Скачать (79,2 Кб)

Уголь будущих веков. Земетки о водородной энергетике

Член-корреспондент АН Азербайджанской ССР М. И. Рустамов,
кандидат химических наук Н. З. Мурадов
Химия и Жизнь №12, 1981 г., с. 8-12

ПРЕДСКАЗАНИЯ ФАНТАСТА

"Какое топливо заменит уголь?

- Вода, - ответил инженер.

- Вода? - переспросил Пенкроф...

- Да, но вода, разложенная на составные части, - пояснил Сайрес Смит.- Без сомнения, это будет делаться при помощи электричества, которое в руках человека станет могучей силой... Да, я уверен, что наступит день, и вода заменит топливо; водород и кислород, из которых она состоит, будут применяться и раздельно; они окажутся неисчерпаемым и таким мощным источником тепла и света, что углю до них далеко! Наступит день, друзья мои, и в трюмы пароходов, в тендеры паровозов станут грузить не уголь, а баллоны с двумя этими сжатыми газами, и они будут сгорать с огромнейшей тепловой отдачей. Следовательно, бояться нечего... когда каменноугольные залежи иссякнут, человек превратит в топливо воду, люди будут обогреваться водой. Вода - это уголь грядущих веков".

Нельзя не удивляться прозорливости автора "Таинственного острова". Человечество жило в каменноугольной эпохе, впереди лишь брезжила эра нефти и газа, а Жюль Верн уже предвидел энергетический кризис, который и для наших компетентных современников разразился как гром среди ясного неба. Более того, можно даже сказать, что великий фантаст предсказал пути выхода из тупика. Сейчас эти пути нащупывает новая область науки и техники, возникшая век спустя на стыке физики, химии, энергетики и технологии и известная ныне как водородная энергетика.

Почему же именно водородная?

ТРЕБУЕТСЯ НОВЫЙ ЭНЕРГОНОСИТЕЛЬ

Смена источников энергии - это по существу вехи технического прогресса: древесина, каменный уголь, позднее нефть и газ. За последние четверть века освоена атомная энергия, и это существенно расширило потенциальную энергетическую базу общества.

Все эти первичные источники вместе с гидроресурсами обеспечивают в про-мышленно развитых странах более 99% энергопроизводства. И хотя наиболее дальновидные специалисты уже давно высказывали опасения по поводу неизбежного истощения нефтегазовых запасов, многим эта беда казалась невообразимо далекой. Однако первое же резкое повышение цен на нефть как ледяным душем отрезвило вчерашних оптимистов. Заговорили о том, что даже по самым скромным оценкам нефти хватит лишь на какие-то тридцать лет - разумеется, при экономически целесообразных методах добычи. Вот тогда-то и прозвучали впервые пугающие слова "энергетический кризис".

Нельзя отрицать, что сегодня энергетические проблемы приобрели необычайную остроту, что запасы нефти и газа действительно заметно истощаются, однако трактовать все это как кризис, подразумевая исчерпание всех энергетических источников, в принципе неверно. Правильней сказать, что кончается не нефть, а дешевая и сравнительно легко доступная нефть. А другие первичные источники - солнечная, ядерная, термоядерная, геотермальная энергия, энергия океана и т. д.- могут обеспечить все мыслимые потребности Земли на необозримый срок. (Между прочим, в качестве основного энергоисточника на ближайшую перспективу рассматривают тот самый уголь, конец которого предсказывал Жюль Верн, однако этот аспект проблемы, а заодно и все конверсионные процессы получения водорода или топлива из угля мы здесь разбирать не станем.)

Выходит, искать нужно вовсе не энергоисточник, а эффективные методы преобразования уже имеющихся в достатке энергоресурсов в энергию, удобную для передачи потребителю - в промышленность, на транспорт, на бытовые нужды. Ведь атомное горючее не зальешь в бак автомобиля, а на солнечной печи в пасмурный день не приготовишь обед.

Попытаемся, что называется, на кончике пера найти новый энергоноситель и для этого перечислим основные требования к нему:

по своим свойствам он должен быть близок к нефти и природному газу (в отличие от такого энергоносителя, как электричество);

ресурсы сырья для его производства должны быть практически неисчерпаемы;

он должен обладать высокой теплотворной способностью;

ни он сам, ни продукты его сгорания не должны быть токсичными;

он должен быть удобен в хранении и при транспортировке, универсален в использовании.

Природа здесь явно поскупилась - выбора по сути дела нет: всем перечисленным требованиям полностью отвечает лишь водород - идеальное с экологической точки зрения топливо, ресурсы которого воистину неисчерпаемы. Сравнительно недавно "Химия и жизнь" (1981, №1) опубликовала "самое главное, самое интересное и самое неожиданное" о водороде, так что нам не придется задерживать внимание читателей на свойствах и привлекательных особенностях элемента №1.

КАК РАЗОРВАТЬ СВЯЗИ

Для получения водорода из воды пригоден в принципе любой метод, позволяющий с помощью внешней энергии разорвать валентную связь Н = О = Н. Вот эти методы: электролитическое расщепление (электролиз), воздействие высокотемпературного тепла (термолиз), воздействие излучения (фотолиз и радиолиз). В качестве первичных энергетических источников для реализации любого из них рассматривают прежде всего ядерную (деление или синтез) и солнечную энергию.

Со времени упоминания в "Таинственном острове" первого из перечисленных способов в техническом электролизе воды достигнут значительный прогресс, а в странах, обладающих дешевой гидроэнергией (Норвегия, Канада), он уже нашел промышленное применение. Возрастающую роль электролиза как источника дешевого водорода в перспективе связывают с ожидаемым удешевлением электроэнергии АЭС, с ростом к. п. д. электролизеров (в случае высокотемпературного электролиза - до 90%), с освоением экологически чистого разложения морской воды. Так обстоит дело с электролизом.

Для прямого термического разложения воды только за счет тепла, как показывают простейшие термодинамические расчеты, требуется поддерживать температуру около 3500°С. Вести такой процесс практически нереально. Поэтому все исследования в этом направлении сводятся к поиску методов терморазложения воды при технологически приемлемых температурах - не более 1000°С. Теперь уже совершенно очевидно, что добиться желаемого можно лишь пожертвовав простотой системы. А один из возможных непростых путей - вести процесс через промежуточные реакции: связывания воды, отщепления водорода и кислорода, регенерации реагентов,- т. е. получать водород с помощью термохимического цикла (ТХЦ). В таком цикле все компоненты системы, за исключением воды, полностью регенерируются за счет потребляемого тепла, а максимальная температура процесса тем ниже, чем больше промежуточных стадий. Вот один из самых известных термохимических циклов - "Марк-9", разработанный учеными Евроатома:

3FeCl₂ + 4Н₂O -650°C®Fe₃O₄ + 6HCl + Н₂,
Fe₃O₄ + 3/2Cl₂ + 6HCl -120°C®FeCl₃ + 3H₂O + 1/2O₂,
3FeCl₃ -420°C® FeCl₂ + 3/2Cl₂.

У этого цикла неплохие характеристики: невысокая рабочая температура, вполне удовлетворительная эффективность (44%), дешевые и доступные реагенты. Большинство известных термохимических циклов технологически гораздо менее привлекательны. И все же "Марк-9" и его менее удачные аналоги пока остаются в "стекле". Технологов отпугивает многостадийность чисто химических циклов, к тому же задача создания надежно работающего источника тепла на 800-1000°С еще ждет своего решения. Поэтому реальность ТХЦ будет зависеть от прогресса в создании и освоении высокотемпературных ядерных реакторов и высокоэффективных солнечных коллекторов.

Комбинированный цикл "Иокогама - Марк-6"
1 - фотохимический реактор, 2 - линзы-концентраторы. 3 - тепловой абсорбер, 4 - термоэлектрический элемент, 5 - тепловой резервуар, 6 - реактор термического разложения. 7 - электролизер

Значительно больший оптимизм специалистов вызывают так называемые комбинированные, или гибридные, циклы. Один из них - его разработал Т. Охита (Япония) - комбинированный цикл "Иокогама - Марк-6":

2FeSO₄ + J₂ + H₂SO₄ ® Fe₂(SO₄)₃ + 2HJ,
(фотолиз)
2HJ ® H₂ + J₂,
(термолиз)
Fe₂(SO₄)₃ + H₂O > 2FeSO₄ + H₂SO₄ + 1/2O₂.
(электролиз)

На крыше Иокогамского университета уже несколько лет работает пилотная установка на этом цикле. Однако проектировать завод по получению водорода таким методом пока не торопятся. Все-таки процесс, который предложил Т. Охита, слишком деликатен для крупномасштабного производства. В промышленных масштабах проще, а потому привлекательнее двухстадийный термоэлектрохимический сернокислотный цикл:

SO₂ + 2H₂O ® H₂SO₄ + H₂,
(электролиз)
H₂SO₄ -850°C® H₂O + SO₂ + 1/2O₂,
(термолиз).

Расход электроэнергии составляет здесь лишь 15% необходимого для электролиза воды с использованием современных электролизеров. В таком цикле сочетаются простота электролитического и высокий к. п. д. термохимического способов. Возможно, уже в недалеком будущем сернокислотный метод составит конкуренцию конверсионным процессам получения водорода на основе органического топлива.

СОЛНЦЕ И ВОДА

Поверхность Земли получает от Солнца за две недели столько же энергии, сколько заключено во всех мировых запасах органического топлива. Подобный факт поражает воображение даже искушенного в технике человека...

Стремясь скорее и полнее овладеть энергией Солнца, ученые пошли различными путями, среди которых можно выделить четыре главных направления: теплотехническое (солнечный нагрев), фотоэлектрическое (полупроводниковые преобразователи), биологическое (фотосинтетические системы) и химическое. Мы кратко остановимся лишь на последнем.

Если тепловая или электрическая энергия воздействует на воду непосредственно, то для солнечной энергии необходим посредник - ведь вода, как все знают, прозрачна (строго говоря, прозрачна лишь в видимой области спектра). Посредником в передаче энергии, в принципе, может быть любая молекула, поглощающая квант видимого света, переходящая при этом в возбужденное, богатое энергией состояние и затем с легкостью отдающая ее воде. Оказалось, что такими фотокатализаторами могут служить некоторые органические красители, а также дипиридильные и другие комплексы рутения, родия, железа, осмия и т. д. К сожалению, фоторазложение воды пока не удается провести без использования расходуемых реагентов, роль которых сводится к предотвращению возможных обратных (темновых) реакций.

В фотохимической системе, которая разработана в Институте химической физики АН СССР доктором химических наук А. Е. Шиловым и его сотрудниками, в качестве фотокатализатора используется краситель акридиновый желтый (К):

K -hV® К*
К* + Д ® К^- + Д_окис,
К^- + А ® К + А^-,
А^- + Н₂О ® А + ОН^- + 1/2Н₂,

где Д - донор электронов (натриевая соль этилендиаминтетрауксусной кислоты), А - промежуточный акцептор электронов (метилвиологен).

Эта система, представляющая собой функциональную модель бактериального фотосинтеза и "фотосистемы 1" фотосинтетического аппарата растений, вполне работоспособна. Сейчас известно множество аналогичных систем. Однако все существующие сегодня глобальные проекты получения в пустынях и океанах фототоплива из воды объединяет одно: пока что они не могут составить основу широкого промышленного метода трансформации солнечной энергии в топливо. И прежде всего - по причинам экономического характера.

СКЛАД ВОДОРОДА

Сейчас трудно сказать, какой из методов получения водорода окажется в обозримом будущем экономически и экологически приемлемым для энергетики. Но совершенно очевидно, что получение топлива из воды, причем в достаточно широких масштабах, - дело не столь уж отдаленное. Слишком уж привлекательно водородное горючее, слишком уж заманчиво использовать неисчерпаемые запасы "угля грядущих веков".

Одна из привлекательных черт водорода как энергоносителя - возможность его аккумулирования, чрезвычайно полезное свойство для согласования режимов выработки и потребления ядерной и особенно солнечной энергии. Чтобы в полной мере оценить это качество водорода, достаточно вспомнить, сколько хлопот доставляет нам необходимость аккумулирования больших количеств самого распространенного современного энергоносителя - электричества.

Естественно, нужны простые и экономичные средства хранения и транспортировки водорода. Сейчас его обычно хранят в металлических резервуарах в газообразном (под давлением) или жидком состоянии. Водород можно хранить также в виде гидридов металлов или интерметаллических соединений. В последнее время появились и новые решения: в качестве водородных резервуаров предлагают использовать естественные подземные емкости в выработанных месторождениях нефти и газа, искусственные соляные каверны, горные выработки. Во Франции, например, уже в течение нескольких лет эксплуатируется естественное подземное хранилище для водорода, правда, в смеси с природным газом.

Для транспортировки и распределения водорода пригодны, в принципе, обычные трубопроводы, как для природного газа. Приближенные оценки показывают, что капитальные и эксплуатационные расходы на транспортировку единицы энергии в виде водорода благодаря его малой плотности и вязкости сопоставимы с расходами по транспортировке природного газа, а для расстояний свыше 1500 км примерно вдвое ниже, чем затраты на передачу электричества посредством воздушных высоковольтных линий. В ФРГ и США действуют водородные трубопроводы протяженностью несколько сот километров. Наверное, идеальным энергопроводом может стать система, в которой жидкий водород, идущий к потребителю по трубам, одновременно служит охлаждающим агентом для сверхпроводящих линий электропередачи. Однако эта идея будет реализована, наверное, лишь в довольно отдаленном будущем.

БЛИЖЕ К ПРИРОДЕ

При обсуждении вопроса об использовании водорода разговор всегда начинают с транспорта. Это и понятно: здесь в особенно концентрированном виде сплетаются все аспекты энергетической проблемы, здесь наиболее отчетливо проявляется спасительная роль нового энергоносителя. Успешные испытания автомобилей на водородном горючем, исследования жидкого водорода в качестве топлива для сверхзвуковых самолетов весьма и весьма обнадеживают.

Не менее перспективно использование водорода в быту - вместо природного газа. А в химии и металлургии применение этого важнейшего реагента и энергоносителя, понятно, может только возрастать, причем весьма высокими темпами.

Совершенно очевидно, что мы уже находимся на пороге новой энергетической эры - эры водородной энергетики. Если в свое время нефть и газ завоевали энергетический рынок в промышленно развитых странах примерно за полвека, то в нынешних условиях, при резком обострении энергетических и экологических проблем, смена главного энергоносителя цивилизации, по всей вероятности, займет гораздо меньше времени. Сроки и закономерности перехода будут определяться конкретными обстоятельствами каждой страны, каждого региона: сохранившимися запасами ископаемых топлив, экономически доступными ресурсами других энергоисточников, темпами роста энергопотребностей, уровнем науки и техники. Однако такой переход неизбежен. А последний аргумент в пользу этого утверждения таков. Водород может стать посредником, миротворцем в конфликте человека с природой: водородная энергетика, насколько это возможно, примиряет техническую цивилизацию и биосистему нашей планеты.