Атомно-водородная енергетика —шляхів розвитку

Атомно-водородная енергетика —шляху развития

Н.Н. Пономарев-Степной, академік, А. Я. Столяревский, кандидата технічних наук.

Свойства водню У вільному стані перебуває й при нормальних умов водень — безбарвний газ, без запаху і смакові. Щодо повітря водень має щільність 1/14. Він зазвичай і є в комбінації коїться з іншими елементами, наприклад, кисню в воде, углерода в метані й у органічних з'єднаннях. Оскільки водень хімічно надзвичайно активний, він рідко присутній як непов’язаний елемент.

Охлажденный до стану водень займає 1/700 обсягу газоподібного стану. Водень при поєднанні з киснем має найвища зміст енергії на одиницю маси: 120.7 ГДж/т. Це — однією причиною, чому рідкий водень використовують як паливо для ракет й енергетики космічного корабля, для якої мала молекулярна маса кафе і високе удільне энергосодержание водню мають першочергового значення.

При спалюванні в чистому кисні єдині продукти — высокотемпературное тепла і вода. Отже, під час використання водню не утворюються парникові гази і порушується навіть круговорот води в природе.

Производство водню Запаси водню, пов’язаного в органічному речовині й у воді, практично невичерпні. Розрив цих зв’язків дає можливості виробляти водень і потім використовувати як паливо. Розроблено численні процеси з приводу розкладанню води на складові елементи.

При нагріванні понад 2500 °C вода розкладається на водень і кисень (прямий термолиз). Настільки високої температури можна було одержати, наприклад, з допомогою концентраторів сонячної енергії. Проблема полягає у цьому, щоб уникнути рекомбінацію водню і кисню.

В справжнє час у світі більшість виробленого в промисловому масштабі водню виходить у процесі паровий конверсії метану (ПКМ). Отриманий у такий спосіб водень використовують як реагент очищення нафти як і компонент азотних добрив, і навіть для ракетної техніки. Пара і теплова енергія при температурах 750−850°С потрібні, щоб відокремити водень від вуглецевої основи в метані, що й в хімічних парових реформерах на каталітичних поверхнях. Перша ступінь процесу ПКМ розщеплює метан і водяну пару на водень і моноксид вуглецю. Після цього другого щаблі «реакція зсуву» перетворює моноксид вуглецю і води діоксид вуглецю і водень. Ця реакція відбувається за температурах 200−250°С.

Начиная з 70-х років минулого століття нашій країні було виконано ще й отримали необхідне науково-технічний обгрунтування і експериментальне підтвердження проекти високотемпературних гелієвих реакторів (ВТГР) атомних энерготехнологических станцій (АЭТС) для хімічної в промисловості й чорної металургії. У тому числі АБТУ-50, а пізніше — проект атомної энерготехнологической станції з реактором ВГ-400 потужністю 1060 МВт (т) для ядерно-химического комплексу із виробництва водню і сумішей його основі, з випуску аміаку і метанолу, і навіть ряд наступних проектів цього напряму.

Основой для проектів ВТГР послужили розробки ядерних ракетних двигунів на водні. Створені нашій країні цих цілей випробувальні високотемпературні реактори і демонстраційні ядерні ракетні двигуни продемонстрували працездатність при нагріванні водню до рекордної температури 3000 До.

Высокотемпературные реактори з гелиевым теплоносієм — це нове тип екологічно чистих універсальних атомних енергоджерел, унікальні властивості яких — здатність виробляти тепло при високих температурах більш 1000 °C і високий рівень безпеки — визначають широкі можливості їх спрямування виробництва в газотурбинном циклі електроенергії з великим ККД й у постачання высокотемпературным теплому і електрикою процесів виробництва водню, опріснення води, технологічних процесів хімічної, нафтопереробної, металургійної та інших. галузей промисловості.

Одним з найбільш просунутих у цій галузі є міжнародний проект ГТ-МГР, розроблюваний спільні зусилля російських інститутів (ОКБМ, РНЦ «Курчатовський інститут», ВНИИНМ, НВО «Промінь») і американською кампанії GA при управлінні, і фінансуванні із боку Мінатому РФ і DOE US. З проектом співпрацюють також кампанії Фраматом і Фуджі электрик.

.

Рис. 1.

Модульный гелієвий реактор із паровою конверсією метану.

К справжньому часу розроблений проект модульного гелиевого реактора для генерації електрики (з ККД ~ 50%) з допомогою прямого газотурбінного циклу. Енергетична установка ГТ-МГР і двох пов’язаних воєдино блоків: модульного високотемпературного гелиевого реактора (МГР) і газотурбінного перетворювача енергії прямого циклу (ГТ). Робота перебуває на стадії технічного проектування з экспериментально-стендовой відпрацюванням ключових технологій: паливо і системи перетворення. Нині проводиться оцінка технологічного застосування цієї проекту для водню з допомогою термохімічних циклів, зокрема і з ПКМ (див. рис. 1, 2). Створення такого тандема (ВТГР-ПКМ) відкриває дорогу широкому застосуванню ядерної енергії в енергоємної промисловості: крупнотоннажной хімії, металургії, і дає підстави шляхом вироблення вторинного енергоносія (чистого водню або його суміші з ЗІ) створювати ядерні энерго-технологические комплекси для регіонального теплоэнергоснабжения з постачанням палива для транспорту і низкопотенциального тепла для комунально-побутових потреб і комерційного сектора.

.

Рис. 2.

Компоновка модульного гелиевого реактора у будинку.

Термохимический процес одержання водню із води використовує цикл реакцій з хімічно активними сполуками, наприклад, сполуками брому чи йоду, й проводиться при високої температурі. Потрібна кілька стадій — зазвичай три, аби виконати повний процес. Запропоновано і розглядається кілька сотень можливих циклів. У передових країн світу цього процесу приділяється особливу увагу як потенційно найефективнішою технології виробництва водню із води з допомогою ВТГР. Такий цикл буде побудовано і з ПКМ, оскільки за паровий конверсії метану половина водню виробляється ні з метану, та якщо з води. Довести у тому циклі частку водню, одержуваного розщепленням води, до 100% і тим самим, убереже від витрати метану можна, якщо отримувати в ролі проміжного продукту метанол з наступним електрохімічним відновленням метану, возвращаемого на думку процесу. Такий розвиток технології стосовно зв’язці «ВТГР-ПКМ» може бути рентабельним у разі зростання ціни природного газу понад 120−150 дол./1000 м3.

Электролитическое розкладання води (електроліз). Електролітичний водень є найбільш доступним, але дорогим продуктом. У промислових і дослідно-промислових установках реалізований ККД електролізера ~ 70−80% при плотностях струму менш 1 А/см2, зокрема для електролізу під тиском. Японські дослідники розробили експериментальні мембранно-электродные блоки з твердополимерным електролітом, щоб забезпечити електроліз води з ККД (по електрики) > 90% при плотностях струму 3 А/см2.

В світі найкращими з промислових воднощелочных електролізеров вважаються канадські, изготавливаемые корпорацією «Stuart Energy». Вони стабільно протягом тривалого, ресурсу забезпечують питома витрата менш 5 кВт • ч/нм3 H2, що зробила їх (при низьку вартість споживаної електроенергії та світових цін на метан) конкурентоспроможними із отриманням водню конверсією газу з застосуванням коротко-цикловой адсорбції. З іншого боку, ці електролізери дозволяють змінювати навантаження не більше від 3% до 100%, тоді за зміну навантаження на электролизерах типу ФВ-500, призводить до зменшення терміну їхніх роботи.

Особый інтерес представляє електроліз разом із поновлюваними джерелами енергії. Наприклад, Дослідницький центр Енергії Університету Гумбольта розробив автономну солнечно-водородную систему, що використовує фотоелектричний елемент потужністю 9.2 кВт, щоб забезпечити привід компресорів для аерації басейнів риборозведення, і біполярний лужної електролізер потужністю 7.2 кВт, здатний виробляти 25 л H2/мин. Система працює автономно починаючи з 1993 р. Коли відсутня сонячне світло, запасений водень служить паливом для полуторакиловаттного ЕХГ, забезпечує привід компрессоров.

Потенциал застосування водню У Європі у кінці ХІХ століття спалювали паливо, зване «міської, чи синтез-газ» — суміш водню і монооксиду вуглецю (ЗІ). Кілька країн, включаючи Бразилію й Німеччину, де-не-де досі застосовують це паливо. Застосовували водень й у пересування повітрю (дирижаблі і повітряні кулі), починаючи з першого польоту мови у Франції 27 серпня 1784 р. Жака Шарля на повітряній кулі, наповненим воднем. Нині багато галузей промисловості використовують водень очищення нафти й у синтезу аміаку і метанолу. Космічна система «Шаттл» використовує водень як паливо для блоків розгону. Водень застосовується й для запуску ракети-носія «Енергія», настановленим доставки на орбіту надважких вантажів, зокрема, корабля «Буран».

Автомашины і камери згоряння літальних апаратів порівняно легко конвертуються на використання у яких як паливо водню. У нашій країні вперше автомобільний двигун на водні працював у блокадному Ленінграді в 1942 року. У 80-ті роки Авіаційний науково-технічний комплекс (АНТК) імені О.Н. Туполєва створив літаючу лабораторію (з урахуванням літака ТУ-154В), яка використовує як палива рідкий водень. У результаті створено першим у світі літак на криогенном паливі — рідкому водні і скрапленому природному газі (СПГ), — ТУ-155.

1 Ленінградська атомна электростанция. Интересен водень й у атомних електростанцій як акумулятор енергії. У проекті, який розробляли РНЦ «Курчатовський інститут», ЛАЭС1 і канадські фірми AECL («Atomic Energy of Canada Limited») і «Stuart Energy» в 1990;1992 рр., першому етапі передбачалося створення виробництва водню електроліз води потужністю 30 МВт, тобто. з продуктивністю 14.5 т водню на добу. Другим етапом проекту передбачалося збільшення потужності цеху електролізу до 300 МВт. Причому, природно, передбачалося використання електроенергії провальної частини навантаження на АЕС. Сьогодні ЛАЭС недовырабатывает приблизно 400 млн. кВт • ч/год, що дозволило б зробити близько 8 тис. т водню. Отриманий водень передбачалося продавати до Фінляндії і залучити до громадському транспорті м. Сосновий Бор. Іншим варіантом використання одержуваного водню розглядалася його постачання на Киришский нафтопереробний завод. Одержуваний у своїй кисень міг стати основою виробництва озону очищення промислових стоків Санкт-Петербурга.

Сейчас спостерігається новий спалах інтересу до масштабної атомно-водородной енергетиці, основним ініціатором якого з’явилися автомобілебудівні гіганти. Водень має багато переваг як паливо для транспортних засобів і автомобільна промисловість активно включилася у його використання.

Однако найбільшу увагу дослідників, розробників, в промисловості й інвесторів привертають до собі паливні елементи. Паливні елементи (електрохімічні генератори — ЕХГ) — тип технологій, використовують реакцію окислення водню в мембранном электрохимическом процесі, що проводить електрику, теплову енергію та воду. Американська й радянська космічні програми використовували ЕХГ протягом останніх десятиріч. Паливні елементи (ПЕ) для приводу автомобілів і автобусів успішно розробляються наступного покоління транспортних засобів, і навіть для автономних систем энерголитания. Твердополимерные (ТП) ПЕ за технічним рівнем перебувають у порозі комерціалізації. Однак на цей час їхнього високу вартість (енергоустановка ~104 долл./кВт) значною мірою стримує цей процес. Багато компаній прогнозують зниження вартості енергоустановок із ТП ПЕ значно і більше за її масовому виробництві. Для масового застосування ТП ПЕ в автотранспорті їхню вартість мусить бути знижена до 50−100 долл./кВт (при сучасної вартості бензину, і відсутності фінансових механізмів, які враховують виміряти ціну вихлопних газів). У недалекій перспективі внаслідок жорсткості стандартів на викиди, підвищення вартості бензину, і зниження вартості ПЕ очікується зміна кон’юнктури на користь автомобілів і автономних енергоустановок потужністю до 100−300 кВт з ТП ПЕ, У цих напрямах НДДКР розвиваються із дедалі більшою активністю. У, Німеччини, Японії, Канаді створено і експлуатуються досвідчені водневі автозаправні станції. Перші продажу водневих автомобілів плануються на найближчі годы2.

2 Докладніше — див. статтю С. П. Малышенко в N 7, 2003. Создание автомобілів з принципово новими типами двигунів потребує грошей практично неможливо бездержавної підтримки. Програма, відповідно до якої США здійснюється фінансування дослідницьких мереж і дослідно-конструкторських робіт, спрямованих створення сімейного седана з еквівалентним питомим пробігом втричі вище, ніж в американського сімейного седана зразка 1993 р., називається Partnership for a New Generation of Vehicles (PNGV). За програмою (PNGV) фінансуються роботи 800 чоловік у 21 лабораторії семи федеральних агентств, зокрема і таких, які раніше створювали створення ядерної зброї, соціальній та дослідницьких центрах Детройтской трійки і численних компаніях, виготовляють комплектуючі. З 1995 р. за програмою було витрачено 1.7 млрд. дол. Більшість коштів, була спрямовано створення автомобилей-гибридов і з паливними елементами. У конкурсній програмі йдеться про створенні автомобіля за габаритами і вазі подібного з Chevrolet Lumina, Dodge Intrepid і Ford Taurus (довжина — 500 див, споряджена маса — 1500 кг) і часом розгону до швидкості 100 км/год — трохи більше 10 з. Перші концептуальні моделі четырехдверных пятиместных седанів, близьких до поставленому завданню, були передані на випробування, у кінці 2001 р. DaimlerChrysler представив Dodge ESX3, Ford Motor — Ford Prodigy, General Motors — GM Precept. Для зниження ваги у всіх моделях конструктори намагалися максимально використовувати легкі сплави алюмінію і магнію і композиційні пластики на кшталт тих, що застосовують у корпусах ракет.

.

Рис. 3. Автомобіль Daimler Chrysler NECAR 5 з урахуванням Мерседес Бенц, А класу у штаті Вайомінг під час пробігу на території США (20 травня — 4 червня 2002).

Для поставки водню до ЕХГ на 75кВт використовується метанол, який розробники називають «метанолизированный водень чи МН2».

Первые створені зразки використовували водень в балонах. Потім з’явилися авто із воднем, хімічно пов’язаним в метиловом спирті (метаноле). У 2002 р. продемонстровані перші варіанти машин яких водень генерується з бензину (рис. 3).

Первый автомобіль на паливних елементах показали компанією Daimler-Benz 1994 р. До 2000 р. був готовий поліпшений зразок NECAR-4, намічений до досвідченому випуску з 2004 р. Паливні елементи і бак, у якому 100 л рідкого водню, розташовані під підлогою, що забезпечує достатнє простір в салоні для пасажирів і багажу. Потужність електромотора — 74 к.с., максимальна швидкість — 160 км/год, запас ходу — 450 км. Рух починається відразу після натискання на педаль акселератора. 90% максимальної потужності двигуна досягається понад дві секунди. Автомобіль із паливними. елементами має динаміку, порівняний з машинами, оснащеними бензиновими чи дизельними моторами.

Партию легкових автомобілів з паливними елементами на рідкому водні з урахуванням популярної моделі Ford Focus до випуску 2004 року. готує дослідницький центр американської Ford Motor Company. Німецький філія компанії Ford Forschungszentrum Aachen спільно з 40 університетами з 12 країн створив модель Mondeo P2000 HFC на платформі сімейного седана Ford Taurus. Бак з рідким воднем розташований за заднім сидінням, пробіг між двома заправками — 160 км., Партія Mondeo P2000 HFC для досвідченої експлуатації буде також зібрано в США. Орієнтовна вартість — 35 тис. дол. Баварський концерн BMW демонструє у багатьох країнах седан BMW 750hl з баком на 140 л рідкого водню. Максимальна швидкість — 200 км/год, запас ходу — 350 км. Роботизированная станція для заправки рідким воднем була побудована 1999 р. у Мюнхені, поблизу аеропорту. 16 машин MBW 750hl з 1999 р. пробігли, у спільній складності, 65 тис. миль. Японський автоконцерн Toyota починає випускати першу партію автомобілів з паливними елементами на рідкому водні ціною 75 тис. дол. Можливі покупці — уряд і великі корпорації. На початковому етапі експлуатація машин буде лише у Токіо, де побудовано спеціальні заправних станцій. Висока вартість автомобілів на паливних елементах з рідким воднем обумовлена високими вимогами до складовим елементам установок ЕХГ й складною системою зберігання водню за дуже низькою температурі. Додаткові проблеми виникають при стоянці машини, коли починаються втрати яка випаровується водню. Збереження водню під тиском викликає також інші проблеми.

Потенциально ефективніше зберігати водень в гидридах. Гидриды — хімічні сполуки водню коїться з іншими хімічними елементами. Нині розробляються системи зберігання з урахуванням гідридів магнію. Деякі металеві сплави типу магний-никель, магний-медь і железо-титановые сплави поглинають водень в щодо багато і звільняють його за нагріванні. Гидриды, проте, зберігають водень з відносно невеликою щільністю енергії на одиницю ваги, а процеси їх заправки йдуть неприпустимо повільно. Мета проведених поточних досліджень — створити склад, який запасати істотне кількість водню із високим щільністю енергії, легко звільняти його й бути рентабельним. З цього погляду вже освоєні в крупнотоннажной хімії технології синтезу водородонесущих хімічних сполук — аміаку, метанолу і деяких інших дозволяють зменшити видатки необхідну інфраструктуру доставки і заправки водню, використовувати оптимальні системи зберігання на борту. По об'ємної щільності зберігання водню метанол в 1.5 разу перевершує рідкий водень. До таких системам і диметиловый ефір (ДМЭ), вироблений з метанолу до застосування на автотранспорті замість дизельного палива.

В цьому сенсі системи, де джерелом водню є рідкий (при атмосферному тиску) метиловий спирт чи бензин, видаються перспективнішими. При застосуванні метанолу спрощується система збереження і транспортування палива. З бензином ще простіше, але що дозволені всі проблеми створення недорогого і найнадійнішого в експлуатації конвертера для розкладання вуглеводнів із заснуванням водню і вуглекислого газу. Daimler Chrysler має наміру виготовити для досвідченої експлуатації партію автомобілів NECAR-3 з паливними елементами на метаноле і запасом ходу між двома заправками 400 миль. У фордівської моделі Ford Mondeo P2000 FC5, створюваної у європейському дослідницькому центрі компанії Ford Forschungzentrum Aachen, 400 паливних осередків на метаноле масою 172 кг розташовані під капотом. За підвищеної температурі починається реакція освіти водню з метанолу. Електромотор потужністю 120 к.с. забезпечує досягнення максимальної швидкості 145 км/год. До запуску у виробництві 2004 року. творці машини розраховують знизити ціну до 15 тис. дол. Автомобілі з електродвигунами і паливними елементами — екологічно чисті машини. Але з’являються нові технічні і економічні проблеми під час створення портативних установок щоб одержати водню у силовому агрегаті автомобіля. Наприклад, нині після стоянки з непрацюючим двигуном потрібно до двох хвилин, щоб всю систему почала працювати знову. General Motors у квітні 2002 р. продемонструвала журналістам пікап Chevrolet S10 з паливними елементами, джерелом водню котрим служить бензин. General Motors розраховує стати компанією, яка випустить мільйон автомобілів з паливними елементами. Задля реалізації проекту необхідно виробництво країні бензину без чи з мізерно малим змістом сірки. Галон такого бензину коштуватиме п’ять центів дорожче. Ціна конвертера виділення водню при масовому виробництві може бути більше трьох тис. дол.

Для створення автомобіля на паливних елементах Російський АвтоВАЗ співробітничає з ракетно-космічної корпорацією «Енергія» і підприємствами Мінатому Росії.

Многие автовиробники прагнуть перші партії машин на паливних елементах випустити 2004;го, в у крайньому випадку — 2005 р. Японські компанії Toyota і Honda оголосили, що вони починають опытно-промышленное виробництво легкових автомобілів з паливними елементами. Заради накопичення досвіду, який буде необхідний розв’язання технічних завдань, 2000 р. розпочато експлуатація шести автобусів у Чікаґо і Ванкувері (Британська Колумбія, Канада), Декілька років піде на експериментальну експлуатацію та відпрацювання найбільш безпечної експлуатації і технологичной системи. До 2010 р. буде нагромаджено великий політичний досвід експлуатації і обслуговування машин з гібридними приводами. Різні напрями робіт з виключенню чи різкого зменшення застосування бензину на автотранспорті неминуче приведуть до корінному зміни структури автомобільного парку. Одночасно значно зменшиться негативний вплив на довкілля, і почав утілювати ввійдуть жорсткіші екологічні нормативи. Визначаться економічно ефективні області застосування принципово різних типів двигунів. Через війну знизиться загальна потреба індустріальних країн вуглеводневому паливі, знизиться його вартість будівництва і зменшиться політичний вплив великих виробників нафти, в першу чергу — близькосхідних.

В червні 2002 р. про переведення транспортних наземних систем і рибальського флоту на водневі системи було оголошено урядом Ісландії. У цій країні на нових чистих видах енергії, насамперед — геотермальної, базується вся енергетика і теплопостачання. Споживання нафтопродуктів залишився тільки у сфері автотранспорту і рибальстві, Провівши необхідні порівняння і проектну підготовку, уряд Ісландії дійшла висновку про переведення найближчими роками на екологічно чисте водневе паливо всього парку автомобілів і риболовецьких судів. За підсумками досвіду експлуатації перших десятків водневих автобусів в Європі у Рейк’явіку на початку 2003 р. компанією Shell у проекті ECTOS пущено перша станція заправки автобусів стиснутим електролізним воднем продуктивністю 60 нм3ч. Як основа виробництва водню із води використовуються керамічні високотемпературні электролизеры.

Стоимость водню Нині найбільш рентабельний спосіб виробляти водень — парова конверсія. За даними Міненерго США, в 1995 р. вартість водню була 7 долл./ГДж (для умов великого заводу), що еквівалентно вартості бензину 0.24 долл./л. Для розрахунку приймалася вартість газу 2.30 долл./Гдж (80 дол./ 1000нм3), приблизно 3 разу що перевищує його у Росії. Отже, навіть за збільшенні внутрішніх ціни природного газу в Росії у 2−3 разу водень, вироблений з допомогою ПКМ, буде дешевшим постачальником енергії, ніж бензин при поточних внутрішніх цінах на вуглеводневе паливо.

Производство водню електроліз води з урахуванням сучасних технологій оцінюється по затратам від 10 до 20 дол. за ГДж. Аналогічні цифри дають оцінки, отримані для термохімічного виробництва водню із води з допомогою енергії ВТГР. У найближчій перспективі водень, отримуваний із води у процесі паровий конверсії метану з допомогою енергії ВТГР, може здійснюватися країни при витратах нижче 7 долл./ГДж, тобто дешевше, ніж бензин за ціни справи до 7−8 руб./л.

Ситуация розвивається з надзвичайною швидкістю Вже у лютому 2003 р. оголошено про початок робіт по програмі Міненерго США «Атомно-водородная ініціатива», націленої створення до 2015 р. Атомно-водородного комплексу із виробництва водню з допомогою високотемпературного ядерного реактора. У 2003 р. Сенат США виділив на Атомно-водородную ініціативу вдвічі більше, ніж запросила Адміністрація Президента США.

В червні 2003 р. сесія Міжнародного енергетичного агентства міністр енергетики США Спенсер Абрахам заявив, що за 20 років увесь світ (а розвинених країн і ще раніше) перейде нового вид моторних палив, наприклад, водень. Протягом п’яти розробці водневого двигуна США витратять 1.7 млрд. дол., а Європейський Союз виділить 2 млрд. дол. створення самого водневого палива й інших відновлювальних джерел енергії. Виступаючи на конференції ЄС у Брюсселі, З. Абрахам закликав Європу приєднатися до розробок в розвитку водневої енергетики, базуючись атомних энергоисточниках.

25 червня 2003 р. у спільній заяві Президент США Дж. Буш і голова Євросоюзу Романо Проді заявила про необхідності міжнародного співробітництва з розвитку Водневої енергетики.

Во час російсько-американського ділового енергетичного саміту (Санкт-Петербург, 22−23 вересня 2003 р.) американським і чинним російським міністрами енергетики були зроблено всі заяви про співробітництві же Росії та США на роботах в розвитку водневої экономики.

Список литературы

Для підготовки даної праці були використані матеріали із сайту internet.