Гидриды. Водородная энергетика (стр. 8 )

Опытный экземпляр автомобиля японского производства Датсун-В-210 с объемом двигасм2 оборудовали21' криогенным баком и полно­стью перевели на водородное топливо. Последнее в объеме 0,23 м3 заполня­ло бак массой 0,12 т. 100-км пробег машины соответствовал затрате ~ 0,025 м жидкого Н2. При прохождении этого расстояния в условиях город­ского ездового цикла с выхлопным водяным паром было выброшено (в кг): УВ — 0,005; СО — 0,018; оксидов азота — 0,256. Образование двух первых токсичных составляющих объясняется выгоранием УВ смазок при работе двигателя.

Хранение сжиженного Н2 в криогенных емкостях осложняется его испаре­нием с постепенным нарастанием давления'7'. Поэтому при длительной стоян­ке водороднотопливного автомобиля необходимо открывать баки. Криогенные емкости производства ФРГ испаряют в атмосферу 0,0062...0,011 м3/сут водо­рода, что может привести в закрытых гаражных помещениях к образованию огне - и взрывоопасных воздушных смесей. Улетучивающийся Н2 предлагается утилизировать на каталитических панелях (с катализаторами из металлов платиновой группы водород взаимодействует с кислородом без пламени уже при комнатной температуре) или использовать в топливных элементах для выра­ботки электроэнергии, подзаряжающей автомобильные аккумуляторы. Значи­тельную опасность будут представлять криогенные баки с жидким Н2 при до­рожно-транспортных происшествиях.

Исключительно велика роль жидкого водорода как вероятного авиаци­онного (турбинного) топлива. Значительно меньшая плотность и большая теплотворная способность Н2 по сравнению с керосином позволят радикаль­но улучшить технологические характеристики турбореактивной/турбовинто­вой авиации. Согласно выводам специалистов корпорации « Локхид» (США), дозвуковой пассажирский авиалайнер, потребляющий водород, будет обла­дать следующими показателями (в процентном отношении к таковым для са­молета на УВ топливе):

полетная масса - 50

сухая масса 75

удельный расход энергии на 1 пассажиро-километр 70

дальность полета 200...210

При этом турбокомпрессорная часть авиадвигателей при переходе на Н2 не требует дополнительных усовершенствований.

Весьма перспективно хранение топливного водорода в виде смешанных гидридов металлов. Металлогидриды являются твердыми, стабильными в оп­ределенных термобарических условиях, но разлагающимися с выделением Н2 при изменении последних, веществами. Показателен пример ферротитангидрида FeTiH2 с массовым содержанием водорода - 2 %. Это соединение отще­пляет водород при атмосферном давлении и температуре +13 "С. В США (1977 г.) испытан автобус на 19 мест, заряжающийся 907 кг ферротитангидрида. На выделяющемся водороде пробег составлял 274 км при максималь­ной скорости 88 км/ч. Крупным недостатком гидридных накопителей водоро­да служит их масса, в 15...20 раз большая таковой у традиционных бензоба­ков. Положение может быть улучшено с получением металлогидридов, поглощающих/отдающих > 10 % масс. Н2.

Таким образом, формирование и развитие полностью неуглеводородной энергетики на базе водорода технологически реальны и предпочтительны с позиций охраны окружающей среды. Основным затруднением при этом вы­ступает необходимость предварительного освоения какого-либо другого вида (солнечная радиация, ветер, механическая/тепловая вод и пр.) альтернатив­ной энергии с целью выработки водорода из воды, а также его сжижения. (В начале 80-х гг. XX века удельные затраты на производство 1 т жидкого Н2 электролизом воды оценивались в 150...200 рублей СССР. Для сравнения, тот же показатель для нефтяного топочного мазута соответствовал 64...73 рублям.) Что касается транспорта, перевод его на водород невозможен без решения проблемы создания емкого, легкого и безопасного накопителя Н2, без организации системы распределения водорода и заправки им автомо­билей и самолетов.

Использование водородной энергетики

Водородная энергетика использует водород как носитель энергии. Водородная энергетика также включает: получение водорода из воды и другого природного сырья; хранение водорода в газообразном и сжиженном состояниях или в виде искусственно полученных химических соединений, например гидридов интерметаллических соединений; транспортирование водорода к потребителю с небольшими потерями. Водородная энергетика пока не получила массового применения. Методы получения водорода, способы его хранения и транспортировки, которые рассматриваются как перспективные для водородной энергетики, находятся на стадии опытных разработок и лабораторных исследований.

Выбор водорода как энергоносителя обусловлен рядом преимуществ, главные из которых: экологическая безопасность водорода, 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 неограниченные запасы сырья, если в качестве исходного соединения для получения водорода рассматривать воду (содержание воды в гидросфере 1,39*1018т); возможность многостороннего применения водорода. Водород может быть использован как топливо во многих химических и металлургических процессах, а также в авиации и автотранспорте как самостоятельное топливо, так и в виде добавок к моторным топливам.

Перспективно использование водорода для передачи энергии так называемыми химическими способами. По одному из них смесь водорода с СО, полученная на первой ступени каталитической конверсии метана, передается к потребителю по трубопроводу и поступает в аппарат - метанатор, в котором осуществляется обратная экзотермическая реакция:

ЗН2 + СО → СН4 + Н2О.

Выделяемое тепло может быть использовано для бытового и промышленного теплоснабжения, а паро-газовая смесь возвращается обратно в цикл для конверсии метана.

Говоря о развитии водородной энергетики, нельзя не упомянуть о проблемах безопасности. Водород нетоксичен, но пожаро - и взрывоопасен, при высокой температуре он способен самовоспламеняться на воздухе. Чтобы обеспечить меры безопасности, требуются дополнительные затраты, однако развитые страны готовы пойти и на эти расходы.

В Европейском союзе своеобразным полигоном по освоению водородной энергетики станет Исландия, где для производства водорода можно использовать дешевую энергию геотермальных источников и гидроэлектростанций. Стране выделено 60 млн евро, чтобы она в ближайшие 15—20 лет перешла в основном на водородное топливо. Форсируют развитие водородной энергетики и в США: к 2020 году надеются перевести американскую автомобильную промышленность на водород. На эти цели в ближайшее время будет выделено около 5 млрд долларов.

По фундаментальным научным разработкам российские ученые во многом опережают западных коллег. Но чтобы эти достижения не остались на уровне лабораторных экспериментов, необходим технический рывок. Именно такую задачу и ставит российская водородная программа.

Водородная энергетика включает получение водорода из воды и другого природного сырья с затратой солнечной, ядерной или др. энергии, его хранение и использование как топлива, а также в химических способах передачи энергии. Главные преимущества: высокая теплота сгорания (143,06 МДж/кг) по сравнению с углеводородным топливом (29,3 МДж/кг); неограниченные запасы сырья, если в качестве сырья рассматривать воду, и экологическую безопасность, т. к. продукт его сгорания - вода. Водородная энергетика пока не получила массового применения. Основные проблемы: разработка экономичной производительной аппаратуры для получения Н2, например, электролизеров, плазмотронов; способы хранения его в газообразном и сжиженном состояниях или в виде синтезированных соединений, например, гидридов интерметаллидов; транспортировка с небольшими потерями.

Водород был открыт в 1-й пол. 16 в. Парацельсом. В 1776 Г. Кавендиш впервые исследовал его свойства, в 1783-1787 А. Лавуазье показал, что водород входит в состав воды, включил его в список химических элементов и предложил название "гидроген".

Привлекательность водорода как универсального энергоносителя определяется экологической чистотой, гибкостью и эффективностью процессов преобразования энергии с его участием. Технологии разномасштабного производства водорода достаточно хорошо освоены и имеют практически неограниченную сырьевую базу. Однако низкая плотность газообразного водорода, низкая температура его ожижения, а также высокая взрывоопасность в сочетании с негативным воздействием на свойства конструкционных материалов, ставят на первый план проблемы разработки эффективных и безопасных систем хранения водорода - именно эти проблемы сдерживают развитие водородной энергетики и технологии в настоящее время.

Водород (лат. Hydrogenium, от греч. hydor - вода и gennao - рождаю) Н, первый, наиб. легкий хим. элемент периодической системы Менделеева, ат. м. 1,0794 + 0,0007 (второе слагаемое учитывает колебания изотопного состава). Природный водород состоит из двух стабильных изотопов: протия 1Н и дейтерия 2Н, или D; содержание последнего (1,1-1,6)*10-3 ат. %; известен также радиоактивный изотоп - тритий 3Н, или Т. Ядро атома протия - протон. Атом водорода имеет один электрон, занимающий 1s1-орбиталь; степень окисления + 1 (наиб. распространена), — 1 (в гидридах щелочных металлов). Энергия ионизации Н° -> Н+ 13,595 эВ; сродство к электрону 0,75 эВ; электроотрицательность по Полингу 2,1; ат. радиус 0,046 нм.

Изотопы водорода образуют двухатомные молекулы: Н2, D2, DT, НТ и Т2. Константа диссоциации Н2 2,56*10-34(300 К), 1,22*10-3 (2000 К); энергия диссоциации Н2 436 кДж/моль; межъядерное расстояние 0,07414 нм; основная частота колебаний атомов 4405,30 см -1, поправка на ангармоничность 125,32 см -1

Содержание водорода в земной коре (литосфере и гидросфере) 1% по массе, или 16 ат.%, в атмосфере -10-4 ат.%. В природе водород распространен чаще всего в виде соединений с О, С, S, N и С1, реже - с Р, I, Вr и другими элементами; он входит в состав всех растительных и животных организмов, нефти, ископаемых углей, природного газа, воды, ряда минералов и пород (в форме гидратов). В свободном состоянии на Земле встречается очень редко (в небольших количествах - в вулканических газах и продуктах разложения органических остатков). Водород - самый распространенный элемент Вселенной; в виде плазмы он составляет около половины массы Солнца и большинства звезд, основпая часть газа межзвездной среды и газовых туманностей.