ДВС на водні
В останні десятиліття стало очевидним фактом, що подальше інтенсивний розвиток сучасної енергетики і транспорту веде людство до великомасштабного екологічної кризи. Стрімке скорочення запасів викопного палива буде примушувати індустріально розвинені країни розширювати мережу атомних енергоустановок, які у все зростаючій мірі стануть підвищувати небезпеку їх експлуатації. Різко загостриться проблема утилізації радіоактивних відходів.
З огляду на цю тривожну тенденцію, багато вчених і практики виразно висловлюються на користь прискореного пошуку альтернативних нетрадиційних джерел енергії. Зокрема, їх погляди звертаються до водню, запаси якого водах Світового океану невичерпні. Незаперечною перевагою водневого палива є відносна екологічна безпека його використання, прийнятність для теплових двигунів без істотної зміни їх конструкції, висока калорійність, можливість довготривалого зберігання, транспортування по існуючій транспортній мережі, нетоксичність і т.д.
З водневої енергетикою (економікою) пов'язані надії на глобальна перебудова світової економіки, до переходу від викопних вуглеводневих енергоносіїв до водню, що відкриває можливість використання в якості необмеженої сировинної бази водні ресурси, а продуктами згоряння водню є пари води. У віддаленому майбутньому для отримання електролітичного водню передбачається використовувати в основному термоядерну, сонячну і інші поновлювані джерела енергії. Однак істотною непереборною проблемою до сьогоднішнього дня залишається неекономічність промислового виробництва водню.
У широкому сенсі воднева енергетікаоснована на використанні в якості палива водню. Воднева енергетика також включає: отримання водню з води і ін. Природного сировини; зберігання водню в газоподібному та скрапленому станах або у вигляді штучно отриманих хімічних сполук, наприклад гідридів інтерметалічних сполук; а також транспортування водню до споживача з невеликими втратами. Однак, воднева енергетика поки не отримала широкого застосування. Методи отримання водню, способи його зберігання і транспортування, які розглядаються як перспективні для водневої енергетики, перебувають на стадії дослідно-конструкторських розробок і лабораторних досліджень.
Вибір водню як енергоносія зумовлений низкою переваг, головні з яких є екологічна безпека водню, оскільки продуктом його згоряння є вода, виключно висока ентальпія
рівна - 143,06 МДж / кг (для звичайного вуглеводневого палива - 29,3 МДж / кг); висока теплопровідність водню, а також його низька в'язкість, що дуже важливо при його транспортуванні по трубопроводах.
Світові запаси води на Землі невичерпні. Ми гарячково шукаємо паливо майбутнього, а самі буквально купаємося в ньому. Адже щоб користуватися водою як паливом, треба придумати якийсь пристрій, що працює на ній, а вірніше, на її складових водні та кисні. З основ хімії відомі методи дисоціації (способи розкладання) води на водень і кисень - термічна, електрична, під дією іонізуючих випромінювань, радіохвиль і ін.
Це сприяє можливості багатостороннього використання водню. Водень може бути використаний в якості палива в багатьох хімічних і металургійних процесах, а також як паливо в авіації та автотранспорті, так і у вигляді добавок до моторних палив.
Для отримання і передачі енергії також перспективно отримання і використання водню хімічними способами. По одному з них суміш водню з монооксидом вуглецю (СО), отримана на першому місці каталітичної конверсії метану, передається до споживача по трубопроводу і надходить в апарат - метанатор, в якому здійснюється зворотна екзотермічна реакція:
Виділяється при цьому тепло може бути використано для побутового та промислового теплопостачання, а паро-газова суміш повертається назад в цикл для конверсії метану.
Слід зазначити, що традиційні способи отримання водню для водневої енергетики економічно не вигідні. Є цілий ряд відомих способів розкладання води: хімічний, термохимический, електроліз і ін. Але всі вони володіють одним і тим же великим недоліком - в технологічному процесі отримання водню використовується високопотенційний енергія, на отримання якої в свою чергу витрачається дефіцитне викопне паливо (вугілля, природний газ, нафтопродукти) або електроенергія, що виробляється на електростанціях. Таке виробництво водню, природно, завжди буде залишатися неекономічним і екологічно небезпечним, а, отже, безперспективним.
Для потреб водневої енергетики в майбутньому передбачається удосконалити традиційні методи і розробити нові, нетрадиційні, використовуючи ядерну і сонячну енергію. Пропоноване удосконалення основного методу отримання водню - каталітичної конверсії природного газу полягає в тому, що процес проводять в киплячому шарі каталізатора, а тепло в свою чергу підводять від високотемпературного ядерного газоохолоджувальні реактора (ВТГР). Застосування цього методу дозволить більш ніж в 10 разів збільшити об'ємну швидкість процесу, знизити температуру в хімічному реакторі на 150 ° С, а також зменшити витрати на виробництво водню на 20-25%. Однак такі реактори, що забезпечують високі температури теплоносія (бл. 1000 ° С), поки знаходяться в стадії експериментальних розробок.
Інший варіант отримання водню - водно-лужний електроліз під тиском з використанням дешевої електроенергії, вироблюваної в нічний час атомною електростанцією. При цьому витрата електроенергії на одержання 1 м 3 Н2 становить 4,3-4,7 кВт * год (за звичайним способом 5,1-5,6 кВт * год), напруга на осередку 1,7-2,0 В при щільності струму 3-5 кА / м 2 і тиску в електролізері до 3 МПа. Отриманий таким способом водень може направлятися на потреби промисловості або використовуватися як паливо на електростанції для вироблення додаткової електроенергії в денний час.
Іншим методом одержання водню є електроліз води з використанням в якості електроліту розплаву лугу, твердого полімеру (твердополімерним. Або ТП-електроліз), або кераміки на основі ZrO2 (високотемпературний. Або ВТ-електроліз). Електролітичним методом вимагає витрат електроенергії на 30-40% менше, ніж традиційні способи отримання водню. Використання твердих електролітів дозволяє значно скоротити відстань між електродами в комірці (до 250 мкм), в результаті чого в кілька разів підвищується щільність струму без збільшення напруги на комірці електролізера. В якості електроліту при твёрдополімерном електролізі можна використовувати плівку з сульфовані фторопласта-4. При цьому температура процесу становить 150 ° С, досяжний ккд електролізера 90%, витрата електроенергії на одержання 1 м 3 Н2 3,5 кВт * год. Найбільш перспективний високотемпературний електроліз з використанням тепла від реактора: при цьому електролітом служить кераміка з оксиду цирконію ZrO2 з добавками оксидів інших металів (наприклад, Va2 O3. CaO, Sc2 O3). При цьому температура процесу істотно підвищується до 800-1000 ° С, а досяжний рівень витрат електроенергії на одержання 1 м 3 Н2 при щільності струму 3-10 кА / м 2 становить 2,5 кВт * год.
З плазмохимических методів отримання водню найбільш перспективний двохстадійний вуглекислотний цикл. що включає: 1) дисоціацію вуглекислоти (2СО2 -> 2СО + О2), здійснювану в плазмотроне з ефективністю до 75-80%; 2) подальшу конверсію СО з водяною парою (СО + Н2 О -> Н2 + СО2), після якої утворився СО2 повертається в плазмотрон.
Термохімічні способи отримання водню представляють собою сукупність послідовних хімічних реакцій, що призводять до розкладання вихідного водородсодержащего сировини - води при більш низькій температурі, ніж та, яка потрібна для термічної дисоціації. Так, ступінь термічної дисоціації води при 2483 ° С становить 11,1%. У цих циклах всі компоненти системи, крім водородсодержащего сировини, регенеруються. Нижче наводяться приклади термохімічних циклів розкладання води.
Також представляють інтерес сірководневі термохимические цикли. наприклад:
При використанні сірководню (H2 S) замість води знижуються витрати енергії на отримання водню, тому що енергія зв'язку Н-S в сірководні значно менше енергії зв'язку Н-О в воді, і крім водню утворюється сірка - важлива хімічна сировина.
Іншим перспективним методам отримання водню відноситься радіоліз води і водних розчинів СО2. H2 SO4. HC1, HBr, H2 S, AgCl та ін. Під дією ядерного випромінювання (жорсткого, нейтронного). Найбільш потужні джерела такого випромінювання - ядерні реактори. Однак, для розвитку цього методу необхідно створити джерела ядерного випромінювання з високою енергонапряженності, розробити системи, здатні поглинати реагує середовищем більше 50% енергії випромінювання і використовувати її з радіаційним виходом більше 10 молекул водню на 100 еВ.
Досліджуються також і фотохімічні методи отримання водню з використанням сонячної енергії. Здійснено фотоелектроліз води (з роздільним отриманням Н2 і О2); метод буде становити практичний інтерес, якщо його ККД досягне 10-12% (поки він становить бл. 3%).
Іншим цікавим способом отримання водню є біофотоліз води. Біофотоліз води заснований на тому, що деякі мікроорганізми і мікроводорості (наприклад, хлорелла), що поглинають сонячну енергію, здатні розкладати воду з виділенням водню. Однак ккд трансформації сонячної енергії такими мікроорганізмами дуже низький - приблизно 8%.
Останнім часом як альтернативу водневої енергетики пропонується використовувати важку воду. В ході ядерної реакції двох атомів дейтерію утворюється водень і гелій:
D + D = H + He
У такій реакції непридатний закон збереження маси, яким користується звичайна хімія; в результаті реакції виходить недостача:
Вона означає, що якби вдалося знайти умови, при яких може протікати реакція між двома молями важкого водню, то, відповідно до рівняння Ейнштейна:
можна було б отримати енергію:
0,00433х (3,0х1010) 2 ерг = 3,9х1018 ерг = 3,9х1011 Дж.
У наш час, щоб отримати таку енергію, доводиться спалювати 14 т вугілля.
Тим часом відповідно до рівняння ядерної реакції таку енергію можна отримати при витраті всього лише двох молей дейтерію, які містяться в одному молі важкої води. Отже, простої води для цього буде потрібно:
6700x18 / 1000 кг = 120,6 кг
або 120 л. Значить, з одного літра звичайної води можна добути більше енергії, ніж можна отримати її зі ста кілограмів високоякісного вугілля. А запаси води на нашій Землі величезні.
Водневе паливо біодизель, біопаливо, водень, ДВС, Канада нова технологія, перевезення, екоток