Газовые моторные топлива
В последние годы многими учеными выдвигается и разрабатывается концепция водородной энергетики, согласно которой в дальней перспективе возможен и целесообразен массовый переход от традиционных ископаемых энергоносителей к основному и универсальному энергоносителю – водороду в сочетании с широким применением ядерной энергии для его производства. К преимуществам водорода относятся практически неограниченная ресурсная база, экологическая чистота при использовании в качестве топлива, сравнительная легкость транспорта и возможность использования в существующих конструкциях двигателей. Вместе с тем водород обладает и специфическими свойствами, осложняющими его использование, в первую очередь, это низкая энергетическая плотность и повышенная взрывоопасность.
Сегодня водород широко применяют в химической, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности в качестве сырья и реагента. Но как топливо его используют только в ракетной технике. Большую часть производимого в мире водорода получают на базе природного газа и нефтепродуктов. Производство водорода путем газификации угля пока не играет заметной роли, но быстро развивается и будет, очевидно, широко использоваться для обеспечения потребностей различных производств синтетических жидких топлив. Если рассматривать более отдаленную перспективу, то ископаемые топлива вряд ли смогут обеспечить достаточные масштабы производства водорода. Поэтому в качестве перспективного направления получения водорода для энергетических целей могут рассматриваться различные методы разложения воды.
Наиболее простым в техническом исполнении и уже реализованным в промышленности способом получения водорода является электролиз воды, который имеет три модификации:
1) классический электролиз в щелочной среде (25–30% КОН);
2) электролиз с применением твердых полимерных электролитов, служащих одновременно электролитом и электролизной ячейкой; 3) электролиз водяного пара при высоких температурах.
Электролиз в растворе щелочного электролита служит сейчас основным процессом промышленного получения водорода этим методом. Производительность крупных установок составляет по водороду 700–1100 м/ч. Этот процесс энергоемок: для получения 1 м3водорода и 0,5 м3 кислорода требуется затратить около 6 кВт-ч электроэнергии. Поэтому, как правило, такие установки базируются на использовании дешевой гидроэлектроэнергии. Ведутся исследования по повышению энергоэффективности электролиза в щелочных растворах. Например, за счет повышения температуры до 100–120 °С, что достигается применением электролизеров, работающих под давлением 1–5 МПа, снижаются напряжение в ячейках и плотность тока. При этом расход электроэнергии на производство 1 м водорода можно снизить до 4 кВт-ч, а энергетический к. п. д. процесса – увеличить с 20 до 25%.
В разрабатываемых электролизерах с твердыми полимерными электролитами электролиз должен протекать при температуре 25–150°С и давлении около 20 МПа. Энергетический к. п. д. таких электролизеров может достигать 32%. Однако имеющиеся сегодня полимерные ячейки пригодны для создания электролизеров только небольшой мощности.
Электролиз водяного пара проводится при температуре 800–900°С с использованием в качестве твердого электролита оксида циркония с различными добавками, увеличивающими ионную проводимость. Перенос заряда в таком электролите осуществляется ионами кислорода, образующимися при диссоциации воды. В этом процессе расход электроэнергии минимальный, но отсутствие конструкционных материалов, пригодных для эксплуатации при высоких температурах, ограничивает возможности его применения в промышленном масштабе.
Затраты на производство электролитического водорода в наибольшей степени зависят от стоимости электроэнергии. При получении ее на базе органического топлива в современных условиях себестоимость электролитического водорода примерно в два раза превышает себестоимость его получения газификацией угля и в четыре раза – паровой конверсией природного газа. Поэтому главным фактором снижения стоимости водорода, получаемого электролизом воды, в перспективе может стать получение дешевой электроэнергии, вырабатываемой на АЭС, особенно в период «провальных» нагрузок.
Еще одним способом получения водорода из воды является применение термохимических циклов, где разложение воды идет в несколько стадий с использованием реагентов, которые теоретически в конце цикла полностью возвращаются в исходное состояние. Например:
700°С
H2O+Cl → 2НСl+0,5O2,
600°С
2НСl+2FеСl2→2FеС13 + Н2,
350°С
2FеС13→2FеС12+С12.
Термический к. п. д. таких циклов может достигать 55%. Однако реализация их сдерживается из-за высоких температур реакций, которые могут быть обеспечены при использовании тепла высокотемпературных ядерных реакторов, а также коррозионной агрессивностью среды, что требует применения специальных конструкционных материалов для оборудования. В связи с этим термохимические циклы не вышли пока из стадии исследовательских работ.
