водородная энергетика

ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

использует водород как носитель энергии. В.э. также включает: получение H₂ из воды и др. прир. сырья; хранение H₂ в газообразном и сжиженном состояниях или в виде искусственно полученных хим. соед., напр. гидридов интерметаллич. соединений; транспортирование H₂ к потребителю с небольшими потерями. В. э. пока не получила массового применения. Методы получения H₂, способы его хранения и транспортировки, которые рассматриваются как перспективные для В. э., находятся на стадии опытных разработок и лаб. исследований.

Выбор H₂ как энергоносителя обусловлен рядом преимуществ, главные из которых: экологич. безопасность H₂, поскольку продуктом его сгорания является вода, исключительно высокая ΔH⁰_сгор, равная −143,06 МДж/кг (для условного углеводородного топлива −29,3 МДж/кг); высокая теплопроводность, а также низкая вязкость, что очень важно при его транспортировании по трубопроводам; практически неогранич. запасы сырья, если в качестве исходного соед. для получения H₂ рассматривать воду (содержание воды в гидросфере 1,39∙10¹⁸т); возможность многостороннего применения H₂. Водород м. б. использован как топливо во многих хим. и металлургич. процессах, а также в авиации и автотранспорте как самостоятельное топливо, так и в виде добавок к моторным топливам.

Перспективно использование H₂ для передачи энергии т. наз. хим. способами. По одному из них смесь H₂ с CO, полученная на первой ступени каталитич. конверсии метана, передается к потребителю по трубопроводу и поступает в аппарат — метанатор, в котором осуществляется обратная экзотермич. реакция: ЗH₂ + CO → CH₄ + H₂O. Выделяемое тепло м. б. использовано для бытового и пром. теплоснабжения, а паро-газовая смесь возвращается обратно в цикл для конверсии метана.

Традиц. способы получения H₂ (см. водород) для В. э. экономически не выгодны. Для нужд В. э. предполагается усовершенствовать традиц. методы и разработать новые, нетрадиционные, используя ядерную и солнечную энергию. Предлагаемое усовершенствование осн. традиц. метода получения H₂ — каталитич. конверсии прир. газа и газов нефтепереработки — заключается в том, что процесс проводят в кипящем слое катализатора, тепло подводят от высокотемпературного ядерного газоохлаждаемого реактора (ВТГР). Применение этого метода позволит более чем в 10 раз увеличить объемную скорость процесса, снизить температуру в хим. реакторе на 150 °C, уменьшить затраты на производство H₂ на 20–25%. Однако ВТГР, обеспечивающие высокие температуры теплоносителя (ок. 1000 °C), пока находятся в стадии разработок. Др. вариант получения H₂ — водно-щелочной электролиз под давлением с использованием дешевой разгрузочной электроэнергии, вырабатываемой в ночное время атомной электростанцией. Расход электроэнергии на получение 1 м³ H₂ составляет 4,3–4,7 кВт∙ч (по обычному способу 5,1–5,6 кВт∙ч), напряжение на ячейке 1,7–2,0 В при плотности тока' 3–5 кА/м² и давлении в электролизере до 3 МПа. Использование установок по получению H₂ в ночное время на атомных электростанциях позволит регулировать график их суточной нагрузки и снизить себестоимость H₂. Полученный H₂ может направляться на нужды промышленности либо использоваться как топливо на электростанции для выработки дополнит. электроэнергии в дневное время.

Ниже описаны предлагаемые нетрадиц. методы получения H₂. Электролиз воды с использованием в качестве электролита расплава щелочи (т. наз. расплавнощелочной электролиз), твердого полимера (твердополимерный, или ТП-электролиз), керамики на основе ZrO₂ (высокотемпературный, или ВТ-электролиз) требует затрат электроэнергии на 30–40% меньше, чем традиц. способ. При расплавнощелочном электролизе концентрация воды в электролите составляет 0,5–2,0% по массе (иногда 4%), давление атмосферное, температура определяется выбором щелочи. Использование твердых электролитов позволяет значительно сократить расстояние между электродами в ячейке (до 250 мкм), в результате чего в неск. раз повышается плотность тока без увеличения напряжения на ячейке электролизера. В качестве электролита при ТП-электролизе можно использовать, напр., пленку из сульфированного фторопласта-4; температура процесса до 150 °C, достижимый кпд электролизера 90%, расход электроэнергии на получение 1 м³ H₂ 3,5 кВт∙ч. наиб. перспективен ВТ-электролиз с использованием тепла от ВТГР: электролитом служит керамика из ZrO₂ с добавками оксидов металлов (преим. Y₂O₃, CaO, Sc₂O₃); температура процесса 800–1000 °C, достижимый уровень расхода электроэнергии на получение 1 м³ H₂ 2,5 кВт∙ч при плотностях тока 3–10 кА/м².

Из плазмохим. методов получения H₂ наиб. перспективен двухстадийный углекислотный цикл, включающий: 1) диссоциацию (2CO₂ → 2CO + O₂), осуществляемую в плазмотроне с энергетич. эффективностью до 75–80%; 2) конверсию CO с водяным паром (CO + H₂O → H₂ + CO₂), после которой образовавшийся CO₂ возвращается в плазмотрон.

Термохим. циклы получения H₂ представляют собой совокупность последоват. хим. реакций, приводящих к разложению исходного водородсодержащего сырья (обычно воды) при более низкой температуре, чем та, которая требуется для термич. диссоциации. Так, степень термич. диссоциации воды при 2483 °C составляет 11,1%. В этих циклах все компоненты системы, кроме водородсодержащего сырья, регенерируются. Ниже приводятся примеры термохим. циклов разложения воды.

Сернокислотный:

Представляют интерес также сероводородные термохим. циклы, напр.:

Ni₃S₂ + H₂S → 3NiS + H₂

3NiS → Ni₃S₂ + S

При использовании H₂S вместо воды снижаются затраты энергии на получение H₂, т. к. энергия связи H—S в сероводороде значительно меньше энергии связи H—O в воде, и кроме H₂ образуется сера — важное хим. сырье.

Перспективен радиолиз воды и водных растворов CO₂, H₂SO₄, HCl, HBr, H₂S, AgCl и др. под действием ядерного излучения (жесткого γ, нейтронного). Наиб. мощные источники такого излучения — ядерные реакторы. Для развития этого метода необходимо создать источники ядерного излучения с высокой энергонапряженностью, разработать системы, способные поглощать реагирующей средой более 50% энергии излучения и использовать ее с радиац. выходом более 10 молекул H₂ на 100 эВ.

Исследуются фотохим. методы получения H₂ с использованием солнечной энергии. Осуществлен фотоэлектролиз воды (с раздельным получением H₂ и O₂); метод будет представлять практич. интерес, если его кпд достигнет 10–12% (пока он составляет ок. 3%). Биофотолиз воды основан на том, что некоторые микроорганизмы (напр., хлорелла), поглощающие солнечную энергию, способны разлагать воду. Средний кпд трансформации солнечной энергии такими микроорганизмами составляет ок. 8%.

Для хранения и транспортирования H₂, кроме обычных методов, разработанных для жидкого и газообразного водорода, перспективно использование твердых соед. — гидридов металлов и интерметаллидов. Последние способны реагировать с большими количествами H₂ при невысоких температурах и давлениях (см. гидриды). Из гидридов интерметаллидов наиб. интересны соед. на основе Ti, Fe, Mg, Ni, La и V. Они содержат до 400 см³ H₂ на 1 г гидрида, выделяют H₂ при сравнительно низких температурах (150–200 °C) и относительно дешевы. Для хранения гидридов интерметаллидов разработаны спец. емкости — гидридные баки. Гидриды интерметаллидов м. б. использованы, в частности, на автотранспорте. Гидридный бак устанавливается на автомобиле и обогревается отработавшими газами двигателя: гидрид разлагается и выделяется водород, который подается в двигатель как добавка к бензину.

^{Лит.: Легасов В. А. [и дрЛ, в кн.: Атомно-во дородная энергетика и технология, в. 1, М., 1978, с. 11–36; Березин И. В. [и др.], там же, в. 2, М., 1979, с. 48–56; Мищенко А. И., Применение водорода для автомобильных двигателей, К., 1984; Шпильрайн Э. Э., Малышенко С. П., Кулешов Г. Г., Введение в водородную энергетику, под ред. В.А. Легасова, М. (в печати); McAul-iffe Ch. A., Hydrogen and energy, Ц., 1980.}

_{В. А. Легасов}