Гидриды. Водородная энергетика (стр. 7 )

§ 3. Химическая энергия воды: водород

Водород является единственным универсальным альтернативным энергоносителем. Он в состоянии заместить любое УВ топливо, будь то газообразное или жидкое.

Жидкий водород представляет собой самую легкую, с плотностью 71 кг/н3 при температуре кипения -252,8 °С, жидкость из всех известных. Он бесцветен и не проводит электриче­ский ток.

Распространенность водорода в виде воды практически повсеместна. Сгорание его протекает с выделением огромного объема тепла. Теплота образования по уравнению Н2 + 1/2 О2 = Н2О одного моля жидкой воды состав­ляет - 286 кДж, пара — 242. При этом образуется только вода, поэтому во­дород — единственное экологически чистое топливо. В отличие от тепло-и электроэнергии, водород может храниться длительное время в газообразном или жидком состоянии. Поэтому его можно транспортировать по трубо­проводам, в емкостях под давлением или криогенных резервуарах. Назван­ные качества открывают перед водородом поистине неограниченные пер­спективы в области альтернативной энергетики.

В таблицы 33 сопоставлены некоторые характеристики водорода и бензина как топлив17'.

Таблица 33.

Вид топлива. Характеристики топлива		Бензин
Энергия воспламенения, МДж	0,2	0,25
Температура воспламенения, °С	630	530
Пределы воспламенения в смеси с воздухом, % об.	4,7._74,2	0,59...6,0
Пределы взрываемости в смеси с воздухом,% об.	9,5...66,3	1,0.-6,0
Низшая теплота сгорания, МДж/кг	120	44
Скорость распространения пламени, м/сек	<2,7	<0,3

Как видно, энергоплотность водорода практически втрое больше таково для легкого УВ топлива. К недостаткам Н2 как топлива относятся значительна большая скорость распространения пламени и широкие диапазоны воспламенения взрываемости. Поэтому водородное топливо отличается «жестким» горением и детонацией в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания повышенной взрыво - и пожароопасностью при хранении.

Объем производства водорода в мире неуклонно возрастает. На рис. 8 показана выработка Н2 в развитых странах и в США. До настоящего времени основным источником водорода служит переработка УВ сырья.

В США 3М ежегодного производства Н2 обеспечивает разложение метана, содержащегося в природном и попутном газах:

СН4 + Н2О (пар) = ЗН2 + СО.

Необходимое для протекания реакции тепло может быть получено за счет т. н. «внутреннего сгорания» метана, для чего в газовую смесь добавляют кислород/воздух. Тогда реакция протекает следующим образом:

12СН4 + 5Н2О (пар) + 50г = 29Н2 + 9С0 + ЗСО2.

Удаление оксида углерода (IV) осуществляется с помощью промывки водой под давлени­ем.

Этот процесс, называемый «конверсией СО», реализуется при пропускании газовой смеси над необходимыми катализаторами (оксиды железа/кобальта) и температуре 400 °С.

В Японии 31% от объема ежегодно вырабатываемого водорода получают из коксо­вого газа, образующегося при сухой перегонке (табл. 20) каменного угля. Коксовый газ более чем наполовину состоит из свободного Н2 (рис. 88). Выделение последнего в чистом виде проводится после удаления серы и СО2 (промывка водой под давлением и обработка раствором едкого натра) с помощью охлаж­дения газовой смеси сжиженным азотом. При температуре кипения жидкого N2, равной -195,8°С, сжижаются все компоненты газо­вой смеси, исключая водород, В ФРГ и Голландии существенную, годовой объем производства водорода в развитых странах и отдельно в США (2). Исходные данные181 дает переработка т. н. водяного газа. Последний образуется при пропускании водяного па­ра над раскаленным до 1000°С каменноугольным коксом или антрацитом:

С + Н2О = Н2 + СО.

Водяной газ состоит главным образом из водорода и СО (50 и 40 % об. со­ответственно) с примесями СО2, азота (5 и 4...Б % об., аналогично) и метана. В последующем оксид углерода (IV) удаляется из газовой смеси при промывке водой под давлением. Оксид уг­лерода (II) и азот отделяют сжижением, охлаждая смесь до температуры -200°С с помощью жидкого воздуха.

В целом же по состоянию на начало 80-х гг. XX века 15...20 % производимого в мире во­дорода получали при пиролизе тяжелых нефтяных остатков, в т. ч. мазута.

Нет необходимости упоминать о том, что водород станет универсальным альтернативным энергоносителем лишь тогда, когда будет производиться именно и только из воды — путем ее термического, фото - и/или электрохими­ческого разложения. Технология электролиза воды д1 сводится к добавлению в нее едкого кали, играющего роль электролита (чистая вода практически непроводником) и пропусканию тока силой до 1О...2ОкА. При этом на катоде выделяется Н2, на аноде — кислород. Теоретически для по­лучения 1 м3 водорода при нормальных термобарических условиях — 18°С и атмосферном давлении — следует затратить порядка 2,8 кВт-ч электрической энергии. Реальный же расход составляет 4,2...5 и до 6 кВт-ч. Электролизный водород исключительно чист: содержание Н2 по объему соответствует 99,О...99,95 %. Незначительные примеси кислорода не ухудшают качество водорода как топ­лива. Однако КПД современных элек­тролизеров не превышает 30...35 %. Крупные затраты на электроэнергию ограничивают масштаб производства Н2 путем электролиза. Например,

в 1980 г. электролизный водород составлял в общем объеме выпуска Н2 весь­ма малую долю (в процентах):

Франция 1

Италия, США 2

Япония 12

Исключением являлась лишь богатая гидроэнергетическими ресурсами Норвегия. Здесь производимый водород на 94 % был электролизным.

Электролизу с целью получения водорода может быть подвергнута не только пресная, но и морская вода. В химической промышленности давно и прочно освоен процесс электролиза хлоридов щелочных металлов для про­изводства технического хлора (выделяется на аноде) и щелочей — едкого на­тра и едкого кали. При этом на катоде разряжаются ионы водорода. Водород в данном случае выступает в роли побочного продукта. Но производство Н2 как энергоносителя сделает его целевым продуктом.

Вполне очевидно, что энергия, необходимая для разложения воды, также должна быть альтернативной. Как один из вариантов следует рассмотреть возможность применения ВЭУ для генерирования электрической энергии с целью получения электролизного Н2. 1"' описывает (рис. 89, а) установку, состоящую из ветроколеса и генератора переменного тока. Ток после выпрямления питает фильтр пресный электролизер, работающий с давлением 1,2 МПа и производящий в час 24 ы водорода и 12 м3 кислорода. Сжигание водородно-кислородной смеси, дающее пламя с темпе­ратурой >3 100°С, осуществляется в специальном парогенераторе (рис. 89, б) массой 25 кг. Парогенератор производит 1,6...4 т/ч перегретого (250...350 °С) пара с давлением 1 ...2,2 МПа. Обращает на себя внимание зна­чение КПД парогенератора, достигающее 98...99 %. Полученный пар при стендовых испытаниях установки приводил в движение - турбину с генерато­ром переменного тока мощностью 100 кВт. Показательно заключение авто­ра: в надлежащих условиях водород как топливо безопаснее природного или сжиженных УВ газов.

Применение водорода в качестве моторного топлива исключает газооб­разное состояние Н2. Действительно17', для грузовика ЗИЛ-130 советского производства бензиновый бак объемом 0,17 м обеспечивает пробег > 400 км. Принимая значение термического КПД одинаковым, для покрытия того же расстояния должно быть израсходовано 45,3 кг Н2. Масса баллонов, вмещающих эквивалентный объем газа, превышала бы 5,3 т, тогда как гру­зоподъемность автомобиля составляет 5 т... Следовательно, использование Н2 в топливном направлении невозможно без его сжижения или пребывания в гидридной форме. Опыт установки на автомобилях криогенных баков, вме­щающих жидкий водород, достаточно велик.

В бывшем СССР в 1980 г. опробовали перевод на водород бензиноводородную смесь легковых автомобилей181 (ВАЗ-2101, ГАЗ-24-01 «Волга») и микроавтобусов РАФ. Результаты экспериментов показали, что уже добавка к бензину 6 % об. Н2 сокращает расход УВ топлива на 35...40 % и увеличивает эксплуатационную экономичность двигателей на 1/5...У4. Необходимо подчеркнуть существенное снижение объемов токсичных компонент выхлоп­ных газов. В табл. 34, заимствованной из работы У. Слейбо и Т. Персонса, приведены значения концентрации указанных компонент при различных ре­жимах работы исправного автомобильного двигателя.

Таблица 34

Компонента выхлопных газов	Единица измерения	Режим работы двигателя
		холостой ход	низкая скорость	высокая скорость
Оксиды азота	кг/м*	0..Д05	1,0	4,0
Оксид углерода (11)	% об.	3...10	3...8	1...5
Оксид углерода (IV)	То же	6Д..8	7... 11	12...13
УВ	кг/мд	0Д..8	0,2...0,5	0,1...0,3

После примешивания к бензину водорода отмечалось уменьшение со­держания токсичных компонент в кратное число раз:

оксиды азота 5

СО 15

УВ 1,5

Добавка к бензину 3 % об. Н2 позволяла автомобильному двигателю работать в режиме холостого хода при высоких значениях коэффициента избытка воздуха. Эта особенность обеспечивает существенную экономию бензина, поскольку в городском ездовом цикле холостой ход занимает по меньшей мере 1/5 рабочего времени.

По-видимому, первый в СССР/России эксперимент по топливному использованию водоро­да был поставлен в сентябре 1941 г. в блокадном Ленинграде201. По предложению техника-лей­тенанта в качестве горючего для автомобильных лебедок, выбирающих аэроста­ты противовоздушной обороны, был применен отработанный Hz из тех же аэростатов. Лебедки при этом требовали минимальных усовершенствований. Именно: на всасывающую линию дви­гателя устанавливали гидрозатвор из старого огнетушителя, во избежание «проскока» искры и взрыва аэростата.