ее естественном круговороте в природе после их использования должны ворачиваться в природный цикл циркуляции воды.
При всем этом тепло, генерируемое в активных зонах реакторов, для его сброса во инопланетное место без парообразования востребует особых мер (если это тепло вправду влияет на глобальный климат). При массовом замещении органического горючего водородным непременно будет нужно переход на сухие градирни для отвода сбросного тепла АЭС.
В рамках европейской исследовательской программки Raphael французские учёные и конструкторы работают уже над созданием атомного реактора четвёртого поколения — реактора VHTR с температурой теплоносителя 950 0C. В таких устройствах вода при добавлении серной кислоты, йода и соединений брома разлагается на составные части — водород и кислород. Этот реактор будет способен производить до 2 млн. кубометров водорода в день.
Далее всех в разработке реактора четвёртого поколения продвинулись США. До 2010 года они хотят выстроить для выработки водорода в Айдахо-Фолс демо атомный реактор, который будет охлаждаться водянистым натрием и свинцом. Вместе с компанией Ceramatec рассматривается возможность применить для гелиевых реакторов тончайшие глиняние пластинки, предотвращающие повторную рекомбинацию кислорода и водорода после высокотемпературного электролиза.
В заключение следует сказать, что ещё в 1996 году США приняли закон Hydrogen Future Act. В его рамках объявлялась «Водородная программа», цель которой – переход экономики США в течение 20 лет на водород как основной энергоэлемент.
Источник — www.promved.ru/articles/article.phtml?id=811&nomer=29