Министерство  образования Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Комсомольский-на-Амуре  государственный

технический университет» 
 
 
 

Факультет ЭТМТ

Кафедра ТЭУ  
 
 
 
 

Реферат по дисциплине ЭОЦ

Водородная  энергетика

Студент группы 0ТЭ                                                                       А.В. Гончаренко

Преподаватель                                                                                Н.А. Иванова 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2011 
 

   СОДЕРЖАНИЕ 

   Введение 

Глава 1. Перспективы  применения водорода 

Глава 2. Концепция энергоаккумулирующих веществ 

Глава 3. Производство водорода 

Глава 4. Потенциал применения водорода 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   Введение 

   Сегодня многие передовые в экономическом отношении страны все более пристально рассматривают водород не только в упомянутых сферах его традиционного применения, но и как основу энергетики завтрашнего дня. На фоне катастрофического ухудшения экологического состояния планеты и истощения ресурсов углеводородного сырья, заманчиво использовать водород как абсолютно безвредное топливо для средств транспорта, обогрева жилищ в удаленных регионах, в автономных и стационарных источниках вторичной энергии. При этом наиболее заманчивым методом получения водорода является электролиз воды. Ведь сгорая, водород опять даст ту же воду. Поистине неисчерпаемый источник горючего! Но здесь встает другая проблема: для электролиза требуется электричество, а его получение из возобновляемых источников составляет сегодня ничтожную долю от общих объемов производства электроэнергии. И здесь вспомним про наше Солнце и другие звезды. Термоядерная реакция и вновь водород. Человек уже создал термоядерную (водородную) бомбу. Но в ней чудовищная по масштабам Земли энергия высвобождается в доли секунды, принося разрушения и смерть. На Солнце реакция идет миллиарды лет медленно и стабильно, принося жизнь и тепло. Ученые бьются над проблемой обуздания термояда, и не за горами то время, когда управляемая термоядерная энергия вкупе с экологически безопасным топливом навсегда избавит нас от опасений о конечности энергетических ресурсов нашей планеты и гибели окружающей среды. 
 
 
 
 

   Глава 1. Перспективы применения водорода 

    Решение проблем энергетики и энергоснабжения -- ключ к решению очень многих экономических и хозяйственных проблем.

Прежде всего, рассмотрим источники, из которых человечество в настоящее время черпает  энергию для своей хозяйственной  деятельности:

Приведем данные нескольких исследователей.

По данным организации "Гринпис", структура мирового энергопотребления в начале 90-х годов выглядела следующим образом:По данным "Центра Кургиняна", на начало 1997г. доли различных источников в совокупном мировом энергопотреблении составляли: нефть -- 38%, газ -- 29%, уголь -- 22%, и лишь около 10% приходилось на все остальные источники энергии вместе взятые

Российский журнал "Фактор" в №5 за 2001 год со ссылкой  на World Energy Council представляет следующие  данные на 2000 год: на ископаемые виды топлива  приходится 90% мирового потребления энергоресурсов, в том числе на нефть -- 40,1%, уголь -- 27,8%, природный газ -- 22,9%.

Итак, около 90% энергии  мир получает, сжигая ископаемое топливо: нефть, газ, каменный уголь. Перед тем, как остановиться на водородном источнике  энергии подробно, необходимо обсудить атомную энергию. Её апологеты утверждают, что она дешевая и (несколько неуверенно после апреля 1996 года) безопасная. Признаем, что обеспечить безопасность АЭС можно. А вот с дешевизной много сложнее. Скажем прямо: главным мотивом отказа от АЭС во всем мире является не вопрос безопасности, а вопрос стоимости.

    Многие деятели атомной индустрии утверждают, что "стоимость электроэнергии АЭС уже сейчас меньше на 15% - 20% стоимости электроэнергии тепловых станций" (Инвестиционная программа атомной энергетики на 2002-2005 годы и на период до 2010 гoдa). Это не так. Методику расчета экономической эффективности "мирного атома" иначе как нечестной назвать трудно. "Расходы на реабилитацию мест радиоактивного загрязнения идут в России по другим статьям, нежели развертывание ядерных программ, -- отмечает академик Яблоков -- Если же подсчитать их все вместе, то эффективность развития ядерного комплекса окажется мизерной. Отходы приходится остекловывать или каким-то другим способом организовывать их длительное хранение. При этом стоимость проекта резко возрастает. В будущем нам надо находить средства на разборку отслуживших АЭС, на очистку больших территорий и акваторий от радиоактивного загрязнения".

Теперь рассмотрим менее очевидный вопрос: зачем искать альтернативы нефтегазовой энергетике?

    Начнем с того, что нефть и газ не вечны. Существуют много оценок запасов нефти, которые колеблются от 30 до 100 лет использования.

Не удержусь и от повторения расхожей цитаты Дмитрия  Ивановича Менделеева о том, что топить печь нефтью -- это все равно, что топить ее ассигнациями: ведь нефть является уникальным, ценнейшим химическим сырьем, из которого делают даже чёрную икру.

Сжигание углеводородов  создают заметные экологические  проблемы, особенно при использовании для нужд транспорта. Но если совершенствованием технологий можно решить проблемы токсичных  
 

выбросов, то выбросы  углекислоты, приводящие к изменению  глобального климата, являются неизбежными  спутниками использования ископаемого  топлива.

    На долю этого сегмента приходиться менее 10%. Эта цифра означает не скудость этих источников, а низкий уровень внедрения технологий их использования.

    Что же это за источники? Это в первую очередь Солнце: в среднем 1 киловатт/м2 земной поверхности, что в сумме в 100 раз (!) превышает количество вырабатываемой человечеством энергии. Не следует забывать и производные энергии Солнца: гидроэнергия, энергия ветра, морских волн.

На втором месте  по значимости и перспективности  стоит геотермальная энергия. Она практически неисчерпаемая и вечная, но проблема ее стоимости стоит довольно остро. Отметим также энергию приливов и отливов, энергетическое использование биомассы.

    Почему же такой богатейший потенциал дает менее 10% вырабатываемой энергии?

Потому что данные источники непостоянны во времени и неравномерно распределены пространстве. Поэтому прямое их использование целесообразно (на уровне сегодняшних технологий) только в децентрализованных малых источниках энергии. Например, гелиоустановки для нагрева воды. Так, в Крыму уже есть индустрия установки систем, за счет энергии Солнца нагревающих воду до 95 градусов Цельсия (хоть для этого мазут из Тюмени не надо везти…). Но для снабжения электричеством заводов (и других крупных предприятий народного хозяйства) прямое использование этих источников абсурдно. 
 

    Глава  2. Концепция энергоаккумулирующих веществ 
 

    Как получить водород и как избежать его взрывов?

При применении ЭАВ эти проблемы полностью решаются. При этом схема процесса состоит  из трех этапов:

1. Получение  ЭАВ, используя один из названных  источников энергии.

2. Получение  с помощью ЭАВ водорода.

3. Использование  водорода как топлива.

Вспомним школьный опыт: Вы бросаете в воду натрий, и  начинает выделяться водород. Представьте  себе, что это происходит в камере сгорания: водород в свободном виде появляется только там, где ему и положено взорваться. А на борту его нет - он связан в воде. В этом иллюстративном примере в качестве ЭАВ выступил натрий.

Конечно, это  не промышленная технология -- это иллюстрация. Но я представлю Вашему вниманию промышленную технологию, разработанную в свое время в СССР для покорения Луны.

Она базировалась на следующих реакциях

1. Q + C + SiO2 > Si + CO2 ^ + H2O -- восстановление кремния углеродом

2. Si + 2H2O > SiO2 + 2H2^ + Q -- получение водорода

3. 2H2 + O2 > 2H2O + Q -- сжигание водорода 
 

    Используя источник тепла (например, солнечную печь) восстанавливается кремний из окисла (реакция 1). Кремний представляет собой прекрасное ЭАВ, не требующее специальных условий хранения. Он доставляется к месту необходимого получения энергии (в том числе на транспортный двигатель). В специальном реакторе происходит реакция вытеснения водорода (реакция 2). И наконец водород поступает в двигатель в качестве топлива. Образовавшийся в результате второй реакции оксид кремния можно использовать многократно.

Сероводород (H2S) является, по сути, ископаемым "самородным" водородом в очень плотной  упаковке: энергия образования сероводорода примерно в 14 раз меньше, чем энергия  образования воды. Это означает, что, затратив один киловатт·час энергии на разложение сероводорода, мы получим от сжигания выделившегося водорода 14 киловатт·час энергии. То есть от реакции 1 (получение ЭАВ для получения водорода) мы в данном случае избавлены. Нам остаются только две реакции:

H2S+ Q > H2^ + S

2H2 + O2 > 2H2O+ 14Q

    Эксплуатационно сероводород при вполне реальных давлениях (порядка 20 атм.) сжижается при нормальной температуре, что позволяет, помимо получения удельной плотности много большей, чем у сжатого и даже жидкого водорода вести процесс разложения H2S в электролизерах. Возможно, правда, что электролиз сероводорода в связи с зашлакованием электрода элементарной серой окажется настолько затрудненным, что вести его придется через галогены.

    Так, Варшавским, Максименко А.И. (Украина) и Терещуком в 1997 году получено в Госпатенте РФ положительное решение на чрезвычайно перспективный способ получения и использования водорода посредством разложения сероводорода, добываемого оригинальным методом из глубинных слоев некоторых водоемов, в частности, Черного моря. Данный метод не обязательно требует затрат национального масштаба, и может применяться не только в общенациональной энергетической системе, но и автономно. 

    Глава  3. 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 2500°С вода разлагается на водород и кислород (прямой термолиз). Столь высокую температуру можно получить, например, с помощью концентраторов солнечной энергии. Проблема здесь состоит в том, чтобы предотвратить рекомбинацию водорода и кислорода.

В настоящее  время в мире большая часть  производимого в промышленном масштабе водорода получается в процессе паровой  конверсии метана (ПКМ). Полученный таким путем водород используется как реагент для очистки нефти  и как компонент азотных удобрений, а также для ракетной техники. Пар и тепловая энергия при температурах 750-850°С требуются, чтобы отделить водород от углеродной основы в метане, что и происходит в химических паровых реформерах на каталитических поверхностях. 
 

   Первая ступень процесса ПКМ расщепляет метан и водяной пар на водород и моноксид углерода. Вслед за этим на второй ступени "реакция сдвига" превращает моноксид углерода и воду в диоксид углерода и водород. Эта реакция происходит при температурах 200-250°С.

    Начиная с 70-х годов прошлого века в стране были выполнены и получили необходимое научно-техническое обоснование и экспериментальное подтверждение проекты высокотемпературных гелиевых реакторов (ВТГР) атомных энерготехнологических станций (АЭТС) для химической промышленности и черной металлургии. Среди них АБТУ-50, а позднее -- проект атомной энерготехнологической станции с реактором ВГ-400 мощностью 1060 МВт(т) для ядерно-химического комплекса по производству водорода и смесей на его основе, по выпуску аммиака и метанола, а также ряд последующих проектов этого направления.

    Основой для проектов ВТГР послужили разработки ядерных ракетных двигателей на водороде. Созданные в нашей стране для этих целей испытательные высокотемпературные реакторы и демонстрационные ядерные ракетные двигатели продемонстрировали работоспособность при нагреве водорода до рекордной температуры 3000 К.

Высокотемпературные реакторы с гелиевым теплоносителем -- это новый тип экологически чистых универсальных атомных энергоисточников, уникальные свойства которых -- способность вырабатывать тепло при температурах более 1000°С и высокий уровень безопасности -- определяют широкие возможности их использования для производства в газотурбинном цикле электроэнергии с высоким КПД и для снабжения высокотемпературным теплом и электричеством процессов производства водорода, опреснения воды, технологических процессов химической, нефтеперерабатывающей, металлургической и др. отраслей промышленности.