Водород как энергоресурс Водород как носитель энергии применяется уже давно. В начале 1900 г. газ, используемый для нужд городского хозяйства, более чем на 50% состоял из водорода. Говоря сегодня о возможных рисках использования водорода, забывают, что в городах всего мира этот газ применялся десятилетиями без каких-либо особых проблем, и еще в 1992 г. его доля в общем объеме газопотребления оценивалась свыше трех миллиардов кубических метров в год, или около 10%. Основная причина растущего спроса на водород — необходимость замены горючего, выделяющего СО2, на более экологичный энергоноситель. Применение водорода для нужд энергетического комплекса рассматривается в двух направлениях: ❏в качестве ресурса с длительным сроком хранения для снижения потребления невозобновляемых видов топлива; ❏как прямой энергетический ресурс из-за необходимости резкого сокращения вредных выбросов, влияющих на изменение климата планеты. Производство водорода в промышленном масштабе станет важным прогрессом в секторе использования возобновляемых источников энергии, уже сейчас специалисты сталкиваются с проблемами при выработке ветряной и солнечной электрической энергии. Официальный журнал ассоциации немецких инженеров VDI Nachrichten в одном из последних номеров (№29 от 30.10.2005) опубликовал результаты исследования, в которых продемонстрированы возникшие сложности управления электрическими сетями из-за нестабильности производства энергии на основе солнечных и ветряных установок. На основе расчетов и моделирующих программ специалисты прогнозируют дальнейшие проблемы гармонизации темпов производства энергии этого типа и темпов ее потребления. Сегодня водород считается одним из самых перспективных ресурсов для «складирования» энергии, прежде всего из-за экономии материалов, используемых в традиционных аккумуляторах. Например, в Германии в домах, обеспечиваемых солнечной энергией, излишки накапливаются в баках объемом 5 м3 и потом используются для отопления, приготовления пищи, электроприборов. Равнозначное количество энергии, если ее складировать в традиционных аккумуляторах, займет 100 м2и будет весить около 40 т. Огромные усилия, вкладываемые во всем мире в исследования процессов водородной энергетики, позволяют надеяться на радикальное изменение в будущем целых отраслей. Этот процесс сравним, к примеру, с революцией, которая в свое время произошла в секторе коммуникаций, когда микроэлектроника вытеснила транзисторы. Физические характеристики водорода Водород — это газ без цвета и запаха, его физические характеристики представлены в табл. 1. Производство водорода В процессе производства водорода GIACOMINI отдает предпочтение электролитическому способу. Тем не менее полезно представлять, на чем основаны различные методы производства водорода, коротко рассмотрим наиболее важные из существующих на сегодняшний день способов. Прежде всего, отметим, что водород как самостоятельный элемент в природе не существует, его необходимо извлекать из соединений и при этом необходимо затрачивать энергию. Один из таких способов— риформинг природного газа посредством пара. Пар c температурой 850°С подается под давлением 25 бар, реакция выглядит следующим образом: CnHm + nH2O = nCO + (n + m/2)H2. (1) При помощи экзотермической каталитической реакции превращения окиси углерода выделяется чистый водород: CO + H2O= СО2+ H2. (2) Существуют установки, которые в состоянии произвести около 100 000 м3/ч водорода при помощи метана или легких нефтяных продуктов. Принимая во внимание этот факт и учитывая производственные расходы, можно считать стоимость 1 м3 водорода равной примерно 10 евроцентам. Второй распространенный способ — окисление тяжелых углеводородных соединений. Используются маслянистые остатки (отходы) от процессов нефтепереработки, которые подвергаются частичному окислению при помощи кислорода и пара: масло + пар + кислород →CO + СО2+ H2. (3) Реализация этого метода также возможна в промышленном масштабе — около 100 000 м3/ч вырабатываемого водорода. Цена за 1 м3 водорода — около 12,5 евроцентов. Другие промышленные процессы сегодня находятсяв стадии разработки. Крупные нефтяные компании в поисках новых перспективных решений инвестируют сотни миллионов долларов. Наряду с крупными системами риформинга работают и менее крупные компании, в числе которых и GIACOMINI. Производство водорода электролитическим способом. Реакция получения водорода выглядит следующим образом: H2O + энергия → H2+ +1/2 О2. При помощи прибора для электролиза молекула воды расщепляется на два ее компонента, то есть на водород и кислород. Этот процесс особенно интересен с экономической точки зрения, когда сочетается с производством энергии фотогальваническим способом (при помощи солнечных панелей). Эта первичная энергия может быть доступна длительное время в течение года, и при складировании водорода появляется возможность использовать его в периоды отсутствия солнца. Соответственно, и фотокаталитическая система становится более выгодной, когда сочетается с системой аккумулирования водорода. Накопление водорода При соединении с различными металлами и сплавами водород может образовывать металлические гидриды. Во время их образования молекулы водорода расщепляются, и атомы водорода проникают в пространство между кристаллами сплавов (рис. 1). Таким образом происходит фактическое накопление водорода, плотность которого можно сравнить с плотностью жидкого водорода. Если же брать в расчет массу поглощающего сплава, то в этом случае массу накопленного водорода можно сравнить с массой герметичного водорода. Наилучший результат накопления, которого удалось достичь, — это примерно 0,07 кг при H2/кг металла на гидрид высокой температуры, это, например, гидрид магния Mg H2. Во время процесса аккумулирования выделяется тепло, которое характеризует непрерывность процесса. Во время процесса десорбции (разгрузки) необходимо дополнительное теплопоступление. Преимущество процесса накопления водорода как гидрида — безопасность: нанесение серьезного ущерба емкости (например, при ударе) не является риском пожара, пока водород находится в металлическом устройстве. На рис. 2 представлена изотермическая линия гидрида. Она демонстрирует существующее соотношение между количеством поглощенного металлическим гидридом водорода (ось OX) и давлением самого водорода (ось OY) при постоянной температуре водорода. В начале, когда гидрид подвергается давлению водорода (при низком давлении), сплав начинает впитывать водород в небольших количествах (точка А). Когда давление газа повышается, водород продолжает медленно впитываться до того момента, пока гидрид впитывает водород, при почти постоянном давлении. Это происходит в плоской зоне В. Когда способность впитывания достигает максимальной отметки, давление повышается (зона С). В стадии исследования и разработки находятся новые гидриды с более сложной структурой промежуточной атомной связи, отсюда и их название — «сложные гидриды». При этом ведется поиск таких гидридов, которые при низкой стоимости и весе (это важно для складирования и автоперевозок) обеспечивали бы оптимальные показатели эффективности. Существует целый сектор, в который входят исследовательские группы, многие из которых работают под патронажем международных учреждений. Почему водород? Водород не является первичным источником энергии как уголь, газ, топливо — это вторичный носитель. Он может быть произведен различными способами: с помощью энергетических систем, основанных на традиционных технологиях или возобновляемых природных. Производство водорода или газов, богатых водородом, в широких масштабах — довольно привлекательная идея для энергетического сектора с экономической точки зрения. Кроме того, это вклад в защиту экологии, так как появляется реальная возможность сокращения негативного воздействия выброса вредных веществ. Особенно это относится к производству водорода при помощи возобновляемых ресурсов, в этом случае выработанная энергия может быть напрямую интегрирована в уже существующие структуры энергоснабжения. Для широкого использования водорода необходима большая производственная мощность. По расчетам, на сегодняшний день общее производство водорода в мире составляет примерно 222 млн миллиардов м3 водорода, т.е. 0,22% необходимой энергии. И только половина этого показателя используется для выработки энергии. В настоящий момент водород наиболее востребован в производстве аммиака. Преимущества водорода в энергетическом секторе будут иметь реальный эффект, когда использование обновляемой энергии достигнет такого уровня, при котором потребуется сезонное складирование энергии (производство водорода из различных энергетических источников для использования в разное время года станет грандиозным ресурсом). Хотя электроэнергия может подаваться напрямую в сеть, тем не менее мы видим будущее водорода в складировании, в этом случае возможно будет его использовать в качестве транспортного топлива, — это стало бы отличной перспективой. По данным Министерства экономики и труда Германии, ожидается ежегодный рост использования водорода в энергетике примерно на 1,3% вплоть до 2050 г. при условии, что не произойдет серьезных экнономических потрясений.