О водородной энергетике мечтают давно:
удельная теплота сгорания водорода в три раза выше, чем у нефти или бензина;
продуктом сгорания водорода является водяной пар;
ресурсы сырья для получения водорода безграничны.
Но водород как горючее имеет ряд недостатков:
он более взрывоопасен, чем метан;
объемная теплота сгорания водорода в три раза меньше, чем у природного газа.
Путь к безвредной энергетике труден и многоэтапен. Здесь возможны разные решения. Тем не менее, в некоторых случаях применение водорода как топлива не только полезно с экологической точки зрения, но и вполне экономически оправдано.
К примеру, загрязнение атмосферы автомобильными выхлопными газами. Замена всех бензиновых двигателей на водородные нереальна, т.к. она связана с огромными материальными затратами. Однако, почти без всяких изменений в двигателе, можно использовать бензин с 10-процентной водородной добавкой. Даже этот небольшой шаг резко улучшит экологическую обстановку в крупных городах.
Водород -- аккумулятор энергии
Очевидным становится и то, что водород может ослабить некоторые напряженные проблемы атомной энергетики. Разрушительные аварии АЭС (Чернобыль, Тримайл-Айпенд) показали, что наиболее опасны "маневры" мощностью реактора, то есть изменение интенсивности ядерной реакции [3]. Следовательно, для обеспечения безопасности желательно ограничиваться стационарным режимом работы АЭС.
Эта стабильность ограничивает возможности энергосистем в части выравнивания нагрузок, когда, например, в рабочее время потребление энергии резко возрастает, а по ночам и в выходные дни падает. Пока не существует удовлетворительного способа аккумулировать электроэнергию, но на помощь может прийти водород. Расчеты показывают, что с помощью аккумулирования водорода затраты на производство электроэнергии могут быть снижены примерно на 15% по сравнению с традиционным способом -АЭС плюс пиковая теплоэлектростанция на водороде.
Аккумулировать водород можно не только в сжатом и жидком виде, а и в специально разработанных аккумуляторах водорода. Принцип работы таких аккумуляторов основан на свойстве полиметаллических композиций поглощать водород. Один из видов такого аккумулятора представляет собой емкость из нержавеющей стали заполненную сплавом титана, ванадия и железа. Сплав обладает свойством выделять чистый водород, даже если он аккумулировался с примесью кислорода и влаги.
На АЭС за счет излишков электроэнергии можно производить водород и для нужд промышленности. Химическая промышленность -самый крупный потребитель водорода. Его используют в качестве сырья, например, для производства аммиака. Такой энерготехнологический комплекс может снизить на 10...17% расходы топлива по сравнению с существующей раздельной системой производства электроэнергии, водорода и аммиака.
Но в целом эффективность таких систем не очень высока из-за сравнительно низкого коэффициента полезного действия АЭС. КПД современных АЭС не превышает 33%, в то время как у теплоэлектростанций -- 39%.
Невысокий коэффициент полезного действия АЭС обусловлен сравнительно низкой температурой водяного пара (около 300oС), нагреваемого теплом атомного реактора. Условия безопасности не позволяют увеличить эту температуру, а она определяет КПД паровой турбины и, следовательно, всей АЭС.
Промышленные методы получения водорода
Есть два направления промышленного получения водорода -электролиз и плазмохимия. Электролиз очень прост: в электролит, то есть в токопроводящую среду (классический вариант -- вода с небольшим количеством щелочи), помещают два электрода и подводят к ним напряжение. Однако, в установках, работающих по этому принципу, для получения одного кубометра водорода требуется 4...5 киловатт-часов электроэнергии, что довольно дорого -- производство эквивалентного по теплотворной способности количества бензина обходится втрое дешевле.
При электролизе большая часть электроэнергии теряется в виде тепла при протекании тока через электролит. Кроме того, удельная производительность современных установок -- не более 0,5 литра водорода в час с одного см2. Это количество определяется самим характером электрохимических реакций, протекающих только на поверхности электродов. Если электролиз будет широко использоваться, недостатки этого метода, по-видимому, останутся.
Гораздо производительнее метод плазмохимии, использующий химическую активность ионизованного газа -- плазмы. В специальные установки -- плазмотроны подводят газы или пары различных веществ. Интенсивным электромагнитным полем в этих газах или парах создают электрические разряды, образуется плазма. Энергия электрического поля передается ее электронам, а от них -- нейтральным молекулам. Последние переходят в возбужденное, химически активное состояние.
Перспективны неравновесные плазмохимические системы, где электроны, разогретые электромагнитным полем до температур 10...15 тысяч градусов, избирательно передают энергию молекулам, а последние, распадаясь, образуют нужные химические продукты. При этом газ в целом остается практически холодным (его температура 300...1000oС). Важное преимущество этих систем -- объемный характер протекающих в них процессов. Большие скорости химических реакций в газовой фазе позволяют добиваться гигантской удельной производительности плазмотронов.
Прямое плазмохимическое разложение паров воды на кислород и водород в настоящее время малоэффективно. А вот углекислый газ оказался идеальным плазмохимическим объектом. Неравновесное возбуждение его молекулярных колебаний до 4...6 тысяч градусов приводит к тому, что богатые энергией молекулы отбирают ее у более бедных. Это влечет за собой резкое повышение скорости химических реакций и энергетической эффективности процесса. Коэффициент полезного действия при разложении углекислого газа на окись углерода и кислород превышает 80 процентов. Практически всю вкладываемую в разряд энергию удается направить на осуществление полезной химической реакции.
С учетом этого можно организовать двухстадийный цикл производства водорода:
на первой стадии осуществить плазмохимическое разложение углекислого газа;
на второй -- выполнить давно освоенную промышленностью реакцию взаимодействия окиси углерода с водяным паром.
В результате образуется водород и исходное вещество -углекислый газ. Таким образом, углекислый газ будет выполнять роль физического катализатора для получения водорода из воды и, не расходуясь, разрешит трудности, возникающие при разложении водяного пара. В итоге формируется плазмохимический цикл, в котором тратится только вода, а углекислый газ постоянно возвращается в процесс.
Производительность такой плазмохимической системы в десятки тысяч раз превзойдет эффективность электролизеров, стоимость же водорода окажется примерно такой же, как и при электролизе. Это, конечно, еще дорого. Сегодня практически весь водород, потребляемый промышленностью, производится за счет переработки природного газа.
В таких установках вместо одного энергоносителя получаем другой и используем его не для нужд энергетики, а для технологии. Такая схема выглядит ущербно. Поэтому исследовали такой обнадеживающий источник водорода, как сероводород, сопутствующий, в частности, обычным, прежде всего, глубинным месторождениям природного газа.
Многие беды в районах газоносных месторождений связаны с выбросами сероводорода или продуктов его переработки в атмосферу. Сейчас в промышленности в лучшем случае сероводород окисляют кислородом воздуха по методу Клаусса, разработанному еще в прошлом веке, и получают при этом серу, а водород связывается с кислородом. Недостаток этого, кстати, весьма дорогостоящего процесса очевиден: из сероводорода извлекают только серу, а водород переходит в воду.