ICE pe hidrogen
În ultimul deceniu, a devenit evident că dezvoltarea intensă a energiei și transportului modern conduce omenirea la o criză ecologică de amploare. Reducerea rapidă a rezervelor de combustibili fosili va forța țările industrializate să extindă rețeaua de centrale nucleare, ceea ce va spori din ce în ce mai mult riscul exploatării lor. Problema depozitării deșeurilor radioactive se va agrava mult.
Având în vedere această tendință alarmantă, mulți oameni de știință și practicieni sunt cu siguranță în favoarea accelerării căutării unor surse alternative de energie netradiționale. În special, ochii lor se îndreaptă către hidrogen, ale cărui rezerve din apele Oceanului Mondial sunt inepuizabile. Avantajul incontestabil al combustibilului hidrogenului sunt siguranța mediului relativă a utilizării sale, caracterul adecvat pentru motoare termice fără a altera substanțial structura lor, valoarea calorică ridicată, posibilitatea de stocare pe termen lung, de transport în cadrul rețelei de transport existente, toxicitate, etc.
Deoarece energia hidrogenului (economie) asociată speranței de reorganizare globală a economiei mondiale, trecerea de la energia hidrocarburi fosilă hidrogenului, care deschide posibilitatea de a folosi ca bază de materie primă de apă și produse de ardere a hidrogenului nelimitat este vapori de apă. În viitorul îndepărtat pentru a obține hidrogen electrolitic pentru a fi utilizate în principal, de fuziune, solară și alte surse de energie regenerabile. Cu toate acestea, o problemă semnificativă insurmontabilă până în prezent rămâne ineficiența producției industriale de hidrogen.
În sens larg, energia pe bază de hidrogen se bazează pe utilizarea hidrogenului drept combustibil. Energia hidrogenului include, de asemenea: producția de hidrogen din apă și alte materii prime naturale; stocarea hidrogenului în stare gazoasă și lichefiată sau sub formă de compuși chimici obținute artificial, de exemplu hidruri de compuși intermetalici; precum și transportul de hidrogen către consumator cu pierderi mici. Cu toate acestea, energia pe bază de hidrogen nu a fost încă utilizată pe scară largă. Metodele de producere a hidrogenului, metodele de stocare și transport, care sunt considerate promițătoare pentru energia pe bază de hidrogen, se află în stadiul de dezvoltare experimentală și de cercetare de laborator.
Alegerea hidrogenului ca purtător de energie se datorează mai multor avantaje, printre care se numără siguranța ecologică a hidrogenului, deoarece produsul combustiei sale este apă, o entalpie excepțional de mare
egală cu - 143,06 MJ / kg (pentru carburantul convențional cu hidrocarburi - 29,3 MJ / kg); conductivitatea termică ridicată a hidrogenului, precum și viscozitatea sa scăzută, ceea ce este foarte important atunci când se transportă prin conducte.
Rezervele de apă ale lumii de pe Pământ sunt inepuizabile. Căutăm înfricoșat combustibilul viitorului și noi în mod literal se scaldă în el. La urma urmei, pentru a folosi apa ca combustibil, trebuie să vină cu un dispozitiv care să lucreze la acesta sau, mai degrabă, cu hidrogenul și oxigenul constitutiv. Metodele de disociere (metode de descompunere) a apei în hidrogen și oxigen - termice, electrice, sub influența radiațiilor ionizante, a undelor radio etc., sunt cunoscute din elementele de bază ale chimiei.
Acest lucru contribuie la posibilitatea utilizării multilaterale a hidrogenului. Hidrogenul poate fi utilizat drept combustibil în multe procese chimice și metalurgice, precum și combustibil în aviație și în transportul auto și ca aditivi la carburanți.
Pentru a obține și a transfera energie, este, de asemenea, promițătoare să obțină și să utilizeze hidrogen prin mijloace chimice. Într-una dintre ele un amestec de hidrogen cu monoxid de carbon (CO) obținut în prima conversie catalitică etapă de metan, este trecut la consumator printr-o linie și intră în aparat - metanatorului în care reacția exotermă inversă:
Căldura eliberată în acest caz poate fi utilizată pentru alimentarea cu căldură în uz casnic și industrial, iar amestecul de abur-gaz este returnat în ciclul de conversie a metanului.
Trebuie remarcat faptul că metodele tradiționale de obținere a hidrogenului pentru energia pe bază de hidrogen sunt neprofitabile din punct de vedere economic. Există o serie de metode cunoscute de descompunere a apei: chimice, termochimice, electroliza etc. dar toate au același dezavantaj - în procesul de producere a hidrogenului cu ajutorul energiei de grad înalt, la care, la rândul său, este consumat combustibili fosili rare (cărbune, naturale. gaz, produse petroliere) sau energia electrică produsă la centralele electrice. Această producție de hidrogen, desigur, va rămâne întotdeauna neeconomică și periculoasă din punct de vedere ecologic și, prin urmare, nepromotivă.
Pentru nevoile unui viitor energetic de hidrogen este de așteptat să îmbunătățească metodele tradiționale și de a dezvolta noi, inovatoare, folosind energia nucleară și solară. Metoda propusă primară îmbunătățirea producerea hidrogenului - conversia catalitică a gazelor naturale este că procesul se desfășoară într-un pat fluidizat de catalizator și se încălzește, la rândul lor, alimentate din gazul aflat la temperatură ridicată răcite reactor nuclear (HTGR). Aplicarea acestei metode va permite mai mult de 10 de ori pentru a crește viteza volumetrică a procesului, pentru a reduce temperatura reactorului chimic la 150 ° C și hidrogen pentru a reduce costurile de producție cu 20-25%. Cu toate acestea, astfel de reactoare, care asigură temperaturi ridicate ale agentului de răcire (aproximativ 1000 ° C), se află încă în stadiul de dezvoltare experimentală.
O altă variantă a producerii de hidrogen este electroliza alcalină apoasă sub presiune, folosind energia electrică ieftină produsă noaptea de o centrală nucleară. În același timp, consumul de energie electrică pentru obținerea a 1 m3 de H2 este de 4.3-4.7 kWh (conform metodei uzuale 5.1-5.6 kWh), tensiunea la celulă este de 1.7-2.0 V la o densitate curent de 3-5 kA / m 2 și presiune în electrolizor până la 3 MPa. Hidrogenul produs în acest mod poate fi direcționat către necesitățile industriei sau utilizat ca combustibil la o centrală electrică pentru a genera energie electrică suplimentară în timpul zilei.
O altă metodă de producere a hidrogenului este electroliza apei folosind electrolit ca topi un alcalin polimerul solid (polimer solid. Transformator sau electroliza) sau ceramică pe baza ZrO2 (temperatură ridicată. VT sau electroliza). Metoda electrolitică necesită costul energiei electrice cu 30-40% mai mic decât metodele tradiționale de producere a hidrogenului. Utilizarea electrolitilor solizi reduce semnificativ distanța dintre electrozii din celulă (până la 250 microni), rezultând o densitate de curent a crescut în mod repetat, fără a crește tensiunea la celula electrolizor. Ca electrolit în electroliza în stare solidă, se poate utiliza un film de fluoroplastic-sulfonat-4. Astfel, temperatura de proces este de 150 ° C, eficiența atinsă de% și consumul de energie electrolizor 90 pentru 1 m 3 H2 3,5 kWh. Cel mai promițător electroliza cu temperatură ridicată, folosind căldura din reactor: în care electrolitul este o ceramică de oxid de zirconiu ZrO2 cu aditivi de oxizi ai altor metale (de exemplu, VA2 O3 CaO, Sc2 O3.). In acest proces, temperatura crește în mod semnificativ la 800-1000 ° C, și nivelurile realizabile de consum de energie pentru 1 m 3 de H2 la o densitate de curent de 3,10 kA / m 2 este de 2,5 kWh.
Din metodele chimice plasmatice de obținere a hidrogenului, ciclul cu două etape a dioxidului de carbon este cel mai promițător. care include: 1) disocierea dioxidului de carbon (2CO2 -> 2CO + O2), efectuată în flacăra cu plasmă, cu o eficiență de până la 75-80%; 2) conversia ulterioară a CO cu abur (CO + H2O -> H2 + CO2), după care CO2 format este returnat la flacăra cu plasmă.
metode termochimice de producere a hidrogenului sunt un set de reacții chimice secvențiale care duc la descompunerea materiei prime care conține hidrogen de pornire - apă la o temperatură mai mică decât cea necesară pentru disociere termică. Astfel, gradul de disociere termică a apei la 2483 ° C este de 11,1%. În aceste cicluri, toate componentele sistemului, cu excepția materiilor prime care conțin hidrogen, sunt regenerate. Următoarele sunt exemple de cicluri termochimice de descompunere a apei.
Ciclurile termochemice cu sulfură de hidrogen sunt, de asemenea, de interes. de exemplu:
Atunci când se utilizează hidrogen sulfurat (H2S), în loc de apă, consumul de energie pentru producția de hidrogen este redus, deoarece energia de legare a H-S în hidrogen sulfurat este mult mai mică decât energia de legare a H-O în apă și, pe lângă sulf, se formează sulf, o materie primă chimică importantă.
Alte metode promițătoare de obținere a hidrogenului includ radioliza apei și a soluțiilor apoase de CO2. H2S04. HCl, HBr, H2S, AgCl etc., sub influența radiației nucleare (rigid, neutron). Cele mai puternice surse de astfel de radiații sunt reactoarele nucleare. Cu toate acestea, pentru a dezvolta această metodă este necesară pentru a crea o sursă de radiații nucleare cu consum mare de energie, pentru a dezvolta sisteme capabile să absoarbă mediul reacționează mai mult de 50% din energia radiației și folosiți-l cu un randament mai mare de 10 de radiație a moleculelor de hidrogen la 100 eV.
Sunt studiate, de asemenea, metodele fotochimice de producere a hidrogenului folosind energia solară. A fost efectuată fotoelectroliza apei (cu producție separată de H2 și O2); metoda va fi de interes practic dacă randamentul său ajunge la 10-12% (în timp ce este de aproximativ 3%).
O altă modalitate interesantă de obținere a hidrogenului este bio-fotoliza apei. Biophotolysis apa se bazează pe faptul că anumite microorganisme și microalge (de exemplu, Chlorella) care absoarbe energia solară, capabil de a descompune apa cu evoluția hidrogenului. Cu toate acestea, eficiența transformării energiei solare de către astfel de microorganisme este foarte scăzută - aproximativ 8%.
Recent, ca alternativă la energia pe bază de hidrogen, se propune utilizarea apei grele. În timpul reacției nucleare a doi atomi de deuteriu se formează hidrogen și heliu:
D + D = H + He
Într-o astfel de reacție, legea conservării masei, pe care chimia obișnuită o folosește, este inaplicabilă; ca rezultat al reacției, există o lipsă:
Aceasta înseamnă că, dacă ar fi posibil să se găsească condițiile în care poate avea loc o reacție între două moli de hidrogen greu, atunci, conform ecuației lui Einstein:
ar fi posibil să se obțină energie:
0,00433x (3,0x1010) 2 erg = 3,9x1018 erg = 3,9x1011 J.
În timpul nostru, pentru a obține această energie, trebuie să ardeți 14 tone de cărbune.
Între timp, conform ecuației reacției nucleare, o astfel de energie poate fi obținută cu costul a numai doi moli de deuteriu, care sunt conținute într-un mol de apă grea. Prin urmare, pentru aceasta este nevoie de apă simplă:
6700x18 / 1000 kg = 120,6 kg
sau 120 de litri. Prin urmare, dintr-un litru de apă obișnuită, puteți obține mai multă energie decât o puteți obține de la o sută de kilograme de cărbune de înaltă calitate. Și rezervele de apă de pe Pământ noastre sunt uriașe.
Hidrogen combustibil Biodiesel, biocombustibil, hidrogen, ICE, Canada Noua tehnologie, Transport, Ecotox