Особо следует остановиться на технологии, позволяющей радикально снизить выбросы СО2 . Такого успеха способна добиться водородная энергетика. Остановиться на ней необходимо для опровержения утверждений об отсутствии альтернатив углеводородному топливу.
Отметим преимущества водорода как топлива19 .
В Мировом океане водорода содержится 1,2·1017 т., дейтерия - 2·1013 т. Суммарная масса водорода составляет 1% общей массы Земли, а число атомов - 16%. Особенно важен здесь тот фактор, что при сгорании водород превращается в воду и полностью возвращается в круговорот природы. В то же время, по самым оптимистическим прогнозам, ресурсы углеводородного топлива будут истощены примерно через 100 с лишним лет, в то время как угля - через многие столетия. Величина запасов угля важна и в контексте водородной энергетики: ближайшей промышленной перспективой производства водорода будет получение его при газификации углей.
Весовая теплотворная способность водорода (28630 ккал/кг) в 2.8 раза выше по сравнению с бензином.
Энергия воспламенения в 15 раз меньше, чем для углеводородного топлива.
Максимальная скорость распространения фронта пламени в 8 раз больше по сравнению с углеводородами.
Излучение пламени в 10 раз меньше по сравнению с пламенем углеводородов.
При использовании водорода как топлива исключается возможность усиления парникового эффекта, не выделяются вредные вещества (автомобильный двигатель выбрасывает 45 токсичных веществ, в том числе и канцерогены 20 ), нет опасности образования застойных зон водорода — он легко улетучивается.
Отметим и отрицательные качества водорода. Это низкие плотность и объемная теплотворная способность, более широкие пределы взрываемости и более высокая температура воспламенения по сравнению с углеводородами. Применение концепции энергоаккумулирующих веществ (ЭАВ), описанной ниже, позволит снизить негативное влияние этих недостатков водорода как топлива, которые заметно перекрываются его достоинствами.
Имеется много технологических разработок по применению водорода как топлива в промышленности, на транспорте и в быту.
Так, в 1972 году в США на испытательном полигоне фирмы «Дженерал моторс» проводились соревнования городских транспортных средств, в которых участвовало 63 автомобиля с различными системами двигателей, в том числе на аккумуляторных батареях, аммиаке-пропане и два автомобиля на водороде. Последние заняли первое и второе места. Лучшие результаты показал конвертируемый на водород автомобиль фирмы «Фольксваген», в котором отработавшие газы были чище засасываемого в двигатель городского воздуха 21 .
Водород также может использоваться в авиационных и ракетных двигателях, в турбинах для получения электроэнергии.
Наиболее часто встречающееся возражение против водородной энергетики — водород якобы трудно получить и для этого нет приемлемых источников энергии (а сжигать нефть для получения водорода просто нецелесообразно), к тому же его опасно хранить и использовать из-за взрывоопасности. Необходимо показать несостоятельность этих опасных заблуждений.
Для промышленного получения водорода разработано большое количество способов, однако практически оправдали себя лишь некоторые из них. К основным методам можно отнести химический, электрохимический и физический. Опишем их содержание22 ).
Все химические способы получения водорода состоят обычно из двух ступеней: на первой образуется водяной газ (смесь водорода и окиси углерода), который во второй ступени подвергается конверсии.
Здесь особо отметим способы получения водорода путем газификации каменных и бурых углей, сжигание которых чрезвычайно вредно для окружающей среды, но, к сожалению, до сих пор распространено в России (хотя еще король Англии Эдуард I (1272-1307) издал указ, запрещающий под страхом смертной казни использовать уголь как топливо23 ). Газификация углей позволит значительно снизить вред от использования угля и более эффективно реализовать потенциал земных запасов угля.
Для получения водорода термическим разложением газообразных углеводородов или конверсией их с водяным паром, углекислотой или кислородом используется природный или попутные газы, газы нефтепереработки и гидрирования, метан-водородная фракция пиролиза и др.
Электрохимический способ производства водорода заключается в разложении воды (водных растворов электролитов) с помощью электрического тока.
При физических методах получения происходит выделение водорода из газовых смесей (коксовый газ, отходящие побочные газы установок каталитического реформинга, метан-водородные фракции) ступенчатым охлаждением до низких температур, когда происходит сжижение компонентов газовой смеси (кроме водорода).
Теперь рассмотрим проблему хранения водорода24 . В настоящее время разработаны и применяются следующие способы хранения водорода:
Использование того или иного способа хранения возможно лишь после определения области его применения.
Остановимся на наиболее безопасных способах хранения водорода — в интерметаллических соединениях и в химических соединениях.
В качестве сорбентов используются порошкообразные смеси А и В (А - кальций или один из редкоземельных элементов, В - никель или кобальт). Известно, что некоторые гидриды содержат намного больше водорода на единицу объема, чем жидкий водород. Содержание водорода в таких соединениях может достигать 8 вес. % 25 .
Получение одного или более химических соединений, в одном из которых содержится водород и которые при определенных условиях могут его выделять, является основой этого способа хранения. Примерами таких систем хранения могут быть: соединения СН4, С2Н6, С3Н8, С4Н10, вода + ЭАВ из окислов, в которых содержание водорода может составить 10 вес. % и более.
Наиболее перспективно использование водорода в контексте концепции энергоаккумулирующих веществ (ЭАВ). Кратко опишем ее основные положения.
Энергоаккумулирующими мы называем многократно регенерируемые вещества, восстанавливаемые из природных или искусственных окислов, а также первичные элементы гидридов26 .
В настоящее время существуют довольно значительные источники энергии, слабо используемые человечеством из-за неравномерности их распределения в пространстве и времени. В первую очередь это энергия солнечных лучей (в 100 раз превышающая всю энергию, используемую человеком) с ее производными — энергией ветра и гидроэнергией. Здесь же надо сказать и о неутилизируемых тепловых выбросах при различных производствах (чего стоят сотни тысяч газовых факелов в Западной Сибири). При применении ЭАВ этот потенциал можно использовать. При этом схема процесса состоит из трех этапов:
[Первая реакция (восстановление кремния) была списана мной бездумно из книги Варшавского, пусть она Вас не смущает. В том далеком 1977 году вопрос о глобальном климате не ставился на высоком политическом уровне, и Илья Львович не придал значение тому, что в ней выделяется CO2. А я не проявил бдительности... Но я это исправлю тем, что приведу другие реакции восстановления кремния. А пока поверьте на слово: возможных реакций без выделения углекислоты весьма много (Примечание автора, 2002 год)]
Работа представленного варианта рассматриваемой схемы (возможно использование других веществ и реакций) осуществляется следующим образом.
Используя источник тепла (например, солнечную печь) восстанавливается кремний из окисла (реакция 1). Кремний представляет собой прекрасное ЭАВ, не требующее специальных условий хранения. Он доставляется к месту необходимого получения энергии (в том числе на транспортный двигатель). В специальном реакторе происходит реакция вытеснения водорода (реакция 2). И наконец водород поступает в двигатель в качестве топлива. Образовавшийся в результате второй реакции оксид кремния можно использовать многократно.
К достоинствам этой схемы, безусловно, относится то, что можно не хранить водород на борту транспортного средства, а получать его в реакторе по мере необходимости. Это устраняет опасность взрыва.
Пример реализации данной схемы и ее расчет приводятся в Приложении 9.
Особенно важно внедрение водородной энергетики для России, так как ей наиболее выгоден переход на водородное топливо, и как ни странно, из-за катастрофической ситуации в ее промышленности.
Новые разработки российских ученых иллюстрируют возможность развития водородной энергетики на региональном уровне. Так, Варшавским, Максименко и Терещуком в 1997 году получено в Госпатенте РФ положительное решение на чрезвычайно перспективный способ получения и использования водорода посредством разложения сероводорода, добываемого оригинальным методом из глубинных слоев некоторых водоемов, в частности, Черного моря. Данный метод не требует затрат национального масштаба, а может применяться не только автономно, но и в общенациональной энергетической системе.