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
с последующей обработкой FeO водяным паром при 600-700 0С. После конденсации паров воды можно получить чистый водород:
3FeO + Н2О→Feз О4 + Н2 + 16ккал
Экономичность процесса здесь возрастает вследствие того, что последняя реакция экзотермична и позволяет некоторое количество выделяющегося тепла использовать для нагрева водяного газа до температур, при которых в соответствии с данной реакцией имеет место восстановление окислов железа. Несмотря на определенные трудности, железопаровой вариант получения водорода привлекает в настоящее время внимание большого числа исследователей во всех странах мира, поскольку связан с возможностью использования дешевых низкосортных углей в качестве восстановителя водяного газа. Казалось бы, самым простым и чистым способом получения водорода должен быть электролизный способ, непосредственно расщепляющий молекулу воды на водород и кислород. Однако этот процесс сам требует много электрической энергии и экономически пока остается невыгодным [2, 4, 5-15].
В электрохимии имеется такое понятие, как перенапряжение. Оно связано с избыточным напряжением, которое нужно приложить к электролитической ванне сверх ее равновесной электродвижущей силы для того, чтобы мог протекать процесс электролиза. При электролизе воды с целью получения водорода на катоде перенапряжение увеличивает необходимое электрическое напряжение и происходит дополнительный расход энергии. При величине напряжения в 0,3 В на каждые 1000 кг водорода требуется дополнительный расход 8300 квт-ч электроэнергии. Большая величина перенапряжения выделения водорода обусловливает то, что стоимость электролизного водорода пока в 2 - 2,5 раза выше стоимости водорода, получаемого из природного газа. В этой связи, однако, заслуживает должного внимания возможность практического осуществления варианта комбинирующего электролиза с прямым пиролизом воды. Последняя реакция (реакция пиролиза воды) сама по себе кажется весьма перспективной и первоначально заслуживает самостоятельного рассмотрения [4, 16-18].