2. Воднева енергетика

Водень H₂ є ідеальним паливом з високою теплотою згорання і нешкідливим продуктом горіння - водяною парою. В світі ведеться обширний об'єм досліджень в області «водневої енергетики» - здобуття і використання водню як енергоносію. Вжиток водню в світі в кінці XX століття складав близько 200 млрд. нм³/рік, з яких приблизно 100 млрд. йшло на виробництво аміаку і приблизно 80 млрд. - на інші потреби хімічної і нафтохімічної промисловості.

Водень є універсальним енергоносієм. Він може застосовуватися як паливо для двигунів внутрішнього згорання і газотурбінних установок, теплових електростанцій, в технологічних установках промисловості, в побуті. Висловлюються побоювання з приводу вибухонебезпечності «гримучого газу» - суміші водню з повітрям. Проте так само вибухонебезпечна і суміш природного газу з повітрям, відомі одиничні випадки аварій при її вибухах, що не заважає широкому вживанню природного газу. У м. Базель (Швейцарія) по міській мережі десятиліттями безаварійно подається газ, що містить 80% водню. Водень можна отримувати термохімічним способом - нагрівом водяної пари у присутності різних каталізаторів. Так, реакція К₂О + H₂О → 2КОН приводить до утворення лугу їдкого калію. Потім додають калій і підводять теплоту при температурі 700°С, у результаті отримують реакцію 2КОН + 2К → К₂О + Н₂.

Рисунок 2. 1 – Схема електролізу води

Опрацьовуються проекти здобуття водню термохімічним гідролізом з використанням високотемпературних ядерних реакторів. Застосовуються також термохімічні способи здобуття водню з природного газу і нафти.

Найпоширеніший в даний час метод електролізу води заснований на реакції: електроенергія + 2Н₂О → 2Н₂ + О₂. Електроліз може здійснюватися в рідкій фазі при низькій температурі.

Працюють установки низькотемпературного електролізу води потужністю до 3 МВт. Електролітичні ванни обладнані нікелевими електродами, у воду додаються солі калія. ККД процесу електролізу досягає 85%. Для широкого поширення виробництва водню електролізом необхідна дешева електроенергія, яку можна отримувати з ТЕС і АЕС в години провалу навантаження.

Вживання водневого палива в автомобільних двигунах внутрішнього згорання наводить до підвищення їх ККД і різкому поліпшенню екологічної чистоти повітря в містах. Газоподібний водень має низьку щільність, тому його транспортування в балонах привело б до збільшення маси і зниження дальності пробігу автомобілів. Питання вирішується із застосуванням гідридів металів, що зв'язують водень (наприклад, гідриду титана ТіН₂), які при невеликій масі здатні зв'язувати дуже значні об'єми водню. «Цеглинка» з гідриду титану об'ємом 10 см³ здатна зберігати в собі 1,68 нм³ водню. Водень витягується з гідридів при їх нагріві, наприклад, відпрацьованими в двигуні газами.

Водневе паливо застосовувалося в космічній техніці. Зокрема, на ньому працювали двигуни третього рівня ракети «Аполлон», на якій американські астронавти відвідували Місяць. Цей ступінь масою 90,7 т ніс в своїх баках 242 м³ рідкого водню.

Рисунок 2.2 – Фото першого термодинамічного оборотного хімічного реактора для отримання водню (Великобританія)

Вельми перспективне вживання водню в металургії. Залізняк відновлюватиметься воднем із здобуттям губчастого заліза при температурі 800...1150°С. Сталь виплавлятиметься з губчастого заліза в дугових електропечах. Таким чином, будуть виключені сучасні енергоємні і екологічно брудні металургійні виробництва - коксохімічне, доменне, киснево-конвертерне. Таке виробництво освоюється в Японії. Його значення зростає у зв'язку з дефіцитом вугілля, що коксується. Так, Росія вимушена імпортувати для своїх домен вугілля, що коксується, з Карагандинського басейну (Казахстан). Водень може також служити сировиною у ряді хімічних технологій.

Перейти до початку посібника