/
Author: Подгорный А.
Tags: энергетика гидромеханика электроэнергетика издательство знание водородная энергетика
Year: 1988
Text
Новое в науке,технике, -f Q О Со>
производстве Ю О©
А. Н. Подгорный
Водородная
энергетика
Skaning, Djvuing Lykas
ОБЩЕСТВО «ЗНАНИЕ» УКРАИНСКОЙ ССР
Серия 8 «Новое в науке,
технике, производстве», № 13
Тематический цикл
«НАУЧНЫЙ поиск»
А. Н. ПОДГОРНЫЙ,
член-корреспондент АН УССР
ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
КИЕВ 1988
ББК 31.6
П44
Подгорный А. Н.
П44 Водородная энергетика.— К.: О-во «Знание»
УССР, 1988.— 48 с.— (Сер. 8 «Новое в науке, технике,
производстве»; № 13).
Рассмотрены проблемы, связанные с получением, хранением, передачей
водорода, прежде всего как универсального энергоносителя. Рассказывает-
ся о его практическом применении в различных отраслях народного хозяй-
ства.
Рассчитана на лекторов, пропагандистов, научных работников, широкий
круг читателей.
п
2300000000—087
М28(04)—88
ББК 31.6
115—88
Ответственный редактор: доктор технических наук В. В. Соловей
Рецензент: доктор технических наук В. Г. Н о с а ч
Редактор: Л. И, Алексашенко
© Общество «Знание»
Украинской ССР/1988
Энергия — ключ к расширению производства промыш-
ленных товаров, продуктов питания и решению многих дру-
гих жизненно важных проблем общественного развития.
Рост ее потребления поразительно высок. За последние два
столетия в промышленно развитых странах он увеличился
в 30 раз. Ныне производство энергии осуществляется в
основном за счет сжигания углеводородных топлив орга-
нического происхождения. Примерно 2/з энергетического ба-
ланса нашей страны составляют нефть и газ, 20 % энергии
обеспечивает уголь, около 5 % дают реки и столько же
атомные электростанции.
Запасы топлива, копившиеся в Земле миллиарды лет,
стремительно расходуются. На электростанциях и тепло-
ходах, в автомобилях, тепловозах и самолетах сжигают
нефть, газ, уголь —ценнейшее универсальное сырье. Не-
вольно вспоминаются мудрые слова Д. И. Менделеева о
том, что «...сжигать нефть — это все равно, что топить печь
ассигнациями».
Существуют различные прогнозы, касающиеся запасов
углеводородного топлива на Земле. Оптимисты утвержда-
ют, что в будущем будет разведано жидкого углеводород-
ного топлива столько же, сколько, по крайней мере, уже из-
вестно. Пессимисты считают, что с учетом сложившихся
темпов потребления нефти ее должно хватить только на
несколько десятилетий. Нам, конечно, более импонирует
мнение оптимистов. Вместе с тем очевидно, что эпоха ги-
гантских месторождений в географически удобных регио-
нах заканчивается. Вновь открываемые будут в основном
некрупными по запасам, трудными для разведки и тех-
нологии добычи углеводородного сырья. Естественно, что
расходы на его поиск и извлечение заметно увеличатся.
Это подтверждается такими данными: за 20 лет длина
трубопроводов для транспортировки нефти возросла с 350
до 2000 км, а капиталовложения, необходимые для при-
роста ее добычи на одну тонну в год, увеличились со 100
до 300 руб. В результате нефть стала обходиться почти в
два раза дороже газа и затраты продолжают расти.
Оптимистичны оценки по запасам газа в нашей стране.
Однако планируемые в Основных направлениях экономиче-
3
ского и социального развития на 19^6—1990 годы и на пе-
риод до 2000 года темпы добычи газа (в 1990 г. из оте-
чественных месторождений будет добываться 850 млрд м3
газа **) настоятельно требуют принятия энергичных мер,
направленных на экономию этого уникального сырья. Ведь
фактически мы подошли к черте, когда величина разведан-
ных запасов становится соизмеримой величине добычи2.
Кроме того, удаленность месторождений от главных по-
требителей, увеличение их глубины, высокая стоимость
транспортировки природного газа в европейскую часть
страны за последние годы привели к увеличению стоимос-
ти добычи в несколько раз. Так, в 1965 г. для обеспече-
ния годового прироста добычи в тысячу кубических мет-
ров требовалось капиталовложений на сумму 47 руб.,
в 1970 — 100 руб., а в 1980 г.— 165 руб.
Третьим «китом» топливно-энергетического комплекса
является уголь. Наша страна, безусловно, занимает первое
место в мире по запасам этого сырья. Его хватит на многие
десятилетия. Более того, уголь длительное время будет
играть роль «буферного» топлива, пока наука и техника не
освоят в полной мере новые источники энергии. Достаточно
сказать, что из семи крупнейших месторождений, откры-
тых на нашей планете (запасы угля в которых составляют
по 500 млрд т и более), пять находится в СССР.
Однако добыча угля сопряжена с преодолением боль-
ших трудностей. Прежде всего необходимо создать высо-
копроизводительную технику. Не будет преувеличением
сказать, что развитие угледобывающей промышленности, да
и всей энергетики, будет определяться успехами машино-
строения.
Серьезные проблемы возникают при транспортировке
угля из восточных районов страны. Возьмем, например,
Канско-Ачинский комплекс (КАТЭК). Здесь пласты угля
залегают на глубине всего от 10 до 60 м, что делает
их добычу рентабельной. Вместе с тем они имеют серьез-
ные недостатки: низкая калорийность, высокая влажность
(до 40 %), сыпучесть и самовозгорание (примерно через
пять суток, после того как уголь поднят на-гора). Такое
топливо трудно и невыгодно транспортировать. Из-за боль-
шой влажности уголь зимой смерзается, что затрудняет его
перегрузку. Летом увеличиваются потери из-за пыления:
подсчитано, что в год они составляют несколько миллио-
нов тонн.
Специалисты предлагают альтернативные решения. На-
Пример, перекачивать водно-угольную смесь по трубопро- *
* Библиографические ссылки приводятся в конце брошюры.
4
воду, хотя и здесь предстоит решить ряд сложных техни-
ческих проблем. Заслуживает внимания предложение пере-
давать энергию углей по линиям электропередач в центр
европейской части страны. Однако для передачи значи-
тельной мощности на большое расстояние нужно вдвое
увеличить напряжение — до 1500 тыс. вольт. Кроме того,
будут велики потери энергии и затраты цветных металлов
и стали.
Как видим, производство возрастающего количества
энергии сопряжено со сложными научно-техническими
проблемами, решение которых возможно на базе достиже-
ний науки, создания и внедрения высокопроизводительной
техники и прогрессивных технологий.
Пока мы очень кратко остановились на трех основных
первичных источниках энергии, имеющих наибольший вес
в энергетическом балансе страны. Они нам привычны, тех-
нологичны в использовании, но уже ныне, не говоря о пер-
спективе, не могут полностью обеспечить производство не-
обходимой хозяйству энергии. Это возможно сделать только
с помощью атомной энергетики, общая мощность которой
в нашей стране достигла почти 30 млн кВт • ч3. Предусмат-
ривается ускорение темпов ее развития. Так, выработка
атомных электростанций к 1990 г. должна вырасти до
390 млрд кВт-ч4. Очень важно, что развитие атомной
энергетики позволит на рубеже XX и XXI веков в основном
остановить рост трансконтинентальных потоков органиче-
ского топлива с востока на запад.
По мнению специалистов, с исчерпанием и удорожанием
природных жидких и газообразных топлив их место в
балансе первичных источников энергии будут занимать
уголь и ядерная энергия. Это четко отражено в Энергети-
ческой программе СССР, предусматривающей развитие
атомной энергетики и добычи угля с доведением их доли
в энергобалансе до половины при одновременном снижении
доли потребляемого природного газа и стабилизации его
производства. Там же отмечается, что должны быть сохра-
нены высокие уровни добычи нефти, но не увеличены* так
как нефть необходима для использования в будущем в ка-
честве химического сырья.
ПЕРСПЕКТИВЫ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
Итак, в конце нашего столетия и в последующие годы
.рирост энергетических ресурсов будет обеспечиваться
ядерной энергетикой и добычей угля, а также развитием
возобновляемых источников энергии.
5
Анализ использования энергии различными потребите-
лями показывает, что ядерная энергия и уголь далеко не
всегда могут быть непосредственно использованы в тех
случаях, где ныне применяется органическое топливо.
Прежде всего это относится к авиации, автомобильному,
морскому и речному транспорту, к различным передвиж-
ным энергоустановкам и т. д.
Таким образом, возникает вопрос о посредниках-энерго-
носителях, которые могли бы передавать энергию от ядер-
ного топлива и угля многочисленным потребителям в виде,
удобном для использования. Как показывают исследования,
эти функции могли бы взять на себя водород и искусст-
венные топлива на его основе, получаемые из воды и угля
с затратой первичных источников энергии.
Термин «водородная энергетика» появился около 10 лет
назад в период так называемого энергетического кризиса.
Ныне это быстро развивающаяся отрасль науки и техники,
имеющая прекрасные перспективы при решении энергетиче-
ских и экологических проблем. Развитие водородной энер-
гетики в значительной степени зависит от успешного реше-
ния ряда сложных научных и технических вопросов:
— необходимо создать экономически и технически при-
емлемые методы получения водорода;
— важным аспектом является разработка систем хране-
ния, транспортировки и распределения водорода, как газо-
образного, так и жидкого;
— предстоит провести обширные исследования по эф-
фективному использованию водорода в различных отраслях
народного хозяйства.
Понятно, что создание на базе использования водорода
прогрессивных устройств и технологий требует выполнения
условий техники безопасности, разработки новых материа-
лов, измерительной техники, средств контроля и т. д.
Водородной энергетике предстоит преодолеть значитель-
ные трудности, однако уникальность свойств водорода, бо-
гатая палитра технических приложений приковывают к
нему внимание многочисленных исследователей из разных
стран мира.
Водородная энергетика, несмотря на свою молодость,
уже достигла определенных успехов. Имеется ряд очень
перспективных и вполне реальных проектов, планов по ис-
пользованию водорода, получены технические решения,
способные в корне изменить технологию ряда произ-
водств.
Водород — уникальный энергоноситель и идеальное
топливо. Его калорийность в три раза выше, чем бензина,
6
Рис. 1. Рост потребления водорода
в США (обл. 1) и семи других стра-
нах, вместе взятых (обл! II).
и составляет 33 тыс. килокалорий на килограмм. При сго-
рании он практически не дает вредных выбросов.
Большим достоинством водорода является то, что его
запасы на планете практически неограничены. Его можно
накапливать и удобно транспортировать (так же, как и
природный газ). Водород — прекрасный восстановитель,
вследствие чего он широко
используется в химической -
технологии, нефтехимии и
металлургии. -
Прежде чем подробнее
остановиться на создан-
ных и разрабатываемых
методах получения, хра-
нения, транспортировки и
использования водорода,
было бы интересно озна-
комиться с прогнозом пер-
спектив его производства
и потребления, высказан-
ным специалистами. Так,
эксперты восьми стран — .
членов Международного
энергетического агентства
(США, Канады, Бельгии,
ФРГ, Нидерландов, Шве-
ции, Швейцарии и Японии) опубликовали исследование,
в котором изложены основные направления развития рынка
водорода в этих государствах. В частности, дана оценка раз-
меров его потребления в странах-участницах до 2025 г.
Рассмотрены возможности его применения в различных от-
раслях промышленности (энергетике, на транспорте, в быту
и т. д.). Изучались три основные сферы использования водо-
рода:
— прямое энергетическое (на транспорте, для отопле-
ния);
— косвенное энергетическое (переработка нефти, произ-
водство синтетического топлива и т. д.);
— неэнергетическое потребление (металлургическая
промышленность, синтез аммиака и др.).
Предполагается, что в 1985—2025 гг. потребление водо-
рода в исследуемых странах увеличится в 12—17 раз
(рис. 1), а среднегодовой прирост его за этот период соста-
вит 7 %. Наибольшие темпы роста потребления этого газа
ожидаются в энергетическом использовании. Такой прогноз,
очевидно, следует принять, если учесть, что в ФРГ и Шве-
7
ции оно уже ныне выше неэнергетического. К 2025 г. на
энергетическое потребление в этих странах будет приходи-
ться в среднем 85 % общего потребления водорода. Про-
изойдет это из-за развития таких крупных его потребите-
лей, как переработка нефти, производство синтетического
топлива, а в дальней перспективе — электроэнергии.
Таблица 1
Прогнозные данные по использованию водорода в США
по основным секторам конечного потребления, млн т
Виды потребления Годы
1978 | 1985 | | 2005 | 2025
Энергетическое прямое: — 6,3—10,6 16,9—29,6
для отопления — — 0—3,5 0—2,1
на транспорте — — 6,3—7,0 16,9—27,5
Энергетическое косвенное: 2,6 3,3 32,4—36,5 102,8—140,9
переработка нефти производство синтетического 2,6 3,3 4,2 4,9
топлива выработка электроэнергии на — — 28,1—30,9 94,4—130,9
базе топливных элементов — 0—1,48 3,5—4,9
Неэнергетическое 4,8 5,1 12,7—14,1 21,1—28,1
Всего 7,39 8,45 51,4-61,3 140,9-198,6
В табл. 1 приведены прогнозные данные по использо-
ванию водорода в США по основным секторам конечного
потребления (в млн т).
Эксперты считают, что производить водород будут из
угля (путем газификации) и из воды (электро- и термохи-
мическим разложением). Особенно подчеркивается, что в
отдаленной перспективе широкое распространение найдут
термохимические и другие методы с применением высоких
температур и вторичного тепла атомных реакторов ввиду
возможного роста нежелательных экологических последст-
вий при интенсивном использовании для этих целей угля.
Приведенный выше прогноз еще раз подчеркивает, ка-
кое важное значение придается в ближайшей перспективе
водородной энергетике, ее роли в решении энергетических и
экологических проблем человечества.
МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА
В настоящее время в мире производят около 30 млн т
водорода в год. Коротко остановимся на существующих ме-
тодах его получения и дадим оценку их эффективности.
8
Нужно учитывать, что при производстве водорода исполь-
зуются различные источники энергии (уголь, жидкие и га-
зообразные топлива, ядерные установки, гидроэнергия
и т. д.). Выбор того или иного источника определяет при-
меняемый технологический процесс и его технико-экономи-
ческие показатели.
Основная часть крупномасштабного промышленного
производства водорода основана на конверсии углеводоро-
дов и прежде всего из природного газа. Как исходное сырье
последний состоит на 95—99 % из метана. Осуществляется
результирующая реакция конверсии метана водяным
паром:
СН4 -К 2Н2О СО2 гЕ 4Н2.
Процесс проводят, как правило, с подводом тепла через
стенку реактора. При осуществлении режима паровой ка-
талитической конверсии углеводородов можно соответст-
вующим выбором давления, температуры и компонентов
пар — метан получать технический водород с содержанием
95—98 % чистого водорода. После конверсии газ очищают
от двуокиси углерода и сернистых компонентов.
В современных установках реальный КПД составляет
60—65 % из-за потери значительной части тепла в холо-
дильниках, через стенки конструкции, а также с выбрасы-
ваемыми в атмосферу водяными парами и двуокисью уг-
лерода.
Расчетные затраты на производство очищенного водоро-
да методом паровой конверсии, с учетом стоимости метана,
для европейской части СССР составляют (в пересчете на
условное топливо) от 75 до 81 рубля за тонну.
К основным технологическим процессам получения во-
дорода относится и парокислородная конверсия:
2СН4 + О2^ 2СО + 4Н2.
Достоинством этого процесса является то, что через
стенки реактора не нужно подводить теплоту. Это позволя-
ет вести процесс при повышенном давлении (до 4 МПа), не-
смотря на более высокие температуры. Необходимость в
кислороде, получение которого связано с большими за-
тратами электроэнергии, приводит к удорожанию процесса,
КПД которого составляет 65—70 %. Расчетные затраты —
около 73 рублей за тонну.
Методы паровой и парокислородной конверсии применя-
ются и для получения водорода из водородосодержащих
газов, получаемых на нефтеперерабатывающих заводах
(НПЗ). Выделение его обеспечивается методами глубокого
2. А. Н. Подгорный
9
охлаждения, абсорбции, адсорбции, диффузии через мем-
браны. Стоимость одной тонны водорода в этом случае со-
ставляет около 100 руб.
Известно, что газификация углей возникла около 200
лет назад с целью получения светильного и водяного газов.
В последующем она использовалась для получения синтез-
газа (смеси СО и Н2), заменителей природного газа, допус-
кающих его транспортировку по трубопроводам. Были раз-
работаны и методы получения водорода в процессе
газификации углей. Однако появление более дешевых и эф-
фективных способов получения его из природного газа при-
остановило работы по газификации углей. Только повыше-
ние интереса к водороду в последние годы, открытие мощ-
ных залежей угля поставили на повестку дня совершенст-
вование старых и создание новых методов получения во-
дорода.
В традиционных методах газификации углей, разрабо-
танных в 20—30-е годы нашего столетия (методы Лурги и
Винклера), а также в созданном в 50-е годы методе Коп-
перс-Тотцека процесс осуществляется одновременным воз-
действием на углерод водяного пара и кислорода. Единст-
венным источником получения водорода служит водяной
пар, а уголь — только восстановителем. При этом в основ-
ном происходят следующие реакции;
С + О2=СО2;
х С + 2Н2О = СО2+2Н2;
С+Н2О = СО + Н2;
С + СО2 = 2СО.
Указанные выше методы апробированы практикой и
имеют как достоинства, так и недостатки. Для повышения
производительности процесса делаются попытки усовер-
шенствовать методы путем повышения давления в газифи-
каторе.
Состав получаемого газа (% по объему) показан в
табл. 2.
Практическая значимость газификации углей привела к
появлению принципиально новых методов, основанных на
использовании многоступенчатых процессов. Одним из них
является метод Хай-газ. Газификация осуществляется при
высоком давлении (до 10 МПа) железнопаровым способом
из кокса. Процесс начинается с газификации кокса с по-
мощью паровоздушного дутья. Полученный газ, содержа-
щий СО, Н2 и N2, используется для восстановления окисла
10
железа Fe3O4 до FeO при температуре 1100—1200 К:
Fe3O44- СО = 3FeO4- СО2»
Fe3O4 4" Н2= Зг еО + Н2О.
Последующая обработка окиси железа FeO водяным
паром при 900—1000 К позволяет получать после конден-
сации воды практически чистый водород:
3FeO + Н2О e Fe3O4+Нг*
Экономичность растет вследствие того, что реакция окиси
железа с водой экзотермична и выделяющееся тепло под-
Таблица 2
Состав газа, получаемого традиционными методами,
(% по объему)
Название процессов со СОа н» сн< Прочие компоненты
Лурги 58 6 26 9 1
Коппере — Тотцека 57 10 31 1 1
Винклера 48 14 35 2 1
нимает температуру водяного газа до уровня восстановле-
ния железа.
Равновесие реакции таково, что ее продукты содержат
около 37 % водорода.
Существуют и другие методы, в которых недостающую
теплоту для проведения эндотермической реакции угля с
водяным паром можно получить за счет побочной хими-
ческой реакции. Тогда газификацию угля можно осущест-
вить только водяным паром.
Перспективными для промышленного использования
способами получения водорода являются прямой электро-
лиз воды и разложение воды термохимически.
Электрохимический способ заключается в электролитиче-
ском разложении воды на составные части — водород и кис-
лород. Поскольку удельный расход электроэнергии при по-
лучении водорода значителен (до 5—6 кВт-ч на 1 нм3 водо-
рода), электролиз воды в промышленных масштабах осу-
ществляется прежде всего в районах с низкими тарифами
на электроэнергию. Так, в Норвегии, где хорошо развита
сеть ГЭС, этим способом производят практически 100 %
водорода.
11
В настоящее время разрабатывается большое число
электролизеров различных типов и конструкций. По виду
электролита различают три их основных типа: с водным
щелочным электролитом с рабочей температурой до 500 К;
твердым полимерным электролитом (ТПЭ) с температурой
до 423 К; высокотемпературные (рабочая температура
1100—1300 К). Каждый из них имеет свои преимущества и
недостатки. Но есть и один общий недостаток — стоимость
водорода, полученного электрохимическим способом, боль-
ше в 1,5—2 раза, чем при использовании для этой цели при-
родного газа.
Работа по совершенствованию электролизеров продол-
жается. Повысить эффективность щелочных электролизе-
ров можно путем увеличения их рабочей температуры и
давления. При создании электролизеров с твердым полимер-
ным электролитом применяются дорогостоящие материалы,
в частности используются катализаторы на платиновой ос-
нове. Положительные результаты, достигнутые при созда-
нии электролизеров с ТПЭ, не содержащих драгоценных
металлов, получены только для специальных электролизе-
ров с небольшим ресурсом работы. Для промышленных ус-
тановок приемлемое решение пока не найдено.
Большие требования предъявляются к электродным ма-
териалам при высокотемпературном электролизе водяного
пара. Они должны быть коррозионно стойкими, обладать
высокой механической прочностью. Особенно высоки тре-
бования к аноду, который некоторые исследователи пред-
лагают делать из золота, платины, серебра, сплавов ред-
коземельных металлов. Это, конечно, нежелательно, так как
увеличивает стоимость установки. Промышленный электро-
лизер данного типа еще не создан.
И, тем не менее, электрохимическое разложение воды в
последние годы осуществляется успешно. Созданы установ-
ки с КПД (отношение полученной теплоты сгорания водо-
рода к затраченной электроэнергии) до 70—80 %,. Не ис-
черпаны возможности их дальнейшего совершенствования,
и есть надежда, что со временем водород из воды станет
дешевле, чем из природного газа, цены на который растут.
В отдельных случаях и ныне выгодно получать водород
электролизом в ночные часы, когда имеется лишняя и де-
шевая электроэнергия. Не стоит забывать, что этот процесс
одновременно сопровождается получением кислорода, очень
нужного и дефицитного газа.
Интересен технологический метод, разработанный фир-
мой «Дорнье» (ФРГ), при котором электролизу подвергает-
ся не вода, а водяной пар. Преимущество этого метода со-
12
стоит в том, что часть затрачиваемой на разложение воды
энергии подается в виде тепла, производство которого об-
ходится дешевле, чем производство электроэнергии.
В последнее время часто говорят об атомно-водород-
ной энергетике. Действительно, очень заманчиво осущест-
вить электролиз воды на базе резервной электроэнергии
АЭС в непиковый период. Иными словами, целесообразно
создание ядерно-водородных станций (они уже существуют
в ряде стран), работающих по схеме: реактор — водород-
ный генератор. Именно такое сочетание претендует на роль
лидера в водородной энергетике. Вне всякого сомнения,
наиболее перспективным способом обеспечения высокопо-
тенциальной теплотой (1200 К и выше) и электроэнергией
процессов получения водорода является использование вы-
сокотемпературного ядерного реактора (ВТЯР). Имеются
данные, что в ФРГ на реакторе тепловой мощностью 40 МВт
достигнута температура теплоносителя на выходе 1220 К.
В то же время у таких крупномасштабных потребителей во-
дорода, как азотная промышленность, при синтезе аммиака,
метанола до 40—45 % потребляемого природного газа сжи-
гается для получения теплоты высокого температурного по-
тенциала. Применение ВТЯР позволит сберечь углево-
дородное топливо, снизить себестоимость продукции. По
мнению специалистов, использование высокопотенциально-
го тепла ВТЯР в процессах газификации угля приведет к
снижению его расхода в 1,4—1,6 раза на единицу конечно-
го продукта.
В отличие от электролизера, при термохимических спо-
собах получения водорода тепло источника энергии исполь-
зуется непосредственно для расщепления воды на ее газо-
образные компоненты. Известно, что для осуществления
процесса пар необходимо нагреть до температуры около
5000 К. Поскольку техника работы при таких высоких тем-
пературах еще не разработана, а пригодные материалы не
найдены, исследуются процессы, протекающие при более
низких температурах. Это так называемые термохимические
циклы.
Выбор и реализация цикла должны удовлетворять ряду
требований, таким, как доступность и относительная деше-
визна реагентов, эффективность процесса, возможность раз-
деления продуктов реакции. Однако главным критерием
является стоимость водорода при массовом производстве.
В настоящее время предложено свыше 30 сложных тер-
мохимических циклов. Из них наиболее известны циклы
«Марк», предложенные Европейским сообществом по атом-
ной энергии («Евратом»), которые протекают по трем или
13
четырем ступеням. В качестве примера приведем железо-
хлорный цикл:
3FeCl2+ 4Н2О = Fe3O4+6НС1 + Н2;
Fe3O4+8НС1 = FeCl2+2FeCl3+4Н2О;
2FeCl3 = 2FeCl2+Cl2.
С12+Н2О=2НС1+~ О2.
Рассмотренный здесь цикл является замкнутым, как и
многие другие. Это означает, что при их осуществлении
расходовались только вода и энергия, а промежуточные
реагенты предполагались полностью регенерируемыми.
Однако известный интерес представляют и разомкну-
тые циклы, в которых исключается одна или более реакций
из цепочки реакций замкнутого цикла. Это объясняется
тем, что полученные таким образом циклы — это по сущест-
ву хорошо известные и применяемые в современной техно-
логии стандартные химические процессы, пригодные для до-
полнительного получения водорода.
Изложенные выше методы разложения воды имеют свои
достоинства и несовершенства. Электролиз хорошо освоен,
но относительно дорог. Термохимический метод более эко-
номичен, но мало освоен и при нынешнем развитии техники
далек еще от практической реализации. Естественно, появи-
лась мысль создать метод, сочетающий оба подхода и ис-
пользующий их преимущества. Примером такого комбини-
рованного цикла является сернокислый цикл фирмы «Вес-
тингауз» (США). Он состоит из двух ступеней: первая —
высокотемпературная (термохимическая), вторая — низко-
температурная (электролитическая):
H2SO4 H2O.-ESO24--jj- О2;
2H2O+_SO2 H2+H2SO4.
Такой подход является энергетически выгодным. Так,
теоретическая электродинамическая сила (ЭДС) гальва-
нической ячейки на последнем этапе процесса равна 0,17 В,
а для прямого электролиза воды теоретически необходимо
напряжение 1,23 В.
Заслуживают внимания быть отмеченными следующие
способы получения водорода на передвижных установках и
стационарных устройствах малой производительности: кис-
14
лотный, щелочно-алюминиевый, активированно-алюминие-
вый, разложения гидридов.
Кислотный способ основан на свойстве некоторых неор-
ганических кислот взаимодействовать с металлами, выделяя
водород:
Fe + H2SO4 = FeSO4 + H2.
Теоретически на 1 нм3 водорода требуется 2,5 кг железа и
4,4 кг серной кислоты. На практике расходы намного боль-
ше. Водород содержит до 5 % примесей.
Щелочно-алюминиевый способ базируется на свойстве
алюминия давать с растворами гидроокисей щелочных ме-
таллов алюминаты, выделяя водород:
2A14-2NaOH+2H2O=2AlNaO2+3H2.
На производство 1 нм3 водорода затрачивается 1 кг алю-
миния и до 2 кг технической гидроокиси натрия. Реакция
протекает бурно с выделением большого количества тепла.
Чистота водорода — 98 % •
Активированный алюминий взаимодействует с водой по
уравнению
А1+ЗН2О=А1(ОН)з+ЗН2.
Активация может осуществляться обработкой порошкооб-
разного алюминия хлористой ртутью, покрытием специаль-
ной амальгамой, добавлением в сплав индия, галия и др.
Расход активированного алюминия составляет 0,9 кг на
1 нм3 водорода. Водород получается високой чистоты
(99 %).
Преимуществом производства водорода с использова-
нием гидридов является высокий выход водорода из 1 кг
сухого материала (из 1 кг LiH получается 2,81 нм3 водо-
рода):
LiH + H2O = LiOH+.H2.
Практическое значение для получения водорода имеют гид-
риды, работа с которыми безопасна и которые легко реа-
гируют с водой в обычных условиях.
В табл. 3 приведены оценки расчетных затрат на полу-
чение товарного водорода в крупных масштабах разными
методами с использованием различных источников энергии.
ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ, ХРАНЕНИЕ
И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ВОДОРОДА
Современные масштабы производства и потребления во-
дорода вполне удовлетворяются перевозками его в балло-
нах под давлением до 20 МПа. Однако этот способ стано-
15
Таблица 3
СТ>
Оценка расчетных затрат на получение товарного водорода с использованием различных источников энергии
Процесс производства водорода Источник энергии и ее стоимость (рас- четные затраты) в пересчете на услов- ное топливо КПД преобра- зования пер- вичной энер- гии, % Максимальная температура, К Сырье Стоимость (приведенные затраты) то- варного водо- рода в пере- счете на ус- ловное топли- во, руб. т—*
Паровая конверсия Природный газ, 45 руб. т-1 Природный газ, 90 —»— 60—75 1100—1300 Природный газ 78—85 152—160
Парокислородная конверсия при 2—4 МПа Природный газ, 45 руб. т-1 Природный газ, 90 — »— Нефтяные фракции, сухие газы НПЗ н др. 67—70 1100—1200 Природный газ 72—80 140—155
Целевое производство на НПЗ 67—70 1100—1200 Нефтяные фракции, су- хие газы НПЗ -100 и более
С помощью угля при 0,5— 10 МПа Щелочный электролиз Уголь, 10 руб, т-1 Электроэнергия базисная (АЭС и КЭС), 1 коп. (кВт ч)-1 60—80 20—30 1200—1400 Уголь, вода, кислород и др, -904-100 и более 130—220
Щелочный электролиз с произ- водством тяжелой воды и кис- лорода как биопродуктов Электроэнергия базисная и «про- вальная» (АЭС и КЭС) Электроэнергия от солнечных ЭС, ветровых ЭС 20—30 <10 350 Вода 110—200 >300
Электроэнергия базисная и «про- вальная» (АЭС и КЭС) 20—30 350 Вода 80—190
Электролиз с ТПЭ Электроэнергия базисная и «про- вальная» * (АЭС и КЭС) 20-36 450 Вода 110—150
о оор
2 2 а Йо
I I I IS
о о S о Л\
о сч ю
7 7 Т so
Й § Й Л\у
3 вится неэкономичным при необходим
§ мости транспортирования и хране-
§ ния больших количеств водорода,
j так как возрастают капитальные и
* энергетические затраты. Более того,
" из соображений безопасности сосу-
к ды при давлениях выше 20 МПа не
| используются для перевозок газо-
| образного водорода.
с В условиях крупномасштабного
3 производства водорода наиболее
S предпочтительной является его пере-
« дача по трубопроводам. Этому бла-
s. гоприятствует его малая вязкость.
“ По трубопроводам диаметром 1,5 м
| с водородом передается 20 тыс. ме-
g гаватт мощности. Перекачка газооб-
« разного водорода на расстояние
5 500 км в зависимости от давления и
3 диаметра трубопровода в два — во-
§ семь раз дешевле, чем передача та-
* кого же количества электроэнергии
£ по линиям электропередачи. Значи-
5 тельно дешевле обходится и его рас-
« пределение между потребителями.
| В ряде стран накоплен опыт тру-
® бопроводного транспортирования во-
« дорода и смесей его с другими газа-
g ми. Показано, что добавки водорода
5 к природному газу повышают произ-
g водительность трубопровода, осо-
© бенно в зимнее время. Около 50 лет
* эксплуатируется в ФРГ подземный
к трубопровод длиной более 200 км
| для перекачки газообразного водо-
® рода под давлением 4 МПа. Различ-
Я ной длины водородопроводы исполь-
| зуются в СССР, США, ЮАР, Англии.
л Очень важно, что транспортирова-
« ние газообразного водорода при
S давлениях не более 10 МПа может
I производиться с помощью тех же
g технических средств, что и при пере-
* даче природного газа. Более того,
эксплуатирующиеся ныне газовые
трубопроводы могут быть использо-
17
ваны и для транспортирования водорода, но при относи-
тельно низком давлении. Чтобы добиться оптимальных па-
раметров газопередающей системы, потребуется изменение
диаметра трубопровода, шага компрессии, компрессоров и
другого оборудования. Особое внимание при создании си-
стем хранения, передачи и распределения водорода уде-
ляется выбору материалов. Дело в том, что при повышении
чистоты водорода и давления может иметь место водород-
ное охрупчивание металлов. Этой проблемы мы коснемся
отдельно.
С целью уменьшения затрат при хранении водорода при-
меняются баллоны с повышенным давлением. Например,
баллоны с давлением до 100 МПа представляют собой
сварные многослойные сосуды, изготовленные из высоко-
качественных материалов. При более низком давлении (до
40—60 МПа) могут использоваться бесшовные толстостен-
ные сосуды из низкоуглеродистых сталей.
Широкое распространение для хранения больших ко-
личеств водорода и природного газа получило использова-
ние подземных хранилищ. Это могут быть естественные и
искусственные подземные пустоты, водоносные горизонты,
соляные пласты и т. д. Учитывая большой коэффициент
диффузии водорода, необходимо стремиться, чтобы стенки
хранилища представляли собой непреодолимую преграду
для водорода. Газ через скважину закачивается в по-
лость, где и хранится под давлением, которое зависит от
глубины: оно должно быть не меньше давления водяного
столба на заданной глубине-
Этот способ не влечет за собой значительных затрат на
создание хранилищ, однако потери газа (из-за геологиче-
ских условий) могут оказаться существенными. Ныне стои-
мость хранения единицы энергии водорода в три раза боль-
ше стоимости хранения природного газа. Есть надежда,
что в перспективе эта разница будет уменьшаться. Но сни-
зить стоимость хранения водорода можно уже ныне. Для
этого необходимо совершенствовать геотехнические методы
создания подземных хранилищ, разработать специализиро-
ванное оборудование для работы с водородом.
Несмотря на то, что в настоящее время’ производство
жидкого водорода невелико, интерес к нему заметно вырос.
Это объясняется ожидаемым широким использованием
жидкого водорода в качестве топлива для автомобильных
и авиационных двигателей.
Жидкий водород представляет собой необычайно по-
движную легкую жидкость с температурой кипения 20,4 К.
Плотность его значительно превышает плотность водорода
18
в системах хранения под давлением. Наличие низкой тем-
пературы предъявляет к системам хранения и транспорти-
ровки специфические требования: применение высокоэффек-
тивной теплоизоляции или термостатирования данного
объема. Ныне широко применяются вакуумная, вакуумно-
многослойная, вакуумно-порошковая теплоизоляции. Оце-
нить различные способы хранения можно сравнением по-
терь вещества за весь период хранения. Величина эта оцени-
вается коэффициентОхМ относительных потерь ч, определяе-
мых из соотношения
mQ—mk
т| -------,
mQ
где mk —масса водорода в конце хранения; т0 — началь-
ная масса водорода.
Наряду с высокоэффективной теплоизоляцией, для
уменьшения потерь используются тепловые экраны, распо-
ложенные между теплой и холодной поверхностями. Очень
эффективным является экран, поверхность которого охлаж-
дается жидким азотом. Если в изолирующем вакуумном
пространстве сосуда поместить экран с температурой 70 К,
то лучистый поток к внутреннему контейнеру уменьшится
примерно в 250 раз. В настоящее время в мировой практике
широко применяются сосуды Дьюара с вакуумной много-
слойной теплоизоляцией, представляющей собой поперемен-
но чередующиеся слои двусторонне металлизированной
пленки и стеклоткани.
Используемые для хранения жидкого водорода системы
обеспечивают минимальные потери на испарение. Для со-
судов с емкостью 50 тыс. л они составляют 0,3—0,5 % в
сутки, а в сосудах с объемом хранения до 1 млн л снижают-
ся до 0,1 %. О возможности хранения крупных запасов
жидкого водорода в сосудах говорит пример хранения
3,2 млн л водорода в космическом центре им. Дж. Кеннеди,
что эквивалентно энергосодержанию в 11 млн кВт-ч.
В принципе можно транспортировать водород и по тру-
бопроводам, однако это сопряжено с большими энергети-
ческими затратами. Дело в том, что для его сжижения су-
ществующими методами нужно потратить почти половину
энергии, содержащейся в нем самом. Очень сложной явля-
ется и задача обеспечения теплоизоляции трубопровода,
так как температура жидкого водорода очень низка
(20,4 К). Интересно, что при температуре 14 К жидкий во-
дород переходит в твердое состояние.
Предложено несколько путей, с помощью которых воз-
можно в будущем снизить затраты по эксплуатации водо-
19
родопровода. Например: жидкий водород перемещается по
трубам, одновременно выполняя роль охлаждающего аген-
та для сверхпроводящих линий электропередач. Можно так-
же через определенное расстояние производить из трубо-
провода отбор газообразного водорода и направлять его по-
требителям. Часть жидкости нужно будеть испарять, от-
нимая тепло, и таким образом поддерживать необходимую
температуру.
Для перевозки жидкого водорода автомобильным транс-
портом применяются специальные цистерны с экранно-
вакуумной изоляцией объемом 40—60 м3. Потери на испа-
рение составляют при этом не более 1 % в сутки.
Перевозки железнодорожным транспортом осуществля-
ются с помощью цистерн объемом более 100 м3 при потерях
не более 0,5 % в сутки. Возможно транспортирование жид-
кого водорода и специальными танкерами, хотя такие пе-
ревозки до сих пор не осуществлялись. Анализ стоимости
транспортировки жидкого водорода показывает, что на рас-
стояние менее 100 км выгоднее пользоваться автомобиль-
ным транспортом, а на более далекие — железнодорожным
и водным.
Процесс сжижения водорода является одним из важных
аспектов водородной энергетики и имеет некоторые особен-
ности, вытекающие из его физико-химических свойств.
Прежде всего, подлежащий ожижению газ должен быть
хорошо очищен от примесей (допускается менее 1 части на
миллион). Это объясняется тем, что присутствие примесей
может нарушить нормальную работу ожижителя. Из сооб-
ражений безопасности недопустимо наличие частиц твер-
дого кислорода в жидком водороде.
В настоящее время затраты электроэнергии на ожижение
водорода составляют около 13—18 кВт*ч на 1 кг На при
производительности в десятки и сотни тонн в день. В пер-
спективе возможно уменьшение затрат до 9—12 кВт • ч на
1 кг водорода.
С разработкой металлических сплавов, способных быст-
ро, обратимо и в практически достижимых условиях сорби-
ровать и десорбировать значительные количества этого
газа, появляется возможность применения и-х в качестве во-
дородных аккумуляторов. Это очень важный результат, так
как хранение водорода становится узловой проблемой во-
дородной энергетики.
Аккумулирование водорода в твердых гидридах имеет
ряд преимуществ по сравнению с традиционными способа-
ми хранения в баллонах высокого давления или в сжижен-
ном состоянии. Плотность водорода в твердой гидридной
20
матрице может превышать плотность жидкого водорода.
Например, плотность в гидриде интерметаллида LaNis поч-
ти в 1,5 раза выше, чем у жидкого водорода.
На основании существующих гидридообразующих спла-
вов могут быть созданы системы хранения, по весу и объе-
му легче и меньше водородных баллонов высокого давле-
ния, содержащих такое же количество газа. При 0,4 МПа
гидрид LaNisHe аккумулирует столько же водорода, сколь-
ко его могло бы храниться в эквивалентном по объему бал-
лоне при давлении 74 МПа. Преимущества гидридного спо-
соба хранения проявляются и при зарядке водородом — не-
обходим компрессор на более низкие давления.
Гидридные аккумуляторы безопаснее в эксплуатации по
сравнению с баллонами высокого давления и сосудами с
жидким водородом, так как при комнатной температуре
давление водорода над гидридом не выше нескольких ат-
мосфер. Скорость же выделения не может быть мгновенной
даже при полной разгерметизации емкости. Гидрид имеет
свойство сорбировать преимущественно водород, поэтому
выделяемый из них газ чище, чем применяемый для за-
рядки.
Для водородных аккумуляторов обратимого действия
требуются гидриды с особыми сорбционно-десорбционными
характеристиками, для которых реакция
Pj/j X
МеНж == Me+.4- Н2
Р2/2 2
обратима и протекает достаточно быстро при технологиче-
ски допустимых давлениях Р и температурах t.
Наибольшее весовое содержание водорода имеют гид-
риды щелочных металлов (у LiH до 12,6 %), однако ско-
рость их разложения незначительна. Гидриды А1, В и дру-
гие легко разлагаются при невысоких температурах, одна-
ко не могут быть получены прямым взаимодействием ме-
талла с водородом. Переходные металлы (Сг, Мо, Мп и др.)
образуют обычно температуроустойчивые гидриды, поэтому
также неудобны для аккумулирования.
В практическом отношении наибольший интерес пред-
ставляют гидриды LaNisHx и FeTiH2, работающие при от-
носительно низких температурах. Массовое содержание во-
дорода в них составляет соответственно 1,5 и 1,8 %. Они
обладают хорошей кинетикой сорбции-десорбции, выдержи-
вают многократные циклы насыщения и выделения во-
дорода.
Скорость выделения водорода из гидрида увеличивается с
повышением температуры. При 323 К и давлении 0,1 МПа
21
гидридный порошок утрачивает около 90 % водорода в те-
чение 3 мин. При выделении водорода температура гидрид-
ного порошка может существенно уменьшаться вследствие
эндотермической реакции разложения гидрида. В резуль-
тате снижается скорость десорбции. Насыщение порошка
водородом, наоборот, приводит к увеличению температуры
и уменьшению скорости процесса. Указанные особенности
определяют требования к конструкции устройств для акку-
мулирования водорода. Очевидно, форма гидридного бака
должна обеспечить свободное поступление водорода к по-
верхности порошка. Бак должен иметь систему термостати-
рования, охлаждающую порошок при насыщении водоро-
дом и нагревающую его при выделении водорода.
Кроме того, надо учитывать, что интерметаллид являет-
ся мелкодисперсным порошком с размерами частиц в не-
сколько микрометров. Поэтому при выделении водорода
под давлением из гидридного бака может происходить вы-
нос частиц интерметаллида. С целью предотвращения этого
явления применяют фильтры, пористые трубы и т. д.
Системы аккумулирования водорода на основе гидридов
интерметаллидов эффективно используются на борту тран-
спортных средств, где большое значение имеют массовые и
габаритные характеристики систем хранения.
Стоимость интерметаллических сплавов сегодня еще вы-
сока. По зарубежным данным, цена FeTi, Mg2Ni составляет
около 20—25 дол. в США за 1 кг, LaNis—порядка 40—
50 дол.
ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
ВОДОРОДА
Открытие водорода приписывают немецкому исследова-
телю Т. Парацельсу (1493—1541 гг.), хотя, наверняка, вы-
деление его при растворении железа в купоросном спирте
(H2SO4) наблюдали издавна. В дальнейшем изучением
свойств водорода занимались известнейшие естествоиспыта-
тели мира Г. Кавендиш, М. Ломоносов, А. Лавуазье,
Ж- Менье, В. Петров, У. Праут, У. Крукс, Н. Бор и многие
Другие.
Пожалуй, впервые водород был широко использован в
составе светильного газа. Во Франции в 1799 г. запатенто-
вано изобретение газового двигателя, работающего на сме-
си светильного газа и воздуха с воспламенением от элек-
троискры. В 1841 г. получил патент Б. Джонстон. В создан-
ном им двигателе поршень получал толчок от взрыва
гремучей смеси. В поршневом двигателе придворного часов-
щика из Мюнхена X. Тейтмана (1852 г.) водородно-воздуш-
22
ная смесь сжималась насосом до 2—8 кгс/см2 и воспламе-
нялась электрической искрой. Этот двигатель приводил в
действие сверлильный и фрезерный станочки в часовой мас-
терской. Он работал до 1858 г. и затем был переведен на
светильный газ. Двигатели внутреннего сгорания компании
«Цеппелин» (Германия), работающие на водороде, исполь-
зовались для дирижаблей. Испытания проводились в 1928 г.
при перелете через Средиземное море.
Большой объем исследовательских и конструкторских
работ был выполнен в период 1930—1938 гг. Р. Эрреном,
который сконструировал и построил несколько двигателей,
работающих на водороде и его смесях с жидкими и газо-
образными углеводородами. В 1938 г. в Германии работал
ряд «эрренизированных» автомашин на трассах между Бер-
лином и Руром. Цель Р. Эррена — приспособить существо-
вавшие тогда двигатели для безопасного и экономичного
горения водорода и его топливных смесей с углеводорода-
ми — была в основном достигнута. Однако основная проб-
лема — детонация в камере сгорания — оставалась нере-
шенной.
В 30-е годы В. И. Сороко-Новицким и А. К. Курепиным
было исследовано влияние добавок водорода к бензину на
работу двигателя внутреннего сгорания с воспламенением
от искры. Эти опыты, выполненные на развернутом двига-
теле ЗИС-5, показали возможность работы на бедных сме-
сях с повышением эффективных показателей.
В те же годы О. С. Амелькиным и В. П. Стефановским
было проведено исследование дизеля при работе с добав-
ками водорода.
До второй мировой войны в Германии использовались
автодрезины на водороде. Заправка производилась от элек-
тролизеров высокого давления, работающих от электросети
и расположенных в специально отведенных местах вдоль
железнодорожной колеи.
В начале Великой Отечественной войны Е. К. Кореи
(СССР) изучал возможность перевода двигателя с вос-
пламенением от искры на водород, выпускаемый из аэроста-
тов заграждения после загрязнения воздухом. На практике
такой подход был осуществлен в 1941 г. в осажденном Ле-
нинграде воентехником службы ПВО Б. И. Щелищем, ко-
торый в качестве топлива применял водород с небольшой
примесью воздуха.
После второй мировой войны были опубликованы рабо-
ты Б. Кинга (Канада) и его сотрудников по вопросам ис-
пользования водорода в качестве горючего для дизелей.
23
Однако в них не была решена задача, связанная с устра-
нением детонации в двигателе.
В 60-х годах в СССР и ряде других стран, прежде всего
в США, возобновились активные работы по созданию во-
дородного двигателя. В 1968 г. в Институте теоретической
и прикладной механики Сибирского отделения АН СССР
были проведены сравнительные испытания автомобильного
двигателя ГАЗ-652 при работе на бензине и водороде. Дви-
гатель не подвергался каким-либо переделкам. Установле-
но, что при использовании водорода КПД повышается,
а нагрев заметно снижается.
На год позже были опубликованы результаты исследо-
ваний ученых Оклахомского университета (США), где сооб-
щалось о разрешении проблемы предотвращения детона-
ции при работе двигателя на водороде. Конструктивно она
была решена инжекцией газообразного водорода в цилиндр
двигателя через специальное отверстие в свече зажига-
ния. Этот процесс происходит в конце компрессионного
цикла. Такая конструкция дает возможность осуществить
двойную топливную систему с работой двигателя на водоро-
де в городе и на бензине вне городской черты.
В 1972 г. в США на испытательном полигоне фирмы
«Дженерал Моторе» проводились соревнования городских
транспортных средств, в которых участвовало 63 автомо-
биля с различными системами двигателей, в том числе на
аккумуляторных батареях, аммиаке-пропане и два автомо-
биля на водороде. Последние заняли первое и второе места.
Лучшие результаты показал конвертированный на водород
автомобиль фирмы «Фольксваген» (ФРГ), в котором отра-
ботанные газы были чище засасываемого в двигатель город-
ского воздуха.
До начала 70-х годов при отработке рабочих процессов
в двигателях и при создании экспериментальных образцов
автомобилей применялся преимущественно балонный спо-
соб хранения водорода, как наиболее простой и техноло-
гичный. Созданные баллоны высокого давления (от 10 до
40 МПа) позволяют аккумулировать водород, масса кото-
рого составляет от 0,7 до 1,3 % массы емкости. Значитель-
ный объем, занимаемый баллонами, и большая масса дела-
ют маловероятным применение этого способа хранения на
автомобильном транспорте. Так, для аккумулирования 10 кг
водорода (это запас топлива, необходимый автомобилю
среднего класса для пробега 450 км) потребовалось бы
около 20 баллонов общей массой 1200 кг.
Используя высокопрочные материалы и повышая рабо-
чее давление до 75—80 МПа, можно значительно улучшить
24
показатели массы и габаритности. Однако не поддается ре-
шению проблема обеспечения безопасной эксплуатации
транспортных средств, так как нельзя исключать вероят-
ность разрушения баллонов при аварийных ситуациях, ког-
да возникает ударная волна, которая сопровождается вос-
пламенением газа. Определенные преимущества перед бал-
лонным способом хранения имеет аккумулирование жидко-
го водорода на борту автомобиля. Если для размещения
45,3 кг водорода, необходимого автомобилю ЗИЛ-130 для
пробега 410 км, требуется криогенный бак массой 380 кг,
то масса баллонов для хранения газообразного водорода
под давлением 10 МПа составит 5300 кг. Автомобиль мар-
ки «Датсун-В210» (Япония) с криогенным баком участво-
вал в ралли 1975 г. на дистанции 2800 км. Масса бака,
в котором хранилось 16,3 кг водорода, составляла 120 кг,
что соответствует 7,35 кг массы бака на 1 кг водорода.
Есть мнение, что можно создать более легкий автокриоген-
ный бак при соотношении его массы и водорода 4,5: 1. Ко-
нечно, надо учитывать повышенные динамические нагруз-
ки, вызываемые неровностями дорог и аварийными ситуа-
циями, причем конструкционные материалы должны быть
доступными для широкого использования.
Водород может храниться на борту транспортного сред-
ства и в химически связанном состоянии в виде соедине-
ний, легко отдающих его при изменении внешних условий.
К ним относятся гидриды металлов.
Применяемые в автомобильном транспорте гидриды
должны удовлетворять ряду требований: иметь высокое от-
ношение полезной массы водорода к полной массе устрой-
ства, содержащего гидрид; быть удобными для зарядки гид-
ридного бака и отбора водорода из гидрида и доступными
для массового применения.
В качестве реальных гидридов исследователи рассмат-
ривали лантанникелевый сплав LaNisHe. Полная масса
контейнеров, обусловленная общим пробегом автомобиля
ЗИЛ-130, будет равна 3620 кг (45,3 кг водорода), то есть
72 % грузоподъемности. К тому же лантанникель доволь-
но дорог. Все это практически исключает его широкое ис-
пользование на автомобильном транспорте.
Более перспективным оказался гидрид FeTiHj, он менее
дефицитен. Массовое содержание в нем водорода выше, чем
у LaNisHe, и составляет около 2 %. Десорбция водорода
осуществляется при сравнительно невысоких температурах.
Промышленное производство гидрида налажено, в частнос-
ти методами порошковой металлургии.
2S
В настоящее время разработаны более легкие высоко-
температурные гидриды, например Mg2NiH4, в котором
массовое содержание водорода составляет около 4 %, од-
нако их использование ограничено из-за высокой темпера-
туры десорбции.
Кратко остановимся на принципе работы металлогид-
ридных схем аккумулирования водорода, используемых для
автомобиля. Гидридный аккумулятор представляет собой
теплообменник трубчатого типа. Внутри него находятся
гидридные патроны, заполненные интерметаллидом, напри-
мер FeTi, и объединенные общим коллектором. При подо-
греве гидридного аккумулятора отработавшими газами,
проходящими через межтрубочное пространство, из гидрид-
ных патронов выделяется водород. Степень подогрева акку-
мулятора и давление водорода в нем поддерживаются си-
стемой электромагнитных клапанов, позволяющих регули-
ровать расход отработавших газов через гидридный акку-
мулятор. С целью исключения выноса мелкодисперсного
порошка гидрида в трубопроводы и далее в систему питания
и двигатель в головной части патрона устанавливается сет-
чатый фильтр.
Выше были рассмотрены основные способы аккумулиро-
вания водорода для автомобиля. Однако при определенных
условиях очень перспективными могут стать жидкие водо-
родосодержащие соединения, такие, как метанол, аммиак,
метилциклогексан и другие.
Швейцарские и английские специалисты разработали
реактор на 50 л, который был установлен на грузовике
«Саурер». Шестицилиндровый дизель был переведен на во-
дородное топливо, которое вырабатывалось в реакторе. Во-
дород получался в результате ускоренного (катализирован-
ного) крекинга метилциклогексана, представляющего со-
бой жидкость, похожую на нефть и проходящую над ката-
лизатором при температуре 673 К. В состав катализатора
входят благородные металлы — платина и рений. В реак-
торе 17 кг метилциклогексана превращаются в 16 кг толуо-
ла, из которого и получают водород. Цикл превращения
метилциклогексан — толуол — водород является техниче-
ски отработанным процессом.
Для обеспечения работы парка автомобилей с такой си-
стемой питания необходимо создать сеть «газовых станций»,
на которых бы осуществлялось обратное превращение то-
луола в метилциклогексан. Этот процесс может быть осуще-
ствлен в присутствии катализатора гидрогенизацией толуо-
ла. Водород, который необходим для этой цели, можно по-
26
лучить электролизом, используя электроэнергию в часы,
свободные от пиковых нагрузок.
Итак, многочисленные исследования показали, что авто-
мобильные двигатели могут работать на водороде, который
имеет ряд преимуществ перед другими топливами. У него
высокая удельная теплота сгорания, хорошая воспламеняе-
мость водородовоздушной смеси в широком диапазоне тем-
ператур, высокие скорость и полнота сгорания, что дает
Таблица 4
Сравнительные характеристики моторных свойств водорода и бензина
Характеристика Единица измерения Водород Бензин
Температура воспламенения К 903 803
Энергия воспламенения МДж 0,02 0,25
Скорость распространения пла- мени см/с До 270 До 30
Пределы воспламенения по объемному содержанию % 4,7—74,2 0,59—6
Расстояние гашения см 0,06 >0,25
Коэффициент диффузии см2 с-1 0,63 0,08
Низшая теплота сгорания кДж • кг-1 120 • 103 44,0 • 103
Стехиометрическое количество воздуха на 1 кг топлива кг•кг-1 34,2 14,95
Теплотворность горючей смеси при а*=1 кДж • м-3 3180 3710
•а — коэффициент избытка воздуха.
возможность увеличить КПД цикла. Это позволяет выпол-
нять качественное регулирование рабочего процесса двига-
теля внутреннего сгорания (ДВС), обеспечить стабиль-
ность его протекания на всех режимах. Очень важно, что
можно осуществить легкий запуск двигателя при любых
возможных температурах окружающей среды.
В табл, 4 приведено сравнение моторных свойств водо-
рода и бензина. Для реализации преимущества работы на
водороде автомобильных двигателей необходимо внести ряд
изменений в их конструкцию. Нельзя забывать и об относи-
тельно высокой (по сравнению с бензином) стоимости во-
дорода на сегодняшний день. Поэтому в последние годы
получило развитие другое направление—использование
водорода в смеси с углеводородными топливами и, в первую
очередь, с бензином. Это открывает возможность прин-
ципиально нового подхода к организации рабочего процес-
са. При минимальной модификации современного бензи-
27
нового двигателя, касающейся в основном системы питания,
можно достичь значительного повышения тепловой эконо-
мичности, резко снизить уровень токсичности отработавших
газов и существенно уменьшить расход бензина.
Как показали исследования, проведенные в Институте
проблем машиностроения АН УССР, при питании бензином
с постоянной 5 %-ной
добавкой водорода по
массе от суммарного рас-
хода топлива двигателей
ГАЗ-24 и ВАЗ-2101 их
максимальная мощность
соответствует уровню
мощности базового дви-
гателя. При этом на 30 %
снижается расход бен-
зина, существенно умень-
Рис. 2. Влияние добавки водорода
на октановое число (0,4) товарных
бензинов.
шается эмиссия оксидов углерода и углеводородов и повы-
шается топливная экономичность.
Из полученных результатов следует, что 5 %-ная добав-
ка водорода увеличивает детонационную стойкость товар-
ных бензинов на 8—10 пунктов по шкале октановых чисел,
а 10 %-ная — на 13—15 пунктов (рис. 2). Иными словами,
добавляя водород, можно отказаться от использования вы-
сококачественных бензинов АИ-93, АИ-98, имеющих присад-
ки свинца, и потреблять более дешевые сорта топлив.
Автомобильный транспорт, наряду с черной и цветной
металлургией, химической промышленностью и энергети-
кой, является одним из основных источников загрязнения
окружающей среды. Ныне на планете насчитывается около
350 млн автомобилей, суммарная номинальная мощность
которых более 30 млрд кВт, что превышает установочную
мощность всех электростанций мира. Ежегодно они выбра-
сывают в атмосферу 300 млн т окиси углерода, 60 млн т
углеводородов, 30 млн т окислов азота.
Каждый автомобиль при годовом пробеге 15 тыс. км по-
требляет 4350 кг кислорода и выделяет 3250 кг двуокиси
углерода, 530 кг окиси углерода, 93 кг различных углеводо-
родов и 27 кг окислов азота. В городских условиях 80 %
выбросов углеводородов и до 65 % окислов азота прихо-
дится на автомобильные двигатели.
Проведенные исследования показывают, что существует
непосредственная связь между степенью загрязнения воз-
духа вредными выбросами автомобилей и заболеваемостью
людей, живущих в городах и в районах дорог с интенсивным
движением.
28
Окись углерода вызывает торможение функций активных
центров образования гемоглобина, вследствие чего наруша-
ются окислительные процессы в организме. Отравление
окисью углерода сопровождается на первой стадии голов-
ными болями, сердцебиением, болями в животе и рвотой.
На второй стадии появляется сонливость, приводящая к по-
тере сознания.
В соединении с водяными парами окислы азота образу-
ют азотную кислоту, разрушающую легочную ткань, что
приводит к хроническим заболеваниям. Незначительная
концентрация двуокиси азота NO2 раздражает глаза, сли-
зистую оболочку, вызывает необратимые изменения в сер-
дечно-сосудистой системе.
Выбрасываемые с отработавшими газами углеводороды
представляют собой смесь большого числа химических сое-
динений. Наиболее опасным из них является бенз-а-пирен,
обладающий канцерогенными свойствами. Некоторые аро-
матические углеводороды отрицательно воздействуют на
центральную нервную систему, процессы кроветворения.
Большую опасность для здоровья людей представляет
использование этилированного бензина, при сгорании кото-
рого в двигателях с выхлопными газами в окружающую
среду попадает свинец. Установлено, что увеличение со-
держания свинца в крови до уровня 0,25 мкг на дециметр
может привести к почечным расстройствам, повышению кро-
вяного давления, способствовать развитию умственной от-
сталости у детей в возрасте от девяти месяцев до шести лет.
Содержание свинца в растениях, находящихся в непо-
средственной близости от дорог, в значительной мере обу-
словлено их расстоянием от источника выброса. Исследо-
ния показывают, что на расстоянии 50 м от дороги содер-
жание свинца в воздухе в лесу было в 25 раз, а на открытой
местности в 5 раз меньше, чем непосредственно возле нее.
Придорожные посадки значительно ограничивают радиус
действия токсичных веществ. Плоды фруктовых деревьев и
овощных культур, посаженных вдоль дорог, содержат зна-
чительные количества свинца. Так, цветная капуста на рас-
стоянии 15 м от автомобильной дороги содержит свинца
около 35 мкг/г, а томаты — около 0,62 мкг/г. Сказанное
выше относится и к кормам, произрастающим вблизи дорог.
Поэтому в ряде стран приняты решения о снижении
содержания свинца в бензине. Так, в США по требованию
Агентства по охране окружающей среды с января 1986 г-
содержание свинца уменьшается до 0,1 г на галлон (1 гал-
лон = 3,785 л), а с января 1988 г.— до 0,05 г на галлон.
Имеющиеся данные о загрязнении атмосферного возду-
29
Рис. 3. Зависимость удельных
выбросов NO;t от нагрузки:
1 — бензин; 2 — бензин 4- водо-
род.
ха позволяют сделать вывод: экологическая ситуация,
прежде всего в крупных промышленных центрах, неблаго-
приятная и оказывает негативное воздействие на здоровье
населения. Выдающийся русский физиолог И. М. Сеченов
отмечал, что организм без внешней среды, поддерживаю-
щей его существование, невозможен. В отношениях челове-
ка с природой наметились тревожные симптомы, прежде
всего — это нарушение экологического равновесия в приро-
де. Слишком долго человечест-
во в процессе своего развития
главным критерием совершен-
ствования производства счита-
ло экономическую выгоду.
Проблема «отходов» фактичес-
ки выпадала из сферы его ин-
тересов. Иногда даже прогрес-
сивные технологические про-
цессы, повышающие произво-
дительность труда и качество
продукта, осуществляются с
ущербом для окружающей сре-
ды. Так, в черной металлургии
широкое применение кислород-
ного дутья в сталелитейном
производстве привело, наряду
с ростом выпуска стали, к рез-
кому увеличению объема отхо-
дящих газов. В современной
мартеновской печи емкостью
500—600 т объем дымовых газов составляет 80—100 тыс. м3
в час. Запыленность газов при переходе на новый режим
возросла от 0,5—1 до 20—50 т на кубический метр. Более
того, уменьшение дисперсности пыли усложняет и удоро-
жает очистку отходящих газов.
Кроме отрицательного влияния на здоровье людей, вред-
ные выбросы сокращают срок службы металлоконструкций
и строений. Аэрозоли во влажной атмосфере способ-
ствуют образованию «смогов», ядовитых туманов, умень-
шению прозрачности атмосферы, что оказывает воздействие
на климат. Таким образом, повышение концентрации вред-
ных выбросов наносит большой экономический урон.
Снижения уровня вредных выбросов автомобильным
транспортом можно добиться, используя в качестве топлива
водород. В продуктах сгорания водородного двигателя
единственным токсичным компонентом могут быть окпслы
азота, что обусловлено высокими температурами цикла.
30
Добавки водорода к бензину позволяют за счет некото-
рого понижения температур снизить уровень окислов азота
по сравнению с чисто водородным двигателем. Зависимость
выбросов от нагрузки показана на рис. 3, из которого сле-
дует, что в области малых и средних нагрузок вплоть до
50 % /^тахОкислы азота практически отсутствуют. Этот
факт очень важен, так как именно эта область нагрузок
является преобладающей при эксплуатации автомобиля в
городских условиях. Добавки водорода к обычным топли-
вам приводят- и к значительному снижению выбросов СО
и СН, позволяют сократить расход бензина (табл. 5).
Таблица 5
Повышение эффективного КПД топлива в зависимости
от добавки водорода*
Виды топлив Уровень вредных выбросов, Г/'КМ Повыше- ние эффект тивного кпд, %
СО | с«нт №х
Бензин (ГАЗ-24) Природный газ («Тойота*, Япо- 8,0 2,3 2,0 —
ния) Смесь бензина с водородом 1,7 0,49 1,01 2-3
{ГАЗ-24) Смесь бензина с водородом 0,5 0,4 0,1 20
(РАФ-2203) 0,8 0,6 0,2 25
Водород («Форд Босс», США) —- тт 0,205 20—25
• Данные до отечественным автомобилям ГАЗ-24 и РАФ-2203 получены в Ин-
ституте проблем машиностроения АН УССР.
По мнению специалистов, широкое применение водорода
на автомобильном транспорте следует ожидать не ранее
2000 г. Однако использование его добавок к углеводород-
ным топливам представляется важным методологическим
и практическим шагом на пути внедрения водорода в тран-
спортную энергетику, особенно в зонах, где стоимость неф-
тяных топлив высока, например из-за транспортных расхо-
дов, или остро стоит проблема снижения загрязнения ло-
кальной зоны токсичными и канцерогенными веществами.
Это могут быть рудники, карьеры, животноводческие по-
мещения, теплицы, трюмы кораблей, склады и др.
В работе «Ракета и космическое пространство» (1903)
К. Э. Циолковский рассмотрел возможные виды топлив для
ракетных двигателей и отметил комбинацию из жидкого
водорода и кислорода как самую эффективную (табл. 6).
31
Независимо от вида используемой энергии причиной дви-
жения ракеты является выброс массы, что и создает тягу.
Тяга (на расчетном режиме) —это произведение секундно-
го расхода массы на скорость истекания топлива. Чем боль-
ше удельная тяга, то есть развиваемая в одну секунду при
сгорании одного килограмма топлива, тем меньше тратится
горючего для создания силы тяги и, следовательно, меньше
должен быть его запас в ракете, а значит, и начальная мас-
са ракеты-носителя. Как видно из табл. 6, наибольшую тягу
развивают двигатели, работающие на водороде.
Таблица 6 Эффективность топлив для ракетных двигателей
Окислитель Топливо Удельная тяга, (Н*с)* кг”1
о» Керосин 2915
О, Гидразин 3110
О, Водород 4075
NaO, Гидразин 2815
F» Гидразин 3545
F, Водород 4230
Высокая теплопроводность водорода дает возможность
хорошо охлаждать стенки камеры сгорания и сопла, а его
малая плотность и высокая температура сгорания позво-
ляют довести скорость реактивной струи до 2500 м/с. Во-
дородные двигатели устанавливаются на самых мощных
ракетах-носителях, например на второй и третьей ступенях
ракеты «Сатурн-5», с помощью которой были осуществле-
ны полеты к Луне. Двигатели первой ступени этой ракеты
работали на керосине и жидком кислороде, а второй и тре-
тьей — на жидком кислороде и водороде. Водород сгорает
также в основных двигателях челночных кораблей «Спейс
шаттл». Успешно используется он при выводе на околозем-
ную орбиту советских космических кораблей.
32
Водород — самый легкий газ. Это свойство было подме-
чено давно. Еще в 1783 г. француз Ж. Шарль, получив не-
обходимое количество водорода, наполнил им шар диамет-
ром пять метров. От парижского Марсова Поля шар уле-
тел на 25 км. Возможно, это была первая попытка покорить
воздушный океан с помощью водорода.
Через 150 лет (в 1937 г.) мир облетела весть — в воздухе
загорелся наполненный водородом цеппелин «Гинденбург».
После этого в кинотеатрах многих стран демонстрирова-
лись кадры, запечатлевшие эту трагедию. Аналогичные
примеры можно отыскать в архивах истории воздухоплава-
ния.
Если разобраться, вся беда заключалась в том, что во-
дород находился в замкнутом объеме. При попадании туда
кислорода из воздуха могла образоваться гремучая смесь,
легко воспламеняющаяся и дающая бесцветное высокотем-
пературное пламя, которое способно распространяться че-
рез мельчайшие щели.
Случай с «Гинденбургом> вызвал в буквальном смысле
шок. Появилось мнение о чрезвычайной опасности водорода,
невозможности использовать его в конструкциях, связан-
ных с воздухоплаванием, что получило название синдром
Гинденбурга.
Между тем водород не более опасен, чем бензин или ке-
росин. В силу своей рекордно малой удельной массы он
улетучивается несравненно быстрее любых других топлив и,
конечно, быстрее тяжеловесных фракций бензина. Для иск-
лючения опасности при работе с водородом необходим спе-
циальный подход, впрочем, как и к любому виду топлива.
Специалисты ВВС США специально обстреливали ре-
зервуары с жидким водородом и керосином. Обычные пули
просто пробивали в них отверстия. Только после примене-
ния зажигательных пуль водород так же, как и керосин,
воспламенялся. Однако горел он менее интенсивно и гас
намного быстрее, так как значительная его часть быстро
улетучивалась.
Уникальные свойства водорода, уже получившего при-
знание в космонавтике, привлекли внимание авиаконструк-
торов. Еще в начале 60-х годов в работах советских ученых
рассматривалась возможность эффективного использования
водорода как авиационного топлива. В настоящее время
жидкий водород детально изучается в работах многих ис-
следователей в качестве наиболее перспективной альтерна-
тивы для замены в авиации топлив нефтяного происхожде-
ния. При этом оцениваются как его бесспорные достоинства,
33
так и существенные недостатки, затрудняющие немедленное
использование этого газа.
Высокая теплотворная способность водорода позволит
значительно уменьшить необходимый запас топлива, а зна-
чит, и взлетную массу и, таким образом, увеличить массу
полезного груза. Этот вопрос заслуживает особого внима-
ния, потому что в современных самолетах масса применяе-
мого углеводородного топлива в три-четыре раза, а в ряде
случаев и больше превышает перевозимый груз. Совре-
менный «Боинг-707» имеет на борту 80 т горючего и только
15 т полезного груза. Заменив керосин 30 тоннами жидкого
водорода, можно увеличить долю полезного груза до 60 т!
При снижении взлетной массы появляется возможность
упростить и облегчить шасси, уменьшить размеры двигате-
ля и его массу, а также удельную нагрузку на крыло и его
размеры. Дополнительно снизятся требования к покрытию
и длине взлетно-посадочной полосы и, следовательно, за-
траты на строительство аэродромов.
Известно, что с ростом скорости происходит снижение
удельного импульса двигателей. Поэтому для сверхзвуко-
вых самолетов использование жидкого водорода особенно
важно, так как при его сгорании увеличивается удельный
импульс двигателей (в 2,5—2,7 раза по сравнению с керо-
сином), а это может сделать более экономичным полет с
большими числами М *, чем при обычных топливах. Оп-
тимизация параметров самолетов показывает, что наиболь-
шая дальность полета на водороде достигается, когда М
равняется 6, тогда как при сжигании обычных топлив опти-
мально Л4=3. При равной взлетной массе дальность полета
самолета на жидком водороде в 1,5 раза больше.
Благодаря низкой излучательной способности пламени
водорода улучшится тепловое состояние стенок камеры сго-
рания, а эффективное охлаждение позволит организовать
рабочий процесс в двигателе при намного больших темпе-
ратурах газа, чем перед турбиной, и повышенном давлении
в компрессоре. Это даст возможность дополнительно сни-
зить удельный расход топлива на 15—20 % и повысить
удельную тягу. Ресурс 'работы увеличится на 25 % при од-
новременном уменьшении трудоемкости и стоимости техниче-
ского обслуживания установки. Незначительная энергия и
широкие пределы воспламенения водорода в смеси с возду-
хом обеспечивают хороший запуск двигателя на разных вы-
сотах и при различных температурах окружающей среды.
* Число Маха (Л!) — безразмерная характеристика течения сжи-
маемого газа, равная отношению скорости течения к скорости звука в
той же точке потока.
34
В результате меньшей удельной нагрузки на крыло сни-
зится интенсивность воздействия звуковой волны на поверх-
ность земли. Этой же цели, благодаря высоким характе-
ристикам горения водорода, будет способствовать увеличе-
ние высоты полета на 3—7 км. Работа двигателей на водо-
роде обеспечит отсутствие выбросов в атмосферу окислов
углерода, углеводородов и значительное уменьшение выбро-
сов окислов азота.
Несмотря на высокую массовую калорийность водоро-
да, объем баков при новом топливе может заметно возрас-
ти (почти в четыре раза). Предполагают разместить топ-
ливные баки по бокам, то есть сделать самолет как бы с
тремя фюзеляжами5. Еще один вариант — самолет-бак,
очертаниями напоминающий американский «Шаттл» или
советскую ракету-носитель «Энергия» 6.
Использование водорода улучшает массогабаритные,
летные и технико-экономические характеристики до- и
сверхзвуковых самолетов. Полученные выигрыши в запасе
топлива и тяги достигнуты, несмотря на некоторые ухуд-
шения (18 %) аэродинамических характеристик.
Несмотря на очевидные достоинства водорода как топ-
лива, он не лишен и ряда недостатков. Уже отмечалось,
что его получение и ожижение требуют больших расходов
энергии. Весьма дорогостоящим делом является переобо-
рудование аэропортов, создание системы хранения, распре-
деления и заправки, обеспечивающей минимальные потери.
Низкие плотность и температура обусловливают наличие
громоздких емкостей со специальной изоляцией на борту
самолета, что приводит к уменьшению аэродинамического
качества на 10—12 %. Из-за возможных утечек водорода
требуется повышенная герметичность коммуникаций, нали-
чие системы контроля и обеспечения пожарной безопас-
ности.
Особое внимание следует уделить созданию материалов,
способствующих длительное время работать в контакте с
криогенным водородом.
Научно-технические достижения в области криогенной
техники дают основание надеяться на успешное преодоле-
ние трудностей, стоящих на пути использования жидкого
водорода в авиации. По мнению специалистов, частичный
переход самолетов гражданской авиации на водород может
состояться в 2000—2010 гг.
Однако практическая подготовка к этому событию уже
ведется. Так, фирма «Локхид» (США), совместно с рядом
фирм Англии, ФРГ, Саудовской Аравии, работает над со-
зданием самолета на жидководородном топливе. Суммар-
35
ная стоимость этой программы ориентировочно равна
1300 млн дол. Самолет будет развивать скорость в 2,7 раза
больше скорости звука, дальность полета при максималь-
ной нагрузке — 6700 км. Предполагают, что самолет будет
летать по маршруту Питтсбург — Бирмингем — Эр-
Рияд.
В 1985 г. в Париже фирма «Бритиш эйроспейс» предста-
вила модель воздушно-космического самолета «Хотол» в
натуральную величину. В пассажирском варианте, имея 60
человек на борту и работая на водородном топливе, он мог
бы долететь из Лондона до Сиднея за один час.
15 апреля 1988 г. впервые в мире был осуществлен ис-
пытательный полет самолета ТУ-155, топливом для которо-
го служит водород. Самолет, на котором установлены дви-
гатели НК-88 конструкторского бюро, руководимого акаде-
миком Н. Д. Кузнецовым, создан коллективом ОКБ
им. А. Н. Туполева. Этим самолетом открыта новая страни-
ца в истории отечественного и мирового самолетостроения,
сделан большой вклад в дело практического использования
водорода.
Самолет находился в воздухе 21 минуту. Как сообщил
экипаж, ощущения от действий рулями и органами управ-
ления ничем не отличались от обычных. В хвостовой части
пассажирского салона был оборудован специальный отсек
для установки жидководородного бака. Для обеспечения
работы криогенной силовой установки и пожаро- и взрыво-
безопасности было сконструировано и изготовлено более
30 бортовых систем 7-
По данным ориентировочного расчета реактивных дви-
гателей, работающих на углеводородном топливе и водо-
роде, дозвуковой самолет с водородными двигателями при
сохранении одинаковых условий полета будет весить на 26,
а сверхзвуковой — на 50 % меньше, стоимость серийно-
го водородного самолета — на 30, а разработки — на 26 %
ниже, потолок полета выше, надежность больше, двигате-
ли долговечнее и т. п.
Принципиально возможно с помощью водорода и ис-
кусственных топлив на его основе решить ряд проблем
стационарной энергетики.
Как известно, создание АЭС, работающих с переменной
тепловой мощностью реактора, связано с большими труд-
ностями. Как правило, они работают в базисном режиме
и не приспособлены для снятия пиковых нагрузок в энер-
госистеме. Для этих целей в настоящее время вводятся пи-
ковые и полубазисные электростанции на органическом
топливе.
86
Бурное развитие ядерной энергетики делает задачу по-
крытия неоднородного графика нагрузки чрезвычайно ак-
туальной. Одним из путей решения этой проблемы являет-
ся использование водорода, производимого путем электро-
лиза за счет «провальной» энергии.
На рис. 4. приведена принципиальная схема водородной
электростанции, которая включается в работу в периоды
нарастания нагрузки в энергосистеме.
Рис. 4. Вариант принципиальной
схемы водородной пиковой электро-
станции: 1 — электролизер; • 2 — ком-
прессор; 3 — хранилище водорода и
кислорода; 4 — камера сгорания; 5 —
паровая турбина; 6 — конденсатор;
7 — насос; 8 — впрыск воды.
Рис. 5. Принципиальная схема
маневренного атомно-водород-
го энергоблока: I — ядерный
реактор; 2 — камера сгорания;
3 — хранилище водорода и кис-
лорода; 4 — электролизер; 5 —
насосы; 6 — турбина; 7 — кон-
денсатор.
Помимо варианта покрытия пика электрической нагруз-
ки автономной пиковой водородной энергоустановкой, мо-
жет быть реализована схема (рис. 5), где эта цель дости-
гается путем кратковременного повышения температуры
пара. Перегрев пара осуществляется путем смешивания вы-
сокотемпературных продуктов сгорания водорода в кисло-
роде с насыщенным паром от АЭС.
Реализация такого подхода на базе современной АЭС
позволяет повысить температуру пара перед турбиной до
773 К при давлении 6,0 МПа. За счет этого тепловая эконо-
мичность цикла увеличивается на 15 % по сравнению с цик-
лом АЭС на насыщенном паре. Коэффициент полезного
действия использования водорода равен 60 %.
В перспективе возможно использование схем производи
ства пиковой электроэнергии с применением электрохими-
ческих генераторов (ЭХГ) — водородокислородных и водо-
родовоздушных. Созданные в настоящее время установки
обладают высоким КПД (до 80 %), но имеют высокую
стоимость. Если в будущем капитальные вложения в пико-
37
вне ЭХГ будут существенно снижены, то использование их
окажется экономически целесообразным.
При существующих объемах производства водорода
энергетические затраты только на его сжатие для транспор-
тировки, хранения и технологического использования со-
ставляют десятки млрд*кВт-ч в год. Неуклонный рост по-
требления водорода в химии, металлургии, энергетике, на
транспорте, а также тенденция к расширению сфер приме-
нения этого продукта в народном хозяйстве страны настоя-
тельно требуют разработки энергосберегающей технологии
сжатия водорода и создания высокоэффективных устройств
для ее осуществления.
Успехи в области синтеза новых гидридообразующих
материалов и, в первую очередь, интерметаллических соеди-
нений, гидриды которых обладают уникальными термосорб-
ционными свойствами, открывают перспективы для созда-
ния принципиально новых установок энергетического и тех-
нологического назначения с термохимическим сжатием
рабочего тела. В этих условиях металлогидрид выполняет
роль основного функционального элемента конструкции,
обеспечивающего прием, хранение, очистку и подачу водо-
рода под повышенным давлением за счет потребления энер-
гии в форме теплоты.
По своей сущности металлогидридные установки вне за-
висимости от назначения являются теплоэнергетическими
агрегатами, в которых в результате теплового взаимодейст-
вия металлогидрида с внешней средой осуществляется пре-
образование теплоты в энергию сжатого водорода. Это
основной признак металлогидридных установок, анализ эф-
фективности работы которых следует рассматривать, преж-
де всего, с позиций технической термодинамики и теплофи-
зики.
Описанные в литературе объекты, использующие ме-
таллогидриды, можно разделить на три группы. В первую
входят металлогидридные системы аккумулирования и по-
дачи водорода, во вторую — металлогидридные термосорб-
ционные устройства для сжатия водорода, в третью — ме-
таллогидридные термосорбционные установки для очистки
водорода от газовых примесей. Подобное деление носит ус-
ловный характер, поскольку не только возможно, но и во
многих случаях целесообразно осуществлять в рамках од-
ного агрегата указанные функции в различных сочетаниях,
исходя из конкретных требований эксплуатации.
В качестве гидридообразующих материалов для хране-
ния и сжатия водорода предлагаются различные сплавы на
основе редкоземельных, щелочноземельных и переходных
38
металлов. Как правило, это интерметаллиды LaNi6, MmNiB,
CaNi6, FeTi, TiMn, MgNi.
Для получения металлогидридов с необходимыми свой-
ствами широко практикуется легирование исходных гидри-
дообразующих материалов. Это позволяет повысить содер-
жание водорода в металлогидриде, изменять параметры
термосорбционных процессов, уменьшать стоимость гидри-
дообразующих материалов.
Согласно терминологии, принятой в отечественных и за-
рубежных работах, металлогидридные установки для тер-
мохимического* сжатия водорода получили название термо-
сорбционных компрессоров.
Отличие металлогидридных термосорбционных компрес-
соров (ТСК) от установок для хранения и подачи водорода
заключается в обеспечении непрерывного процесса перено-
са массы водорода на более высокий уровень давления.
В этом случае ключевым вопросом при разработке конст-
рукции и выборе режимов работы металлогидридных ТСК
является обеспечение высокой термодинамической эффек-
тивности термохимического сжатия водорода.
Основными элементами ТСК являются:
— металлогидридная система, с помощью которой про-
изводится термохимическое компримирование водорода;
— система теплообмена, используемая для нагрева и ох-
лаждения генераторов-сорберов;
— система газораспределения, обеспечивающая связь
генераторов-сорберов с линиями всасывания и нагне-
тания;
— система регенерации теплоты переходных процессов.
Высокая цикличность процессов сорбции-десорбции, по-
вышенный уровень температуры и давления при сжатии оп-
ределяющим образом влияют на выбор гидридообразующе-
го материала, конструкции металлогидридных элементов,
системы газораспределения и фильтрации водорода.
Помимо необходимости интенсификации тепловых и мас-
сообменных процессов, высокая цикличность выдвигает по-
вышенные требования к устойчивости металлогидридов при
работе с водородом, содержащим газовые примеси. Это свя-
зано с тем, что компрессорные установки отличаются от си-
стем хранения более высоким значением расхода водорода,
отнесенного к единице массы металлогидрида.
Условия проведения термохимической реакции обрати-
мого взаимодействия водорода с металлогидридогл опреде-
ляются конструктивным исполнением генераторов-сорбе-
ров, являющихся основными элементами ТСК. Термохими-
ческое сжатие водорода может быть осуществлено в гене-
39
раторах-сорберах с неподвижным слоем металлогидрида;
с перемещающимся слоем металлогидрида; с псевдоожи-
женным слоем металлогидрида и в генераторах-сорберах
диффузионного типа.
Возможны различные комбинации указанных способов
с целью придания конструкции необходимых качеств.
Наиболее простой и, как следствие, наиболее легко реа-
лизуемой является конструкция генератора-сорбера, у ко-
торого металлогидридный слой неподвижен и имеет посто-
янный контакт с теплопередающими матрицами. В этой
конструкции теплообменные поверхности играют роль обо-
лочки, в которую заключен металлогидрид. Ввиду его хоро-
шего контакта с теплопередающими поверхностями обеспе-
чивается минимальное значение термического сопротивле-
ния системы стенка-металлогидрид. При плотной засыпке
металлогидрида упрощается задача предотвращения уноса
мелких частиц с десорбируемым водородом. Кроме того,
это приводит к сокращению объема вредного пространства,
что очень важно для конструкций ТСК, обеспечивающих
сжатие водорода до высоких давлений.
Разновидностью конструкции ТСК с одной теплообмен-
ной поверхностью, созданной в Институте проблем маши-
ностроения АН УССР, является предложенный вариант с
вращающейся теплообменной матрицей. При наличии газо-
образного теплоносителя и хладоагента такое конструктив-
ное решение имеет преимущества, основными из которых
являются компактность ТСК и возможность подачи водоро-
да в магистраль нагнетания со стабилизированными пара-
метрами без оснащения дополнительными устройствами для
сглаживания пульсаций давления.
В предлагаемой конструкции ТСК эта цель достигается
благодаря перемещению генераторов-сорберов относитель-
но источников теплоты и холода. Для этого они смонтиро-
ваны на поворотной платформе и объединены в секции кол-
лекторами. При вращении платформы вокруг оси генерато-
ры-сорберы попадают в камеру нагрева, где происходит
выделение водорода, а затем в камеру охлаждения, где
осуществляется его поглощение.
Основные технические характеристики созданных образ-
цов ТСК целевого назначения приведены в табл. 7, там
же для сравнения представлены данные промышлен-
ного образца механического водородного компрессора.
Если в механическом компрессоре с увеличением отно-
шения давлений на входе и на выходе интенсивно растет
потребление энергии для привода агрегата, то затраты
на сжатие в ТСК практически не регламентируются соот-
40
Ъаилица 7
Технические характеристики металлогидридных ТСК и механического компрессора
Тип компрессора Давление нагнета- ния, МПа Давление всасыва- ния, МПа Произво- дитель- ность, кг/ч По- треб- ляемая мощ- ность, кВт Вид металлогндрида Масса систе- мы, кг Объем систе- мы, м3 Нагрев Охлаждение
ТСВН-0,15 0,15 0.5 • 10“® 1 10-’ 0,6 ZrNiHx 25 0,02 Электричество Вода
ТСК 10-1 10,0 1,0 1,0 8,0 LaNisHj* 98 0,1 Электричество Вода
ТСК 15/5 15,0 5,0 0,6 4,5 LaNi5Hx 3,5 0,03 Газ Воздух
ТСК 6,0/0,4 6,0 0,4 0,2 1,3 FeTiHx 18 0,02 Электричество Вода
ТСК 12—1,5 12,0 1,0 1,5 14,2 LaNi5Hx 70 0,2 Электричество Вода
ТСК 15-2,0 15,0 0,13 2,0 12,1 LaNiisAlosHjp 84 0,25 Вода Вода
ТСК 75/0,5 75,0 0,5 0,97- 10-2 2,0 LaNi5Hx FeTiHx 22 0,03 Электричество Воздух
1ВУВ 150/45 15,0 0,1 5,0 16,0* — 1440 0,8 — Вода
На привод потребляется механическая энергия.
Рис. 6. Зависимость затрат компри-
мирования от соотношения давлений
на выходе и на входе компрессора:
1—механический компрессор; 2—•
FeTiH^ ; 3 —ZaNi5Hx.
ношением давлений (рис. 6), что нужно рассматривать
как дополнительный аргумент в пользу ТСК для замкну-
тых схем. Указанное преимущество выявляется все более
полно по мере увеличения отношения давлений на входе
и на выходе ТСК.
К числу достоинств разработанных металлогидридных
ТСК следует отнести: бесшумность, динамическую уравно-
вешенность, чистоту на-
гнетаемого водорода, про-
стоту эксплуатации.
Технические возмож-
ности термосорбционных
установок открывают
принципиально новий
путь в технологии ком-
примирования газа, иск-
лючающий использование
механической энергии.
Применение обратимых
металлогидридов для
сжатия водорода позволя-
ет не только сократить
удельные затраты первич-
ной энергии на выполне-
ние этого процесса, но и
уменьшить металлоем-
кость компрессорного
оборудования. Таким об-
разом, использование ме-
таллогидридной термохи-
мической технологии сжа-
тия водорода позволяет
улучшить технико-эконо-
мические показатели наи-
более энергоемких видов
компрессорного оборудо-
вания.
Спектр задач, решаемых с помощью металлогидридной
техники, чрезвычайно обширен. Остановимся лишь на не-
которых из них.
Особенность ТСК, заключающаяся в возможности ком-
примировать водород за счет энергии низкого температур-
ного потенциала, позволяет говорить о перспективности
комбинированных энергоустановок с двумя уровнями под-
вода тепла. В качестве источника тепла высокого темпера-
турного потенциала />620 К в первую очередь следует рас-
42
сматривать тепло ядерных реакторов или тепло сгорания
органических топлив.
При такой схеме работы энергетической установки ко-
эффициент использования тепла высокого температурного
потенциала значительно повышается, так как практически
гее тепло, подведенное на верхнем температурном уровне,
преобразуется в расширительной машине в механическую
энергию. Рассматриваемый способ работы установки поз-
воляет сократить расход высокопотенциального тепла при
обеспечении тех же мощностей по сравнению с существую-
щими схемами:
По расчетным данным, включение замкнутых водород-
ных установок с ТСК в схемы ТЭС и АЭС повышает КПД
электростанций на 5—7 %. Кроме того, улучшаются усло-
вия эксплуатации последних ступеней паровых турбин из-за
отсутствия влажности.
Основным недостатком существующего способа являет-
ся его энергоемкость. Включение ТСК в схему ожижения
позволяет использовать энергию в форме тепла для ожи-
жения водорода. Затраты энергии на ожижение 1 кг этого
газа в установке на базе ТСК сокращаются в 2—2,5
раза.
Стабильность свойств ряда гидридообразующих мате-
риалов при взаимодействии с водородосодержащими газа-
ми позволяет проводить комплексную энерготехническую
переработку водорода, включающую его очистку и сжа-
тие в одном агрегате. Путем незначительного изменения ре-
жима работы представляется возможным совместить два
технологических процесса и повысить функциональную на-
сыщенность металлогидридной установки.
Ранее упоминалось о том, что водород, десорбируемый
из металлогидрида, обладает повышенной химической ак-
тивностью. Это открывает широкие перспективы его исполь-
зования в технологических процессах напыления металлов,
получения монокристаллов, полупроводниковых и других
материалов улучшенного качества.
В тех случаях, когда стоит задача получения водорода
высокой чистоты с заданными параметрами, металлогидрид-
ные установки позволяют исключить дополнительные уст-
ройства для его очистки и активации.
Ряд образцов металлогидридной техники получил внед-
рение на промышленных предприятиях, а также в ряде ве-
дущих научных центров страны.
Таким образом, на повестке дня стоит вопрос перехода
от разработок отдельных образцов металлогидридных ус-
тановок, имеющих узкое специальное назначение, к созда-
43
нию комплекса оборудования с широкими техническими
возможностями межотраслевого назначения.
В первую очередь здесь следует отметить работы в об-
ласти создания ТСК для водородоожижительных и рефри-
жераторных установок, а также металлогидридных энер-
готехнологических установок для переработки водо-
рода.
До сих пор речь шла об энергетическом использовании
водорода. Между тем крупнейшим его потребителем ныне и
в перспективе будет химическая промышленность. Он ши-
роко применяется в процессах производства метанола, ам-
миака, спиртов, соляной кислоты, альдегидов, кетонов и
т. д. Большие объемы водорода используются в нефтехи-
мической промышленности в процессах гидрокрекинга, гид-
роочистки, каталитического риформинга, а также в процес-
сах нефтехимического синтеза.
Все шире применяются методы прямого восстановления
железа из руды водородом. Сегодня они еще не выдержи-
вают экономического соревнования с домнами и конверто-
рами по производству этого металла. Но по мере удорожа-
ния кокса и ужесточения норм на загрязняющие среду
выбросы при одновременном развитии новых способов полу-
чения водорода прямое восстановление железа станет доми-
нировать в черной металлургии.
Впрочем, частично этот метод уже давно освоен амери-
канскими компаниями «Ю. С. Стил» и «Армко», мексикан-
ской «Охалата и Ламина», сообщившей, в частности, об
уменьшении капитальных затрат и увеличении производи-
тельности домен с водородосодержащим дутьем. Непривыч-
ное пока выражение «чистая чугунолитейка» может стать
реальностью благодаря водороду.
Мы уже говорили об использовании водорода в аэроста-
тах. Однако успехи быстро развивающейся авиации и, по-
жалуй, «синдром Гинденбурга» сослужили для этого на-
правления воздухоплаванья недобрую службу. Интерес к
нему был надолго утрачен.
Теперь подобные летающие аппараты находят все бо-
лее широкое применение. В США и Франции их использу-
ют в метеорологии, разработан проект дирижабля для ох-
раны территориальных вод. Крупные дирижабли грузо-
подъемностью более 100 т смогут заменить дорогостоящие
подвесные дороги и наземный транспорт при перевозках,
например, руды. Не исключается возможность их использо-
вания и для перевозки людей. Ведь дирижабли менее тре-
бовательны к погодным условиям, к состоянию взлетно-по-
садочных полос.
Н
В выставочном зале Института электросварки
им. Е. О. Патона АН УССР демонстрируется немало инте-
ресных экспонатов. Один из них — аппарат, не больше пор-
тативного магнитофона, имеющий генератор водородно-
кислородной смеси. При зажигании из сопла горелки появ-
ляется Спокойная фиолетово-голубая ленточка пламени.
Температура в струе более 2300 К. Аппарат универсален,
и в зависимости от мощности и регулировки генератора его
можно использовать как при монтаже микросхем, так и при
сварке кузова.. Процесс горения сбалансирован с электро-
лизом в генераторе. Схема безопасна, пламя в отличие от
обычного не коптит.
Конечно, этот аппарат появился не сразу. Давно из-
вестна горелка Ленгмюра на атомарном водороде. В зоне
бледнофиолетового цвета пламени (3—8 мм), где существу-
ет атомарный водород, и происходит сварка. Рекомбинация
атомов водорода на поверхности металла вызывает мест-
ный перегрев, а молекулярный водород мешает окислению
разогретого металла. Таким оброзом, водород и сваривает
и предохраняет. При атомно-водородной сварке темпера-
тура превышает 4000 К, что позволяет работать даже с та-
ким тугоплавким металлом, как вольфрам.
Среди многочисленных областей применения водорода
следовало бы отметить его использование в электротехнике
в качестве теплоносителя для охлаждения мощных электро-
генераторов, в металлообрабатывающей промышленнос-
ти — для создания водородно-азотной восстановительной
атмосферы в процессах обработки металлов.
Интересную работу выполнили физики Донецкого по-
литехнического института, которые предложили применить
водород, считающийся причиной разрушения, для упроче-
ния некоторых сплавов. Суть метода заключается в много-
кратном насыщении водородом нагретых слитков цветных
металлов, обладающим уникальной способностью раство-
рять их, с последующим откачиванием газа в вакууме. Ато-
мы водорода деформируют кристаллическую решетку ме-
талла, значительно повышая его прочность. Этот метод фа-
зового наклепа наиболее благоприятен для сплавов тантала,
ниобия, палладия и других металлов, изделия из которых
находят спрос в специальных производствах — изготовлении
фильтров для тончайшего разделения газовых смесей, в
атомной энергетике и электронной технике.
В ряде публикаций показывается перспективность при-
менения водорода в тепловых насосах, холодильных маши-
нах, в быту для отопления и приготовления пищи.
Давно известно, что водород в больших количествах по-
45
требляется в пищевой промышленности в процессах гидро-
генизации пищевых органических жиров (многие жиры в
первичном виде неприятны на вкус и малоусвояемы) и в
процессах гидрогенизации непищевых жиров для производ-
ства кормов и мыла.
Сравнительно недавно было установлено, что с помощью
водорода можно удовлетворить потребности человечества в
белках. Согласно данным ООН, в 1980 г. дефицит белков
в мире составлял 42 млн т, а к 2000 г. он достигнет 65 млн т.
Для решения этой проблемы уже ныне предлагается полу-
чать белок, аминокислоты и другие ценные продукты на
основе водородоокисляющих бактерий.
Интерес к водородным бактериям определяется еще и
тем, что производство их биомассы не зависит от источни-
ков органического сырья. Они растут за счет энергии окис-
ления водорода, строя свое тело из неорганических компо-
нентов среды — углекислоты и минеральных солей. Очень
важно, что культивирование биомассы на неорганическом
сырье освобождает ее от органических канцерогенных за-
грязнений, которые могут накапливаться, например,
в дрожжах, выращенных на углеводородах нефти.
В настоящее время получены штаммы, наиболее пригод-
ные для промышленного выращивания, способные удваи-
вать массу за 2 часа. Эта биомасса содержит до 60—70 %
белка и все незаменимые аминокислоты. Усвояемость белка
высокая — до 95 %, а кормовая ценность биомассы близка
к казеину.
История использования водорода уже настолько солид-
на, что в ней нашлось место и для курьезов. Оказывается,
в XIX веке некоторые смельчаки пробовали дышать грему-
чим газом. Притом уверяли, что он намного легче и прият-
ней, чем воздух. Более того, с помощью этой взрывоопасной
смеси пытались петь — буквально не своим голосом. Напри-
мер, тенор становился басом. Это необыкновенное превраще-
ние, пожалуй, можно объяснить тем, что музыкальный тон
голоса зависит рт скорости звука, и, стало быть, от газа,
в котором он распространяется. Скорость будет тем боль-
ше, чем меньше молекулярная масса газа. Для обеспечения
безопасности курильщики во время описанных эксперимен-
тов в помещение не допускались.
* * ♦
Все сказанное выше, очевидно, не оставляет сомнений в
отношении перспективности водорода, прежде всего как
энергоносителя. На пути его широкого внедрения в этом ка-
честве еще много трудностей. К сожалению, новому топливу
46
еще предстоит преодолеть и чисто психологический барьер.
Впрочем, так бывало уже не раз. Ведь заявлял же 100 лет
тому назад знаменитый Т. Эдисон о том, что переменный
ток очень опасен и может быть применен только для элект-
рического стула.
Водородная энергетика динамично развивается. Ее ис-
ходные концепции вряд ли кто-либо подвергнет сомнению.
Сроки широкого внедрения в практику водорода в различ-
ных отраслях народного хозяйства будут зависеть от дости-
жений науки и техники и складывающейся экономической и
экологической ситуации.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ССЫЛКИ
1 Материалы XXVII съезда Коммунистической партии Советского Сою-
за,—М„ Политиздат, 1986.—С. 295.
s Проценко А. Н. Энергетика сегодня и завтра.— М., Молодая гвар-
дия, 1987.— С. 38.
8 Материалы XXVII съезда Коммунистической партии Советского Сою-
за.—С. 294.
4 Проценко А. Н. Энергетика сегодня и завтра.— С. 76.
8 Подгорный А. Н., Варшавский И. Л., ПриймакА. И.
Водород и энергетика.— К.» Наукова думка, 1984.— С, 85.
8 Известия.— 1987.— 2 мая.
7 Известия.— 1988.— 20 апр.
47
СОДЕРЖАНИЕ
Перспективы водородной энергетики 5
Методы получения водорода ......................................8
Транспортирование, хранение и распределение водорода . 15
Практическое использование водорода ........ 22
Библиографические ссылки .......... 47
Подгорный Анатолий Николаевич
ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
Младший редактор О, В. Луитиенко. Художественный редактор
А. Г. Григор. Технический редактор Я. £. Гулько. Корректор Е. М. Пи-
липчук.
Сдано в набор 27.05.88. Подписано в печать 28.06.88. БФ 39349. Формат 84х108'/з2.
Бумага газетная. Гарнитура литературная. Высокая печать. Усл. печ. л. 2.52.
Усл. кр.-отт. 2,84. Учет.-изд. л. 2.88. Тираж 6234 экэ. Зак. № 589. Цена 10 к.
Общество «Знание» Украинской ССР, 252005, Киев-5, ул. Красноармейская, 57/3.
Типография ордена Ленина комбината печати издательства «Радянська УкраТна»,
252006, Киев-6, ул. Анри Барбюса, 51/2.
ВО ИЗБЕЖАНИЕ ПОЖАРА
НЕ ОСТАВЛЯЙТЕ БЕЗ ПРИСМОТРА
ВКЛЮЧЕННЫЕ В ЭЛЕКТРОСЕТЬ
ТЕЛЕВИЗОРЫ, УТЮГИ,
ЭЛЕКТРОЧАЙНИКИ И ДРУГИЕ
ЭЛЕКТРОБЫТОВЫЕ ПРИБОРЫ
Украинское
республиканское
добровольное
пожарное общество