Введение

Исследования Солнца, звёзд, межзвёздного пространства показывают, что самым распространённым элементом Вселенной является водород (в космосе в виде раскалённой плазмы он составляет 70 % массы Солнца и звёзд).

По некоторым расчётам, каждую секунду в глубинах Солнца примерно 564 млн. тонн водорода в результате термоядерного синтеза превращаются в 560 млн. тонн гелия, а 4 млн. тонн водорода превращаются в мощное излучение, которое уходит в космическое пространство. Нет опасений, что на Солнце скоро иссякнут запасы водорода. Оно существует миллиарды лет, а запас водорода в нём достаточен для того, чтобы обеспечить ещё столько же лет горения.

Человек живёт в водородно-гелиевой вселенной.

Поэтому водород представляет для нас очень большой интерес.

Влияние и польза водорода в наши дни очень велика. Практически все известные сейчас виды топлива, за исключением, разумеется, водорода, загрязняют окружающую среду. В городах нашей страны ежегодно проходит озеленение, но этого, как видно, недостаточно. В миллионы новых моделей автомобилей, которые сейчас выпускаются, заливают такое топливо, которое выпускает в атмосферу углекислый (СО 2) и угарный (СО) газы. Дышать таким воздухом и постоянно находиться в такой атмосфере представляет очень большую опасность для здоровья. От этого происходят различные заболевания, многие из которых практически не поддаются лечению, а уж тем более невозможно лечить их, продолжая находиться в можно сказать «заражённой» выхлопными газами атмосфере. Мы хотим быть здоровыми, и разумеется, хотим, чтобы поколения, которые пойдут за нами, тоже не жаловались и не страдали от постоянного загрязняемого воздуха, а наоборот, помнили и доверяли пословице: «Солнце, воздух и вода – наши лучшие друзья».

А пока я не могу сказать, что эти слова оправдывают себя. На воду нам уже вообще приходится закрывать глаза, поскольку сейчас, если даже брать конкретно наш город, известны факты, что из кранов течёт загрязнённая вода, и пить её ни в коем случае нельзя.

Что касается воздуха, то здесь на повестке дня уже много лет стоит не менее важная проблема. И если представить, хотя бы на секунду, что все современные двигатели будут работать на экологически чистом топливе, коим, разумеется, является водород, то наша планета встанет на путь, ведущий к экологическому раю. Но это всё фантазии и представления, которые, к великому нашему сожалению ещё не скоро станут реальностью.

Несмотря на то, что наш мир приближается к экологическому кризису, все страны, даже те, которые в большей степени загрязняют своей промышленностью окружающую среду, (ФРГ, Япония, США, и как это не прискорбно – Россия) не торопятся паниковать и начинать экстренную политику по её очищению.

Сколько бы мы не говорили о положительном влиянии водорода, на практике это можно увидеть довольно таки не часто. Но всё же разрабатывается множество проектов, и целью моей работы явился не только рассказ о самом чудесном топливе, но и о его применении. Эта тема очень актуальна, поскольку сейчас жителей не только нашей страны, но и всего мира, волнует проблема экологии и возможные пути решения этой проблемы.

Водород на Земле

Водород – один из наиболее распространённых элементов и на Земле. В земной коре из каждых 100 атомов 17 – атомы водорода. Он составляет примерно 0,88 % от массы земного шара (включая атмосферу, литосферу и гидросферу). Если вспомнить, что воды на земной поверхности более

1,5∙10 18 м 3 и что массовая доля водорода в воде составляет 11,19 %, то становится ясно, что сырья для получения водорода на Земле – неограниченное количество. Водород входит в состав нефти (10,9 – 13,8 %), древесины (6 %), угля (бурый уголь – 5,5%), природного газа (25,13 %). Водород входит в состав всех животных и растительных организмов. Он содержится и в вулканических газах. Основная масса водорода попадает в атмосферу в результате биологических процессов. При разложении в анаэробных условиях миллиардов тонн растительных остатков в воздух выделяется значительное количество водорода. Этот водород в атмосфере быстро рассеивается и диффундирует в верхние слои атмосферы. Имея малую массу, молекулы водорода обладают высокой скоростью диффузионного движения (она близка ко второй космической скорости) и, попадая в верхние слои атмосферы, могут улететь в космическое пространство. Концентрация водорода в верхних слоях атмосферы составляет 1∙10 -4 %.

Что такое водородная технология?

Под водородной технологией подразумевается совокупность промышленных методов и средств для получения, транспортировки и хранения водорода, а также средств и методов его безопасного использования на основе неисчерпаемых источников сырья и энергии.

В чём же привлекательность водорода и водородной технологии?

Переход транспорта, промышленности, быта на сжигание водорода – это путь к радикальному решению проблемы охраны воздушного бассейна от загрязнения оксидами углерода, азота, серы, углеводородами.

Переход на водородную технологию и использование воды в качестве единственного источника сырья для получения водорода не может изменить не только водного баланса планеты, но и водного баланса отдельных её регионов. Так, годовая энергетическая потребность такой высокоиндустриальной страны, как ФРГ, может быть обеспечена за счёт водорода, полученного из такого количества воды, которое соответствует 1,5% среднего стока реки Рейн (2180 л воды дают 1 тут в виде H 2). Отметим попутно, что на наших глазах становится реальной одна из гениальных догадок великого фантаста Жюля Верна, который устами героя рома «Таинственный остров» (гл. XVII) заявляет: «Вода – это уголь будущих веков».

Водород, получаемый из воды, - один из наиболее энергонасыщенных носителей энергии. Ведь теплота сгорания 1 кг H 2 составляет (по низшему пределу) 120 МДж/кг, в то время как теплота сгорания бензина или лучшего углеводородного авиационного топлива – 46 – 50 МДж/кг, т.е. в 2,5 раза меньше 1 т водорода соответствует по своему энергетическому эквиваленту 4,1 тут, к тому же водород – легковозобновляемое топливо.

Чтобы накопить ископаемое горючее на нашей планете, нужны миллионы лет, а чтобы в цикле получения и использования водорода из воды получить воду, нужны дни, недели, а иногда часы и минуты.

Но водород как топливо и химическое сырьё обладает и рядом других ценнейших качеств. Универсальность водорода заключается в том, что он может заменить любой вид горючего в самых разных областях энергетики, транспорта, промышленности, в быту. Он заменяет бензин а автомобильных двигателях, керосин в реактивных авиационных двигателях, ацетилен в процессах сварки и резки металлов, природный газ для бытовых и иных целей, метан в топливных элементах, кокс в металлургических процессах (прямое восстановление руд), углеводороды в ряде микробиологических процессов. Водород легко транспортируется по трубам и распределяется по мелким потребителям, его можно получать и хранить в любых количествах. В то же время водород – сырьё для ряда важнейших химических синтезов (аммиака, метанола, гидразина), для получения синтетических углеводородов.

Как и из чего в настоящее время получают водород?

В распоряжении современных технологов имеются сотни технических методов получения водородного топлива, углеводородных газов, жидких углеводородов, воды. Выбор того или иного метода диктуется экономическими соображениями, наличием соответствующих сырьевых и энергетических ресурсов. В разных странах могут быть различные ситуации. Например, в странах, где имеется дешёвая избыточная электроэнергия, вырабатываемая на гидроэлектростанциях, можно получать водород электролизом воды (Норвегия); где много твёрдого топлива и дороги углеводороды, можно получать водород газификацией твёрдого топлива (Китай); где дешёвая нефть, можно получать водород из жидких углеводородов (Ближний Восток). Однако больше всего водорода получают в настоящее время из углеводородных газов конверсией метана и его гомологов (США, Россия).

В процессе конверсии метана водяным паром, диоксидом углерода, кислородом и оксида углерода водяным паром протекают следующие каталитические реакции. Рассмотрим процесс получения водорода конверсией природного газа (метана).

Получение водорода осуществляется в три стадии. Первая стадия – конверсия метана в трубчатой печи:

CH 4 + H 2 O = CO + 3H 2 – 206,4 кДж/моль

CH 4 +CO 2 = 2CO + 2H 2 – 248, 3 кДж/моль.

Вторая стадия связана с доконверсией остаточного метана первой стадии кислородом воздуха и введением в газовую смесь азота, если водород используется для синтеза аммиака. (Если получается чистый водород, второй стадии принципиально может и не быть).

CH 4 + 0,5O 2 = CO + 2H 2 + 35,6 кДж/моль.

И, наконец, третья стадия – конверсия оксида углерода водяным паром:

CO + H 2 O = СO 2 + H 2 + 41,0 кДж/моль.

Для всех указанных стадий требуется водяной пар, а для первой стадии – много тепла, поэтому процесс в энерготехнологическом плане проводится таким образом, чтобы трубчатые печи снаружи обогревались сжигаемым в печах метаном, а остаточное тепло дымовых использовалось для получения водяного пара.

Рассмотрим, как это происходит в промышленных условиях (схема 1). Природный газ, содержащий в основном метан, предварительно очищают от серы, которая является ядом ля катализатора конверсии, подогревают до температуры 350 – 370 o С и под давлением 4,15 – 4,2 МПа смешивают с водяным паром в соотношении объёмов пар: газ = 3,0: 4,0. Давление газа перед трубчатой печью, точное соотношение пар: газ поддерживаются автоматическими регуляторами.

Образующаяся парогазовая смесь при 350 – 370 o C поступает в подогреватель, где за счёт дымовых газов нагревается до 510 – 525 o С. Затем парогазовую смесь направляют на первую ступень конверсии метана – в трубчатую печь, в которой она равномерно распределяется по вертикально расположенными реакционным трубам (8). Температура конвертированного газа на выходе из реакционных труб достигает 790 – 820 o С. Остаточное содержание метана после трубчатой печи 9 – 11 % (объёмн.). Трубы заполнены катализатором.

С ейчас автопроизводители только и говорят о водородных разработках. Что же такое водород? Рассмотрим его немного подробнее.

Водород – первый элемент химической таблицы, его атомные вес равен 1. Это одно из самых распространенных веществ во вселенной, например из 100 атомов из которых состоит наша планета 17 – водород.

Водород — топливо будущего. Он имеет массу преимуществ по сравнению с другими видами топлива и имеет огромные перспективы его заменить. Он может быть использован абсолютно во всех отраслях современного производства и транспорта, даже газ, на котором готовиться пища, можно запросто, без каких либо переделок, заменить на водород.

Почему же водород не получил до сих пор широкого внедрения? Одна из проблем заключается в технологиях его получения. Пожалуй, единственным эффективным на данный момент способом его получения является электролитический способ – получение из вещества воздействием сильного электрического тока. Но на данный момент, большая часть электричества получается на теплоэлектростанциях, и поэтому возникает вопрос «А стоит ли игра свеч?». Но внедрение в производство электричества атомной энергии, энергии ветра и солнца, наверное, исправит эти проблемы.

Это вещество содержится практически во всех веществах, но больше всего его в воде. Как сказал писатель-фантаст Жюль Верн: «Вода – это уголь будущих веков». Это высказывание можно отнести к разряду предсказаний. Этого «угля» на поверхности больше чем чего либо еще, так что водородом мы будем обеспечены на долгие годы.

Об экологической чистоте водорода можно сказать только одно: при его сгорании и реакциях в топливных элементах образуется вода и ничего кроме воды.

Топливный элемент – пожалуй, самый эффективный способ получения энергии из водорода. Он работает по принципу батарейки: в топливном элементе имеется два электрода, между ними движется водород, происходит химическая реакция, на электродах появляется электрический ток, а вещество превращается в воду.

Поговорим о применении водорода в автомобилях. Идея замены обычного шумного и дымного бензина на абсолютно чистый газ возникла много лет назад, причем как в Европе так и в СССР. Но разработки в этой сфере велись с переменным успехом. А сейчас наступил апогей желания автопроизводителей получить независимость от нефти. Каждая, уважающая себя, компания имеет разработки в этой сфере.

Hydrogen в автомобиле может быть использован двумя способами: или сжигаться в двигателе внутреннего сгорания, или использоваться в топливных элементах. Основное количество новых концепткаров используют технологии топливных элементов. Но такие компании как Mazda и BMW пошли по второму пути и на это есть веские причины.

Автомобиль на топливных элементах – простая и чрезвычайно надежная система, но ее широкому распространению мешает инфраструктура. Например, если купить автомобиль на топливных элементах и использовать его в нашей стране, то на заправку придется ездить в Германию. А инженеры BMW пошли другим путем. Они построили автомобиль, использующий водород как горючее топливо, причем этот автомобиль может использовать как бензин, так и водород, как многие современные автомобили, оснащенные системой питания газ-бензин. Таким образом, если в вашем городе появилась хотя бы одна заправка, торгующая таким топливом – вы смело можете покупать водородный BMW Hydrogen 7.

Еще одной проблемой внедрения водорода — является его способ хранения. Вся сложность заключается в том, что атом водорода – самый маленький по размерам в химической таблице, а это значит, что он может проникать практически сквозь любое вещество. Это значит, что даже самые толстые стальные стенки будут медленно, но верно его пропускать. Эта проблема сейчас решается химиками.

Еще одна загвоздка – сам бак. 10 кг водорода могут заменить 40 кг бензина, но дело в том, 10 кг вещества занимают объем 8000 л.! А это целый олимпийский бассейн! Для уменьшения объема газа его нужно сжижать, а сжиженный водород надо безопасно и удобно хранить. Баки современных водородных автомобилей весят около 120 кг, что почти в два раза больше стандартных баков. Но и эта проблема скоро будет решена.

Преимуществ у водородного топлива намного больше чем недостатков. Водород сгорает намного эффективнее, не имеет вредных веществ выхлопе, не производит сажи, а это значительно увеличивает ресурс автомобилей. Водород – легко возобновляемое топливо, поэтому природа не получит практически никакого вреда.

Основным препятствием водородных технологий является инфраструктура. Очень немногие в мире заправки на данный момент готовы заправить автомобиль водородом, хотя серийные автомобили на водороде уже производит Honda и готовиться к производству BMW. В странах бывшего советского союза о водородном автомобиле вообще можно пока и не мечтать. До появления водородных заправок пройдет еще не один год, а может и десяток лет. Остается ждать, когда же и мы вместе со всем миром начнем спасать планету от экологической катастрофы.

Русские учёные придумали новое топливо, которое в 100 раз дешевле солярки, эффективней и проще в производстве… Вы думаете, кто-то этому обрадовался? Ничуть не бывало! Московские министры уже 3 года гоняют воздух по кабинетам – видимо ещё думают, как же лучше воплотить в жизнь прямой приказ о внедрении, поступивший им для исполнения. А те, кто отдал этот приказ, тоже получается не заинтересован в его скорейшей реализации, т.к. не мешают министрам безнаказанно саботировать решение жизненно важных для России и всего остального мира задач. Вот и думайте теперь: на кого в действительности работают эти министры?.. Юрий Иванович Краснов и Евгений Гурьевич Антонов из НПО им. Лавочкина придумали принципиально новый вид топлива на основе структурированной воды. Но, получается, их изобретение сегодняшним царькам не нужно! Оно даже мешает им гнать нас бегом к полному истощению углеводородных видов топлива и экологической катастрофе на некогда прекрасной планете Земля…

На пороге водородной эры

Впервые о водороде как энергоносителе и, тем самым, о водородной энергетике речь зашла в романе Жюль Верна «Таинственный остров». В ходе неторопливой беседы его основных действующих лиц великий француз уже в 1874 г. высказал смелую мысль, что в будущем человечество будет получать энергию из воды, разлагая ее на водород и кислород, а затем сжигая водород.

Как бы фантастически эта идея ни звучала, она не является столь безумной, как может показаться на первый взгляд. Давайте попытаемся в меру собственных сил и способностей продолжить беседу Смита и Пенкрофа, а именно - рассмотреть (конечно, не во всех аспектах - объять необъятное невозможно) состояние дел по водородной энергетике и топливным элементам как ее важнейшей составляющей...

- Какое топливо заменит уголь?
- Bода, - ответил инженер.
- Вода? - переспросил Пенкроф. - Вода будет гореть в топках пароходов, локомотивов, вода будет нагревать воду?
- Да, но вода, разложенная на составные части, - пояснил Сайрес Смит. - Без сомнения, это будет делаться при помощи электричества, которое в руках человека станет могучей силой, ибо все великие открытия - таков непостижимый закон - следуют друг за другом и как бы дополняют друг друга.
Да, я уверен, что наступит день, и вода заменит топливо: водород и кислород, из которых она состоит, будут применяться и раздельно; они окажутся неисчерпаемым и таким мощным источником тепла и света, что углю до них далеко! Hacтупит день, друзья мои, и в трюмы пароходов, в тендеры паровозов станут грузить не уголь, а баллоны с двумя этими сжатыми газами, и они будут сгорать с огромнейшей тепловой отдачей.

Ж. Верн, «Таинственный остров»

От водорода - к топливным элементам

И все-таки - почему именно водород? До сих пор основными источниками энергии служили ископаемые углеродсодержащие топлива (уголь, нефть, газ). При их сжигании углерод окисляется кислородом воздуха, образуя всем известный углекислый газ (СО 2). Многие считают, что именно он наравне с другими так называемыми парниковыми газами несет ответственность за потепление климата в последние десятилетия, грозящее нам экологическими катастрофами.

А что, кроме энергии, получается при соединении кислорода и водорода? Правильно - обыкновенная вода! Представьте себе автомобиль на водородном топливе - что может быть чище и безопаснее для окружающей среды? Единственное, но существеннейшее препятствие для использования водорода в качестве энергоносителя заключается в том, что в свободном состоянии его в природе практически НЕТ. Поэтому для создания водородной энергетики в первую очередь необходимы технологии, позволяющие наладить крупномасштабное производство водорода, а также его хранение и транспортировку. Второе, но не менее важное условие - создание промышленных энергоустановок нового поколения, в которых в качестве топлива будет использоваться водород.

Есть серьезные основания считать, что в XXI веке произойдет постепенное вытеснение ископаемых углеродсодержащих энергоносителей (уголь, нефть, газ) новым, экологически чистым - водородом. Впервые о водороде как энергоносителе и, тем самым, о водородной энергетике речь зашла в романе Жюль Верна «Таинственный остров». В ходе неторопливой беседы его основных действующих лиц великий француз уже в 1874 г. высказал смелую мысль, что в будущем человечество будет получать энергию из воды, разлагая ее на водород и кислород, а затем сжигая водород.
Как бы фантастически эта идея ни звучала, она не является столь безумной, как может показаться на первый взгляд. Давайте попытаемся в меру собственных сил и способностей продолжить беседу Смита и Пенкрофа, а именно - рассмотреть (конечно, не во всех аспектах - объять необъятное невозможно) состояние дел по водородной энергетике и топливным элементам как ее важнейшей составляющей

Но вернемся к водороду. Нелишне заметить, что водород и водородсодержащий газ (так называемый синтез - газ ) традиционно широко применяются в различных отраслях экономики: химической, нефтеперерабатывающей, металлургической, радиоэлектронной, даже в пищевой промышленности (например, гидрированием растительных масел получают твердые жиры, маргарины).

Что же касается новых применений водорода, то при добавлении водорода или синтез-газа к обычным топливам можно получить немалый выигрыш даже при использовании их в обычных двигателях внутреннего сгорания или в газовых турбинах. В результате такого «облагораживания» топлива увеличивается КПД работы энергоустановок и улучшается состав выбросов.

Один из отцов водородной энергетики, президент Международной ассоциации по водородной энергетике Т. Н. Везирогли (США) даже утверждал, что спустя несколько десятилетий мы будем называться «водородной цивилизацией». И для такого утверждения есть все основания. Так, в 2000 г. общее производство водорода составило примерно 50 Мт, а оптимистические прогнозы на 2100 г. дают цифры примерно в 20 раз больше! В этом месте вдумчивый читатель должен уже впасть в недоумение и спросить: откуда и каким образом эти мегатонны должны появиться, если практически весь водород на планете находится в связанном виде? Прежде чем дать ответ на этот вопрос, познакомимся с тем, что скрывается за понятием топливный элемент .

Топливные элементы: «за» и «против»

Топливным элементом называют электрохимическое устройство, позволяющее превращать химическую энергию топлива в электроэнергию непосредственно, минуя процесс горения и механические преобразования типа сжатия и расширения. Помимо электричества топливный элемент, конечно, генерирует тепло.

Все типы топливных элементов устроены практически одинаково. Они представляют собой гальванические ячейки, в которых соответственно есть электролит и электроды - анод и катод . Электроэнергия вырабатывается в результате окислительно-восстановительных превращений реагентов, непрерывно поступающих к электродам извне.

Если на анод топливного элемента с протонпроводящим полимерным электролитом подавать топливо (например, водород), а на катод - воздух или кислород, то на аноде будет протекать реакция разложения водорода на протоны и электроны. Протоны переносятся через электролит к катоду, где соединяются с кислородом, образуя воду, которая в виде пара выбрасывается наружу. Электроны же двигаются от анода к катоду по внешней цепи и, естественно, генерируют электрическую энергию.

Достоинств у топливных элементов много: высокий КПД (по сравнению с обычными источниками электроэнергии), низкая токсичность выбросов, бесшумность, модульная конструкция. Недостаток на сегодня один, но существенный: высокая стоимость.

КПД топливных элементов рассчитывается как отношение величины полученной электрической энергии к теплу, которое выделяется при сжигании топлива. И теоретически для некоторых окислительно-восстановительных реакций, протекающих в топливном элементе, он может быть больше единицы, хотя реально это никогда не достигается.

Почему же два понятия - водород и топливные элементы - постоянно встречаются рядом? Ответ прост: именно водород является для последних лучшим, к тому же - экологически чистым топливом. Все остальное преобразуется в них менее эффективно. Так что водородное топливо и топливные элементы представляют собой «неразлучную пару» с большим будущим. И с позиций энергетики выигрыш здесь очевиден, поскольку того же ископаемого топлива в «водородном виде» на производство энергии в энергоустановках на топливных элементах будет расходоваться существенно меньше, чем в традиционных.

Заправь ноутбук метанолом

Топливные элементы классифицируются по природе электролита. Например, щелочные, где электролитом является раствор щелочи, или твердополимерные, в которых электролитом «работает» полимерная протонпроводящая мембрана. В качестве топлива в твердополимерных топливных элементах может использоваться метанол. Его тоже можно окислять, хотя и менее эффективно, чем водород. Метанольные топливные элементы, по-видимому, наиболее перспективны для электропитания портативных устройств: ноутбуков, фотоаппаратов, сотовых телефонов и т. п.

Известны также фосфорно-кислотные топливные элементы, где электролитом является фосфорная кислота; твердооксидные топливные элементы, в которых в качестве электролита выступает керамика на основе диоксида циркония; и, наконец, расплав-карбонатные топливные элементы, где электролитом служит расплав карбонатов калия и лития. Рабочая температура для разных типов топливных элементов также различна. Так, твердополимерные топливные элементы работают при 80-100 °С, а два последних типа - в области очень высоких (650-1000 °С) температур.

Особенность всех типов топливных элементов заключается в небольшой величине напряжения, которое снимается с единичного элемента - обычно меньше одного вольта. Чтобы получить нужное напряжение, элементы соединяют в батарею . Однако даже батарея топливных элементов не является устройством, которое можно использовать в промышленности или в быту для получения электроэнергии. Сделать это можно только с помощью электрохимического генератора , представляющего собой батарею топливных элементов вместе с системами, обеспечивающими ее работу: управления, поддержания тепла, подготовки топлива (т.е. перевода любого топлива в водородсодержащий газ) и др.

КПД современных топливных элементов составляет 40-60 %, причем максимум, как уже говорилось, достигнут в устройствах на водороде. Если в качестве первичного топлива используется метан, КПД падает - из-за того, что часть энергии тратится на конвертирование метана в водородсодержащий газ. Кстати сказать, если в системе предусмотрена рекуперация (возвращение) тепла, то суммарный КПД, естественно, возрастает на 20-30 %.

В итоге уже реально получен КПД около 70 % - не правда ли, впечатляюще? При сравнении КПД топливных элементов и других современных энергоустановок (микротурбин, двигателей внутреннего сгорания, газовых турбин, ТЭЦ, дизелей и т. д.) убеждаешься, что в области низких мощностей конкурировать с топливными элементами ничто не может. Это - идеальный вариант в случае рассредоточенной или автономной энергетики, идея которой становится все более и более популярной в обществе - особенно после катастрофических системных энергетиче­ских аварий последнего времени.

Где взять водород?

Убедившись в достоинствах топливных элементов, снова возвращаемся к водороду как лучшему для них энергоносителю. Поскольку в природе свободного водорода нет, его надо каким-то образом получать. Принцип получения в целом прост: берете водородсодержащее вещество, прикладываете к нему энергию (в идеале - из возобновляемых источников) и - пожалуйста! Источников и путей получения водорода существует несколько. В первую очередь, это ископаемые и синтетические топлива. Примерно 50 % водорода сегодня получают из природного газа, около 30 % - из нефти. А еще есть уголь, биомасса, вода, в конце концов.

Но вот на следующем этапе появляется одно немаловажное но : существуют немалые трудности с хранением, аккумулированием полученного водорода и перезаправкой им энергетических устройств. Одно из решений этой проблемы состоит в получении водорода непосредственно рядом с энергоустановкой в устрой­стве, названном топливный процессор .

Вопрос о стоимости водорода сегодня непростой, поскольку он не является биржевым продуктом, да и процесс его получения пока еще слишком материало- и энергоемкий. Соответственно цена водорода на сегодняшний день договорная и высокая. Согласно оценкам Министерства энергетики США, к 2010 г. цена за водород будет составлять от 1,5 до 2,9 доллара за килограмм. Для сравнения: теплотворная способность 1 кг водорода равна примерно таковой 1 галлона (около 4 л) бензина. Поэтому для развития водородной энергетики крайне важно в ближайшее время научиться эффективно получать водород и синтез-газ из наиболее дешевого и доступного сырья - природного газа. (К слову: наша страна обладает примерно 40 % его потенциальных мировых запасов.)

На примере природного газа можно рассмотреть и общую схему подготовки углеводородного топлива для использования в топливных элементах. Первая стадия осуществляется при высокой температуре. Это каталитические реакции парциального окисления либо паровой и автотермической конверсии природного газа. В результате получается синтез - газ - смесь водорода и оксида углерода (СО). Этот газ уже можно использовать в качестве топлива для высокотемпературных топливных элементов, поскольку оксид углерода и водород при высоких температурах окисляются с высокой скоростью.

Для более низкотемпературных фосфорнокислотных топливных элементов синтез-газ уже надо очищать от СО, доводя его концентрацию до 1 объемного процента. В противном случае топливный элемент просто не работает: оксид углерода блокирует анод. Для еще более низкотемпературных (твердополимерных) топливных элементов требования к чистоте водорода очень жесткие: на 1 млн молекул водорода должно приходиться не более 10 молекул СО. Для столь глубокой очиcтки водородсодержащего газа используется каталитическая реакция селективного окисления СО в присутствии водорода, в результате чего образуется углекислый газ (СО 2), который в этом случае не мешает.

Таким образом, подготовка углеводородного сырья наиболее проста для высокотемпературных топливных элементов. А поскольку они имеют самый высокий КПД, да к тому же для их производства не требуются драгоценные металлы, очевидно, что именно за этим типом топливных элементов будущее автономной стационарной энергетики.

«Сибирский» катализ

Наш внимательный читатель мог заметить, что в статье наконец-то прозвучало слово каталитический . Произошло это неслучайно, поскольку действительно высокоэффективные технологии получения водорода и синтез-газа из природного углеводородного сырья во всем мире разрабатываются на основе и исключительно благодаря катализаторам.

Хочется отметить, что хотя целенаправленные работы в этой области начались в нашей стране на 10-15 лет позже, чем за рубежом, отечественная наука в этом плане является, безусловно, конкурентоспособной. Так, в новосибирском Институте катализа им . Г . К . Борескова СО РАН разработаны высокоэффективные структурированные катализаторы для реакции парциального окисления метана в виде лент или блоков из термостойких металлических сплавов и керамики. На их основе созданы компактные реакторы для воздушной конверсии природного газа, обеспечивающие переработку около 4 м 3 метана в час на 1 л реактора.

Еще одна интересная разработка связана с реакцией паровой конверсии метана. Этот эндотермический процесс протекает при высоких температурах, поэтому часто лимитируется подводом тепла. Для решения проблемы была предложена «хитрая» система: с одной стороны металлической пластинки-катализатора идет реакция окисления метана с выделением тепла, с другой стороны – паровая конверсия. Тепло легко передается через пластинку, благодаря чему производительность реактора возрастает. На этом принципе при финансовой поддержке ОАО ГМК “ Норильский никель ” совместными усилиями специалистов Института катализа и Российского федерального ядерного центра ВНИИ эспериментальной физики (г. Саров) был создан первый топливный процессор для питания высокотемпературных топливных элементов.

Для портативных топливных элементов перспективным топливом считается боргидрид натрия. Реакция получения из него водорода - каталитическая. В том же Институте катализа разработаны блочные и гранулированные катализаторы, не уступающие лучшим мировым образцам, на основе которых совместно с московским Государственным научным центром РФ ГНИИ химии и технологии элементоорганических соединений уже созданы первые картриджи для питания портативных топливных элементов.

Как уже говорилось, для низкотемпературных топливных элементов требуется чистый водород, свободный как от оксида углерода, так и углекислого газа. Суть метода, предложенного сибирскими учеными, проста: если есть адсорбент, который будет поглощать в ходе паровой конверсии углеводородного топлива СО 2 и СО, то, естественно, на выходе будет получаться чистый водород. Ясно, что если один адсорбер-реактор будет работать на поглощение, а другой на регенерацию, можно организовать непрерывный процесс. Идея эта уже реализована: действительно, удается получать водород чистотой 99 %!

У института много и других перспективных разработок. Например, катализаторы для пиролиза метана с получением водорода без выбросов СО 2 ; мембранные реакторы, в которых природный газ окисляется кислородом, поступающим через специальную мембрану непосредственно из воздуха, и т. п. - упомянуть обо всех просто невозможно!

Как можно заметить, многие подобные разработки проводятся совместно с различными производственными компаниями, научными организациями и учреждениями, в том числе сибирскими. Роль Сибирского отделения РАН во многих областях, связанных с созданием водородной энергетики, может быть действительно велика. Это относится как к разработке новых технологий получения водорода и производства электрохимических устройств, так и к научному сопровождению промышленных технологий водородной энергетики, к участию в разработке прогнозов и программ российской энергетики. И, без сомнения, - к подготовке высококвалифицированных специалистов на базе Новосибирского государственного университета. Хочется думать, что и в дальнейшем российское энергетическое могущество будет прирастать Сибирью…

Не пароходы, но подводные лодки!

Подводя итог, можно констатировать, что водородная энергетика и топливные элементы как ее важнейшая часть весьма настойчиво стучатся в наши уже приоткрытые двери. Не исключено, что развитие водородной энергетики на базе топливных элементов будет одним из приоритетов мировой экономики в наступившем веке.

Многое для этого уже сделано, но предстоит еще больше. Смена энергоносителя - тернистый, длительный и капиталоемкий путь, на котором могут быть ошибки, но не должно быть «синдромов». Вспомним, как долго и трудно завоевывает место под солнцем атомная энергетика, доля которой в балансе топливно-энергетического комплекса до сих пор не превышает 7 %. Для достижения успеха на «водородном» пути нужны усилия химиков, физиков, математиков, материаловедов, энергетиков, экономистов - в конечном итоге всех землян!

Что уже сейчас есть в мире? Пока примерно 50 МВт - это вся установленная мощность реально существующих электрохимических генераторов. В демонстрационных испытаниях участвует не менее 100 компаний, но готового коммерческого продукта на этом рынке до сих пор нет.

Потребности же в энергетических установках на водороде неуклонно растут. Например, уже сейчас фактически нет ни одной автомобильной компании, которая не занималась бы разработкой автомобиля на топливных элементах. Уже созданы не только автобусы, ноутбуки, сотовые телефоны, но даже подводная лодка, использующая водородное топливо. Вот таким образом в XXI веке претворилась в жизнь мечта Жюля Верна!

Поток информации по водородной энергетике и топливным элементам сейчас нарастает лавинообразно - даже специалистам порой трудно следить за всеми новинками: более 10 периодических специализированных научных журналов, более 5 представительных ежегодных конференций, выставки, многочисленные веб-сайты. Читайте, анализируйте, делайте выводы, а время покажет, насколько пророческой оказалась мысль великого «технократического» романтика.

Человечеству очень хотелось бы иметь идеально чистое топливо. Считают, что такое топливо найдено. Это - водород. Сегодня он выделяет больше тепла, чем любой вид традиционного ископаемого топлива, а продуктом горения, отходом становится окись водорода, говоря попросту, вода. Воображение подсказывает идеалистические картины: автомобиль, из выхлопной трубы которого разбрызгивается освежающая влага, ТЭС тоже выбрасывает в небо не окись углерода, а водяной пар. Фантастика? Нет. И хотя говорить о широком промышленном применении водорода еще рановато, но первые шаги по «приручению» этого топлива сделаны.

В США построен жилой корпус, где водороду определены бытовые функции: выработка электричества, отопление. Еще на VII Всемирной конференции по водородной энергетике, проходившей в Москве в 1986 году, большое впечатление произвел доклад А.А. Туполева, подкрепленный документальным кинофильмом. Один из трех двигателей Ту-155 работал на водороде! Весьма перспективно водородное горючее и для космических кораблей. При запуске американского многоразового транспортного космического корабля "Shuttle" частично использовалась энергия, полученная за счет сжигания водорода.

В СССР начали использовать водород в двигателях внутреннего сгорания еще во время Великой Отечественной войны. Было это в осажденном Ленинграде, где не хватало не только пищи, но и горючего для машин. Тогда-то и удалось заменить бензин водородом. В послевоенные годы этот первый опыт был забыт. В конце 80-х годов в Советском союзе создано несколько моделей водородных автомобилей, в том числе автобусы. А в одесском порту успешно применяются автопогрузчики на водороде.

Преимуществ у водородного топлива много. Его можно передавать на расстояние не по проводам, а по водородопроводам. Водород удобен как концентрат энергии, его можно хранить и извлекать из водородохранилищ по мере надобности. Но есть сомнения и проблемы с использованием, на первый взгляд экологически чистого водородного топлива. Ситуация примерно такая, как и для подавляющего числа так называемых экологически чистых производств.

Водород - вторичное сырье, его получение сопровождается определенным воздействием на окружающую среду. Кроме того, на этот процесс затрачивается энергия от других источников, отнюдь не столь чистых. То же относится и к другой технологической процедуре извлечения водорода - электролизу воды. И здесь без дополнительных затрат электроэнергии не обойтись. А автомобили на водородном горючем взрывоопасны. В связи с этим академик, В.А. Легасов говорил:

«Нельзя допустить, чтобы экологически чистый энергоноситель производился с загрязнением окружающей среды, нанося ущерб, принижающий экономический эффект от внедрения использующих водород технологий» .

Таким образом, реальная действительность такова, что ни экологически, ни экономически водородный источник энергии не является более рентабельным, чем существующие традиционные источники энергии.

Так что же, светлая мечта человечества о чистом топливе - это утопия? Нет, в настоящее время выдвигаются смелые, почти фантастические идеи получения водорода с меньшими затратами и потерями для окружающей среды. Может быть, стоит задуматься о поисках природных источников водорода? Не следует забывать о подсказке самой природы - ведь в звездных мирах главный источник энергии - водород!

При использовании материалов сайта прямая активная гиперссылка на обязательна. Незаконное копирование статей запрещено и преследуется по закону.

Мы живём в 21 веке, человечество развивается, строит заводы, ведёт активный образ жизни. Однако для полноценного развития и существования нам нужна энергия! Сейчас такой энергией является нефть. Из неё делается топливо для всех отраслей. Мы используем ее буквально повсюду: от маленьких авто, до огромных заводов.

Однако нефть не является бесконечным ресурсом, с каждым годом мы движемся к полному её уничтожению. Учёные говорят, что мы находимся на той стадии, когда нам нужно искать эффективную замену бензину, ведь уже сейчас цена на него очень высокая, а с каждым годом нефти будет всё меньше, а цены всё выше, и в скором времени, когда нефть закончится (а с существуюшем образом жизни человечества это произойдёт через 60 лет), наше развитие и полноценное существование попросту закончится.

Всем понятно, что нужно искать альтернативные виды топлива. Но какая замена самая эффективная? Ответ прост: водород! Вот, что заменит привычный всем бензин.

Кто придумал водородный двигатель?

Как и многие высокие технологии, данная идея пришла к нам с запада. Первый водородный двигатель разработал и создал американский инженер и учёный Браун. Первая компания, которая использовала данный двигатель, была японская «Honda». Но этой автомобильной компании пришлось на многое пойти ради воплощения в жизнь «автомобиля будущего». Во время создания авто были задействованы на несколько лет все лучшие инженеры и умы компании! Им всем пришлось приостановить производство некоторых автомобилей. И что самое главное, они отказались от участия в Формуле 1, так как все работники, которые были задействованы в создании болидов, стали разрабатывать автомобиль на водороде.

Плюсы водорода как топлива

• Водород является самым распространенным элементом во вселенной, абсолютно всё в нашей жизни состоит из него, все окружающие нас предметы имеют хоть маленькую, но частицу водорода. Именно этот факт очень приятный для человечества, ведь в отличие от нефти, водород не закончится никогда, и нам не придётся экономить на топливе.
• Он является абсолютно экологически чистым! В отличие от бензинового, водородный двигатель не выделяет вредных газов, которые негативно влияли бы на экологию. Выхлопами, которые выделяет такой силовой агрегат, является обычная пара.
• Водород, который используется в двигателях, очень воспламеняем, и автомобиль будет хорошо заводиться и передвигаться, независимо от погоды. То есть нам больше не потребуется зимой прогревать автомобиль перед поездкой.
• На водороде даже маленькие двигатели будут очень мощными и чтобы создать самый быстрый автомобиль, больше не потребуется строить агрегат размером с танк.

Конечно есть и минусы в этом топливе:

• Дело в том, что вопреки тому, что это безграничный материал, и он имеется повсюду, его очень тяжело добывать. Хотя для человечества это не проблема. Научились добывать нефть среди океана, пробурив его дно, научимся и водород брать с земли.
• Вторым минусом является недовольство нефтяных магнатов. Зразу после начала прогрессивного развития данной технологии, большинство проектов были закрыты. По слухам, всё это связано с тем, что если заменить бензин водородом, то самые богатые люди планеты останутся без дохода, а они этого позволить не могут.

Способы добычи водорода в качестве использования в виде энергии

Водород не является чистым ископаемым вроде нефти и угля, нельзя так просто взять выкопать и использовать его. Для того, чтобы он стал энергией, его нужно раздобыть и испоьлзовать некоторую энергию для его переработки, после чего этот самый распространенный химический элемент станет топливом.

Практикуемым на данный день способом добычи водородного топлива является так называемый «паровой риформинг». Чтобы переработать обычный водород в топливо, используются углеводы, которые состоят из водорода и углерода. При химических реакциях, при определенной температуре выделяется огромное количество водорода, который и можно использовать в качестве топлива. Данное топливо не будет выделять вредных веществ в атмосферу во время эксплуатации, однако во время его добычи выделяется огромное количество углекислого газа, который плохо влияет на экологию. Поэтому данный метод хоть и является эффективным, он не должен браться в основу по добыче альтернативного топлива.

Есть двигатели, для которых подойдёт и чистый водород, они сами перерабатывают данный элемент в топливо, однако, как и при предыдущем способе, здесь также наблюдается огромное количество выбросов углекислого газа в атмосферу.

Очень эффективным способом добычи альтернативного топлива в виде водорода является электролиз. Электрический ток пускают в воду, вследствии чего она распадается на водород и кислород. Данный метод является дорогим и хлопотным, однако экологически чистым. Единственным отходом от получения и эксплуатации топлива является кислород, который лишь позитивно повлияет на атмосферу нашей планеты.

А самым перспективным и дешёвым способом получения водородного топлива является переработка аммиака. При необходимой химической реакции аммиак распадается на азот и водород, при чём водорода получается в трижды больше, ежели азота. Данный метод лучше тем, что он немного дешевле и менее затратный. Кроме того, аммиак легче и безопаснее транспортировать, а по прибытию к месту доставки, следует запустить химическую реакцию, выделить азот и топливо готово.

Искусственный шум

Двигатели на водородном топливе практически бесшумны, поэтому на автомобилях, которые эксплуатируются или будут входить в эксплуатацию, устанавливается так называемый «искусственный шум автомобиля», - для предотвращения аварий на дорогах.

Ну что же, друзья, мы с вами стоим на пороге грандиозного перехода от бензина, который уничтожает всю нашу экосистему, до водорода, который наоборот её восстанавливает!