1598005503-634bb8193a0a063d19abf81fb6d27ecd (Введение в водородную энергетику. Э.Э. Шпильрайн, С.П. Малышенко, Г.Г. Кулешов, 1984u), страница 10

Таким образом, для установки такого типа сравнительно небольшой производительности — !О' т Нг год-' (в пересчете на условное топливо 41 000 т год-') требуются фотобатарен плошадью 5 1О' мй При использовании солнечных коллекторов к злектролизеру предъявляются менее жесткие требования и площадь коллектора длн установки той же производительности несколько меньше, чем плошадь фотобатарей, однако необходимы дополнительные затраты иа системы преобразования энергии солне шого излучения в теплоту н электроэнергию (парогенератор, турбина, злектрогенератор и т. д.).

Кроме того, в связи с неравномерностью производства водорода установки обоих типов требуют создания систем хранения водорода для согласо. ванин их работы с графиком потребления водорода. И в том, н в другом случзе в настоящее время капитальные затраты в солнечную эиергоустаиовку, производящую электроэнергию, весьма велики, а единичная электрическая мощность установок относительно невелика (для наиболее крупных нз проектируемых сегодня электростанций она не превышает 100 МВт). Анализ использования термохимических и термоэлекгрохимнческич циклов для крупномасштабного производства недорода за счет солнеч.

ной энергии показывает, что полная эффективность преобразовании 48 ввергни (КЙД процесса) ь этом случае может достигать 30 а)а, однакд необходимость аккумулирования высокопотенциальной теплоты н более сложное и громоздкое оборудование этих процессов по сравнению с злектролизом приводят к тому, что стоимость получаемого водорода оказывается на 30 — 40 % выше, чем в схемах с использованием электролиза. Прямое использование солнечной энергии возможно также в комбинированных фототермохимических, фотоэлектрохимнческих и фототермоэлектрохимнческих процессах разложения воды.

В этих случзях производительность установок дополнительно ограничивается фотохимической стадией процесса, поскольку длн проведения фотохимических реакций исполыуется лишь часть энергии солнечного излучения в достаточно узком спектральном интервале. Эффективность преобразования энергии в таких схемах может оказаться, однако, больше, чем в рассмотренных выше случаях, поскольку часть энергии солнечного излучения используется непосредственно для разложения воды без промежуточных стадий преобразования энергии.

Прямое преобразование энергии солнечного излучения для получе. ния водорода возможно также н в различных фотобиохнмическнх процессах. В этом случае также используется лишь часть спектра излучения Солнца и, кроме того, фотобиохимические процессы эффективно протекают в достаточно узком интервале температур среды. Например, анаэробные бактерии Кйоборэенбопюпаэ сарзц1а!а з подходящем водном растворе органических веществ под действием солнечного света выделяют водород прн температуре раствора от 283 до 3!3 К,максимальная же производительность по водороду достигается в интервале температур 305 †!3 К. Эффективность преобразования энергии солнечного излучения в водород составляет около 5 %. Сточные воды некоторых предприятий могут служить подходящей средой для этих бактерий, при этом установки для производства водорода могут удачно сочетаться с системой очистных сооружений.

Однако площадь реакторов, т. е. площадь, с которой необходима собрать образующийся водород, для установок относительно небольшой производительности, как н в случае фотобатарей, весьма велика (порядка 10' мз и более). Биомасса — древесина, растения н водоросли, отходы лесной про)нышленцостн, сельского хозяйства, торф — может быть использована для получения водорода путем ее переработки различными методамн.

Однако многие исследователи отмечают, что наиболее эффективные пути использования биомассы как возобновляемого энергоресурса состоят в получении из нее газообразных и жндких моторных, котель. ных и бытовых топлив (биогаза, метана, метанола, этанола н других углеводородов) и в прямом сжигании в виде топлива (в основном для сельской энергетики). Такие возобновляемые энергоресурсы, как энергия ветра, теплота верхних слоев океанской и морской воды, гидроэнергия, геотермальная 4 — 12 49 г энергия и энергия приливов, тоже могут быть использованы дляполучения водорода после преобразования энергии первичных источников в электроэнергию.

Возможные масштабы пронзнадства водорода за счет энергии ветровых, геотермальных и приливных электростанций ограничиваются прежде всего их едцннчнымн мощностями, которые по суще ствующим сегодня разработкам не будут превышать нескольких десят-. ков нлн сотен мегаватт.

В настоящее время в мире работает большое количество устаиовони заводов по производству водорода электролнзом воды за счет электроэнергии, полученной от ГЭС. Сегодня это навболее отработанный н экономичный путь производства водорода нз воды, получавший широкое развитие в странах, бедных топливными и богатых гидроэнергоресурсами, таких как Норвегия и Япония. Возможные масштабы производства водорода в этом случае определяются гидроэнергетическим потенциалом рек. Необходимо подчеркнуть, что для возобновляемых знргаресурсов с непостоянным графиком поступления одним из наиболее рациональных способов их использования является производство водорода или других энергоносителей на его основс. Глава вторая Получение водороде с помощью угля Как ясно из названия этой главы, речь в ней пойдет не о получении водорода из угля, хотя, например, в буром угле его содержание достигает нескольких процентов.

Как и в большинстве случаев в этой книге, получение водорода связывается с разложением воды. Таким образом, в данной главе рассматривается разложение воды с использованием либо непосредственно угля, либо каких-нибудь легко получаемых из него веществ. При этом уголь отождествляется с углеродом (особенно при рассмотрении термодинамики соответствующих процессов). В описаниях технологических процессов будет, разумеется, рассматриваться реальный уголь, содержащий влагу, минеральную часть, летучие, гетероатомы и т. и. г 2.1.

Методы производства водорода с помощью угля Разложение 1 моля жидкой воды при стандартной температуре (298 К) при полностью обратимых процессах по реакции НзО= На+1/20я (2.1) 50 требует затраты работы, равной Л6,'=237,4 кДж моль-!. В то же время максимальная работа, которая может быть получена при полном окислении угля при стандартной температуре реакции С+Оз=СОз, (2.2) составляет Л6з —— 394,6 кДж моль-1 СО,, Таким образом, при полностью обратимых процессах для получения 1 кмоля водорода (2 кг водорода) потребовалось бы — = 0,6 кмоля С = 7,22 кг С, 394,6 т.

е. 3,61 кг углерода на 1 кг водерода. Прн ' разложении воды в виде пара (чаще всего на практике встречается именно такой случай) с учетом того, что Л6сш=228,7 кДж маль†' НзО, теоретический расход углерода составит 0,58 моля С или 3,48 кг С на 1 кг водорода и КПД в расчете на низшую теплоту сгорания водорода (241,9 кДж моль-' Нз) будет равен 1,06. Значение КПД, большее единицы, связано с тем, что прн обратимом протекании реакции С+2НзОи е2Нз+СОз (2,31 при стандартной температуре энтропия возрастает на 78,59 энтропийной единицы (з.

е.), что означает возможность подвода из окружающей среды 98,0 кДж моль-' С. Зта теплота и прибавляется к теплоте сгорания израсходованного угля. Однако на практике процессы разложения воды углеродом не являются обратимыми, вследствие чего затраты углерода на получение водорода возрастают, Прежде всего следует отметить, что реакция (2.3) является эндотермичной и для ее реального осуществления к системе необходимо подводить теплоту. Зта теплота в конечном итоге может быть получена за счет дополнительного сжигания некоторого количества угля. При этом можно представить себе подвод этой теплоты через стенку реактора аллотермическим способом или непосредственным добавлением кислорода в реакционный объем для обеспечения антотермичности системы.

Термодинамические характеристики процессов проще всего рассмотреть в аллотермическом варианте. Стандартный тепловой эффект реакции (2.3) при условии, что вода 4' 51 участвует в реакции в виде пара, составляет ЛН9299 =+90170 кДж кмоль — 'С и в первом приближении температуры не зависит.