ВОДОРО́ДНАЯ ЭНЕРГЕ́ТИКА
-
Рубрика: Химия
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
Книжная версия:
Электронная версия:
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: H2+12O2→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 H2 в электрохимич. ячейке топливного элемента окисления азота воздуха не происходит, что также обусловливает экологич. безопасность.
Получение водорода
Традиц. метод получения сравнительно небольших количеств 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 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 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 ZrO2, стабилизированная оксидом иттрия Y2O3 или оксидом кальция CaO; электрич. проводимость достигается переносом аниона O−2. 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 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 CO,CH4,H2O и пр. Для удаления CO используют гл. обр. мембранные и каталитич. методы. Возникает также необходимость утилизации CO2.
Более 90% произ-ва водорода реализуется в процессах конверсии лёгких углеводородов природного газа. Осн. методы получения водорода из метана: пиролиз CH4→2H2+C; паровая конверсия или риформинг CH4+H2O→3H2+CO (образующийся оксид углерода также подвергается конверсии CO+H2O→H2+CO2); углекислотная, или «сухая», конверсия CH4+CO2→2H2+2CO; парокислородная конверсия CH4+(1−δ)H2O+12δO2→(3−δ)H2+CO; парциальное окисление CH4+12O2→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 CO. Наиболее крупнотоннажное произ-во H2 – паровая конверсия метана.
В нефтехимии и нефтепереработке используется водород, получаемый в процессе каталитич. риформинга (ароматизации) углеводородов C6–C7, напр.: н−C6H14→C6H6+4H2
При истощении запасов нефти и природного газа перспективно использование эндотермического процесса конверсии угля с водяным паром: 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 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 H2 агрегат, аккумулятор 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 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 H2 к массе «резервуара» (в %), не более 2–3, или баллоны; для последних α=10–12 при хранении 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 H2 под давлением до 10–15 МПа аспектное число, по некоторым данным, возрастёт до 10–15.
Особое направление В. э. – сжижение H2 и хранение его в жидком состоянии. Технически задача довольно сложная, поскольку, во-первых, водород сжижается при очень низкой темп-ре (tкип –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 H2 из контейнера также ограничивает его применение, в частности для наземного транспорта.
Для транспортирования жидкого 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 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 H2 высокой степени чистоты или водородосодержащий газ, содержащий менее 0,001% примесей 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 (H2иCO2,H2иN2,H2сN2иCO2) ТЭ может функционировать при пониженной эффективности за счёт разбавления водорода условно инертными компонентами (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 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 H2 в замкнутое пространство. При концентрации 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 H2 понижается за счёт его термокаталитич. окисления на каталитич. мембране, напр. платиновой. Эффективный процесс окисления H2 (начиная с концентрации 0,7% H2 при нормальной темп-ре) осуществляют, используя высокоячеистый пористый материал, покрытый тонким слоем платины. Мн. подобные устройства снабжены сенсорами 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.