Саратовских Марія Станіславівна, Агєєва Олена Євгенівна, 10А, школа №75
Воднева енергетика сформувалася як один із напрямів розвитку науково-технічного прогресу в середині 70-х років минулого століття. У міру того, як розширювалася область досліджень, пов'язаних з отриманням, зберіганням, транспортом і використанням водню, ставали все більш очевидними екологічні переваги водневих технологій в різних областях народного господарства. Успіхи в розвитку ряду водневих технологій (таких як паливні елементи, транспортні системи на водні, металогідридні і багато інших) продемонстрували, що використання водню призводить до якісно новим показниками в роботі систем або агрегатів. А виконані техніко-економічні дослідження показали: незважаючи на те, що водень є вторинним енергоносієм, тобто коштує дорожче, ніж природні палива, його застосування в ряді випадків економічно доцільно вже зараз. Тому роботи з водневої енергетики в багатьох, особливо промислово розвинених країнах відносяться до пріоритетних напрямів розвитку науки і техніки і знаходять все більшу фінансову підтримку з боку як державних структур, так і приватного капіталу.
У вільному стані і при нормальних умовах водень - безбарвний газ, без запаху і смаку. Щодо повітря водень має щільність 1/14. Він зазвичай і існує в комбінації з іншими елементами, наприклад, кисню у воді, вуглецю в метані і в органічних сполуках. Оскільки водень хімічно надзвичайно активний, він рідко присутня як незв'язаний елемент.
Запаси водню, зв'язаного в органічній речовині і в воді, практично невичерпні. Розрив цих зв'язків дозволяє виробляти водень і потім використовувати його як паливо. Розроблено численні процеси з розкладання води на складові елементи.
При нагріванні понад 2500 0 С вода розкладається на водень і кисень (прямий термоліз). Настільки високу температуру можна отримати, наприклад, за допомогою концентратів сонячної енергії. Проблема тут полягає в тому, щоб запобігти рекомбінацію водню і кисню.
В даний час в світі велика частина виробленого в промисловому масштабі водню виходить в процесі парової конверсії метану (ПКМ). Отриманий таким шляхом водень використовується як реагент для очищення нафти і як компонент азотних добрив, а також для ракетної техніки. Пар і теплова енергія при температурах 750-850 0 С потрібні, щоб відокремити водень від вуглецевої основи в метані, що і відбувається в хімічно парових реформерах на каталітичних поверхнях. Перший ступінь процесу ПКМ розщеплює метан і водяна пара на водень і монооксид вуглецю. Слідом за цим на другому ступені "реакція зсуву" перетворює моно оксид вуглецю і воду в діоксид вуглецю і водень. Ця реакціяпроісходіт при температурах 200-250 0 С.
У 30-ті роки в СРСР отримували в промислових масштабах синтез-газ шляхом паро-повітряної газифікації вугілля. На даний момент в ІПХФ РАН в Черноголовке розробляється технологія газифікація вугілля в сверхадіабатіческом режимі. Ця технологія дозволяє переводити теплову енергію вугілля в теплову енергію синтез-газу з ККД 98%.
Починаючи з 70-х років минулого століття в країні були виконані і отримали необхідне науково-технічне обгрунтування та експериментальне підтвердження проекти високотемпературних гелієвих реакторів (ВТГР) атомних енерготехнологічних станцій (АЕТС) для хімічної промисловості та чорної металургії. Серед них АБТУ-50, а пізніше - проект атомної енерготехнологічної станції з реактором ВГ-400 потужністю 1060 МВт для ядерно-хімічного комплексу з виробництва водню і сумішей на його основі, з випуску аміаку і метанолу, а також ряд наступних проектів цього напрямку.
Основою для проектів ВТГР послужили розробки ядерних ракетних двигунів на водні. Створені в нашій країні для цих цілей випробувальні високотемпературні реактори і демонстраційні ядерні ракетні двигуни продемонстрували працездатність при нагріванні водню до рекордної температури 3000К.
Високотемпературні реактори з гелієвим теплоносієм - це новий тип екологічно чистих універсальних атомних енергоджерел, унікальні властивості яких - здатність виробляти тепло при температурах понад 1000 0 С і 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, нефтеперерабат ающей, металургійної та ін. галузей промисловості.
Одним з найбільш просунутих в цій галузі є міжнародний проект ГТ-МГР, який розробляється спільними зусиллями російських інститутів і американської компанії GA. З проектом співпрацюють також компанії Фраматом і Фуджі електрик.
Отримання атомного водню.
Як джерело атомного водню використовують речовини, які відщеплюють при їх опроміненні атоми водню. Наприклад, при опроміненні ультрафіолетовим світлом йодистого водню відбувається реакція з утворенням атомного водню:
Для отримання атомного водню застосовується також метод термічної дисоціації молекулярного водню на платинової, палладиевой або вольфрамової дроті, нагрітої в атмосфері водню при тиску менш 1,33 Па. Дисоціації водню на атоми можна досягти і при використанні радіоактивних речовин. Відомий спосіб отримання атомного водню в високочастотному електричному розряді з наступним виморожуванням молекулярного водню.
Фізичні методи вилучення водню з водородосодержащих сумішей.
Водень в значних кількостях міститься в багатьох газових сумішах, наприклад в коксовому газі, в газі, що отримується при піролізі бутадієну, у виробництві дивина.
Для вилучення водню з водородосодержащих газових сумішей використовують фізичні методи виділення і концентрування водню.
Низькотемпературна конденсація і фракціонування. Цей процес характеризується високим рівнем вилучення водню з газової суміші і сприятливими економічними показниками. Зазвичай при тиску газу 4 МПа для отримання 93-94% -ного водню необхідна температура 115К. При концентрації водню в вихідному газі більш 40% ступінь його вилучення може досягати 95%. Витрата енергії на концентрування H2 від 70 до 90% становить приблизно 22 кВт. ч на 1000м 3 виділяється водню.
Адсорбционное виділення. Цей процес здійснюється за допомогою молекулярних сит в циклічно працюючих адсорберах. Його можна проводити під тиском 3-3,5 МПа зі ступенем вилучення 80-85% H2 у вигляді 90% -ного концентрату. У порівнянні з низькотемпературним методом виділення водню для проведення цього процесу потрібно приблизно на 25-30% менше капітальних і на 30-40% експлуатаційних витрат.
Адсорбционное виділення водню за допомогою рідких розчинників. У ряді випадків метод придатний для отримання чистого H2. За цим методом може бути вилучено 80-90% водню, що міститься в вихідної газової суміші, і досягнуто його концентрація в цільовому продукті 99,9%. Витрата енергії на витяг складає 68 кВт. ч на 1000м 3 H2.
Отримання водню електролізом води.
Електроліз води один з найбільш відомих і добре досліджених методів отримання водню. Він забезпечує отримання чистого продукту (99,6-99,9% H2) в одну технологічну щабель. У виробничих витратах на отримання водню вартість електричної енергії становить приблизно 855.
Цей метод отримав застосування в ряді країн, що володіють значними ресурсами дешевої гідроенергії. Найбільші електрохімічні комплекси перебувають у Канаді, Індії, Єгипті, Норвегії, але створені і працюють тисячі дрібніших установок у багатьох країнах світу. Важливий цей метод і тому, що він є найбільш універсальним щодо використання первинних джерел енергії. У зв'язку з розвитком атомної енергетики можливий новий розквіт електролізу води на базі дешевої електроенергії атомних електростанцій. Ресурси сучасної електроенергетики недостатні для отримання водню в якості продукту для подальшого енергетичного використання.
Електрохімічний метод отримання водню з води має такими позитивними якостями: 1) висока чистота одержуваного водню - до 99,99% і вище; 2) простота технологічного процесу, його безперервність, можливість найбільш повної автоматизації, відсутність рухомих частин в електролітичної осередку; 3) можливість отримання цінних побічних продуктів - важкої води і кисню; 4) загальнодоступне і невичерпне сировину - вода; 5) гнучкість процесу і можливість отримання водню безпосередньо під тиском; 6) фізичний поділ водню і кисню в самому процесі електролізу.
У всіх процесах отримання водню розкладанням води в якості побічного продукту будуть виходити значні кількості кисню. Це дасть нові стимули його застосування. Він знайде своє місце не тільки як прискорювач технологічних процесів, а й як незамінний очисник і оздоровитель водойм, промислових стоків. Ця сфера використання кисню може бути поширена на атмосферу, грунт, воду. Спалювання в кисні зростаючих кількостей побутових відходів зможе вирішити проблему твердих покидьків великих міст.
Ще більш цінним побічним продуктом електролізу води є важка вода - хороший сповільнювач нейтронів в атомних реакторах. Крім того, важка вода використовується в якості сировини для отримання дейтерію, який в свою чергу є сировиною для термоядерної енергетики.
Довідник. "Водень. Властивості, отримання, зберігання, транспортування, застосування ". Москва "Хімія" - 1989 г.