Основная часть
1. Основные причины, которые привели к необходимости
поиска новых экологически чистых энергоносителей
1.1. Энергетическая безопасность
Сжигание невозобнавляемых ресурсов ведет постепенному снижению производительности за счет сокращения запасов ископаемого топлива, прогнозируемое снижение ожидается в середине 21-го века, следовательно, эти источники энергии потребуют замены.
1.2. Экология
При выработке электроэнергии традиционным методом существует проблема выбросов и отходов от топлива; работа ТЭС, выработка энергии сопровождаются выбросом оксида углерода, кислотные дожди вызываемые выбросами оксидов азота и серы негативно влияют на климат; АЭС вырабатывают электроэнергию без выбросов парниковых газов, однако проблема удаления отработавшего топлива остается открытой и сегодня.
Энергетика на основе водорода особенно необходима крупным городам. В России более 75% населения проживает в крупных городах, где и сосредоточены основные производства промышленности, экологическая обстановка здесь не соответствует нормативам, это наносит вред для здоровья и представляет опасность для жизни людей, поскольку значительно превышены предельно допустимые концентрации вредных веществ
1.3.Социальный аспект
Падение объемов добываемых углеводородов из-за снижения их запасов, попросту приведет к банкротству добывающих компаний. При такой перспективе развитие водородной энергетики помогло бы освободившимся специалистам. Преимуществом водорода перед прочими энергоносителями: неограниченные возможности его получения; практическая неисчерпаемость запасов; экологическая безопасность при использовании.
1.4. Коммерциализация водородной экономики
Реальную работу по переходу к энергетической системе на основе водорода начали только в 21-м веке, итоги этой работы впечатляют. Коммерциализация водорода идет по многим направлениям. Крупные суммы денег вложила Япония на приобретение водородных технологий. Европа планирует затратить на исследования и разработки в водородной энергетике порядка пяти миллиардов долларов. США выделяет 1,7 миллиарда долларов на развитие транспортных средств на водородном топливе, 1,2 миллиарда долларов на газификацию угля без эмиссии двуокиси углерода. Также Австралия и Канада ведут разработки в этой области. Автогигант Daimler-Chrysler запустил производство водородных автобусов, создание установок для их заправки взяла на себя компания British Petroleum. Фирма Siemens-Westinghouse продаёт энергетические установки на водородном топливе, котрые используются на электростанциях. Компания Hydro Electrolysers успешно поставляет электролизеры для заправочных станций в Европе. Россия в данной области отстаёт довольно сильно.
Германская партия зеленых организовала в Берлине Водородный Конгресс-2001, где политики, промышленники и экологи обсуждали проблемы стоимости стратегии по развитию солнечно-водородной экономики, достигнутые успехи в этой области. Поддержка правительства способствует созданию новых компаний, которые должны вывести Германию в лидеры в области топливных элементов и водородной экономики. На уровне министров отслеживается развитие водородной экономики. Норвежская компания "Статкрафт", Шведская компания "Сидкрафт" и Швейцарско-Шведская промышленная группа "АВВ" объединяют свои усилия в строительстве экологически чистого завода по производству водорода. Завод будет расположен в Норвегии и будет использовать энергию ветра.
В эмирате Абу-Даби планируется строительство самой большой в мире водородной электростанции, на которую будет потрачено 15 миллиардов долларов.
Итак, развивающаяся в настоящее время в мире коммерциализация техники и технологий и энергетических систем на основе водорода, имеющая определенный успех в конкретных технических решениях, приведет к вхождению водородной экономики в индустриально развитые страны.
1.5. Национальные водородные программы
В конце 1990-х годов в мире стартовал ряд крупных международных и национальных программ по коммерциализации научно-технических разработок по водородным технологиям, топливным элементам, возобновляемым источникам энергии и ряду других направлений, конечной целью которых является реализация концепции водородных энерготехнологических систем.
Развитие водородной экономики США предусматривает четыре этапа. На первом должны быть разработаны критические технологии, которые обеспечат практическую реализацию поставленных стратегических целей. Второй этап (2010–2025 гг.) связан с началом коммерциализации водородных энергетических и транспортных систем. Третий этап реализации водородной программы предусматривает создание к 2035 году инфраструктуры водородной экономики и расширение рынка водородных технологий. Начало третьего этапа будет согласовано с принятием решения о коммерциализации водородных технологий, в первую очередь применительно к транспортным средствам на топливных элементах. К 2040 г. (четвертый этап) будут полностью сформированы рынок и инфраструктура.
Япония. Работы в области водородных технологий курируются Министерством экономики, торговли и промышленности. Работа направлена на создание инфраструктуры и широкое внедрение как стационарных энергоустановок на топливных элементах, так и автотранспорта на водородном топливе и топливных элементах. Число единиц автомобильной техники на топливных элементах планируется на уровне 50 тысяч (2010г.), 5млн. (2020г.), 15 млн. (2030г.). На 2004 г. в Японии функционировало 30 стационарных водородных энергоустановок на топливных элементах, 10 водородных заправочных станций, 50 единиц автотранспорта на водородном топливе.
Китай. Страна имеет все предпосылки для постепенного перехода к водородной экономике. Китай является вторым в мире (после США) производителем водорода, в Китае освоены на промышленном уровне новые наукоемкие технологии, в частности металлогидридная.
Перечень национальных водородных программ далеко неполный, в реализации концепции водородной энергетики активно участвуют Канада, Австралия, Новая Зеландия, Бразилия, Индия и др.
Российская Федерация. Экономика и основа бюджета России строятся на экспорте нефти и газа. Необходимо быть готовым к снижению такой зависимости во избежание депрессивной модели развития страны. Главная проблема водородной энергетики— стоимость. Она сегодня непомерно высока — от 10 до 20 тыс. долл. за 1 кВт установленной мощности. Чтобы обогреть трехкомнатную квартиру, надо 10 кВт, плюс питание электроприборов (около 2 кВт) — всего получается 12. Таким образом, потребуется установка стоимостью минимум 120 тыс. долл., а чтобы обеспечить электроэнергией коттедж площадью 200 м2 , нужно около 400 тыс. долл. Задача существенного снижения стоимости (не менее чем в 10 раз) энергоустановок на водороде стоит перед учеными в рамках программы «Водородная энергетика и топливные элементы», которую финансирует «Норильский никель». Вероятнее всего, именно водородная энергетика закрывает вопросы: как сделать все возможные источники энергии более совместимыми между собой, как сделать их совокупное влияние на окружающую среду минимальным. Потому что этот источник энергии является более универсальным, более гибким в использовании и экологически более чистым. Ситуация здесь подобна той, которая возникла в конце XIX века при переходе от «века пара» к «веку электричества», когда более удобные и эффективные электрические системы вытеснили паровые машины.
Водород самый распространенный элемент во Вселенной (92 %) и один из самых распространенных на Земле –15.52 %, среднее содержание водорода в земной коре 1.4 г/кг. Источниками водорода на Земле являются вода и органические соединения, включая углеводороды и биомассу. Водород вступает при высоких температурах в реакции гидрирования, это широко используется в химической (синтез аммиака и метанола), нефтехимической (гидрокрекинг) и пищевой (гидрирование растительных жиров) промышленности, и других отраслях. Восстановительные свойства водорода широко используют в химической отрасли, в порошковой металлургии, металлообработке, машиностроении, а также микроэлектронике.
Водород имеет самую низкую вязкость и самую высокую теплопроводность по сравнению с другими газами. При комнатной температуре и атмосферном давлении теплопроводность водорода – 0.182 Вт/(м•К), это в 1.24 раза выше чем у гелия, в 5.9 метана, в 7.2 азота и кислорода, в 10.7 аргона. При тех же условиях коэффициент динамической вязкости газообразного водорода составляет 8.92•10-6 Па•с, что в 2.11 раза ниже, чем у гелия при тех же условиях.Низкая вязкость водорода повышает опасность утечки его через уплотнения, это повышает требования к качеству газовой аппаратуры.
Водород - горючий газ, пожаро и взрывоопасен, у него широкие пределы горения и детонации. Однако низкая плотность и высокая скорость диффузии водорода способствуют быстрому выветриванию на открытой местности и при вентиляции помещений. Так же водород имеет высокую нижнюю границу детонации (в 2.06 раза больше, чем у метана), это обуславливает снижение взрывоопасности водорода при реальных условиях.
2. Получение водорода
Обнаружить водород в природе в чистом виде практически невозможно, его получение возможно только химическим способом из других соединений. Различные методы выделения водорода из соединений дают ему преимущество перед ископаемым топливом, т.к. он становится энергетически безопаснее, низкая зависимость от других видов сырья. Такими методами можно назвать: паровую конверсию метана; электролиз воды, газификацию угля, паролиз, частичное окисление, биологические технологии. Данные методы можно разделить на промышленные и лабораторные.
2.1. Основные физико-химические свойства водорода
Свойства водорода делают его уникальным, они определяют обширное применение его в промышленности, однако имеются существенные проблемы с получением и использованием.
На Земле водород очень распространен, порядка 15 %, в земной коре в среднем около 1,4 г/кг, в основном он содержится в органических соединениях и воде (углеводороды, биомасса). При больших температурах может вступать в реакции гидрирования, это широко использует химическая отрасль (синтез аммиака и метанола), нефтехимическая (гидрокрекинг) и пищевая (гидрирование растительных жиров) и другие. Восстановительная способность водорода широко используется в химической отрасли, в порошковой металлургии, металлообработке, машиностроении, а также микроэлектронике.
Водород имеет самую низкую вязкость и самую высокую теплопроводность по сравнению с другими газами. При комнатной температуре и атмосферном давлении теплопроводность водорода – 0.182 Вт/(м•К), это в 1.24 раза выше чем у гелия, в 5.9 метана, в 7.2 азота и кислорода, в 10.7 аргона. При тех же условиях коэффициент динамической вязкости газообразного водорода составляет 8.92•10-6 Па•с, что в 2.11 раза ниже, чем у гелия при тех же условиях.Низкая вязкость водорода повышает опасность утечки его через уплотнения, это повышает требования к качеству газовой аппаратуры.
Водород - горючий газ, пожаро и взрывоопасен, у него широкие пределы горения и детонации. Однако низкая плотность и высокая скорость диффузии водорода способствуют быстрому выветриванию на открытой местности и при вентиляции помещений. Так же водород имеет высокую нижнюю границу детонации (в 2.06 раза больше, чем у метана), это обуславливает снижение взрывоопасности водорода при реальных условиях.
2.2. Производство водорода и структура его потребления
К настоящему времени технологии крупномасштабного производства и переработки водорода хорошо освоены. Ежегодное мировое производство водорода к концу 1990-х гг. составляло 40 – 45 млн. т, что соответствуют 20–25% ежегодной мировой добычи природного газа. Большую часть водорода получают паровой конверсией, либо частичным окислением углеводородного
сырья, главным образом природного газа. Следует отметить, что только 62% водорода производят как целевой продукт, остальные 38% являются побочным продуктом других производств (нефтепереработка, коксохимия и т.п.). К последним также относится почти весь электролитический водород, получаемый в настоящее время в производстве хлора и каустической соды, основными потребителями водорода (95%) являются химическая
промышленность и нефтепереработка
2.3. Методы получения водорода
Существующие способы производства водорода базируются на использовании в качестве исходного сырья воды (электролиз, фотолиз и радиолиз), угля и природного газа (паровая и парокислородная конверсии), сероводорода (химическое и плазмохимическое разложение) и некоторых других веществ. Основное направление совершенствования всех процессов производства водорода состоит в увеличении их эффективности, уменьшении капитальных затрат и эксплуатационных расходов, увеличении надежности и технологической гибкости.
2.3.1. Электролиз воды
Электролиз воды является перспективной технологией получения водорода в будущем, так как использование углеводородов для получения водорода мало отличается от сжигания ископаемых ресурсов в с точки зрения экологической безопасности, но из-за высокой стоимости электроэнергии для получения водорода доля составляет 4-5%. Наиболее привлекательными особенностями электролиза воды являются экологическая чистота (при условии, что производство первичной энергии не сопряжено с загрязнением окружающей среды), возможность создания установок с широким диапазоном производительности (от нескольких литров до сотен м3 водорода в час), простота эксплуатации и удобство в работе, высокая чистота производимого водорода и наличие ценного и экологически чистого побочного продукта - газообразного кислорода. Основной вклад в стоимость электролитического водорода (70-90%) вносят затраты на электроэнергию. В то же время, при наличии дешевой электроэнергии электролитическое получение водорода может стать рентабельным.
2.3.2. Паровая конверсия метана
Паровая конверсия метана (ПКМ). Паровая конверсия углеводородных газов получила широкое распространение после второй мировой войны и в настоящее время является наиболее рентабельным способом производства водорода. Себестоимость процесса 2–5 долл. за кг водорода. Процесс отделения водорода от углеродной основы в метане протекает в трубчатых печах при внешнем подводе теплоты при температурах 750–850 через стенку трубы на каталитических поверхностях (никель, корунд и др.)
