Водородная энергетика
Одна из очень острых проблем современной мировой энергетики заключается в том, что задача аккумулирования «впрок» полученной избыточной энергии в высококонцентрированных и всегда готовых к использованию формах по-прежнему не решена. Эта проблема связана с необходимостью сглаживания суточных и сезонных колебаний энергопотребления (фактор так называемых пиковых нагрузок), и с тем, что ТЭС, ГЭС, АЭС очень критичны к быстрым изменениям нагрузки.
По указанным причинам для обеспечения потребителей в периоды пиковых нагрузок большинство стран вынуждены постоянно держать в готовности значительные резервы мощности электростанций, обеспечивать для них запасы топлива и т. д.
Одним из наиболее перспективных решений проблемы аккумулирования энергии считается так называемая водородная энергетика, в которой в качестве резервного топлива используется водород. Главные достоинства водорода как топлива в том, что его удельная теплота сгорания втрое выше, чем у нефти, а при сгорании образуется экологически абсолютно безопасная вода. Основные недостатки водорода как горючего следующие: он более взрывоопасен, чем главный компонент природного газа метан, имеются сложности эффективного получения и хранения водорода.
Наиболее очевидный электролитический способ получения водорода (разложением воды на водород и кислород с помощью пропускаемого электрического тока) оказывается экономически неприемлемым: стоимость получаемого топлива в три – четыре раза выше, чем эквивалентного по теплотворной способности количества бензина, а производительность электролизных установок ограничена выходом водорода примерно 5 м3/ч с 1 м2 поверхности электродов.
В настоящее время наиболее перспективным способом получения водорода считается плазмохимический. Эта технология основана на создании электрического тока в ионизированном газе, находящемся в магнитном поле, когда химические реакции происходят в результате передачи энергии от «горячих» электронов молекулам газа. В установках данного типа — неравновесных плазмотронах – температура газа находится в технологически приемлемых пределах 300… 1000 °С, но при этом скорость реакций в объеме разогретого газа очень велика и позволяет получить высокую производительность реактора.
Плазмохимический процесс получения водорода имеет две стадии: на первой происходит разложение углекислого газа на кислород и окись углерода, а на второй – реакция окиси углерода с водяным паром, в результате которой появляются водород и углекислый газ (т. е. углекислый газ в полном цикле реакции не расходуется). В настоящее время получаемый таким образом водород оказывается лишь вдвое дороже, чем традиционное углеводородное топливо.
В стадии успешных экспериментов находится плазмохимический способ получения водорода из сероводорода – одного из главных (и обычно считающегося вредным) сопутствующих компонентов при разработке нефтяных и особенно газовых месторождений. Здесь применяется метод «вращающейся плазмы», при использовании которого молекулы серы удаляются центробежными силами из зоны реакции разложения, не позволяя идти обратной реакции синтеза. Применение этой технологии не только делает произведенный водород сопоставимым по цене с природным органическим топливом, но и позволяет одновременно получать серу для химической промышленности.
Еще одним перспективным способом получения водорода считается использование так называемых обратимых топливных элементов, о которых речь пойдет ниже.
Проблема хранения водорода в настоящее время решается двумя путями. Один из них основан на традиционных технологиях сжатия или ожижения (в последнем случае затраты на его хранение резко возрастают из-за необходимости поддержания в хранилище сверхнизких температур). Второй, который считается наиболее перспективным, базируется на свойствах ряда металлических композитных губок (например, высокопористые сплавы титана, ванадия и железа) поглощать водород в больших объемах и отдавать его при незначительном нагревании.
В настоящее время в «большой» энергетике водород практически не используется. Однако считается, что создание в комплексе с традиционными ТЭС, ГЭС и АЭС небольших «пиковых» ГЭС, работающих на водороде, который производится за счет избыточной мощности основной станции в периоды ее недогрузки, позволит повысить общую коммерческую энергетическую эффективность подобных комплексов на 6… 12 %.
