ВОДОРО́ДНАЯ ЭНЕРГЕ́ТИКА

ВОДОРО́ДНАЯ ЭНЕРГЕ́ТИКА, об­ласть энер­ге­ти­ки, ос­но­ван­ная на ис­поль­зо­ва­нии во­до­ро­да в ка­че­ст­ве энер­го­но­си­те­ля. Пред­мет В. э. вклю­ча­ет в осн. раз­работ­ку и со­вер­шен­ст­во­ва­ние ме­то­дов по­лу­че­ния во­до­ро­да, в т. ч. из во­ды и при­род­но­го уг­ле­во­до­род­но­го сы­рья, ме­то­дов ис­поль­зо­ва­ния во­до­ро­да, в ча­ст­но­сти в то­п­лив­ных эле­мен­тах, спо­со­бов его хра­не­ния и транс­пор­ти­ров­ки, а так­же приё­мов обес­пе­че­ния безо­пас­но­сти при ра­бо­те, хра­не­нии и транс­пор­ти­ров­ке во­до­ро­да.

В В. э. вы­ра­бот­ка элек­трич., те­п­ло­вой или ме­ха­нич. энер­гии про­ис­хо­дит за счёт энер­гии про­цес­са окис­ле­ния вто­рич­но­го энер­го­но­си­те­ля – во­до­ро­да ки­сло­ро­дом воз­ду­ха при темп-рах ме­нее или по­ряд­ка 1000 °С по схе­ме: $\ce{H2 + 1/2 O2→H2O}$. При этом вы­де­ля­ет­ся те­п­ло­та – ок. 3 кВт·ч на 1 м³ во­до­ро­да (с учё­том кон­ден­са­ции во­дя­но­го па­ра ок. 3,5 кВт·ч/м³). Взаи­мо­дей­ст­вуя с ки­сло­ро­дом воз­ду­ха, во­до­род про­ду­ци­ру­ет толь­ко во­ду и яв­ля­ет­ся по­это­му наи­бо­лее эко­ло­ги­че­ски чис­тым из из­вест­ных хи­мич. энер­го­но­си­те­лей. При ра­бо­чих темп-рах окис­ле­ния $\ce{H2}$ в элек­тро­хи­мич. ячей­ке то­п­лив­но­го эле­мен­та окис­ле­ния азо­та воз­ду­ха не про­ис­хо­дит, что так­же обу­слов­ли­ва­ет эко­ло­гич. безо­пас­ность.

Получение водорода

Тра­диц. ме­тод по­лу­че­ния срав­ни­тель­но не­боль­ших ко­ли­честв $\ce{H2}$ – элек­тро­лиз во­ды. Во­до­ще­лоч­ной элек­тро­лиз ха­рак­те­ри­зу­ет­ся от­но­си­тель­но вы­со­ки­ми энер­го­за­тра­та­ми (ок. 4,5–5,5 кВт·ч/м³), низ­кой удель­ной про­из­во­ди­тель­но­стью – плот­ность элек­трич. то­ка 0,2–0,3 А/см², вы­со­ким со­дер­жа­ни­ем при­ме­сей в про­дук­те.

Бо­лее со­вер­шен­ны­ми яв­ля­ют­ся твер­до­по­ли­мер­ный элек­тро­лиз (ТПЭ) и вы­со­ко­тем­пе­ра­тур­ный элек­тро­лиз (ВТЭ). В ТПЭ роль элек­тро­ли­та вы­пол­ня­ет ка­тио­но­про­во­дя­щий по­ли­мер, напр. на ос­но­ве суль­фу­ри­ро­ван­но­го тет­раф­то­рэ­ти­ле­на. Че­рез диф­фу­зи­он­ную мем­бра­ну пе­ре­но­сит­ся ион гид­ро­ксо­ния $\ce{H3O+}$, на ка­то­де вы­де­ля­ет­ся во­до­род, на ано­де – ки­сло­род. Энер­го­за­тра­ты ме­то­да – 3,7–3,9 кВт·ч/м³, удель­ная про­из­во­ди­тель­ность ок. 1,2 А/см²; на­ли­чие мем­бра­ны по­зво­ля­ет по­лу­чить $\ce{H2}$ вы­со­кой чис­то­ты (ме­нее 0,001% при­ме­сей). В ТПЭ во­до­род мо­жет быть по­лу­чен под дав­ле­ни­ем 3–5 МПа, что об­лег­ча­ет его ком­при­ми­ро­ва­ние.

При ВТЭ ра­бо­чая температура 800–1000 °С; элек­тро­ли­том слу­жит ке­ра­ми­ка на ос­но­ве ок­си­да цир­ко­ния $\ce{ZrO2}$, ста­би­ли­зи­ро­ван­ная ок­си­дом ит­трия $\ce{Y2O3}$ или ок­си­дом каль­ция $\ce{CaO}$; элек­три­ч. про­во­ди­мость дос­ти­га­ет­ся пе­ре­но­сом анио­на $\ce{O2-}$. При темп-ре 1000 °С энер­го­за­тра­ты со­став­ля­ют 3,0–3,2 кВт·ч/м³, удель­ная про­из­во­ди­тель­ность – около 0,4 А/см². Не­дос­та­ток ВТЭ – вы­со­кая темп-ра ра­бо­чей зо­ны ап­па­ра­та. Наи­бо­лее пер­спек­тив­но ис­поль­зо­ва­ние ВТЭ в со­че­та­нии с вы­со­ко­тем­пе­ра­тур­ным ядер­ным ре­ак­то­ром в ка­че­ст­ве ис­точ­ни­ка энер­гии.

С це­лью по­ни­же­ния темп-ры ра­бо­чей зо­ны пред­ло­же­ны разл. мно­го­ста­дий­ные – пред­став­ляю­щие со­бой со­во­куп­ность по­сле­до­ва­тель­ных ре­ак­ций – цик­лы по­лу­че­ния во­до­ро­да: иод-сер­ный и сер­но­кис­лот­ный тер­мо­хи­мич. цик­лы, се­ро­во­до­род­ный тер­мо­ка­та­ли­тич. цикл, фо­то­элек­тро­лиз во­ды с ис­поль­зо­ва­ни­ем сол­неч­ной энер­гии и пр. Од­на­ко мно­го­ста­дий­ность сни­жа­ет кпд сис­те­мы в це­лом и по­вы­ша­ет слож­ность тех­но­ло­гич. оформ­ле­ния.

Аль­тер­на­ти­вой элек­тро­ли­зу яв­ля­ет­ся по­лу­че­ние $\ce{H2}$ из уг­ле­род­со­дер­жа­щих энер­го­но­си­те­лей: при­род­но­го го­рю­че­го га­за, ме­та­но­ла, бен­зи­на, ке­ро­си­на и др. уг­ле­во­до­ро­дов неф­ти, уг­ля. Дос­то­ин­ст­ва ме­то­да – мень­шие, чем при элек­тро­ли­зе во­ды, энер­го­за­тра­ты и со­от­вет­ст­вен­но мень­шая (в 2–3 раза) стои­мость по­лу­чае­мо­го про­дук­та. Од­на­ко про­цесс яв­ля­ет­ся мно­го­ста­дий­ным и тре­бу­ет ста­дии очи­ст­ки во­до­ро­да от об­ра­зую­ще­го­ся во мн. цик­лах ди­ок­си­да уг­ле­ро­да, а так­же от не­про­реа­ги­ро­вав­ших при­ме­сей $\ce{CO, CH4, H2O}$ и пр. Для уда­ле­ния $\ce{CO}$ ис­поль­зу­ют гл. обр. мем­бран­ные и ка­та­ли­тич. ме­то­ды. Воз­ни­ка­ет так­же не­об­хо­ди­мость ути­ли­за­ции $\ce{CO2}$.

Бо­лее 90% про­из-ва во­до­ро­да реа­ли­зу­ет­ся в про­цес­сах кон­вер­сии лёг­ких уг­ле­во­до­ро­дов при­род­но­го га­за. Осн. ме­то­ды по­лу­че­ния во­до­ро­да из ме­та­на: пи­ро­лиз $\ce{CH4→2H2 +C}$; па­ро­вая кон­вер­сия или ри­фор­минг $\ce{CH4 +H2O→3H2 +CO}$ (об­ра­зу­ю­щий­ся ок­сид уг­ле­ро­да так­же под­вер­га­ет­ся кон­вер­сии $\ce{CO +H2O→H2 +CO2}$); уг­ле­кис­лот­ная, или «су­хая», кон­вер­сия $\ce{CH4 +CO2→2H2 +2CO}$; па­ро­кис­ло­род­ная кон­вер­сия $\ce{CH4 +(1-δ)H2O +1/2δO2→(3-δ)H2 +CO}$; пар­ци­аль­ное окис­ле­ние $\ce{CH4 +1/2O2→2H2 +CO}$.

Про­цесс пар­ци­аль­но­го окис­ле­ния яв­ля­ет­ся эк­зо­тер­ми­че­ским. Ос­таль­ные пе­ре­чис­лен­ные про­цес­сы – эн­до­тер­ми­че­ские, про­во­дят­ся обыч­но в тер­мо­ка­та­ли­тич. ва­ри­ан­те, ха­рак­те­ри­зу­ют­ся от­но­си­тель­но не­вы­со­кой удель­ной про­из­во­ди­тель­но­стью. Пар­ци­аль­ное окис­ле­ние осу­ще­ст­в­ля­ет­ся гл. обр. в ав­то­тер­ми­че­ском ка­та­ли­тич. ре­жи­ме при темп-рах 800–900 °C с ис­поль­зо­ва­ни­ем ка­та­ли­за­то­ров (Rh, Ni на ко­рун­де, пе­ров­ски­ты) при ма­лом (ме­нее 0,1 с) вре­ме­ни кон­так­та; ха­рак­те­ри­зу­ет­ся очень вы­со­кой удель­ной про­из­во­ди­тель­но­стью. Про­цесс мо­жет быть про­ве­дён без ка­та­ли­за­то­ра при темп-рах вы­ше 1200 °C в две ста­дии: на пер­вой по­лу­ча­ет­ся син­тез-газ, на вто­рой, эк­зо­тер­ми­че­ской, про­ис­хо­дит кон­вер­сия $\ce{CO}$. Наи­бо­лее круп­но­тон­наж­ное про­из-во $\ce{H2}$ – па­ро­вая кон­вер­сия ме­та­на.

В неф­те­хи­мии и неф­те­пе­ре­ра­бот­ке ис­поль­зу­ет­ся во­до­род, по­лу­чае­мый в про­цес­се ка­та­ли­тич. ри­фор­мин­га (аро­ма­ти­за­ции) уг­ле­во­до­ро­дов $\ce{C6–C7}$, напр.: $\ce{н-C6H14→C6H6 +4H2}$

При ис­то­ще­нии за­па­сов неф­ти и при­род­но­го га­за пер­спек­тив­но ис­поль­зо­ва­ние эн­до­тер­ми­че­ско­го про­цес­са кон­вер­сии уг­ля с во­дя­ным па­ром: $\ce{C +H2O→H2 +CO}$.

Ис­сле­до­ва­но (1996–2004) яв­ле­ние плаз­мен­но-ка­та­ли­ти­че­ско­го пре­вра­ще­ния уг­ле­во­до­ро­дов, в ко­то­ром про­цес­сы кон­вер­сии ус­ко­ря­ют­ся за счёт ка­та­ли­тич. свойств плаз­мен­ной фа­зы. При этом рез­ко умень­ша­ют­ся (до 0,15–0,10 кВт·ч/м³) энер­го­за­тра­ты; ме­тод ха­рак­те­ри­зу­ет­ся вы­со­кой удель­ной про­из­во­ди­тель­но­стью и эко­ло­гич. безо­пас­но­стью, не тре­бу­ет ис­поль­зо­ва­ния тра­диц. ка­та­ли­за­то­ров.

Для по­лу­че­ния во­до­ро­да при­ме­ня­ют био­тех­но­ло­гии: фер­мен­та­цию зе­лё­ной мас­сы рас­те­ний, про­цес­сы с ис­поль­зо­ва­ни­ем во­до­ро­до­про­из­во­дя­щих бак­те­рий и не­ко­то­рых ви­дов во­до­рос­лей. Био­тех­но­ло­гич. ме­то­ды име­ют низ­кую удель­ную про­из­во­ди­тель­ность и тре­бу­ют ис­поль­зо­ва­ния гро­мозд­ко­го тех­но­ло­гич. обо­ру­до­ва­ния.

По спо­со­бу ор­га­ни­за­ции энер­го­пи­та­ния про­из­во­дя­щие $\ce{H2}$ сис­те­мы под­раз­де­ля­ют­ся на два клас­са: сис­те­мы ба­зо­во­го энер­гопи­та­ния (за счёт те­п­ло­ты сго­ра­ния уг­ле­во­до­род­но­го сы­рья, те­п­ло­ты, вы­де­ляе­мой атом­ным ре­ак­то­ром, за счёт пи­та­ния от цен­тра­ли­зо­ван­ной элек­тро­се­ти и пр.) и ав­то­ном­ные сис­те­мы, ис­поль­зую­щие во­зоб­нов­ляе­мые ис­точ­ни­ки пер­вич­ной энер­гии (энер­гию солн­ца, вет­ра, при­ли­вов, гид­ро­энер­гию, гео­тер­маль­ную энер­гию). Ав­то­ном­ная сис­те­ма долж­на вклю­чать: пре­об­ра­зо­ва­тель пер­вич­ной энер­гии в элек­три­че­скую, ге­не­ри­рую­щий $\ce{H2}$ аг­ре­гат, ак­ку­му­ля­тор $\ce{H2}$ и то­п­лив­ный эле­мент, транс­фор­ми­рую­щий хи­мич. энер­гию окис­ле­ния во­до­ро­да в элек­три­че­скую.

Про­из­во­ди­мый в нач. 21 в. в ми­ре во­до­род – ок. 50 млн. т/год – по­треб­ля­ет­ся гл. обр. в неф­те­пе­ре­ра­бот­ке (для очи­ст­ки неф­ти) и в наи­бо­лее круп­но­тон­наж­ных от­рас­лях хи­мич. пром-сти (про­из-ве ам­миа­ка и ме­та­но­ла). При реа­ли­за­ции воз­мож­но­сти ис­поль­зо­ва­ния во­до­ро­да в ка­че­ст­ве эко­ло­ги­че­ски безо­пас­но­го то­п­ли­ва для транс­пор­та объ­ём про­из-ва во­до­ро­да мо­жет воз­рас­ти в неск. раз.

Хранение и транспортировка водорода

Для хра­не­ния $\ce{H2}$ ис­поль­зу­ют гид­рид­ные (на ос­но­ве гид­ри­дов ме­тал­лов и ин­тер­ме­тал­ли­дов, см. в ст. Ак­ку­му­ля­то­ры во­до­ро­да) сис­те­мы, для ко­то­рых ас­пект­ное чис­ло $α$, оп­ре­де­ляе­мое как от­но­ше­ние мас­сы по­гло­щён­но­го $\ce{H2}$ к мас­се «ре­зер­вуа­ра» (в %), не бо­лее 2–3, или бал­ло­ны; для по­след­них $α$=10–12 при хра­не­нии $\ce{H2}$ под дав­ле­ни­ем до 30–40 МПа. Ис­поль­зу­ют т. н. су­пер­бал­ло­ны из ком­по­зит­ных ма­те­риа­лов, вы­дер­жи­ваю­щие дав­ле­ние до 60 МПа. При ис­поль­зо­ва­нии бал­ло­нов, за­пол­нен­ных уг­ле­род­ны­ми на­но­ма­те­риа­ла­ми (на­но­во­лок­на, на­нот­руб­ки), при хра­не­нии $\ce{H2}$ под дав­ле­ни­ем до 10–15 МПа ас­пект­ное число, по не­ко­то­рым дан­ным, воз­рас­тёт до 10–15.

Осо­бое на­прав­ле­ние В. э. – сжи­же­ние $\ce{H2}$ и хра­не­ние его в жид­ком со­стоя­нии. Тех­ни­че­ски за­да­ча до­воль­но слож­ная, по­сколь­ку, во-пер­вых, во­до­род сжи­жает­ся при очень низ­кой темп-ре ($t$_кип –252,77 °С), во-вто­рых, не­об­хо­ди­мо за­тра­тить энер­гию, что­бы осу­ще­ст­вить его ор­то-па­ра-пре­вра­ще­ние (ок. 2 кВт·ч/м³). Ис­па­ре­ние с от­но­си­тель­но вы­со­кой ско­ро­стью жид­ко­го $\ce{H2}$ из кон­тей­не­ра так­же ог­ра­ни­чи­ва­ет его при­ме­не­ние, в ча­ст­но­сти для на­зем­но­го транс­пор­та.

Для транс­пор­ти­ро­ва­ния жид­ко­го $\ce{H2}$ ис­поль­зу­ют гер­ме­тич­ные кон­тей­не­ры с эф­фек­тив­ной те­п­ло­вой изо­ля­ци­ей, га­зо­об­раз­но­го – спец. тру­бо­про­вод­ные сис­те­мы.

Использование водорода

Во­до­род мо­жет быть ис­поль­зо­ван как то­п­ли­во во мно­гих хи­мич. и ме­тал­лур­гич. про­цес­сах, а так­же в авиа­ции, кос­мич. тех­ни­ке, на под­вод­ном фло­те, для на­зем­но­го транс­пор­та, для ор­га­ни­за­ции сис­тем ав­то­ном­ной энер­ге­ти­ки. С кон. 19 в. в Ев­ро­пе в ка­че­ст­ве то­п­ли­ва его при­ме­ня­ли в сме­си с ок­си­дом уг­ле­ро­да (син­тез-газ). В СССР ав­то­мо­биль­ный дви­га­тель на во­до­ро­де впер­вые был раз­ра­бо­тан в 1942; в кон. 1980-х гг. ус­пеш­ные по­лёт­ные ис­пы­та­ния про­шёл пер­вый в ми­ре са­мо­лёт с ре­ак­тив­ным дви­га­те­лем на жид­ком во­до­ро­де ТУ-155. Жид­кий во­до­род ис­поль­зо­вал­ся в ка­чест­ве го­рю­че­го для кос­мич. сис­тем ти­па «Спейс Шаттл» (США) и «Бу­ран» (СССР).

Наи­бо­лее пер­спек­тив­ный ме­тод ис­поль­зо­ва­ния $\ce{H2}$ на транс­пор­те и в ав­то­ном­ной энер­ге­ти­ке – при­ме­не­ние то­п­лив­ных эле­мен­тов (ТЭ). Вы­ра­ба­ты­вае­мая в ТЭ элек­трич. энер­гия ис­поль­зу­ется в элек­тро­дви­га­те­лях транс­порт­ных средств или для вы­ра­бот­ки те­п­ло­вой и элек­тро­энер­гии в энер­ге­ти­ке.

Для ТЭ с по­ли­мер­ной мем­бра­ной (на ос­но­ве ка­тио­но­про­во­дя­ще­го по­ли­мер­но­го элек­тро­ли­та, напр. суль­фу­ри­ро­ван­но­го тет­раф­то­рэ­ти­ле­на) в ка­че­ст­ве го­рю­че­го ис­поль­зу­ет­ся $\ce{H2}$ вы­со­кой сте­пе­ни чис­то­ты или во­до­ро­до­со­дер­жа­щий газ, со­дер­жа­щий ме­нее 0,001% при­ме­сей $\ce{CO}$. Дан­ный тип ТЭ ха­рак­те­ри­зу­ет­ся вы­со­ким (ок. 70%) кпд, что су­ще­ст­вен­но пре­вы­ша­ет кпд дви­га­те­ля внут­рен­не­го сго­ра­ния (ме­нее 35%). ТЭ с др. элек­тро­ли­та­ми (во­до­ще­лоч­ным, фос­фор­но­кис­лот­ным, твёр­дым ок­сид­ным, элек­тро­ли­том в ви­де рас­пла­ва разл. кар­бо­на­тов) по­ка ус­ту­па­ют ТЭ с по­ли­мер­ной мем­бра­ной по ря­ду па­ра­мет­ров.

При­ме­не­ние ТЭ с по­ли­мер­ной мем­бра­ной для ос­на­ще­ния на­зем­но­го транс­пор­та пол­но­стью ис­клю­ча­ет ток­сич­ные вы­хло­пы. При ис­поль­зо­ва­нии в ка­че­ст­ве то­п­ли­ва во­до­ро­до­со­дер­жа­щих га­зо­вых сме­сей ($\ce{H2 и\: CO2, H2 и\: N2, H2 с\: N2 и CO2}$) ТЭ мо­жет функ­цио­ни­ро­вать при по­ни­жен­ной эф­фек­тив­но­сти за счёт раз­бав­ле­ния во­до­ро­да ус­лов­но инерт­ны­ми ком­по­нен­та­ми ($\ce{N2, CO2}$). ТЭ с по­ли­мер­ной мем­бра­ной в со­че­та­нии с ак­ку­му­ли­рую­щим во­до­род уст­рой­ст­вом (гл. обр. на ос­но­ве ме­та­но­ла) ис­поль­зу­ет­ся для соз­да­ния во­до­род­ных ак­ку­му­ля­то­ров энер­гии для со­то­вых те­ле­фо­нов, ми­ниатюрных ­ком­пь­ю­те­ров и др. пор­та­тив­ных уст­ройств.

Хра­не­ние $\ce{H2}$ или его про­из-во из при­род­но­го уг­ле­во­до­род­но­го сы­рья, а так­же по­треб­ле­ние во­до­ро­да на бор­ту транс­порт­но­го сред­ст­ва с ис­поль­зо­ва­ни­ем ТЭ по­зво­ля­ют соз­дать во­до­род­ный транс­порт, не за­гряз­няю­щий ат­мо­сфе­ру ток­сич­ны­ми вы­хло­па­ми, су­ще­ст­вен­но бо­лее эф­фек­тив­ный, чем транс­порт с дви­га­те­лем внут­рен­не­го сго­ра­ния.

Обеспечение безопасности

В замк­ну­тых си­сте­мах при на­ли­чии ап­па­ра­тов, ис­поль­зую­щих во­до­род, и при его хра­не­нии воз­мож­на утеч­ка $\ce{H2}$ в замк­ну­тое про­стран­ст­во. При кон­цен­тра­ции $\ce{H2}$ бо­лее 4% по объ­ё­му в сме­си с воз­ду­хом об­ра­зу­ет­ся го­рю­чая взры­во­опас­ная смесь.

Для пре­ду­пре­ж­де­ния взры­ва или воз­го­ра­ния сме­си при­ме­ня­ют спец. сис­те­мы до­жи­га­ния – ре­ком­бай­не­ры, в ко­то­рых кон­цен­тра­ция $\ce{H2}$ по­ни­жа­ет­ся за счёт его тер­мо­ка­та­ли­тич. окис­ле­ния на ка­та­ли­тич. мем­бра­не, напр. пла­ти­но­вой. Эф­фек­тив­ный про­цесс окис­ле­ния $\ce{H2}$ (на­чи­ная с кон­цен­тра­ции 0,7% $\ce{H2}$ при нор­маль­ной темп-ре) осу­ще­ст­в­ля­ют, ис­поль­зуя вы­со­ко­ячеи­стый по­рис­тый ма­те­ри­ал, по­кры­тый тон­ким сло­ем пла­ти­ны. Мн. по­доб­ные уст­рой­ст­ва снаб­же­ны сен­со­ра­ми $\ce{H2}$. Сис­те­ма до­жи­га­те­лей функ­цио­ни­ру­ет в ав­то­ном­ном ре­жи­ме без до­пол­ни­тель­ных средств ини­циа­ции – те­п­ло­вых или элек­три­че­ских – и мо­жет быть ис­поль­зо­ва­на для обес­пе­чения без­опас­но­сти на транс­пор­те, в за­водских по­ме­ще­ни­ях или на атом­ной элек­тро­стан­ции, по­сколь­ку ядер­ный блок АЭС, упот­реб­ляю­щий во­ду в ка­че­ст­ве те­п­ло­но­си­те­ля, так­же яв­ля­ет­ся во­до­ро­до­опас­ным объ­ек­том.