Водородная энергетика и экологическая безопасность планеты

Содержание

 

 

Введение.

Энергетические объекты (топливно-энергетический комплекс вообще и объекты энергетики в частности) по степени влияния на окружающую среду принадлежат к числу наиболее интенсивно воздействующих на биосферу.

Увеличение напоров и объемов водохранилищ гидроузлов, продолжение использования традиционных видов топлива (уголь, нефть, газ), строительство АЭС и других предприятий ядерного топливного цикла (ЯТЦ) выдвигают ряд принципиально важных задач глобального характера по оценке влияния энергетики на биосферу Земли. Если в предыдущие периоды выбор способов получения электрической и тепловой энергии, путей комплексного решения проблем энергетики, водного хозяйства, транспорта и др. и назначение основных параметров объектов (тип и мощность станции, объем водохранилища и др.) проводились в первую очередь на основе минимизации экономических затрат, то в настоящее время на первый план все более выдвигаются вопросы оценки возможных последствий возведения и эксплуатации объектов энергетики.

Это, прежде всего, относится к ядерной энергетике (АЭС и другие предприятия ЯТЦ), крупным гидроузлам, энергокомплексам, предприятиям, связанным с добычей и транспортом нефти и газа и т.п. Тенденции и темпы развития энергетики сейчас в значительной степени определяются уровнем надежности и безопасности (в том числе экологической) электростанций разного типа. К этим аспектам развития энергетики привлечено внимание специалистов и широкой общественности, вкладываются значительные материальные и интеллектуальные ресурсы, однако сама концепция надежности и безопасности потенциально опасных инженерных объектов остается во многом мало разработанной.

Говорить о перспективах возобновляемых источников энергии с их неисчерпаемостью и экологической чистотой также приходится с определенной осторожностью, в первую очередь по причине отсутствия апробированных технических решений, позволяющих обеспечить их экономическую конкурентоспособность.

С водородной энергетикой (экономикой) связаны надежды на глобальное переустройство мировой экономики, к переходу от ископаемых углеводородных энергоносителей к водороду, что открывает возможность использования в качестве неограниченной сырьевой базы водные ресурсы, а продуктами сгорания водорода являются пары воды.

Ниже анализируются современное состояние и перспективы развития технологий водородного цикла, включая производство водорода, его хранение, транспортировку и конечное использование.

 

Основные свойства водорода

Остановимся кратко на основных характеристиках и свойствах водорода, делающих его перспективным топливом будущего.

Водород в свободном состоянии и при нормальных условиях – бесцветный газ, без запах и вкуса. Водород в четырнадцать раз легче воздуха и имеет плотность 0,084 кг/куб.м. Охлажденный до жидкого состояния водород занимает 1/700 объема газообразного состояния. Удельная весовая теплотворная способность жидкого водорода составляет 120,7 ГДж/т (4 ту.т.), что почти в три раза превышает удельное энергосодержание нефтяных топлив. Это одна из причин, по которым жидкий водород используется как топливо для ракет, где высокое удельное энергосодержание на единицу массы имеет первостепенное значение.

Абсолютные показатели удельной объемной теплотворной (высшей) способности водорода в газообразном (при различных величинах давления) и жидком состоянии и ряда альтернативных топлив представлены на рис. 1.

Рисунок 1. Высшая теплотворная способность водорода и ряда альтернативных топлив

 

В газообразном состоянии при любом давлении, как следует из рис. 1 водород содержит меньше энергии на единицу объема, чем метан (природный газ), метанол, пропан, или октан (бензин).

При давлении 800 атмосфер газообразный водород практически сравнивается с жидким водородом по показателю энергетического содержания на единицу объема, однако, уступает величине соответствующего показателя для метана 3,2 раза, и жидких метанола – в 1,7 раза, пропана – в 2,5 раза и октана – в 3,8 раза.

Однако при давлении в 800 атмосфер, или в жидком состоянии водород должен храниться в высокотехнологичных танках, или криогенных контейнерах, тогда как при хранении альтернативных жидких топлив, рассмотренных на рис. 1 – можно обойтись обычными контейнерами при атмосферном давлении.

Водород является экологически чистым топливом. При его сжигании не образуются парниковые газы и другие вредные для окружающей среды вещества и соединения, и не нарушается даже круговорот воды в природе. По причине высокой летучести отсутствует и опасность образования застойных зон водорода.

По причине высокой химической активности водород, как уже отмечалось выше, редко присутствует как несвязанный элемент и обычно существует в соединениях с другими элементам, например, с кислородом в воде, с углеродом в метане и в других органических соединениях. Запасы водорода, связанного в органическом веществе и в воде (по экспертным оценкам, объем запасов водорода, сосредоточенных в Мировом океане составляет 1,2 х1017 т.), практически неисчерпаемы. Суммарная масса водорода составляет 1% общей массы Земли, а число атомов – 16%. Разрыв связей водорода в его соединениях позволяет производить несвязанный водород, который может быть использован как топливо. Энергия воспламенения водорода в 15 раз меньше, чем для бензина, а минимальная скорость распространения фронта пламени при сжигании водорода в 8 раз больше по сравнению с углеводородами, а излучение пламени в 10 раз меньше по сравнению с пламенем углеводородов.  
Основные технологии производства водорода

Рисунок 2 наглядно демонстрирует всю гамму альтернативных путей производства водорода (верхняя часть рис), а также основные направления его использования на транспорте, в промышленности, жилищном хозяйстве и секторе услуг. При этом в качестве водород потребляющего оборудования видятся как существующие двигатели внутреннего сгорания и газовые турбины, так и инновационные двигатели и энергетические установки на основе топливных элементов (ТЭ) – которым отводится центральное ключевое место в водородной экономике.

 

Рисунок 2. Водород: источники первичной энергии, возможности преобразования и использования.

Рисунок 3 демонстрирует перспективные виды разрабатываемых ТЭ, виды топлив, которыми они питаются, и, наконец области применения ТЭ – транспорт, стационарная и децентрализованная промышленная и коммунальная энергетика.

Рисунок 3. Технологии использования топливных элементов, виды топлива и области применения.

 

В основе получения водорода лежат технологии конверсии различных углеводородных топлив, а также электролитического разложения за воды.

Сегодня большая часть производимого в мире в промышленном масштабе водорода получается в процессе паровой конверсии (риформинга) газообразных углеводородов (попутного нефтяного топлива, метана и др). Полученный таким путем водород используется как реагент для дистилляции нефтяных фракций и гидрокрекинга нефти и как компонент производства азотных удобрений. Уже сегодня объемы производства водорода в ряде ведущих зарубежных стран значительны. Так, для примера, в Европейском Союзе годовое производство водорода составляет – 70 млн. т, в США –9 млн. т.

По оценкам американских экспертов количества водорода, производимого в США хватило бы сегодня для энергоснабжения от 5 до 8 миллионов зданий, или для топливообеспечения 20-30 миллионов автомобилей.

Процесс парового риформинга (конверсии) метана (ПКМ) – технологически зрелый процесс, апробированный в промышленном масштабе. С помощью пара и тепловой энергии водород отделяется от углеродной основы в метане. Процесс осуществляется при температурах 750-850 oС в специальных паровых риформерах в присутствии катализатора.

На первой ступени в результате взаимодействия метана с нагретым паром образуется смесь монооксида углерода и водорода. Вслед за этим, на второй ступени, на основе так называемой реакции сдвига монооксид углерода, реагируя с водяным паром при температурах 200-250 oС, окисляется до диоксида углерода с образованием дополнительного количества водорода.

Наряду с метаном сырьем для производства водорода могут служить и другие органические топлива и в первую очередь уголь, разведанных запасов которого хватит для обеспечения потребностей отраслей экономики и населения планеты в течении нескольких столетий, а также биомасса, относящаяся к категории нетрадиционных возобновляемых источников энергии (рис.1).

Помимо вышеназванных технологий производства водорода к числу перспективных технологий относится электролиз воды, который сегодня, однако, является слишком дорогим (по оценкам, себестоимость производства водорода этим способом в 3 раза выше, чем на базе риформинга метана).

Электролитический водород является наиболее доступным, но дорогим продуктом. В промышленных и опытно-промышленных установках реализован КПД электролизера ~70-80% при плотностях тока менее 1 А/см2, в том числе для электролиза под давлением.

Японские исследователи разработали экспериментальные мембранно-электродные блоки с твердополимерным электролитом, обеспечивающие электролиз воды с КПД (по электричеству) > 90% при плотностях тока 3 А/см2.

Как известно причина расточительных затрат электроэнергии при классическом электролизе кроется в том, что она используется на преодоление сил гидратных связей ионов с молекулами воды и компенсацию эндотермического эффекта реакции ее разложения. Поэтому для обеспечения восстановления ионов на соответствующих электродах необходимо приложить большее напряжение, чем в случае, когда не проявлялась бы это физическое явление. По этой и другим причинам затраты электроэнергии на выработку одного кубометра водорода с учетом перенапряжения при традиционном электролизе в промышленных условиях составляют 18-21,6 МДж, а общий расход энергии (с учетом производства самой электроэнергии) превышает 50 МДж, что делает водород недопустимо дорогим (в США оптовая цена 1,17-3 $/мЗ ).

В мире лучшими из промышленных водно-щелочных электролизеров считаются канадские, изготавливаемые корпорацией Stuart Energy . Они стабильно в течение длительного, ресурса обеспечивают удельный расход менее 5 кВтч/н.мЗ ЗЗ Н2, что делает их (при низкой стоимости потребляемой электроэнергии и мировых ценах на метан) конкурентоспособными с получением водорода конверсией природного газа с применением коротко-цикловой адсорбции. Кроме того, эти электролизеры позволяют изменять нагрузку в пределах от 3% до 100%, в то время как изменение нагрузки на электролизерах типа ФВ-500, приводит к существенному сокращению срока их работы.

Особый интерес представляет электролиз в сочетании с возобновляемыми источниками энергии. Например в исследовательском энергетическом центре Университета Гумбольта разработана автономная фотоэлектрическая солнечно-водородная система мощностью 9.2 кВт, чтобы обеспечить привод компрессоров для аэрации бассейнов рыборазведения, и биполярный щелочной электролизер мощностью 7.2 кВт, способный производить 25 л Н2/мин. Система работает автономно начиная с 1993 г.

Термохимический процесс получения водорода из воды использует цикл реакций с химически активными соединениями, например, соединениями брома или йода, и проводится при высокой температуре. Требуется несколько стадий (обычно три) чтобы выполнить полный процесс. Предложено и рассматривается несколько сотен возможных циклов. В ведущих странах мира этому процессу уделяется особое внимание как потенциально наиболее эффективной технологии производства водорода из воды с помощью высокотемпературных гелиевых реакторов (ВТГР). Такой цикл может быть построен и на базе ПКМ, поскольку при паровой конверсии метана половина водорода производится не из метана, а из воды. Довести в этом цикле долю водорода, получаемого расщеплением воды, до 100% и, тем самым, полностью избежать расхода метана можно, если получать в качестве промежуточного продукта метанол с последующим электрохимическим восстановлением метана, возвращаемого в голову процесса. Подобное развитие технологии по отношению к связке ВТГР-ПКМ: может стать рентабельным при росте цен на природный газ свыше 120-150 дол./1000 м3.

 

Стоимость производства водорода

Реализация всех выгод от внедрения водородной энергетики, основанной на производстве водорода на широкой и диверсифицированной базе ископаемых топлив, ядерной и возобновляемых источников энергии, в сочетании с повсеместным использованием водорода практически во всех секторах экономики, что предполагает создание соответствующей инфраструктуры и подкрепления адекватными институциональными отношениями, позволит говорить о переходе к водородо-ориентированной экономике, получившей название водородной экономики.

Сегодня существует три основных способа производства водорода, не связанные напрямую с неизбежными значительными выбросами двуокиси углерода, и так оценённые за килограмм произведенного водорода в докладе US National Academy of Engineering:

- воздействие на природный  газ с помощью пара, что позволяет  связывать содержащийся в нём  углерод для последующего хранения, себестоимость $1,72;

- воздействие пара и  кислорода на угольный порошок, что опять же позволяет связывать  углерод - $1,45;

- электролиз воды - $3,93.[3]

Дешёвое же массовое производство водорода электролизерами требует значительного снижения их сегодняшней стоимости. При нынешней цене они должны работать непрерывно. Поэтому досужие размышления о якобы эффективности использования для производства водорода электролизерами электроэнергии АЭС при их недогрузке лишены всякого экономического смысла.

Исследовательские подразделения GE Global Research (США) предприняли попытку снизить стоимость электролизёров, выполнив их корпуса из пластмассы, стойкой к щелочной среде электролита, а массу металла, применённого в электродах, снизить за счёт напыления из катализатора на основе никеля. После чего цена производства водорода была снижена до $3 за килограмм. Однако и этого для конкурентоспособности явно недостаточно.

Американские исследователи Ричард Дайвер и Джим Миллер из Sandia National Laboratories придумали ещё один способ получения водорода - без электролизной обработки воды. Новый генератор водорода состоит из колец противоположного вращения, скомпонованных из активных элементов – нанокомпозитного ферритного состава с двуокисью циркония.

После подачи водяного пара эти кольца отбирают из него кислород путём химической реакции, а освобождённый водород откачивается в специальные баллоны. Затем за счёт тепловой обработки колец освобождается кислород. Однако говорить об экономической целесообразности внедрения этого метода так же ещё рано, как и многих других, хотя этими проблемами, в том числе в рамках Мировой ассоциации водородной энергетики, созданной ещё в 1974 году, занимаются много лет.