ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

К наиболее серьезным проблемам, стоящим перед человечеством, безусловно, является экологическая проблема. Наряду с локальными экологическими бедствиями такими, как смог в крупных городах, высокий уровень выбросов от автомобилей и на отдельных предприятиях, прорывы нефтепроводов и т.д.

Авария на Саяно-Шушенской ГЭС, когда в результате выхода из строя одной из турбин начался неконтролируемый сброс воды. В результате было разрушено и затоплено здание электростанции и погибли несколько десятков людей.

Авария на Чернобыльской атомной станции, когда в результате сильного повышения температуры в активной зоне реактора произошел тепловой взрыв и реактор был разрушен и в результате возникло сильное загрязнение окружающей среды радиоактивными отходами.

Авария на АЭС в Японии (местечко Фукусима) , когда в результате землетрясения образовалось цунами и из-за подтопления реактора внешними водами произошла авария, которая вывела электростанцию из строя и как следствие возникло сильное загрязнение окружающей среды радиоактивными отходами.

Наряду с локальными экологическими бедствиями возникли общепланетарные явления и экологические проблемы, такие, как парниковый эффект, озоновые дыры, кислотные дожди. Наиболее крупный вклад в загрязнение окружающей среды вносят энергетика и транспорт. Основные выбросы вредных компонентов возникают в результате химических процессов горения топлива в парогенераторах и двигателях внутреннего сгорания (рис.168).

Рис.168 Доли загрязнений атмосферы различными отраслями техники в Росии: 1-теплоэнергетика; 2- черная металлургия; 3-нефтедобыча и нефтепереработка; 4- автотранспорт; 5- цветная металлургия; 6- промышленность стойматериалов; 7- химическая промышленность.

Дефицит ископаемых органических топлив в сочетании с глобальными экологическими проблемами обуславливает интерес к использованию водорода в качестве универсального энергоносителя для стационарных и мобильных энергоустановок. Сейчас сложилось мнение , что благодаря неограниченным ресурсам, высокой энергонасыщенности , технологической гибкости и экологической чистоте процессов преобразования энергии с участием водорода, его следует рассматривать как наиболее перспективный энергоноситель будущего.

Особенности свойств водорода. Водород является наиболее распространенным элементом во Вселенной (93ат.%) и одним из самых распространенных на Земле – 15,5ат.%. Среднее содержание водорода в земной коре 1,4г/кг. Основными источниками водорода являются вода и органические соединения, включая нефть, природный газ и биомассу.

Способность водорода вступать при повышенных температурах в каталитические реакции гидрирования широко используются в химической (синтез аммиака и метанола), нефтехимической (гидрокрекинг) промышленности. Восстановительные свойства водорода используются в порошковой металлургии, металлообработке, машиностроении, микроэлектронике. Например Н₂ + МеО→Н₂О +Ме , т.е. окисел металла восстанавливается водородом и образуется металл и вода.

Среди известных газов водород имеет самую низкую вязкость и самую высокую теплопроводность.

Водород относится к горючим газам с повышенной пожаро – и взрывоопасностью. Он имеет широкие концентрационные пределы горения и детонации, высокую скорость распространения пламени (в 8 раз выше, чем у метана), а также низкую энергию воспламенения.

Использование водорода. Использование водорода как топлива основано на реакции окисления водорода кислородом, протекающей при нормальных условиях 0⁰С, 0,2МПа с большим тепловыделением (120Мдж/кг).

Преимуществами водородного топлива при сжигании его в двигателях внутреннего сгорания, парогенераторах, реактивных двигателях и т.д. является высокая теплотворная способность, полнота сгорания, высокие температуры пламени и тепловой КПД, который в двигателях внутреннего сгорания на 30-50% выше, чем при работе на бензине, отсутствие вредных выбросов в атмосферу. В настоящее время водород широко используется как ракетное топливо. Разработки автомобилей на водородном топливе, либо смеси водорода с бензином уже сейчас реализованы целым рядом автомобильных компаний на уровне демонстрационных образцов.

Для выработки энергии водород предполагается сжигать в двигателях внутреннего сгорания, турбинах или парогенераторах, либо электрохимически окислять в топливных элементах. Последнему подходу отдается предпочтение вследствие более высокой эффективности, компактности и удобства в работе электрохимических установок.

Основным направлением современных разработок по использованию водорода в энергетике являются электрохимические генераторы энергии – топливные элементы (ТЭ)

Вместе с тем известны способы преобразования энергии, например электрохимический, практически лишенные указанных недостатков. Электрохимический способ преобразования энергии осуществляется в топливных элементах или ячейках.

Топливная ячейка или топливный элемент.В этих преобразователях получаются более высокие КПД, в сравнении с тепловыми генераторами. На рис.169 показана принципиальная схема водородно-кислородного топливного элемента.

Рис. 169 Принципиальная схема ТЭ

Электроды в топливном элементе выполнены пористыми (угольные или никелевые). Через пористые электроды вводятся газообразные водород и кислород. Молекула водорода (Н₂) из потока газа подходит к электроду (аноду), адсорбируется на нем и распадается на два атома. Водород, будучи типичным восстановителем, весьма охотно отдает свой электрон, его атомы быстро превращаются в ионы (протоны) и оказываются внутри материала электрода, т.е. происходит переход положительных ионов водорода в электролит. Оставшиеся на аноде электроны создают на аноде отрицательный потенциал и во внешней цепи перемещаются к катоду (кислородному электроду). Атомы кислорода, из потока газа, адсорбируются на катоде, присоединяют к себе электроны, образуя отрицательные ионы, которые , присоединяя ионы водорода, переходят в раствор в виде ионов гидроксила ОН^-. Ионы гидроксила, соединяясь с ионами водорода, образуют воду. Таким образом, при подводе водорода и кислорода происходит реакция окисления газов с одновременным образованием тока во внешней цепи.

В ТЭ происходит окисление водорода (превращение атома в ион и отдача одного электрона) на отрицательном электроде (водородном электроде)

2Н₂ + 4ОН^- -4е → 4Н₂О

т.е на электроде образуется избыток электронов

И электровосстановление кислорода на положительном электроде (кислородном электроде)

О₂ + 2Н₂О + 4е→ 4ОН^-.

Гидрооксид ионы (ОН-) двигаются в ионном проводнике (электролите) от катода к аноду, а электроны во внешней цепи – от анода к катоду. Суммируя два верхних уравнения получим уравнение реакции окисления водорода (реакция сжигания водорода)

2Н₂ + О₂ = 2Н₂О.

Таким образом, в результате реакции (3) во внешней цепи протекает постоянный ток, т.е. происходит прямое преобразование химической энергии в электрическую, в то время как в тепловых машинах процесс преобразования химической энергии горения топлива проходит через несколько промежуточных стадий .

Основное отличие ТЭ от гальванических элементов заключается в том, что в ТЭ используются нерасходуемые электроды, поэтому ТЭ могут работать длительное время ( до нескольких лет). Реагенты в ТЭ поступают во время работы, а не закладываются заранее, как в гальванических батареях. В отличие от аккумуляторов ТЭ не требуют подзарядки.

Так как напряжение между электродами топливного элемента невелико (порядка 1,23В), то элементы последовательно соединяют в батареи. КПД таких топливных элементов очень высок. Теоретически он близок к единице, а на практике составляет 80-90%. Батареи ТЭ могут работать, если в них непрерывно подаются реагенты и отводятся продукты реакции и тепло.

В качестве материала в ТЭ со щелочным электролитом (КОН) обычно применяется никель, устойчивый к щелочным растворам. Для ускорения реакции в электроды вводят платину (как катализатор). Энергоустановки на основе ТЭ с щелочным электролитом мощностью 4,5 и 30КВт нашли применение в космических кораблях «Аполлон» и «Шаттл».

Энергоустановки на основе ТЭ имеют многие преимущества по сравнению с традиционными энергоустановками: более высокий КПД (в 1,5-2раза), бесшумны, экономичны и у них отсутствуют вредные отходы, загрязняющие атмосферу, широкий диапазон мощностей. Пока основным тормозом для широкого применения ТЭ является относительно высокая себестоимость (в 2-3раза) по сравнению с традиционными установками. Можно ожидать, что в дальнейшей перспективе энергоустановки на основе ТЭ будут вносить весомый вклад в генерацию энергии и решение экологических задач транспорта и энергетики.