ВОДОРОД КАК АЛЬТЕРНАТИВНЫЙ ИСТОЧНИК ТОПЛИВА

THE USE OF SOLAR FUEL BOILERS IN CITIES

Alexey Shapovalov

student, Shakhty Institute (branch) of the South-Russian State Polytechnic Institute (NPI) named after. M.I. Platov,

Russia, Shakhty

Olga Klimonova

student, Shakhty Institute (branch) of the South-Russian State Polytechnic Institute (NPI) named after. M.I. Platov,

Russia, Shakhty

Alexander Melnikov

student, Shakhty Institute (branch) of the South-Russian State Polytechnic Institute (NPI) named after. M.I. Platov,

Russia, Shakhty

АННОТАЦИЯ

В статье описан альтернативный метод получения энергии с использованием водорода. Так же в ней представлены методы его получения, рентабельность данной технологии и способы применения водорода в промышленных отраслях.

ABSTRACT

The article describes an alternative method of obtaining energy using hydrogen. It also presents the methods of its production, the profitability of this technology and the ways of using hydrogen in industrial plants.

Ключевые слова: водород, альтернативный источник энергии, синтез-газ, уголь, метан, топливо, биомассы, электролиз, конверсия пара, кислород, нефтепродукты.

Keywords: hydrogen, alternative energy source, synthesis gas, coal, methane, fuel, biomass, electrolysis, steam conversion, oxygen, petroleum products.

Без энергии сложно представить современную жизнь общества. Представим на мгновение, что нет: ни электроприборов, ни привычных гаджетов, ярких магазинных вывесок, освещения, транспорта и т.д. Поэтому в мире остро стоит вопрос о добычи энергии, а также нахождения новых её запасов. Разработка альтернативных источников энергии поможет выйти из сложившейся ситуации, так как традиционные источники являются исчерпаемым ресурсом. В силу его обильного потребления, с ростом новых технологий понятно, что человечеству необходимо экономить те ресурсы, которые мы привыкли использовать.

Ресурс возобновляемых источников энергии в мировой экономике превышает в несколько раз объёмы добычи ископаемого топлива. Их свойства, в результате различных технологических процессов, сопоставимы с продукцией из органического топлива, что обеспечивает экономию традиционного сырья.  Данные преимущества, а также неисчерпаемость и экологическая частота задают путь развития энергетики в ближайшие десятилетия.

К альтернативным источникам относят: солнечную, геотермальную, ветровую энергию, энергию приливов, биомассы и биогаза, жидкое и газообразное топливо на основе угля и углеводородных ресурсов, спиртовые топлива, а также водородную энергетику, которая будет подробно представлена в данной статье.

В настоящее время основным сырьём для производства водорода является природный газ, вода и уголь, входящий в реакцию для получения водорода. Постепенно внедряют в производство перспективные методы извлечения водорода, которые в несколько раз экономичнее метода паровой конверсии углеводородных газов. К этим методам относят: низкотемпературную конденсацию, абсорбцию, адсорбцию, мембранную технологию. Одной из перспектив является уголь, однако конкурентом данному виду ресурсов считается, что может стать вода, которая будет нагреваться высокотемпературным ядерным реактором.

Внедрение водорода и частичная замена традиционных источников энергии, помогут сэкономить огромное количество нефтяных запасов. Для сравнения, 1 г водорода позволяет получить в 2.5 раза больше кал тепловой энергии, чем при сжигании 1 г бензина. Также как и природный газ его можно транспортировать по трубопроводам. Главное экономическое преимущество в использовании водорода – это экономия сырья за счёт использования двигателей внутреннего сгорания на данном топливе, как в чистом виде, так и в виде добавок, а также газотурбинных двигателей.

Наиболее эффективно использование водорода в качестве добавки к бензину до 5,1%. Использование водорода в чистом виде приведёт к нарушению работы двигателя автомобиля и выделению большого количества NO_x, а также усложнит хранения большого количества водорода на борту автомобиля. При допустимом содержании(эффективном) позволяет повысить топливную экономичность двигателя на 20-25%, снизить расход бензина на 30-40%, выброс токсичных веществ в атмосферу (CO) в 15-20 раз, по углеродам в 1,5-2,0 раза и оксиду азота в 10-15 раз.

Перспектива развития данной технологии неотъемлемо связанна с использованием АЭС для производства водорода путём электролиза воды с последующим его сжиганием в пиковые часы, когда нагрузка возрастает. Транспортировка водорода на большие расстояния является менее затратной, чем на электроэнергию примерно в 3-5 раз ниже, чем у ЛЭП.

Существует множество способов добычи водорода из различных сырьевых материалов. Рассмотрим на примере несколько вариантов, основанных на паровой конверсии метана и природного газа, газификации угля, электролиза воды, биотехнологии.

Электролитический метод получения водорода.

Самым перспективным и наиболее рентабельным является электролитический метод получения водорода. С его помощью можно производить водород с КПД более 80%.

Разберём подробнее, использование этой технологии. Воздействие на дистиллированную воду электрическим током приводит к её распаду на элементы: кислород и водород:

2H₂O ⇒ 2H₂ + O₂.

Электролиз воды – являет одним из дорогих методов получения водорода. Доля производимого водорода таким методом варьируется от 3-6% от общего объёма произведённого водорода.

Технология электролиза воды является экологически чистым способом получения водорода, так же на ряду с этим есть возможности создания установок с широким диапазоном производительности.

Получения водорода из метана.

Метан – основа природного газа, содержание которого в нём 90 и более процентов, а в попутных нефтяных газах в среднем выходит около 70%. Из химической формулы можем наблюдать, что метан CH4 состоит из одного атома углерода и четырёх атомов водорода. Исходя из этого получения водорода таким методом обусловлено большим его объёмом на выходе.

Данный процесс происходит в трубчатых печах при температуре 780-870 ^оC через стенку трубы на каталитических поверхностях, например, таких как корунд, никель:

1.CH4+H2O⇔CO+3H2

Далее происходит реакция с угарным газом:

2. CO+H₂O⇔CO₂+H₂

В парокислородной конверсии вместе с паром в центральную область ядерного реактора поступает кислород.

CH4+O2⇔2CO+3H₂

Основным преимуществом данного метода является прямоточная передача теплоты.

Метод газификации угля

Газификация угля - один из способов получения водорода. Этот метод основан на термическом разложении воды, а сам уголь используется как химического реагента. Уголь содержит много водорода, который вступает в реакцию с кислородом, водой и угарным газом.

Под действием водяного пара совместно с кислородом получаем парокислородную конверсию.

Вот основные реакции процесса газификации угля:

C+O₂ ⇔ CO₂;

C+2H₂O ⇔ CO₂+2H₂;

C+H₂O ⇔ CO+H₂;

C+CO₂ ⇔ 2CO.

Переработка биомассы в водород

Производство синтез-газа, состоящего в неочищенном виде из водорода, монооксида углерода, углекислого газа и метана, также основано на переработке биомассы. Такой способ получения водорода может решить проблемы экологические проблемы.

В результате термической реакции, протекающей при температуре   без доступа кислорода, из биомассы выделяются водород, метан и оксид углерода.

Адсорбция, абсорбция, электрохимическая конверсия – это методы, которые используют в промышленности для получения водорода из синтеза газа. Они хорошо освоены, но по сравнению с традиционной энергетикой наиболее затратные, поэтому водород на сегодняшний день не используется в качестве топлива.

а)                                                б)

Рисунок 1. Сырьевая база добычи водорода (а) и (б) мировое потребления водорода

Водород является основным элементом в химической и нефтеперерабатывающей промышленностях. Также снижаются расходы на топливо, если водород использовать, как добавку к традиционному.

Большая часть потребляемого в мире водорода на данный момент используется в качестве химического сырья. А в космонавтике водород применяется как основной вид топлива. На ряду с этим водород применяют в порошковой металлургии, производстве стекла т.д.

Подводя итоги проделанной исследовательской работы, можно сделать вывод, что водород может быть использован как альтернативный вид топлива, в виде добавок к традиционному топливу, а также в отдельных случаях и в чистом виде. Транспортировать и эксплуатировать данный вид топлива легче, чем электроэнергию. С другой стороны, есть и минусы: это затраты на его добычу, не все виды двигателей внутреннего сгорания могут работать на водороде в чистом виде. Несмотря на это водород часто используется в сельскохозяйственной отрасли, космосе, медицине, химических реагентах и т.д.

Список литературы:

1. Ю.Д. Сибикин, М.Ю. Сибикин «Технология энергосбережения».- учебник. – М.: ФОРУМ ИНФРА-М, 2006. 253-254с.
2. Б.Н. Кузык, Ю.В. Яковец «Россия: стратегия перехода к водородной энергетике».- учебник. – М., 2007. 48-85с.