Энергия водорода

                                               Введение  

Одной из основных причин последних двух мировых войн является раздел энергетических ресурсов. Через 60 лет после последней мировой  войны мир вновь близок к тому, чтобы столкнуться с этой проблемой в новом веке. С середины XX века спрос на энергию неимоверно возрос. Это стало результатом как быстрого промышленного развития, так и роста численности населения. Общеизвестно, что население мира увеличилось в 4,8 раза, а общая энергетическая потребность – более чем в 30 раз с 1850 по 2000 год. Многие исследования показывают, что в то время как глобальный энергетический спрос поднимается ежегодно минимум на 2-3%, имеющиеся нефтяные месторождения исчерпывают себя на 3-5% ежегодно. Если спрос будет расти в таких же пропорциях, то мы достигнем критической точки в отношении нефти уже где-то к 2010 году, а относительно природного газа немного позже – между 2020 и 2030 годами. Основной энергетический источник мира – водород – является новой надеждой, которая может решить энергетическую проблему. Новый век скорее всего станет веком топливного элемента. Эта технология может использовать водород в качестве топлива, предлагая миру перспективу получения чистой стабильной электроэнергии.

1.

 В настоящее время большую актуальность получили вопросы поисков экологически чистого энергоносителя, высокоэффективного и дешево. Это вещество должно быть неисчерпаемым как ресурс и легкодоступным. Поиск альтернативного источника энергии все более заостряется ввиду дестабилизированной ситуации на планете, изменению климата за счет антропогенного воздействия, постепенному истощению в недрах земли привычных энергетических ресурсов и постоянное удорожание их стоимости. Источник энергии необходим не только для развития человечества, но и для самого существования на планете.                                               Претендентом на место универсально источника энергии является водород, который уже давно известен своими свойствами. На сегодняшний день существует множество причин для масштабного развития и широчайшего применения водородной энергетики, потенциал которой огромен. На нашей планете запасы водорода неисчерпаемы и обладают автоматической возобновляемостью. Это снижает затраты на поиск и разработку месторождений, технологии по добыче.                                            Главным источником водорода на планете Земля является вода. При разложении воды образуется молекула кислорода и две молекулы водорода. Кроме воды источниками водорода могут быть газ, уголь, биомасса, причем как растений, так и отходов.   Водород, который является самым простым элементом космического пространства, был открыт в 16-ом веке, а его горючие свойства были открыты в 18 веке. 90% всей познанной части Вселенной состоит из этого простого элемента. Водород бесцветен, не имеет запаха, не ядовит и в 14,4 раза легче воздуха. При температуре -252,77°C он переходит в жидкое состояние. Это топливо, используемое солнцем и другими звездами, а потому оно является основным источником энергии во всей Вселенной. Водород невозможно найти в природе в виде свободного элемента. Но он является частью сложных элементов, и в первую очередь воды. Водород имеет максимальный объем энергии на единицу массы среди всех известных видов топлива. Энергия 1 кг водорода равна энергии 2,1 кг природного газа и 2,8 кг нефти. Однако его объем на единицу энергии также выше. Водород в 1,33 раза более эффективен по сравнению с нефтяными видами топлива в качестве источника энергии. Когда водород используется для получения тепла или тяги, то выделяется лишь вода в жидком виде или в виде пара. Таким образом, водород – это очень чистый источник энергии.

Водород образуется также  в следующем процессе. При совместном сгорании водорода и кислорода образуется вода, являющая источником образования водорода. При сгорании не образуется никаких вредных веществ: нет сгоревших частиц и сажи, отсутствует тепловой выброс, исключено образование углекислого газа, что, в свою очередь, снижает вероятность увеличения парникового эффекта.

Одним из критериев больших перспектив применения водорода в качестве источника энергии служит и его широкое использование в ракетостроении как горючего компонента топлива для жидкостных ракетных двигателей. Это обусловлено отличными энергетическими показателями водорода. Энергоотдача водорода наиболее высока при его сгорании с кислородом и составляет более 120,7 ГДж на тонну. Эффективность энергетических процессов в двигателях внутреннего сгорания увеличивается более чем на 30-40% при использовании водорода, в отличии от бензина. Применение водорода в качестве топлива для двигателя внутреннего сгорания увеличивает его КПД на рекордные 50-70% по сравнению с бензиновым аналогом. В топливных элементах транспортных средств водород на 100-200% эффективнее бензина.

Водород обладает большими преимуществами и в другом краеугольном вопросе современной энергетике – экологичности. Результатом сгорания водорода является обычная вода, которая совершенно не опасна для окружающей среды. При использовании водородоменатоновых смесей в качестве топлива снижается токсичность продуктов сгорания. Смесь с содержанием порядка 30% водорода по объему (5-10% по весу), менее токсична в 2-4 раза, чем при сгорании в безводородном исполнении. При этом на 35-40% уменьшается расход топлива, а экономичность возрастает более чем на 25%. Двигатели, работающие по норме Евро-4, используют смеси топлива с 20% водорода, а по норме Евро-5 – 44-50% смеси. Стоит отметить, что современные предприятие по производству водорода не являются экологичными. Но при общем широком внедрении водорода экологическая ситуация должна стабилизироваться и со временем лишь улучшиться.

Анализируя преимущества водорода можно сказать, что перед  водородной энергетикой открыто  все будущее, и она аккумулирует в себе огромнейший потенциал  для дальнейшего развития и применения. Мировой промышленностью производство водорода ведется достаточно давно. Водород используется для производства пластмасс, мыла, аммиака. Широкое применение водород получил в ракетно-космической промышленности, являясь наиболее оптимальным компонентом топлива с точки зрения энергетических показателей. В последние годы широкое применение водород получил как топливо для пассажирского, грузового и легкового транспорта.

Передовые мировые державы  постепенно переводят на водород  крупные предприятия, объекты промышленности, транспортные средства. Это страны Евросоюза, США, Япония, которые еще более 30 лет назад осознали перспективность применения водорода как источника энергии. Огромнейшим интересом водород пользуется в компаниях по производству автомобилей, которые на ежегодных выставках все чаще и чаще демонстрируют свои автомобили, работающие на водородном топливе. Конечно, широкое внедрение водорода еще не близко, но ввиду бурного роста активности вокруг него, и развития технологий, водородная революция не за горами.

Человечество осознало, что для дальнейшего существования  водород может стать уникальным источником не только энергии, но и  самой жизни на планете Земля.

           2.  Энергия атома водорода, энергия электрона в атоме водорода

Управляемый термоядерный синтез использует ядерную энергию, выделяющуюся при слиянии легких ядер, таких как ядра водорода или  его изотопов дейтерия и трития. Ядерные реакции синтеза широко распространены в природе, будучи источником энергии звезд. Ближайшая к нам звезда - Солнце - это естественный термоядерный реактор, который уже многие миллиарды лет снабжает энергией жизнь на Земле. Ядерный синтез уже освоен человеком в земных условиях, но пока не для производства мирной энергии, а для производства оружия он используется в водородных бомбах. Начиная с 50 годов, в нашей стране и параллельно во многих других странах проводятся исследования по созданию управляемого термоядерного реактора.

С самого начала стало ясно, что управляемый термоядерный синтез не имеет военного применения. В 1956 г. исследования были рассекречены и с тех пор проводятся в рамках широкого международного сотрудничества. В то время казалось, что цель близка, и что первые крупные экспериментальные установки, построенные в конце 50 годов, получат термоядерную плазму. Однако потребовалось более 40 лет исследований для того, чтобы создать условия, при которых выделение термоядерной мощности сравнимо с мощностью нагрева реагирующей смеси. В 1997 г. самая крупная термоядерная установка - Европейский токамак, JET, получила 16 МВт термоядерной мощности и вплотную подошла к этому порогу.

За прошедшие годы достигнут  впечатляющий прогресс в понимании физических явлений, ответственных за удержание и устойчивость плазмы в токамаках. Разработаны эффективные методы нагрева и диагностики плазмы, позволившие изучить в нынешних экспериментальных токамаках те плазменные режимы, которые будут использоваться в реакторах. Крупные нынешние экспериментальные машины - JET (Европа), JT60-U (Япония), Т-15 (Россия) и TFTR (США) - были построены в начале 80 годов для изучения удержания плазмы с термоядерными параметрами и получения условий, при которых нагрев плазмы сравним в полным выходом термоядерной мощности.

Два токамака, TFTR и JET использовали DT смесь  и достигли соответственно 10 и 16 МВт  термоядерной мощности. В экспериментах  с DT смесью JET получил режимы с отношением термоядерной мощности к мощности нагрева плазмы, Q=0.9, и токамак JT60-U на модельной DD смеси достиг Q = 1.06. Это поколение токамаков практически выполнило свои задачи и создало все необходимые условия для следующего шага - строительство установок нацеленных на исследование зажигания, Q Ё 5, и уже обладающих всеми чертами будущего реактора.

В настоящее время ведется проектирование такого первого экспериментального термоядерного реактора - ИТЭР. В проекте участвуют Европа, Россия, США и Япония. Предполагается, что этот первый термоядерный реактор токамак будет построен к 2010 г.

Существуют огромные запасы топлива  для термоядерной энергетики. Дейтерий - это широко распространенный в  природе изотоп, который может  добываться из морской воды. Тритий будет производиться в самом реакторе из лития. Запасы дейтерия и лития достаточны для производства энергии в течение многих тысяч лет и это топливо, как и продукт реакций синтеза - гелий - не радиоактивны.

Радиоактивность возникает в термоядерном реакторе из-за активации материалов первой стенки реактора нейтронами. Известны низкоактивирующиеся конструкционные материалы для первой стенки и других компонентов реактора, которые за 30-50 лет теряют свою активность до полностью безопасного уровня. Можно представить, что реактор, проработавший 30 лет и выработавший свой ресурс, будет законсервирован на следующие 30-50 лет, а затем конструкционные материалы будут переработаны и вновь использованы в новом термоядерном реакторе. Кроме дейтерий- тритиевой реакции, которая имеет высокое сечение при относительно низкой температуре, и следовательно легче всего осуществима, можно использовать и другие реакции. Например, реакции D с Не3 и p с В11 не дают нейтронов и не приводят к нейтронной активации первой стенки. Однако условия Лоусона для таких реакций более жесткие и поэтому нынешняя термоядерная программа в качестве первого шага нацелена на использование DT смеси.

Несмотря на большие  успехи, достигнутые в этом направлении, термоядерным реакторам предстоит еще пройти большой путь прежде, чем будет построен первый коммерческий термоядерный реактор. Развитие термоядерной энергетики требует больших затрат на развитие специальных технологий и материалов и на физические исследования. При нынешнем уровне финансирования термоядерная энергетика не будет готова раньше, чем 2020-2040 г.

3. Водородные топливные элементы

Водородные топливные  элементы производят электроэнергию путем реакции кислорода воздуха и воды. Обычный двигатель внутреннего сгорания использует кислород и ископаемое топливо которое сжигается или окисляется, производя тепло и механическую энергию. Топливные элементы также используют окисление для производства электроэнергии. При питании от водорода побочным продуктом является тепло и вода. Водородный топливный элемент состоит из множества тонких плоских слоистых клеток каждая из которых производит электричество. Электричество производится при соединении водорода и кислорода которые подаются из воздуха в мембрану протонного обмена в стеке топливных элементов. Таким топливным элементом может быть произведено достаточно электроэнергии для питания электрических транспортных средств, приборов и другой техники. 
В настоящее время производится очень мало водородных топливных элементов для массового потребления, но несколько демонстрационных автомобилей ездят во многих странах Европы и Америки. Пассажирские автобусы и дальнемагистральные грузовые автомобили в основном используются для тестирования и демонстрации топливных элементов. В Японии разработан гибридный поезд, который использует дизельные двигатели для двух третей своей силы, а другая треть обеспечивается двумя электрическими двигателями на водородных топливных ячейках. В промышленности только начинаются разработки для тестирования таких транспортных средств, так что нет более точных данных о возможностях водородного топлива. Кроме того, слишком рано говорить и о стоимости первых транспортных средств на водороде. Из-за текущих технических и финансовых барьеров, а также необходимости постройки инфраструктуры для поддержки таких транспортных средств, такие разработки и внедрения могут занять от 10 до 20 лет, прежде чем водородные транспортные средства попадут в массовое производство. В наше время есть несколько водородных топливных станций, которые строятся в основном для демонстрационных и испытательных целей. Многое должно быть проверено и разработано до использования водородных топливных элементов в повседневной деятельности. Некоторые из проблем, с которыми сталкивается отрасль включают сокращение затрат на производство топливных элементов, повышение долговечности в экстремальных условиях, и повышения надежности в производстве энергии водородными топливными элементами. 
Водород является возобновляемым ресурсом, который может быть произведен в неограниченном количестве, что делает водород очень важным и приоритетным топливом. Водород может быть извлечен из природного газа или других видов ископаемого топлива, или из метана , добываемого на свалках или из отходов жизнедеятельности животных, а главное из любой воды (H2O). Водород можно производить с использованием местных ресурсов, которые включают в себя: природный газ, угль, биомассы, ядерная, а также солнечная, гидро-электрическая и ветра энергии. 
Выгодой от использования водорода для получения энергии-считается экологичный вид топлива по уровню вредных выбросов, которые обеспечат более чистый воздух и приведет к сокращению выбросов парниковых газов. При использовании чистого водорода образуется только водяной пар. 
Водородный топливные элемент, как ожидается, будует вдвое эффективнее сгорания бензина в двигателях внутреннего сгорания. Энергетическая независимость от импорта нефти может быть достигнута путем использования технологии топливных элементов. Когда технология топливных элементов будет разработана до уровня массового использования, когда она станет экономически эффективна в использовании, это будет революцией в энергетике.

Водородная энергетика сформировалась как одно из направлений  развития научно-технического прогресса в середине 70-х годов прошлого столетия. По мере того, как расширялась область исследований, связанных с получением, хранением, транспортом и использованием водорода, становились все более очевидными экологические преимущества водородных технологий в различных областях народного хозяйства. Успехи в развитии ряда водородных технологий (таких как топливные элементы, транспортные системы на водороде, металлогидридные и многие другие) продемонстрировали, что использование водорода приводит к качественно новым показателям в работе систем или агрегатов. А выполненные технико-экономические исследования показали: несмотря на то, что водород является вторичным энергоносителем, то есть стоит дороже, чем природные топлива, его применение в ряде случаев экономически целесообразно уже сейчас. Поэтому работы по водородной энергетике во многих, особенно промышленно развитых странах относятся к приоритетным направлениям развития науки и техники и находят все большую финансовую поддержку со стороны как государственных структур, так и частного капитала.

4. Свойства водорода.

В свободном состоянии  и при нормальных условиях водород - бесцветный газ, без запаха и вкуса. Относительно воздуха водород имеет  плотность 1/14. Он обычно и существует в комбинации с другими элементами, например, кислорода в воде, углерода в метане и в органических соединениях. Поскольку водород химически чрезвычайно активен, он редко присутствует как несвязанный элемент.

Охлажденный до жидкого  состояния водород занимает 1/700 объема газообразного состояния. Водород при соединении с кислородом имеет самое высокое содержание энергии на единицу массы: 120.7 ГДж/т. Это - одна из причин, почему жидкий водород используется как топливо для ракет и энергетики космического корабля, для которой малая молекулярная масса и высокое удельное энергосодержание водорода имеет первостепенное значение. При сжигании в чистом кислороде единственные продукты - высокотемпературное тепло и вода. Таким образом, при использовании водорода не образуются парниковые газы и не нарушается даже круговорот воды в природе.

5. Производство водорода.

Запасы водорода, связанного в органическом веществе и в воде, практически неисчерпаемы. Разрыв этих связей позволяет производить водород  и затем использовать его как топливо. Разработаны многочисленные процессы по разложению воды на составные элементы.

При нагревании свыше 2500⁰С вода разлагается на водород и кислород (прямой термолиз). Столь высокую температуру можно получить, например, с помощью концентратов солнечной энергии. Проблема здесь состоит в том, чтобы предотвратить рекомбинацию водорода и кислорода.