Водородная энергетика

ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА, использует водород как носитель энергии. В.э. также включает: получение Н₂ из воды и др. прир. сырья; хранение Н₂ в газообразном и сжиженном состояниях или в виде искусственно полученных хим. соед., напр. гидридов интерметаллич. соединений; транспортирование Н₂ к потребителю с небольшими потерями. В. э. пока не получила массового применения. Методы получения Н₂, способы его хранения и транспортировки, к-рые рассматриваются как перспективные для В. э., находятся на стадии опытных разработок и лаб. исследований.

Выбор Н₂ как энергоносителя обусловлен рядом преимуществ, главные из к-рых: экологич. безопасность Н₂, поскольку продуктом его сгорания является вода, исключительно высокая , 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 кач-ве исходного соед. для получения Н₂ рассматривать воду (содержание воды в гидросфере 1,39*10¹⁸т); возможность многостороннего применения Н₂. 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 Н₂ для передачи энергии т. наз. хим. способами. По одному из них смесь Н₂ с СО, полученная на первой ступени каталитич. конверсии метана, передается к потребителю по трубопроводу и поступает в аппарат - метанатор, в к-ром осуществляется обратная экзотермич. р-ция: ЗН₂ + СО -> СН₄ + Н₂О. Выделяемое тепло м. б. использовано для бытового и пром. теплоснабжения, а паро-газовая смесь возвращается обратно в цикл для конверсии метана.

Традиц. способы получения Н₂ (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 Н₂ - 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 т-ру в хим. реакторе на 150°С, уменьшить затраты на произ-во Н₂ на 20-25%. Однако ВТГР, обеспечивающие высокие т-ры теплоносителя (ок. 1000°С), пока находятся в стадии разработок. Др. вариант получения Н₂ - водно-щелочной электролиз под давлением с использованием дешевой разгрузочной электроэнергии, вырабатываемой в ночное время атомной электростанцией. Расход электроэнергии на получение 1 м³ Н₂ 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 Н₂ в ночное время на атомных электростанциях позволит регулировать график их суточной нагрузки и снизить себестоимость Н₂. Полученный Н₂ может направляться на нужды промети либо использоваться как топливо на электростанции для выработки дополнит. электроэнергии в дневное время.

Ниже описаны предлагаемые нетрадиц. методы получения Н₂. Электролиз воды с использованием в кач-ве 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, т-ра 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 кач-ве электролита при ТП-электролизе можно использовать, напр., пленку из сульфированного фторопласта-4; т-ра процесса до 150°С, достижимый кпд электролизера 90%, расход электроэнергии на получение 1 м³ Н₂ 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); т-ра процесса 800-1000 °С, достижимый уровень расхода электроэнергии на получение 1 м³ Н₂ 2,5 кВт*ч при плотностях тока 3-10 кА/м².

Из плазмохим. методов получения Н₂ наиб. перспективен двухстадийный углекислотный цикл, включающий: 1) диссоциацию (2СО₂ -> 2СО + О₂), осуществляемую в плазмотроне с энергетич. эффективностью до 75-80%; 2) конверсию СО с водяным паром (СО + Н₂О -> Н₂ + СО₂), после к-рой образовавшийся СО₂ возвращается в плазмотрон.

Термохим. циклы получения Н₂ представляют собой совокупность последоват. хим. р-ций, приводящих к разложению исходного водородсодержащего сырья (обычно воды) при более низкой т-ре, чем та, к-рая требуется для термич. диссоциации. Так, степень термич. диссоциации воды при 2483°С 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.:

При использовании H₂S вместо воды снижаются затраты энергии на получение Н₂, т.к. энергия связи Н—S в сероводороде значительно меньше энергии связи Н—О в воде, и кроме Н₂ образуется сера - важное хим. сырье.

Перспективен радиолиз воды и водных р-ров СО₂, H₂SO₄, HC1, HBr, H₂S, AgCl и др. под действием ядерного излучения (жесткого, 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 Н₂ на 100 эВ.

Исследуются фотохим. методы получения Н₂ с использованием солнечной энергии. Осуществлен фотоэлектролиз воды (с раздельным получением Н₂ и О₂); метод будет представлять практич. интерес, если его кпд достигнет 10-12% (пока он составляет ок. 3%). Биофотолиз воды основан на том, что нек-рые микроорганизмы (напр., хлорелла), поглощающие солнечную энергию, способны разлагать воду. Средний кпд трансформации солнечной энергии такими микроорганизмами составляет ок. 8%.

Для хранения и транспортирования Н₂, кроме обычных методов, разработанных для жидкого и газообразного водорода, перспективно использование твердых соед. - гидридов металлов и интерметаллидов. Последние способны реагировать с большими кол-вами Н₂ при невысоких т-рах и давлениях (см. Гидриды). Из гидридов интерметаллидов наиб. интересны соед. на основе Ti, Fe, Mg, Ni, La и V. Они содержат до 400 см³ Н₂ на 1 г гидрида, выделяют Н₂ при сравнительно низких т-рах (150-200 °С) 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, к-рый 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.