РОЗДІЛ 16. Воднева енергетика

Водень є одним з основних компонентів у нафтохімії для глибокої переробки нафти, без нього не обійтися, скажемо в хімії при одержанні аміаку б азотних добрив, а в чорній металургії з його допомогою відновлюється залізо з руд. Такі існуючі види органічного палива, як газ, нафта й вугілля, теж служать сировиною в цих або подібних процесах, але ще корисніше витягти з них самий ощадливий і чистий енергоносій - той же водень. Водень - ідеальний екофільний вид палива. Дуже висока і його калорійність - 33 тисячі Ккал/кг, що в 3 рази вище калорійності бензину. Він легко транспортується по газопроводах, тому що у нього дуже мала в'язкість. По трубопроводу діаметром 1,5m з ним передається 20 тис. Мегават потужності. Щоб продемонструвати його можливості, американські вчені побудували "водневий будинок", у якому для висвітлення використовувався водень. Перехід на водневу енергетику обіцяє ряд вигід. Зараз у світі одержують близько 30 мільйонів тонн водню s рік, причому в основному із природного газу. Згідно із прогнозами за 40 років виробництво водню повинне збільшитися в 20-30 разів.

Існує безліч методів промислового виробництва водню. Серед цих методів основними є наступні.

Газифікація вугілля. Найстарший спосіб одержання водню. Вугілля нагрівають із водяною парою при температурі 800-1300 °С без доступу повітря.

Парова конверсія природного газу метану. У цей час даним способом проводиться приблизно половина всього водню. Водяна пара, при температурі 700-1000 °С, змішується з метаном під тиском у присутності каталізатора.

Зараз відкривається можливість, за допомогою атомної енергетики, замінити нинішнє джерело водню - природний газ - на більш дешеву й доступну сировину - на воду. Тут можливі два варіанти. Перший варіант - традиційний, за допомогою електрохімічного розкладання води. Другий варіант менш відомий. Якщо нагріти пари води до 3000-3500 С, то водні молекули розваляться самі собою. Обоє способи одержати водень із води поки дорожче, чим із природного газу. Недавно був запропонований простий високопродуктивний пристрій для розкладання води й виробництва з неї дешевого водню методом гравітаційного (інерційного) електролізу розчину електролізу що отримав назву – електроводневий генератор (ЕВГ). Він приводиться в дію механічним приводом і працює при звичайній температурі в режимі теплового насоса, поглинаючи через свій теплообмінник необхідне при цьому тепло з навколишнього середовища. У процесі розкладання води підведена до привода ЕВГ надлишкова механічна енергія може бути на 80 % перетворена в електроенергію, яка потім використовується будь-яким споживачем на потреби корисного зовнішнього навантаження. При цьому на кожну одиницю витрачений потужності привода генератором залежно від заданого режиму роботи поглинається від 20 до 88 енергетичних одиниць низькопотенційного тепла, що властиво й компенсує негативний термічний ефект хімічної реакції розкладання води. Один кубічний метр умовного робочого обсягу генератору, що працює в оптимальному режимі із ККД 86-98 %, здатний за секунду зробити 3,5 м3 водню й одночасно близько 2,2 МДж постійного електричного струму. Фізичний принцип робочого процесу ЕВГ досить простий. Відомо, що електроліт при розчиненні дисоціює на іони, які гідратуются молекулами води. У результаті, навколо них утворюються гідратні оболонки різної міцності. Енергія взаємодії гідратованих різнойменних іонів один з одним різко зменшується й стає близькою енергії броунівського руху молекул води. Якщо концентрований розчин дисоційованого електроліту, що мас значну різницю мас аніона й катіона, помістити в сильне штучне інерційне поле, наприклад, обертати його в ємності ЕВГ (розрахункова частота обертання для різних електролітів і параметрів пристрою 1500-25000 προ/хв), то іони будуть почасти сепаруватися. Сепаровані важкі іони, впливаючи один на одного своїм електричним полем, змістяться до периферії ємності. Крайні пригорнуться до її внутрішньої поверхні й створять просторовий концентраційний електричний потенціал. При цьому результуюча відцентрова сила, що діє на притиснуті до анода іони (аніони) зруйнує їхні гідратні оболонки, як найбільш слабкі. Легкі іони менш чуйні до гравітації й оточені більш міцними оболонками, тому не можуть віддати важким іонам свої молекули гідратної води. У силу цих обставин вони зосередяться над важкими іонами й в області осі обертання (у катода), утворюючи електричний потенцій протилежного знака. Вільні електрони в аноді під дією просторового (об'ємного) заряду аніонів перемістяться на катод (властивість циліндрі Фарадея).

При досягненні необхідної мінімальної (граничної) частот обертання ємності з даним електролітом і прийнятими конструктивними параметрами пристрою критичної величини електричних потенціалів на електродах, рівновага зарядів порушиться. Електрони вийдуть із катода й іонізують молекули гідратних оболонок, а ті передадуть заряди катіонам, Інакше кажучи, як би відбудеться пробій своєрідного електролітичного конденсатора й почнеться розряд іонів з утворенням на катоді вільного водню, а на аноді кисню й анодних газів (осаду). Напруга електричного струму буде залежати від різниці швидкостей хімічних реакцій на катоді й аноді.

Таким чином, принципова енергетична схема розглянутого генераторі, багато в чому схожа зі схемою традиційного електролізу, але в ній № застосовується зовнішній дорогий електричний струм, а використовуєм більш дешева теплота навколишньої середовищ.

Електроводневий генератор конструктивно простий, органічно вписується в компонування різних силових рухових установок транспортних засобів, наприклад, автомобіля, автобуса, сільгоспмашини або трактори й добре з ними агрегатується, особливо з тепловими турбінами.

Існують і інші методи одержання водню. Розглянемо деякі з них.

Холодний ядерний синтез. Теоретичні й експериментальні дослідженні багатьох авторів показують, що найбільш імовірним джерелом водню, одержуваного з води, може стати її плазмовий електроліз. При звичайному електролізі, американські вчені Понс і Флешман в 1989 році показали можливість одержання додаткової енергії, зафіксовані ними при плазмовому електролізі води.

На їхню думку, джерелом цієї енергії є холодний ядерний синтез. Надалі було встановлено наявність випуску до 1000 нейтронів в 1 секунду при масовому захлопуванні кавітаційних пухирців і виділенні теплової енергії в 20 раз більше ніж витраченої на утвір потоку води в трубі. Кавітація як резонанс частоти коливань молекул рідини із частотою коливань пухирців пари, їх утвором і захлопуванням супроводжується розгоном звукових і ударних хвиль, високими параметрами на фронті хвилі й низькими за фронтом хвилі. Це приводить до розпаду речовини на елементарні частки з виділенням великої кількості тепла. Автор цієї роботи припускає, що під час захлопуванні пухирців існує ймовірність захвата протонами електронів і утворює атом водню (при температурі 10000 К). Як відомо, атоми водню існують в інтервалі температур 5000-100000С, що показує можливість формування плазми з такою температурою при певній щільності атомів водню в одиниці об'єму. У таких умовах молекула води повинна руйнуватися, і ядро атома водню перетворитися в нейтрон. Останній, далі, приєднується до іншого атома водню або кисню іншої молекули води, утворюючи, дейтерій або тритій або більш важкий ізотоп кисню. При цьому виділяється внутрішньоядерна енергія й здійснюється холодний ядерний синтез.

Плазмовий електроліз води. В 1999 році було встановлено, що джерелом додаткової енергії при звичайному й плазмовому електролізі води є не синтез ядер, а синтез атомів і молекул водню. Надалі були отримані результати, що показують зменшення витрат енергії на одержання водню при плазмовому електролізі води. Таким чином, для того щоб воднева енергетика відбулося, потрібно, щоб отримана енергія при спалюванні водню набагато перевищувала витрачену енергію на його одержання.

Відомо, що в природі існує ощадливий процес розкладання молекул води на водень і кисень. Наприклад, при фотосинтезі атоми водню відділяються від молекул води, і використовується в якості сполучних ланок при формуванні органічних молекул, а кисень іде в атмосферу. По даним деяких дослідників, у низькотемпературному електролізі процес електролізу води аналогічний тому, який іде при фотосинтезі.

Високотемпературні реактори з гелієвим теплоносієм - це новий тип екологічно чистих універсальних атомних енергоджерел, унікальні властивості яких - здатність виробляти тепло при температурах більш 1000°С и високий рівень безпеки • визначають широкі можливості їх використання для виробництва в газотурбінному циклі електроенергії з високим ККД і для постачання високотемпературним теплом і електрикою процесів виробництва водню, опріснення води, технологічних процесів хімічної, нафтопереробної, металургійної б ін. галузей промисловості.

Одним, з найцікавіших у цій області, є міжнародний проект ТТ-МГР, який розробляється спільними зусиллями російських інститутів "Курчатовський інститут", НПО "Промінь") і американської кампанії GA. Із проектом співробітничають також кампанії Фраматом і Фуджі електрик. Зараз вже розроблений проект модульного гелієвого реактора для генерації електрики (із ККД ~ 50%) з використанням прямого газотурбінного циклу. Енергетична установка ГТ-МГР складається із двох зв'язаних воєдино блоків: модульного високотемпературного гелієвого реактора (МГР) і газотурбінного перетворювача енергії прямого циклу (ГТ). Роботи перебувають у стадії технічного проектування з експериментально-стендовим відпрацьовуванням ключових технологій: паливо й система перетворення енергії. У цей час проводиться оцінка технологічного застосування цього проекту для виробництва водню з використанням термохімічних циклів. Створення такого тандема відкриває шлях широкому застосуванню ядерної енергії в енергоємній промисловості: хімії й металургії, а також дозволяє шляхом виробітку вторинного енергоносія (чистого водню або його суміші) створювати ядерні енерготехнологічні комплекси для регіонального тепло-енергозабезпечення з поставкою палива для транспорту й низько потенційного тепла для комунально-побутових потреб і комерційного сектору.

Особливий інтерес представляє електроліз у комбінації з поновлюваними джерелами енергії. Наприклад, дослідний центр енергії університету Гумбольта розробив автономну сонячно - водневу систему, яка використовує фотоелектричний елемент потужністю 9,2 кВт, щоб забезпечити привод компресорів для аерації басейнів риборозведення, і біполярний лужний електролізер потужністю 7,2 кВт, здатний робити 25 літрів водню у хвилину.

Система працює автономно починаючи з 1993 р. Коли відсутній сонячне світло, запасене водень служить паливом для півтора-кіловатного електрохімічного генератора, що забезпечує привід компресорів.

Недавно був запропонований ще один проект одержання водню.

Проект заснований на тому, що в багатьох водоймах (наприклад, у Чорному морі), на глибині порядку 150-200 метрів є більша концентрація розчиненого у воді сірководню, у той же час на менших глибинах в основному утримується розчинений кисень. Піднімаючи воду із глибинних шарів, і впливаючи на неї електричним струмом, можна одержати два елементи сірку й водень. Більш того при спалюванні одного кілограма самого сірководню виділяється близько 4 тисяч кілокалорій.