125058 (Водород как альтернативный вид топлива), страница 2

Мы подняли лишь краешек занавеса сцен на которой действует один из интереснейших элементов нашей Вселенной – многоликий водород. Вплоть до XX в. Все были убеждены, что за «горючим воздухом» Кавендиша, гидрогениумом Лавуазье скрывается элемент, рождающий при своём соединении с кислородом обычную воду.

Но в XX в. Водород приобрёл многоликость. В природе были открыты три различных водорода, три его изотопа, которые были названы в соответствии со сложностью своих ядер. Самый лёгкий – протий. Водород в обычной воде в основном состоит из протия. Но в воде есть и более тяжёлый водород – дейтерий. На каждые 6700 атомов протия приходится один атом дейтерия.

Существует и сверхтяжёлый водород – тритий. Тритий радиоактивен. Он непрерывно образуется в стратосфере под действием космического излучения. Есть предположения, что это не предел для существования новых, ещё более тяжёлых изотопов водорода, которые должны быть радиоактивны.

Дейтерий – исходный элемент для энергии будущего. Впервые существование тяжёлого водорода – дейтерия было доказано в 1932 году. Несмотря на относительно малое содержание дейтерия в обычной воде, общее количество дейтерия на Земле очень велико. По подсчётам академика И. В. Курчатова, 1 литр обычной воды по энергии содержащегося в нём дейтерия эквивалентен примерно 400 л нефти, поэтому дейтерия кат топлива будущего хватит на сотни миллионов лет. (Вспомните ещё раз героя Жуля Верна).

Количество трития на Земле исчезающее мало. Его меньше 1 кг, но, несмотря на это, его можно обнаружить в каждой капле воды. А его значение в будущей энергетике, возможно, ещё более велико, чем дейтерия. Он неустойчив, период его полураспада – 12, 262 года.

Водород (протий), дейтерий и тритий образуют двухатомные молекулы. Молекулы с одинаковыми атомами Н₂, D₂, Т₂ существуют в двух ядерно-изомерных формах, орто- и пара-форме. Эта изомерия является исходной причиной различия магнитных, спектральных и термических свойств обеих модификаций.

Мой рассказ о водороде и водородной технологии был бы неполным, если бы мы не указали на ещё один лик водорода – атомарный водород, победное шествие которого в технике предстоит. Дело в том, что атомарный водород более перспективное горючее, чем протий.

Р. Вуд в 1922 г. установил, что при пропускании тихих электрических разрядов через водород, находящийся под давлением в нескольких десятых долей миллиметра ртутного столба, можно получить атомарный водород. При 1700^оС количество диссоциированного водорода (Н₂ – 2Н) составляет доли процента, а при 4700^оС оно доходит до 95%. Атомарный водород уже при комнатной температуре восстанавливает оксиды металлов, соединяется с кислородом, серой. Но главное, в чём заключается его ценность и что обеспечивает его будущее, - это огромная энергия, которая выделяется при рекомбинации атомов водорода в молекулу. Эта теплота используется при автогенной сварке особо тугоплавких металлов, например тантала с вольфрамом. Температура при такой сварке достигает 4000^оС.

Высокая теплота рекомбинации атомов водорода в молекулу открывает возможность использовать атомарный водород в качестве особо высокого по калорийности топлива. Но атомарный водород очень неустойчив, он существует в течении десятых долей секунды, затем превращается в молекулярный водород. Создание условий, при которых можно было бы хранить атомарный водород, - задача ещё не решённая.

И наконец, ещё один лик водорода – протон (ядро атома водорода), широко используемый в современной науке для осуществления ядерных реакций.

Многолик водород, он широко и глубоко вторгается в современные энергетику транспорт, химическую технологию.

Сколько получают водорода и для каких целей?

Водород получают в газообразном виде и, если для использования необходим жидкий водород, его подвергают глубокому охлаждению и ожижению.

Производство молекулярного водорода в 1985 году достигло примерно 57 млн. тонн (без СССР), а в 1990 году уже 95. Если вспомнить, что водород это газ, который в 14,5 раза легче воздуха, то станет ясно, какой это громадный объем.

Где же в настоящее время используется такая масса водорода? Во-первых, в азотной промышленности, для получения синтетического аммиака. Во-вторых, для получения метанола из СО и Н₂, Значительное количество водорода используется в нефтехимической промышленности для очистки нефти от сернистых соединений, для гидрирования тяжелых нефтяных фракций и повышения выхода легких фракций, в ряде нефтехимических синтезов, для гидрирования жиров, в металлургии для восстановления руд черных и цветных металлов, жидкий водород необходим в авиации и космонавтике, в ряде производств. В будущем потребление водорода будет расти более высокими темпами. Возникнет промышленность синтетического жидкого и газообразного топлива на базе твердых горючих ископаемых (гидрирование и гидрогазификация твердых топлив).

Мы, здесь не раскрываем широкое использование водорода в промышленности (водородная сварка и резка металлов, микроэлектроника и т. д.), в сельском хозяйстве. Особо стоит вопрос об использовании изотопов водорода в атомной и термоядерной энергетике.

Вот пример, который будет характеризовать одного из будущих потребителей водорода.

Дом на водороде. Как это мыслится? В настоящее время для обеспечения всех городских удобств к городскому дому должны быть подключены коммуникации для бытового газа, источники электропитания, источники бытового теплоснабжения. Все это очень дорого и сложно. Нельзя ли упростить эту схему? Современная техника дает на это однозначный ответ – можно. Для этого к дому должна быть подведена лишь одна трасса – трубопровод для водорода.

Использование водорода для бытовых целей в значительной степени технически подготовлено. Известны и испытаны различные типы керамических горелок. Регулируя подачу газа в горелку, в которую вмонтирована каталитическая пластина, можно менять в широких пределах температуру нагрева при приготовлении пищи. Водород легко и полностью сгорает при низких температурах на поверхности катализаторов. При этих температурах полностью исключается образование оксидов азота. Единственным продуктом сгорания на кухне будет водяной пар.

Низкотемпературное сжигание водорода обеспечивает его использование в низкотемпературных каталитических калориферах для бытового отопления. Форма обогревателя конструируется в зависимости от целей обогрева. Например, стены квартиры могут использоваться как поверхность нагрева.

Освещение в доме на водороде может обеспечиваться специальными светильниками, в которых на внутреннюю сторону трубки наносится фосфор точно так же. Как в люминесцентных лампах. Когда водород в присутствии регулируемого количества воздуха вступает в контакт с фосфором, последний люминесцирует, освещая квартиру, но сама лампа не нагревается. Холодильники и кондиционеры в таком доме могут работать с помощью адсорбционных рефрижераторов с использованием каталитической водородной горелки в качестве источника энергии. К такому дому не надо подводить электроэнергию для других электробытовых приборов (пылесосов, телевизоров, вентиляторов и т.д.), так как электроэнергия может вырабатываться в самом доме на основе водородного топливного элемента.

Дом на водороде ведёт к посёлку на водороде и городу на водороде, где единственны энергоносителем становится водород, который используется не только в быту, но и для транспортных целей (автомобили на водородном топливе), в промышленности. Такой город будет совершенно чистым в экологическом отношении, так как единственным выбросом в атмосферу будет чистый водяной пар.

Роль водорода и водородной технологии в кругообороте веществ в природе

В настоящее время связанный углерод в виде природного газа, нефти, твёрдого горючего (древесины, торфа, каменного угля) активной человеческой деятельностью в промышленности, на транспорте и в быту переводится в энергетические тупики – залежи карбонатных пород. Общее промышленно выделение СО₂ в атмосферу с каждым годом возрастает. Возвратить эту огромную массу связанного углерода, исчисляемую десятками миллиардов тонн, в кругооборот веществ в природе – одна из важнейших задач водородной технологии. Именно водородная технология разработала ряд путей для достижения этой цели. В основе этой технологии лежат процессы гидрирования СО₂ до метана, метанола, жидких углеводородов. Например,

СО₂ + 3Н₂ ^{катализатор} = СН₃ОН + Н₂О.

Метанол необходим промышленности в миллионах тонн. Он может также стать основным источником для получения бензина.

В долгосрочной перспективе диоксид углерода при наличии мощных источников дешёвого водорода может стать главным, а возможно и единственным сырьевым источником промышленного органического синтеза. При этом, вероятно, найдут применение как обычные химические, каталитические процессы, так и фотохимические и биохимические методы. Здесь необъятный простор для творчества всех степенях науки. Основным компонентом новой системы органической технологии на база СО₂ является наличие мощной водородной технологии. Превратить СО₂ атмосферы, а если потребуется и часть осадочных карбонатов земной коры в источник углеводородов – крупнейшая задача химии XXI века.

Внимание, водород!

Говоря о водороде, его широком использовании в быту, промышленности, на транспорте, нельзя забывать и о его взрыво- и пожароопасных свойствах. Недостаточная подготовленность и нестрогое выполнение правил при использовании водорода может привести к трагедиям, гибели людей.

При изучении в школе водорода как химического элемента необходимо осветить и его большое будущее в нашей жизни. На уроках химии следует подготавливать учащихся к обращению с ним при его получении и использовании. Нужно призывать их к большой осторожности и вниманию при работе с водородом. Каждый учащийся должен знать пределы его воспламенения и взрываемости в воздухе, в кислороде, энергию воспламенения, правила хранения и техники безопасности при обращении с водородом как газообразном, так и в жидком состоянии.

Проблемы получения энергии

Сейчас на человечество надвигается энергетический кризис, и пока официальная наука с прискорбием сообщает, что нет альтернативы традиционным источникам энергии - уголь, нефть, газ.

Огромную часть энергии дают нам АЭС и ГЭС. Поговорим об АЭС. На них используется энергия, получающаяся в результате расщепления атомного ядра. Но год назад Владимир Машков в своих исследованиях предложил расщеплять не тяжелые атомы, а легчайшие элементарные частицы.

Водородные двигатели

Водород - очень перспективный энергоноситель, позволяющий одновременно решить сложные экологические проблемы. При его сгорании (быстро протекающей экзотермической реакции окисления кислородом) получаются лишь вода и тепло. Да, образуются еще окислы азота, количество которых зависит от температуры сгорания смеси в цилиндре двигателя. И здесь важно, что в водородных двигателях температура сгорания топлива на режимах городской эксплуатации существенно ниже, чем в углеводородных (бензиновых, спиртовых, метановых, пропан-бутановых и т.д.).

Очевидно, что если под "водородным двигателем" понимать электрический, получающий энергию от реакции соединения водорода и кислорода в топливных элементах, то окислов азота не будет совсем. А углеводородное топливо "поставляет" при сжигании целый букет токсичных соединений, среди которых сажа - далеко не самая вредная.

Мне представляется, что первый этап становления водородной энергетики - это применение водорода в качестве моторного топлива. Пока топливные элементы, при всей их перспективности, удовольствие очень дорогое. Не все технологии отработаны, и процесс этот идет достаточно медленно, еще далеко не все вопросы решены. Ожидают, что … вот-вот будет. Еще двадцать пять лет назад можно было видеть "Рафик" на топливных элементах. Впрочем, истории водорода как топлива тоже не один десяток лет.

"Водородное будущее" автотранспорта эксперты связывают, прежде всего, с топливными элементами. Их притягательность признают все.

Никаких движущихся частей, никаких взрывов. Водород и кислород тихо-мирно соединяются в "ящике с мембраной" (так упрощённо можно представить топливный элемент) и дают водяной пар плюс электричество.

Ford, General Motors, Toyota, Nissan и многие другие компании наперебой щеголяют "топливоэлементными" концепткарами и собираются вот-вот "завалить" всех водородными модификациями некоторых из своих обычных моделей.

Водородные заправки уже появились в нескольких местах в Германии, Японии, США. В Калифорнии строят первые станции по электролизу воды, использующие ток, выработанный солнечными батареями. Аналогичные эксперименты проводят по всему миру.

Между тем, есть ещё один путь внедрения водорода на автотранспорте — сжигание его в ДВС. Такой подход исповедуют BMW и Mazda. Японские и немецкие инженеры видят в этом свои преимущества.

Прибавку в весе машины даёт лишь водородная топливная система, в то время, как в авто на топливных элементах прирост (топливные элементы, топливная система, электромоторы, преобразователи тока, мощные аккумуляторы) — существенно превышает "экономию" от удаления ДВС и его механической трансмиссии.

Потеря в полезном пространстве также меньше у машины с водородным ДВС (хотя водородный бак и в том, и другом случае съедает часть багажника).

Эту потерю можно было бы вообще свести к нулю, если сделать автомобиль (с ДВС), потребляющий только водород. Но тут-то и проявляется главный козырь японских и германских "раскольников".

BMW и Mazda предлагают сохранить в автомобиле возможность ездить на бензине (по аналогии с распространёнными ныне двухтопливными машинами "бензин/газ").