l.3.8 Пuролuз воды
Для того, чтобы получать водород за счет термического разложения воды
2 Н2О ↔ Н2 + О2
нужно очень много тепла, т.е. нужно нагревать водяной пар до температур порядка нескольких тысяч градусов. Такой процесс может быть осуществлен только с применением устройств типа дугового плазмотрона. Однако здесь может быть применен принцип так называемых термохимических циклов, сущность которого состоит в том, что сильно эндотермический процесс разложения воды может быть расчленен на ряд последовательно чередующихся эндо - и экзотермических стадий, каждая из которых для своего осуществления требует значительно более низких температур, чем реакция (13). В свою очередь, возможность получения водорода путем термохимических реакций с использованием низкотемпературного тепла (700 - 900 ОС) открывает перспективы широкого использования тепла атомных реакторов. Это тем более заманчиво, что таким образом решаются проблемы получения водорода и утилизации тепла атомных реакторов, которое представляет возможную угрозу тепловому балансу в биосфере. Как правило, экзотермические стадии связаны с образованием неустойчивых продуктов окисления, и в частности кислорода в реакции (13). Совершенно очевидно, что в нашем случае для того, чтобы термохимический цикл не «разомкнулся», нужно, чтобы продукты окисления обладали невысокой термической стабильностью и легко отдавали кислород при умеренном нагревании.
Таким образом, простейший, скажем двухстадийный (в идеале), цикл можно схематически представить следующим образом:
Х + Н2О → ХО + Н2;
ХО → Х + 1/2 О2.
Здесь первая стадия идет с выделением тепла самопроизвольно или при нагревании до невысоких температур, а вторая стадия протекает с поглощением тепла. Идеальный двухстадийный цикл пока трудно предложить. Более реальны трех-четырехстадийные термохимические циклы, как, например, цикл, именуемый «Марк-9»:
2FeCl2+ 8Н2О(г) → 2Fе2Оз + 12НСI + 2Н2О; (15)
2FезО4+ ЗСl2 + 12НСI → 6FеСlз+ 6Н2О (г) + О2; (16)
6FеСlз→ 6FeCl2+ ЗСl2 (17)
Стадия (15) эндотермична: 600 - 700 ºС; стадия (16) экзотермична: 150 - 200 ºС; стадия (17) эндотермична: 400 – 450 ºС. Следует, однако, указать, что в данном термохимическом цикле, равно как и в других разрабатываемых циклах, приходится сталкиваться с многими трудностями технического характера, усложняющими на сегодня практическую реализацию этих вариантов в широких масштабах. По мнению специалистов, значительно ближе к осуществлению варианты термоэлектрохимического разложения воды, комбинирующего термохимические циклы с электрохимическими. Примером может служить сернокислотный цикл, основанный на том, что потенциал окисления сернистой кислоты до серной (0,18 В) существенно ниже потенциала «окисления» воды (1,3 В):
Н2SОз + SОз + 3 Н2О → 2H2SО4+ 2Н2 (18)
2Н2SО4→ 2Н2О + 2Н2, + SO2+ О2 , (19)
где стадия (19) - эндотермическая реакция при 800 – 900 ºС и давлении до 10 атм, а стадия (18) - обычный электролиз водного раствора сернистой кислоты, протекающий при нормальной температуре [3, 4].
Из всего сказанного следует, что у водородной энергетики при условии ее дальнейшего совершенствования есть великолепный шанс внести ощутимый вклад в энергетическую систему мира [19 - 22].
Глава 2. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ СОЗДАНИЯ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ (ДЛЯ УЧАЩИХСЯ СРЕДНЕЙ ШКОЛЫ)
Введение в проблему водородной энергетики для учащихся 9 классов на первом этапе возможно в виде как приведенных ниже выполненных самим учителем докладов, так и небольших сообщений, подготовленных самими учениками [23-24].Первое вводное сообщение выполняется учителем:
2.1 Сообщение 1. Суть водородной энергетики
Водородная энергетика включает следующие основные направления:
Разработка эффективных методов и процессов крупномасштабного получения дешевого водорода из метана и сероводородсодержащего природного газа, а также на базе разложения воды;
технологии хранения, транспортировки и использования водорода в энергетике, промышленности, на транспорте.
Назначение, основные функциональные показатели
Водородная технология позволит остановить прогрессирующий рост загрязнения окружающей среды, исключив или принципиально сократив эмиссию токсикоагентов в тропосферу, в том числе, приземный слой атмосферы.
При получении больших объемов водорода из метана и серосодержащих природных газов может быть использована плазменно-мембранная технология удельной производительностью более чем в 100 раз выше по сравнению с традиционной. Удельные энергозатраты на производство 1 м3 водорода оказываются ниже реализованных в традиционной технологии в 2-3 раза (около I кВт/ч).
Производство водорода из воды возможно на новом типе электролизеров на базе катионопроводящей мембраны МФ-4СК, выпускаемой в России и обеспечивающей получение водорода более высокой чистоты с удельными энергозатратами в1,5 меньшими, чем у традиционных систем. Удельная производительность аппаратов в 10 раз выше,чем у предыдущего поколения.
Область применения
Водородная технология используется для автономного обеспечения различных видов наземного транспорта и жидководородных силовых установок для авиации, стационарных энергосистем с водородным аккумулированием энергии (ветровые, солнечные и другие виды энергоустройств).
Применение водорода в химии, газо- и нефтехимии, производстве минеральных удобрений, биотехнологии, металлургии и т.д. позволит отказаться от традиционной организации процесса, повысить его качество и экономичность при ликвидации полного или основного выброса загрязняющих веществ в атмосферу.
Основания для выбора
Технология даст возможность крупномасштабно получать дешевый водород в качестве ценного сырья и реагента при производстве удобрений, метанола, а также в процессах переработки нефти. Ресурсы сырья практически неограниченны. Водород является экологически чистым энергоносителем и его применение в энергетике, промышленности и на транспорте окажет положительное влияние на состояние окружающей среды.
Состояние и тенденция развития
В настоящее время в России создан ряд демонстрационных установок, реализующих новые высокоэффективные и технологии получения и использования водорода из метана, природных серосодержащих газов с помощью плазменно-мембранной технологии. При этом исключаются катализаторы и традиционные жидкостные системы газораспределения. Оно осуществляется посредством мембранных аппаратов. Существующие в мире системы имеют вместо этой стадии громоздкий термокаталитический процесс, экологически некорректный, с более высокими энергозатратами (в 2-3 раза) и низкой удельной производительностью.
В настоящее время успешно завершаются исследования и разработки на уровне мощности 200 кВт на площадке ГНЦ"Курчатовский институт" и требуется переход к опытно-промышленной стадии на уровне мощности и производительности 10 м3/ч. Предлагаемая технология не имеет мировых аналогов, к ней проявляет интерес ряд ведущих зарубежных фирм.
Для высокоэффективных электролизеров на основе на основе катионопроводящей мембраны МФ-4СК в настоящее время завершен цикл НИОКР и создано производство электролизеров с улучшенными показателями на базе российской технологии. Типоразмерный ряд доведен до производительности 20 м3/ч и необходим завершающий этап по созданию 100 м3/ч электролизера. Уровень лучших зарубежных разработок 50 м3/ч на базе мембраны «Nation» по удельным характеристикам близок к основным параметрам, указанным выше [30, 11].
На базе той же отечественной мембраны в России созданы электрохимические генераторы 10 – 20 кВт, использующие водородо-воздушную смесь и имеющие КПД до 75%, при этом системы эмитируют только чистую воду, токсичные компоненты выброса отсутствуют полностью.
2.2 Сообщение 2. Выполняется учениками, на основе материалов, предоставленных учителем
Если в конце прошлого века самая распространенная сейчас проблема – энергетическая – играла, в общем, вспомогательную и незначительную в мировом балансе роль, то уже в 1930 году в мире было произведено около 30 миллионов миллиардов киловатт-часов! Гигантские цифры, небывалые темпы роста! И все равно энергии будет мало, потребности в ней растут еще быстрее.
Уровень материальной, а, в конечном счете, и духовной культуры людей находится в прямой зависимости от количества энергии, имеющейся в их распоряжении. Чтобы добыть руду, выплавить из нее металл, построить дом, сделать любую вещь, нужно израсходовать энергию. А потребности человека все время растут, да и людей становится все больше.
Неумолимые законы природы утверждают, что получить энергию, пригодную для использования, можно только за счет ее преобразований из других форм. Вечные двигатели, якобы производящие энергию и ниоткуда ее не берущие, к сожалению, невозможны. А структура мирового энергохозяйства к сегодняшнему дню сложилась таким образом, что четыре из каждых пяти произведенных киловатт получаются в принципе таким образом, что четыре из каждых пяти произведенных киловатт получаются в принципе тем же способом, который пользовался первобытный человек для согревания, то есть при сжигании топлива, или при использовании запасенной в нем химической энергии, преобразовании ее в электрическую на тепловых электростанциях.