Схема 1 . Энергетические ресурсы и структура использования

Соотношение используемых энергетических ресурсов в истории человечества менялось с развитием цивилизации в зависимости от истощения исчерпаемых энергоресурсов, возможности использования и экологических последствий. За последние 200 лет можно выделить три этапа:

можно выделить три этапа:

угольный этап охватывающий весь XIX век и первую половину ХХ века, в это время преобладает потребление угольного топлива;

нефтегазовый этап со второй половины ХХ века до 80-х годов, на смену углю приходит газ и нефть как более эффективные энергоносители чем твердые;

начиная с 80-х годов начинается постепенный переход от использования минеральных исчерпаемых ресурсов к неисчерпаемым (энергии Солнца, воды, ветра, приливов и т.д.).

Особо следует сказать о ядерной энергетике. С начала мирового энергетического

кризиса роль атомной энергетики возросла. Но уже в начале 80-х годов рост потребления атомной энергии замедлился. В большинстве стран были пересмотрены планы сооружения АЭС. Это было последствием ряда экологических загрязнений при авариях, особенно в результате Чернобыльской катастрофы. Именно в этот период многие страны приняли решение о полном или постепенном отказе от развития атомной энергетики.

1.3 Особенности альтернативной водородной энергетики

Водородная энергетика включает следующие основные направления:

Разработка эффективных методов и процессов крупномасштабного получения дешевого водорода из метана и сероводородсодержащего природного газа, а также на базе разложения воды; технологии хранения, транспортировки и использования водорода в энергетике, промышленности, на транспорте.

1.3.1 Назначение, основные функциональные показатели

Водородная технология позволит остановить прогрессирующий рост загрязнения окружающей среды, исключив или принципиально сократив эмиссию токсикоагентов в тропосферу, в том числе, приземный слой атмосферы.

При получении больших объемов водорода из метана и серо содержащих природных газов может быть использована плазменно-мембранная технология удельной производительностью более чем в 100 раз выше по сравнению с традиционной. Удельные энергозатраты на производство 1 м3 водорода оказываются ниже реализованных в традиционной технологии в 2-3 раза (около 1 кВт/ч).

Производство водорода из воды возможно на новом типе электролизеров на базе катионопроводящей мембраны МФ-4СК, выпускаемой в России и обеспечивающей получение водорода более высокой чистоты с удельными энергозатратами в 1,5 меньшими, чем у традиционных систем. Удельная производительность аппаратов в 10 раз выше, чем у предыдущего поколения.

1.3.2 Область применения

Водородная технология используется для автономного обеспечения различных видов наземного транспорта и жидководородных силовых установок для авиации, стационарных энергосистем с водородным аккумулированием энергии (ветровые, солнечные и другие виды энергоустройств). Применение водорода в химии, газо- и нефтехимии, производстве минеральных удобрений, биотехнологии, металлургии и т.д. позволит отказаться от традиционной организации процесса, повысить его качество и экономичность при ликвидации полного или основного выброса загрязняющих веществ в атмосферу.

1.3.3 Основания для выбора

Технология даст возможность крупномасштабно получать дешевый водород в качестве ценного сырья и реагента при производстве удобрений, метанола, а также в процессах переработки нефти. Ресурсы сырья практически неограниченны. Водород является экологически чистым энергоносителем и его применение в энергетике, промышленности и на транспорте окажет положительное влияние на состояние окружающей среды.

1.3.4 Состояние и тенденция развития

В настоящее время в России создан ряд демонстрационных установок, реализующих новые высокоэффективные технологии получения и использования водорода из метана, природных серосодержащих газов с помощью плазменно-мембранной технологии. При этом исключаются катализаторы и традиционные жидкостные системы газораспределения. Оно осуществляется посредством мембранных аппаратов. Существующие в мире системы имеют вместо этой стадии громоздкий термокаталитический процесс, экологически некорректный, с более высокими энергозатратами (в 2-3 раза) и низкой удельной производительностью.

В настоящее время успешно завершаются исследования и разработки на уровне мощности 200 кВт на площадке ГНЦ "Курчатовский институт" и требуется переход к опытно-промышленной стадии на уровне мощности 1 МВт и производительности 10 м3/час. Предлагаемая технология не имеет мировых аналогов, к ней проявляет интерес ряд ведущих зарубежных фирм.

Для высокоэффективных электролизеров на основе катионопроводящей мембраны МФ-4СК в настоящее время завершен цикл НИОКР и создано производство электролизеров с улучшенными показателями на базе российской технологии. Типоразмерный ряд доведен до производительности 20 м3/час и необходим завершающий этап по созданию 100 м3/час электролизера. Уровень лучших зарубежных разработок 50 м3/час на базе мембраны "Nafion" по удельным характеристикам близок к основным параметрам, указанным выше [5].

На базе той же отечественной мембраны в России созданы электрохимические генераторы 10-20 кВт, использующие водородо-воздушную смесь и имеющие КПД до 75%, при этом системы эмитируют только чистую воду, токсичные компоненты выброса отсутствуют полностью.

1.3.5 Влияние водородной энергетики на окружающую среду

При рассмотрении основных принципов водородной энергетики и ее влияния на окружающую среду, нельзя ограничиваться лишь загрязнением воздуха, так как это не единственный тип загрязнения. При сравнении различных энергетических источников следует обсудить и другие аспекты. Под этим можно подразумевать эффективность источников энергии, поэтому важно сопоставить водородную энергетику с другими энергетическими системами, такими как уголь - синтетическое топливо, атомная энергия - водород, атомная энергия - электричество и др.

С точки зрения охраны окружающей среды варианты водородной энергетики оцениваются выше старых энергетических систем, использующих ископаемые топлива. Заслуживает внимания тот факт, что, хотя энергетическая система солнечная система - водород самая безопасная по отношению к окружающей среде, все же система солнечная энергия - электричество будет эффективнее, так как в ней используется меньшее количество материалов. Предполагается что система солнечная система - водород будет работать в сочетании с фотогальваническими элементами, в которых расходуется большое количество кремния. Поэтому, если система море-солнце или с ветровой энергией, то влияние на окружающую среду будет меньше, и энергетическая система солнечная система водород будет более приемлемой, чем система солнечная система - электричество [6].

1.3.6 Дополнительные сведения о применении водорода в бытовых целях

Вся энергия, предназначенная для бытовых целей, может быть получена из водорода (освещение, отопление и приготовление пищи). Однако это не самый оптимальный путь применения водорода.

Освещение, отопление и приготовление пищи. Для освещения не обязательно применять электричество, можно воспользоваться «холодным светом», получаемым при взаимодействии водорода с фосфором. Для приготовления пищи, отопления помещений может быть использован специальный керамический материал. Однако отопление помещений лучше осуществлять с помощью электрических насосов.

Электричество в доме. По-видимому, при внедрении водородной энергетики уменьшится потребление электроэнергии в жилых домах. Снизятся затраты на работу различных электронных устройств. Однако для снабжения водородом зданий необходимо полностью переоборудовать трубопроводы, горелки и большую часть другого оборудования [1].

1.3.7 Пути развития водородной энергетики

Следует сразу установить, что преимущества водородной энергетики могут быть достигнуты только путем постадийного внедрения этой энергетики (исследование, проектирование, создание опытной установки, небольшая проверка, более крупная проверка и, наконец, полный переход на водородную энергетику). На первой стадии в качестве источника для получения водорода можно использовать уголь, который при нагревании с водой образует смесь СО и Н2; СО затем будет окислен до СО2 и выброшен в атмосферу, а Н2 доставят по трубопроводу на ближайшую установку. Здесь он может быть использован для получения электричества.

Во второй стадии в качестве источника энергии для получения водорода может быть использована ядерная установка; образующийся водород затем будет доставляться в город и применяться для получения электроэнергии или для работы части транспорта.

На третьей стадии может быть использован маленький город (например, с населением 10 000), где будет построена станция для сбора солнечной энергии. Если это гористая местность, можно установить экспериментальные крупные аэрогенераторы.

Важной является четвертая стадия освоения, на осуществление которой необходимы суммы, исчисляемые миллиардами. На этой стадии следует перевести часть энергетики на водород, например, жилищно-коммунальное хозяйство, транспорт, промышленность.

Экологическая "чистота" водорода не вызывает сомнений, если учесть, что практически единственным продуктом его сгорания является вода и что в этом случае полностью отсутствуют характерные для углеводородных топлив загрязняющие атмосферу соединения типа диоксидов углерода и серы, а также паров углеводородов. Кроме того, водород это и достаточно калорийное топливо. По теплотам сгорания (34 ккал/г) он намного превосходит такие классические виды топлива, как углеводороды (10 ккал/г) и древесина (4 ккa/г). Конечно, нельзя не учитывать и большие трудности, связанные с решением и ряда дополнительных задач, таких, как:

а) поиск и разработка первичных источников энергии, которые могут быть использованы для синтеза водорода;

б) безопасность хранения, транспорта и больших количеств газообразного и жидкого водорода;

в) эффективное преобразование энергии водорода при решении ряда конкретных энергетических задач.

Если говорить о поисках и разработках первичных источников, которые могут быть использованы для синтеза водорода, то, вероятно, следует начать с простейшего способа, известного каждому, кто хотя бы немного знаком с химией, - взаимодействия кислот и оснований с металлами:

Zn + (2HCl)aq > (ZnC12)aq + H2 ^

Аl + (2NaOH)aq > (NaAIО2)aq + 3/2H2^

В плане дальнейшего изложения очень важно подчеркнуть, что перспективными для создания водородной энергетики могут считаться только способы, основанные на использовании воды в качестве исходного сырья. Поэтому в дальнейшем при написании тех или иных уравнений химических реакций индекс "aq", характеризующий водную среду, будет опускаться.

Процесс необратим и для получения металла из образовавшихся оксидов (для повторного их применения) требует значительных затрат энергии.

Заслуживают внимания три варианта получения водорода из органического сырья.

Один из них - паровая конверсия металла, являющегося главным компонентом природного газа:

СН4 + Н2О > СО + 3Н2 - 50 ккал

СО + Н2О > СО + Н2 + 10 ккал

______________________________

СН4 + 2Н2О > СО2 + 4Н2 - 40 ккал

Второй более совершенный вариант основывается на парокислородной конверсии:

2СН4 + О2 > 2СО + 4Н2 + 16 ккал

СН4 + Н2О > СО + 3Н2 - 50 ккал

______________________________

7СН4 + 3О2 + Н2О > 7СО + 15Н2

Последующий процесс, связанный с конверсией СО, протекает, как и в первом варианте. Однако, как следует из уравнений в обоих вариантах, требуется затрата больших количеств дефицитного природного газа как исходного сырья.

Третий вариант основан на использовании процесса газификации угля:

2Ств + О2 > 2СО + 55 ккал

СТВ + Н2О пар > СО + Н2 - 30 ккал

Комбинацией этих двух реакций можно получить смесь СО и Н2 называемую "водяным газом" или «синтез газом». В последнее время метод получения водорода из воды и угля считается одним из наиболее перспективных. Весьма перспективным, по мнению специалистов, является вариант использования водяного пара для восстановления окислов железа при 800-9000С:

2FезО4 + СО + Н2 > 6FеО + Н2О + СО2 - 22 ккал

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7