Получение водорода. Водородная энергетика

Март 18, 2014 / Ольга Шейдина, Редактор

Водородная энергетика возникла как одна из линий развития НТП в 70-х годах предыдущего столетия. По мере расширения области исследований, касающихся получения, перевозки и хранения, а также использования водорода, становились очевиднее экологические преимущества технологий получения водорода в разных сферах народного хозяйства. Эффективность развития некоторых водородных технологий (топливные элементы, металлогидридные системы, транспортные водородные системы и т.д.) показали, что применение водорода дает совершенно новые качественные показатели в функционировании агрегатов и систем.

Получение водорода. Водородная энергетика

Проведенные технико-экономические тестирования показали, что, несмотря на то, что элемент водород – вторичный носитель энергии, то есть он дороже по стоимости, чем природные топлива, его использование в некоторых случаях экономики уже сегодня целесообразно. Поэтому работы в отрасли водородной энергетики в большинстве странах, тем более с развитой промышленностью, считаются приоритетными направлениями развития техники и науки. Они все больше поддерживаются финансами со стороны государства и частного капитала.

Свойства водорода

При нормальных условиях в свободном состоянии водород представлен бесцветным газом, не имеющим и запаха. Водород имеет плотность относительно воздуха 1/14. Обычно он встречается в комбинации с остальными элементами, например, углерода в метане, кислорода в воде, в разных органических соединениях. Поскольку водород чрезвычайно активен химически, он редко находится в несвязанном виде.

Водород, охлажденный до состояния жидкости, занимает 1/700 объема состояния в газообразном виде. При его соединении с кислородом, водород имеет максимально большое содержание энергии на одну единицу массы: 120,7 ГДж/т. Это является одной из нескольких причин, почему водород в жидком виде применяется в качестве ракетного топлива и служит энергетикой для современных космических кораблей, для которой большое удельное содержание энергии водорода и малая молекулярная масса имеет большое значение. В чистом кислороде при сжигании единственные продукты – это вода и тепло высокой температуры. Так, в случае применения водорода не выделяются вредные парниковые газы и даже не происходит нарушение в природе круговорота воды.

Производство водорода

Ресурсы водорода, которые содержатся в воде и в органическом веществе, почти неисчерпаемы. Разрыв данных связей дает возможность для получения водорода, после чего водород применяется для топлива. Разработано множество процессов по разделению воды на составные части.

Вода при нагревании более 2500°С начинает разлагаться на кислород и водород (прямой термолиз). Такую высокую температуру получают, например, при помощи концентраторов энергии солнца. Здесь проблема состоит в том, чтобы не допустить рекомбинацию кислорода и водорода.

Сегодня в мире основная часть получаемого водорода в промышленном масштабе получается в ходе паровой конверсии метана (ПКМ). Таким образом, получение водорода дает возможность применять его как реагент для процесса очистки нефти и в качестве составляющей азотных удобрений и для ракетной техники. Тепловая энергия и пар при температурах 750-800°С необходимы для выделения водорода из углеродной основы в метане, что и случается на каталитических поверхностях в химических реформерах. Самая первая ступень ПКМ процесса разделяет водяной пар и метан на моно оксид углерода, а также водород. На второй ступени в процессе «реакции сдвига» моно оксид углерода и вода преобразуются в водород и диоксид углерода. Данная реакция протекает при 200-250°С.

В СССР в 30-е годы в промышленных масштабах получали синтез-газ благодаря паровоздушной газификации угля. Сегодня в ИПХФ РАН, расположенном в Черноголовке, создается технология для газификации угля в сверхадиабатическом режиме. Данная технология дает возможность преобразовывать энергию тепла угля в тоже тепловую энергию синтез-газа с КПД 98%.

Начиная с 70-х годов предыдущего века, в нашей стране были сделаны и получили научно-техническое объяснение и подтверждение путем эксперимента проекты гелиевых высокотемпературных реакторов (ВТГР) энерготехнологических атомных станций (АЭТС) для черной металлургии и химической промышленности: АБТУ-50, а затем – проект атомной энергетической станции с реактором ВГ-400, мощность которой 1060 МВт для химико-ядерного комплекса по получению водорода и смесей, содержащих его, по выпуску метанола и аммиака, еще несколько проектов в данном направлении.

Базой для всех проектов ВТГР стали разработки ядерных двигателей для ракет на базе водорода. Испытательные высокотемпературные реакторы, выпущенные в нашей стране для данных целей, а также ядерные демонстрационные двигатели для ракет показали работоспособность при нагревании водорода до максимальной температуры 3000К.

Высокотемпературные реакторы на основе гелиевого теплоносителя – новейший тип универсальных экологически чистых атомных энергетических источников, уникальные характеристики которых – способность получать тепло при температурах выше 1000°С и высочайший уровень безопасности – определяют невероятные возможности их применения для получения в газотурбинном цикле электрической энергии с большим КПД и для обеспечения высокотемпературным теплом и электроэнергией производственных процессов получения водорода, технологических процессов нефтеперерабатывающей, химической, металлургической и других отраслей, для процессов опреснения воды.

Самым современным в этой области считается международный проект ГТ-МГР, разрабатывающийся общими стараниями отечественных институтов и компании GA из США. Также с проектом сотрудничают компании Фуджи электрик и Фраматом.

Получение атомного водорода

Источником атомного водорода являются вещества, которые отщепляют атомы водорода при их облучении. В процессе облучения ультрафиолетом, например, йодистого водорода начинает протекать реакция с выделением атомного водорода.

HI + hv® H + I

Для выделения атомного водорода используется термическая диссоциация молекулярного водорода на палладиевой, платиновой проволоке или проволоке из вольфрама, нагретой при давлении меньше 1,33 Па в атмосфере водорода. Разделения водорода на атомы удается достигнуть также, применяя радиоактивные вещества. Есть метод синтеза атомного водорода в электрическом высокочастотном разряде с дальнейшим вымораживанием молекулярного водорода.

Физические варианты способов получения водорода из смесей, содержащих его

Водород в значимых количества имеется во многих смесях газов, в коксовом газе, например, который выделяется при пиролизе бутадиена, в получении дивинила.

Чтобы выделить водород из смесей газов, содержащих водород, применяют физические методы концентрирования и выделения водорода.

Фракционирование и низкотемпературная конденсация. Данный процесс описывается высокой степенью получения водорода из газовой смеси и выгодными экономическими показателями. Как правило, при давлении газа 4 МПа для выделения 93-94%-ного водорода температура должна составлять 115К. При содержании в исходном газе водорода больше 40% степень его получения может достигать 95%. Затрата энергии на концентрирование Н2 70-90% приравнивается к 22 кВт.ч на 1000 м3 получаемого водорода.

Адсорбционное выделение. Данный процесс происходит с помощью использования молекулярных сит, адсорберов, работающих циклически. Его можно реализовывать под давлением, равным 3-3,5 МПа с извлечением до 80-85% Н2 в виде 90%-го концентрата. В сравнении с низкотемпературным способом получения водорода для осуществления данного процесса нужно приблизительно на 25-30% меньше материальных затрат и на 30-40% меньше эксплуатационных.

Адсорбционное производство водорода с использованием жидких растворителей. В некоторых случаях способ подходит для получения водорода в чистом виде. Данный метод позволяет извлекать до 80-90% водорода, который содержится в первоначальной смеси газов, а также достигать его концентрации в конечном продукте до 99,9%. Затраты энергии на получение водорода достигают 68 кВт.ч на 1000 м3 Н2.

Получение водорода путем электролиза воды

Электролиз воды – это один из распространенных и хорошо изученных способов получения водорода. Он гарантирует получение продукта в чистом виде (99,6-99,9% Н2) за одну технологическую ступень. На получение водорода в затратах на производство стоимость электроэнергии составляет около 855.

Данный способ применяется в нескольких странах, которые имеют значительные запасы недорогой гидроэнергии. Крупнейшие электрохимические комплексы располагаются в Индии, Канаде, Норвегии, Египте, но созданы и функционируют множество мелких установок в разных странах мира. Этот способ считается важным еще и потому, что он наиболее универсален относительно применения первичных энергетических источников. В связи с распространением атомной энергетики стал возможен новый расцвет процессов электролиза воды за счет недорогой электрической энергии атомных электростанций. Ресурсы электроэнергетики сегодня недостаточны для синтеза водорода как продукта для дальнейшего использования в энергетике.

Электрохимический метод получения водорода из воды имеет следующие преимущества:

1. Высокая чистота водорода в конечном продукте – до 99,99% и более;

2. Легкость и постоянство технологического процесса, можно автоматизировать процесс, в электролитической ячейке нет движущихся частей;

3. Возможность получения очень ценных дополнительных продуктов – кислорода и тяжелой воды;

4. Неисчерпаемое и доступное исходное сырье – вода;

5. Возможность получения водорода прямо под давлением;

6. Физическое распределение кислорода и водорода в ходе электролиза.

Во всех приведенных примерах получения водорода путем разложения воды побочным продуктом являются большие объемы кислорода. Это открывает новые возможности для его использования. Он сможет найти свое место не только в качестве ускорителя процессов технологии, но и в качестве незаменимого очистителя водоемов. Данная область применения кислорода может распространиться и на почву, атмосферу и воду. Сгорание в кислороде увеличивающихся количеств бытовых отходов поможет решить вопрос твердых отбросов крупных городов.

Еще один ценный продукт электролиза воды – тяжелая вода – прекрасный замедлитель нейтронов во всех атомных реакторах. Данная тяжелая вода может применяться в качестве сырья для синтеза дейтерия, который служит материалом для термоядерной энергетики.

Это интересно ...

Последние новости и статьи:



Оставить комментарий