Саратовских Марія Станіславівна, Агєєва Олена Євгенівна, 10А, школа № 75
Чорноголова
Воднева енергетика сформувалася як один із напрямів розвитку науково-технічного прогресу в середині 70-х років минулого сторіччя. У міру того, як розширювалася область досліджень, пов'язаних з отриманням, зберіганням, транспортом та використанням водню, ставали все більш очевидними екологічні переваги водневих технологій в різних галузях народного господарства. Успіхи в розвитку ряду водневих технологій (таких як паливні елементи, транспортні системи на водні, металогідридні і багато інших) продемонстрували, що використання водню приводить до якісно нових 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 ставляться до пріоритетних напрямів розвитку науки і техніки та знаходять дедалі більшу фінансову підтримку з боку як державних структур, так і приватного капіталу.
Властивості водню.
У вільному стані і при нормальних умов водень - безбарвний газ, без запаху і смаку. Щодо повітря водень має щільність 1 / 14. Він звичайно й існує в комбінації з іншими елементами, наприклад, кисню у воді, вуглецю в метані і в органічних сполуках. Оскільки водень хімічно надзвичайно активний, він рідко присутній як незв'язаний елемент.
Охолоджений до рідкого стану водень займає 1 / 700 об'єму газоподібного стану. Водень при з'єднанні з киснем має найвищий вміст енергії на одиницю маси: 120.7 ГДж / т. Це - одна з причин, чому рідкий водень використовується як паливо для ракет та енергетики космічного корабля, для якої мала молекулярна маса і високий питомий енерговміст водню має першорядне значення. При спалюванні в чистому кисні єдині продукти - високотемпературне тепло і вода. Таким чином, при використанні водню не утворюються парникові гази і не порушується навіть кругообіг води в природі.
Запаси водню, зв'язаного в органічному речовині і у 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 25000С 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 у світі велика частина виробленого в промисловому масштабі водню виходить у 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. Пара та теплова енергія при температурах 750-8500С потрібні, щоб відокремити водень від вуглецевої основи в метані, що і відбувається в хімічно парових реформерах на каталітичних поверхнях. Перша 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 200-2500С.
У 30-ті роки в СРСР отримували в промислових масштабах синтез-газ шляхом паро-повітряної газифікації вугілля. На даний момент в ІПХФ РАН в Чорноголовка 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 та метанолу, а також ряд наступних проектів цього напряму.
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 10000С 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, нафтопереробної, металургійної та інших 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, відщеплюють при їх опроміненні атоми водню. Наприклад, при опроміненні ультрафіолетовим світлом йодистого водню відбувається реакція з утворенням атомного водню:
HI + hv ® H + I
Для отримання атомного водню застосовується також метод термічної дисоціації молекулярного водню на платинової, паладієвої або вольфрамової дроті, нагрітої в атмосфері водню при тиску менше 1,33 Па. Дисоціації водню на атоми можна досягти і при використанні радіоактивних речовин. Відомий спосіб отримання атомного водню у високочастотному електричному розряді з подальшим виморожуванням молекулярного водню.
Фізичні методи добування водню з водородосодержащих сумішей.
Водень в значних кількостях міститься в багатьох газових сумішах, наприклад в коксовому газі, в газі, одержуваному при піролізі бутадієну, у виробництві дивинила.
Для вилучення водню з водородосодержащих газових сумішей використовують фізичні методи виділення та концентрування водню.
Низькотемпературна конденсація і фракціонування. Цей процес характеризується високим ступенем вилучення водню з газової суміші та сприятливими економічними показниками. Зазвичай при тиску газу 4 МПа для отримання 93-94%-ного водню необхідна температура 115К. При концентрації водню у вихідному газі більше 40% ступінь його витягу може досягати 95%. Витрата енергії на концентрування H2 від 70 до 90% становить приблизно 22 кВт.год на 1000м3 виділяється водню.
Адсорбційне 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.
Адсорбційне виділення водню з допомогою рідких розчинників. У ряді випадків метод придатний для отримання чистого H2. За цим методом може бути вилучено 80-90% водню, що міститься у вихідній газової суміші, і досягнута його концентрація в цільовому продукті 99,9%. Витрата енергії на витяг складає 68 кВт.год на 1000м3 H2.
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. Найбільш великі електрохімічні комплекси знаходяться в 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 володіє наступними 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 електролітичній комірці; 3) можливість отримання найцінніших побічних продуктів - важкої води і кисню; 4) загальнодоступне і невичерпне сировина - вода; 5) гнучкість процесу і можливість отримання водню безпосередньо під тиском; 6) фізичний поділ водню і кисню в самому процесі електролізу.
У всіх процесах одержання 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, але і як незамінний очисник і оздоровчих 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.
Список літератури
Довідник. "Водень. Властивості, отримання, зберігання, транспортування, застосування ". Москва "Хімія" - 1989 р.
Ю.М. Буров "Сверхадіабатіческіе випалювальні печі" стор.6-7. "Машинобудівник" 1995р. № 12.