Водородная энергетика и экологическая безопасность планеты

Хранение водорода

Выше уже отмечалось, что создание компактных, экономичных и безопасных емкостей и методов хранения водорода является одной из важнейших задач, решение которой в значительной степени может способствовать ускорению процесса рыночной коммерциализации водородной энергетики в целом.

Водород может храниться в качестве дискретного газа, в жидком состоянии, или в химическом соединении. Сегодняшние технологии позволяют физическое хранение, транспортировку и распределение водорода среди конечных потребителей в газообразном, или жидком состоянии в танках, или по трубопроводным системам.

Наиболее развитой на сегодня является технология хранения сжатого под давлением водорода в танках, в баллонах на транспортных средствах при низкой температуре.

Основными проблемами для данного вида хранения водорода являются неоправданно большие размеры хранилищ и их вес (материалоемкость), что, в свою очередь, удорожает процесс хранения водорода.

Хранение водорода в жидком состоянии требует значительно меньших объемов хранилищ, однако делает необходимым использование специальных криогеннных контейнеров. Более того, процесс сжижения водорода является весьма энергоемким. По оценкам специалистов на его осуществление уходит около 1/3 энергетического содержания исходного объема водорода.

Потенциально более эффективно хранить водород в гидридах. В настоящее время разрабатываются системы хранения водорода на основе гидридов магния. Некоторые металлические сплавы типа магний-никель, магний-медь и железо-титановые сплавы поглощают водород в относительно больших количествах и освобождают его при нагреве.

Гидриды, однако, хранят водород с относительно небольшой плотностью энергии на единицу веса, а процессы их заправки идут достаточно медленно. Цель проводимых текущих исследований - создать состав, который будет запасать существенное количество водорода с высокой плотностью энергии, легко освобождать его и быть рентабельным. С этой точки зрения уже освоенные в крупнотоннажной химии технологии синтеза водородонесущих химических соединений (аммиака, метанола и некоторых других), позволяют уменьшить затраты на необходимую инфраструктуру доставки и заправки водорода, использовать оптимальные системы его хранения на борту. По объемной плотности хранения водорода метанол в 1.5 раза превосходит жидкий водород. К таким системам относится и диметиловый эфир (ДМЭ), производимый из метанола для применения на автотранспорте вместо дизельного топлива.

В связи с этим системы, где источником водорода является жидкий (при атмосферном давлении) метиловый спирт или бензин, представляются более перспективными. При применении метанола упрощается система хранения и транспортировки топлива.[6]

 

Топливные элементы

Наибольшие перспективы исследователи, разработчики, производители и инвесторы связывают с топливными элементами. Топливные элементы - это тип технологий, использующих реакцию окисления водорода кислородом в мембранном электрохимическом процессе с производством электричества, теплоты и воды. Одним из важных моментов применения топливных элементов является полное отсутствие вредных выхлопов, поскольку единственным продуктом реакции является вода. В топливных элементах ионы водорода создают электродвижущую силу, проходя через специальную мембрану. Из-за отсутствия «лишнего» преобразования энергии КПД топливных элементов достаточно высок. Теоретически КПД топливного элемента может быть больше 85%. Сейчас исследователям удалось достичь уровня 75%. Для сравнения, двигатели внутреннего сгорания, дизели и тепловые электростанции имеют КПД не выше 40%.

Топливная батарея состоит из многих десятков элементарных ячеек, примерно в сантиметр толщиной. Каждая ячейка включает два электрода, разделенных электролитом.

В основном топливные элементы (ТЭ) различаются по типу электролита и рабочей температуре.

Можно выделить следующие ТЭ:

• Фосфорно-кислотные (ФК ТЭ) для применения в ближайшей перспективе в стационарной электроэнергетике. ФК ТЭ используют в качестве электролита сильно фосфорную кислоту. Матрица, используемая для удержания кислоты, обычно изготовляется из SiC, и оба электрода из черненой платины. Рабочие температуры находятся между 150-220°C.
• Протонообменный (ПО) ТЭ использует в качестве электролита тонкую полимерную электролитическую или протонопроводящую мембрану. Толщина разработанных сегодня мембран составляет 10-12 микрон. Такие мембраны являются отличными проводниками протонов. Протоны мигрируют через мембрану где они соединяются с кислородом воздуха и электронами внешнего контура образуя воду. Катализатор – обычно платина, однако, случае, когда в топливе присутствуя в топливе следов оксида углерода - сплав Pt-Ru. Рабочие температуры обычно ниже 100°C, где то между 60 and 80°C. ПО ТЭ - основной кандидат на распространение в ближней и среднесрочной перспективе, главным образом для применения в дорожном транспорте, а также в установках для распределенного производства электроэнергии.
• Щелочные топливные элементы (ЩТЭ) используют в качестве электролита 85% калиевую щелочь KOH для работы при высоких температурах (250°C) и низко концентрированную 35-50% щелочь для низких температур (<120°C), Электролит удерживается на асбестовой матрице, а качестве электрокатализаторов может использоваться широкий ряд металлов, таких как Ni, Ag, благородные металлы, и даже окислы металлов. ЩТЭ нетерпимы к присутствию CO2 как в топливе, так и окислителе.
• Твердо-оксидные ТО ТЭ используют в качестве электролита твердые непористый металлический оксид, в основном оксид циркония ZrO2, стабилизированный примесью оксида иттрия Y2O3. ТО ТЭ работают при 900-1000°C , когда наступает ионная проводимость за счет ионов кислорода.
• Расплаво-карбонатные топливные элементы (РК ТЭ) имеют электролит, состоящий из смеси щелочных карбонатов (Li, Na, K), удерживаемых на керамической матрице LiAlO2. Рабочие температуры находятся между 600-700°C, когда карбонаты образуют проводящий расплав с ионами карбоната, обеспечивающим ионную проводимость. При таких высоких температурах, обычно можно обойтись без использования для катализаторов благородных металлов

Технологически ТЭ представляет собой сандвич, состоящий из электролита, находящегося с двух сторон в контакте с электродами. Схематическая диаграмма ТЭ с реагентами и продуктами реакций, а также направлениями ионных потоков для вышерассмотренных типов ТЭ приведены на рис. 4. Электролит не только транспортирует растворенные реагенты к электродам, но также осуществляет ионную проводимость между электродами, замыкая тем самым электрическую цепь. Электрохимическая реакция имеет место на границе поверхностей трех фаз – пористый электрод/электролит/реагенты.[1]

Рисунок 4. Принцип работы различных видов топливных элементов

 

Переход к водородной экономике

Развитие водородной энергетики будет происходить поэтапно, с тем чтобы в середине 21 века можно было обеспечить полный переход к водородной экономике.

Можно условно выделить три этапа становления водородной экономики. На первом этапе, по-видимому, можно однозначно рассчитывать на использование водорода на транспорте в двигателях внутреннего сгорания, работающих на смеси природного газа и водорода, что позволит заметно повысить экономичность двигателя, увеличить пробег на одной заправке и одновременно и сократить выбросы атмосферных загрязнителей.

Есть определенные надежды, что уже на первом этапе получит определенное распространение и использование топливных элементов, работающих как на чистом водороде, так и на метаноле, поскольку последний, разлагаясь на катализаторе мембраны топливного элемента на водород и диоксид углерода, может питать непосредственно ТЭ без применения реформера.

С экологической точки зрения схема с использованием чистого водорода является предпочтительней, поскольку полностью исключает выбросы загрязнителей а атмосферу с выхлопами двигателей.

Производство водорода в ближайшей перспективе в основном будет осуществляться паровым риформингом природного газа (возможно и других органических топлив) на стационарных водородных заводах, откуда водород будет доставляться конечным потребителям, например, на заправочные станции для питания автомобилей. Основным пробочным продуктом парового риформинга является диоксид углерода, который может быть извлечен и секвистирован многими известными способами, например закачкой в угольные пласты, отработанные газовые поля, или же в соленые водоносные слои.

Хранение водорода на борту транспортных средств может осуществляться либо в виде сжатого или сжиженного газа, либо в твердом виде в гидридных или углеродных системах.

Ключевым элементов второго среднесрочного этапа станет широкомасштабное использование топливных элементов для генерирования электроэнергии децентрализованными производителями. Наряду с электроэнергией будет вырабатываться и тепловая энергия как для целей тепло и горячего водоснабжения, так и для промышленного использования.

На этом этапе можно ожидать значительное расширение ресурсной базы водородного производства, в первую очередь за счет угля и возобновляемой биомассы.[4,5] 
Заключение

В прямом смысле водород не является энергетическим источником, поскольку в природе в свободном виде он практически отсутствует. Поэтому водородное топливо (как и электроэнергия) представляется вторичным энергетическим источником, или же энергоносителем, получаемым в результате преобразования имеющихся видов первичных энергетических ресурсов – органического топлива, возобновляемых источников энергии и атомной энергии. В то же время водород дополняет и облегчает использование первичных видов энергии, поскольку в водородной форме энергия легко храниться и транспортируется, и доводится до потребителя в нужном месте и желаемое время (естественно, при наличии соответствующих технологий).

Несмотря на отмеченное ресурсное ограничение водорода, в пользу развития водородной энергетики выдвигаются следующие аргументы:

• Наличие обширной и диверсифицированной ресурсной базы первичных энергоресурсов для производства водородного топлива, включая практически все ископаемые топлива, а также ядерную энергию, а в перспективе и новые возобновляемые источники энергии: биомассу, солнечную и ветровую.
• Высокий потенциал повышения энергетической безопасности за счет снижения зависимости от внешних поставок энергоресурсов.
• Универсальность применения во всех секторах экономики, в централизованной и децентрализованной электроэнергетике, коммунальной теплоэнергетике, в транспортном секторе в качестве моторного топлива.
• Экологическая чистота, в первую очередь относительно места конечного потребления, поскольку продуктом сгорания является водяной пар.
• Высокая эффективность преобразования в электрическую энергию на базе топливных элементов.
• Высокая технологичность потребления, поскольку водород может транспортироваться и распределяться через сетевую систему, аккумулироваться, храниться и доставляться потребителю в нужный момент и требуемое место.

Однако при всех очевидных выгодах водородной энергетики ее становление связывается с преодолением ряда существенных барьеров технологического, экономического и институционального характера, среди которых выделяются следующие:

• Водородное топливо сегодня в три-четыре раза дороже, чем бензин.
• Системы хранения водорода недостаточно компактны и требуют ощутимого пространства для размещения на борту транспортного средства.
• Топливные элементы почти в десять раз дороже двигателей внутреннего сгорания, имея при этом небольшой технический ресурс эксплуатации.
• Большие риски инвестирования в создание необходимой водородной инфраструктуры при существующем уровне технологического развития элементов водородного цикла и неопределенности спроса на водородное топливо.
• Отсутствие необходимых требований, норм и стандартов обеспечения безопасности водородного цикла.

 

ЛИТЕРАТУРА

1. Легасов В.А. Атомно-водородная энергетика и технология, М., 1978, с. 11-36
2. Мищенко А. И., Применение водорода для автомобильных двигателей, К., 1984
3. Виталий Болдырев. Водородная энергетика и её развитие, «ПВ» № 5, май 2006
4. Н. Н. Пономарев-Степной, А. Я. Столяревский. Атомно-водородная энергетика – пути развития. «Энергия» 2004, №1. стр. 3-9.
5. Дмитриев А.Л. Этапы перехода к водородной энергетике http://www.energohelp.net/articles/alternate/62688/
6. Материалы «Всероссийского совещания «Водород и топливные элементы». Москва. 14-15 декабря 2000 г.
7. http://www.o8ode.ru