Водородът – новият енергиен и суровинен ресурс

Статия на проф. Венко Н. Бешков – БАН за сп. Енергетика-Електроенергийни ракурси

Увод

Известно е, че водородът е най-разпространеният химичен елемент във Вселената. Той е в състава на водната молекула и като такъв е извънредно широко разпространен по земната повърхност и в атмосферата. Извън естествената роля, която водородът играе в състава на водата и органичните вещества за живота на Земята, той има много важно значение за енергийния обмен.

От една страна това се дължи на ниската му специфична маса, най-ниската от всички химични елементи и от всички известни горива. Поради тази причина неговото енергийно съдържание за единица маса е най-високо от всички останали известни горива, газообразни течни и твърди. Заедно с това голямо негово предимство е фактът, че като гориво той не отделя отпадъци, а продуктът на горенето му е вода, която е суровина за неговото добиване.

Освен това, водородът се прилага в различни химични производства. От гледна точка на ролята му в енергетиката като алтернативно гориво и на използването му като суровина в индустрията си струва да разгледаме неговите предимства и недостатъци в тези насоки.

А неговите недостатъци са следните:

- Водородът е силно взривоопасен, което затруднява използването му като гориво в транспорта.

- Водородът взаимодейства с металите, като ги прави крехки и ненадеждни за съхранение и транспортиране на големи разстояния.

- Заедно с това той има свойството да прониква, макар и частично през твърди прегради, което го прави опасен за практическа употреба и до материални загуби при складирането му.

- Традиционният метод за добиването на водород е разлагането на водата чрез електролиза. При нея разходът на енергия е по-голям от добитата енергия на водорода за единица маса. За добива на 1 кг водород чрез електролиза се изразходват 187-223 MJ, а енергийното съдържание на водорода е 141 MJ/кг.

Водородът в химичната промишленост

Най-разпространеното приложение на водорода в химичната промишленост е в производството на амоняк и на азотни торове. Промишлената синтеза на амоняка се извършва по метода на Хабер-Бош при каталитично взаимодействие на азот и водород при високи налягания. След това амонякът се окислява до азотна киселина, която при взаимодействие с амоняк дава като азотен тор амониева селитра. Амонякът се използва и за производството на друг азотен тор - карбамидът.

Водородът, необходим за синтезата на амоняка, се добива при каталитичното превръщане на метан в газова смес от въглероден моноксид и водород. След разделянето им водородът се подава за синтеза на амоняк, а въглеродният моноксид се използва като гориво, при което в атмосферата се изхвърля въглероден диоксид.

Съществува и възможност за разлагането на метана до водород и твърд водород, при което атмосферата не се натоварва допълнително с въглероден диоксид. За съжаление обаче всички процеси на конверсия на природния газ до водород са съпроводени с консумация на енергия и косвено отделяне на въглероден диоксид.

Оттук се вижда, че използването на природен газ (като източник на метан) в случая води до замърсяване на атмосферата с парникови газове и до силна зависимост от цената му. Покачването на цената на природния газ стана причина за закриването на някои от торовите заводи в България.

Други промишлени приложения на водорода са в нефтохимията и органичния синтез, при производството на метанол, при хидрирането на растителни масла и пр. Той се прилага и като охладител за постигане на ниски и свръх-ниски температури.

Водородът в транспорта

Основното приложение на водорода в енергетиката е като гориво в горивни клетки. Принципът на горивната клетка е показан на фиг. 1. При горивните клетки енергията на окислително-редукционната реакция (например окислението на водород с кислород) се превръща в електрическа енергия с висока ефективност и ниски загуби на мощност.

В анодното пространство на горивната клетка се подава чист водород, а в катодното - кислород.

В резултат на електрохимичната реакция на водородните катиони с кислорода в присъствие на катализатор се генерира електродвижеща сила ΔU, която се използва за задвижване на двигатели и захранване на други устройства с електроенергия. Продукт на реакцията са водни пари. Този тип горивни клетки се използват в транспорта (автобуси, леки коли). Коефициентът на полезно действие на горивните клетки се определя от енергията на прилаганата химична реакция и достига 80%.

Известни са опити за използването на горивни клетки във водния транспорт, цивилен и товарен (Royal Dutch Shell; ABB, Швейцария)

Друг способ за използването на водорода като гориво в транспорта е неговото пряко изгаряне в двигатели с вътрешно горене. Такива двигатели са разработени от Мазда, БМВ и други производители. При работата на тези двигатели не се отделят въглеродни емисии, фини прахови частици и серни оксиди. Но поради високите работни температури емисиите на азотни оксиди, получавани при контакта на азота с нагорещени метални повърхности, са неизбежни. Коефициентът на полезното действие на този тип двигатели е ограничен според теоремата на Карно и е по-нисък от този при горивните клетки. Приспособяването на традиционните двигатели към водородно гориво поставя изисквания към частите на двигателя (вентили, клапани, движещи се части, електрозахранване и пр).

Наред с предимствата, използването на водорода като гориво в транспорта крие и някои неудобства. На първо място, това е неговата взривоопасност, която може да е фатална при пътно-транспортни произшествия. Правени са опити за складиране на водород с метални сплави под формата на хидриди, които лесно отделят водорода при нагряване.

В тази форма водородът е напълно безопасен спрямо удари и огън, но специфичната маса на сплавите е 3-4 пъти по-висока от тази на течните горива. С други думи, транспортирането на обезопасения водород ще консумира голяма част от енергията му, с което ефективността му ще падне значително. Поради тази причина за момента складирането му в цилиндри под високо налягане няма алтернатива.

За широкото приложение на водорода в транспорта трябва да се осигури надеждна мрежа от зарядни станции, нещо, което вече е реалност в някои страни от Западна Европа и Северна Америка. Сериозен дял от товарния транспорт в САЩ се пада на автомобили, задвижвани с водород. Трябва да се държи сметка и за влиянието на водорода като гориво върху микроклимата в населените места, при обилно отделяне на водни пари и произтичащата повишена влажност.

Транспортиране на водород

Най-близък за транспортиране на водород изглежда преносът му по тръбопроводи в случай, че той се доставя до много потребители от промишлеността. Съхраняването като втечнен водород става в криогенни резервоари при много ниски температури. Съхранението на газообразен водород в големи мащаби се препоръчва в земни кухини (пещери, изоставени мини), откъдето газът се подава в тръбопроводите за транспортиране. Друга възможност е той да се съхранява и транспортира в свързана форма, като метанол или амоняк.

Наред с транспортирането на газообразен водород интерес представлява и транспортът на втечнен газ. Японската фирма Kawazaki Heavy Industries, заедно с други компании въвежда в експлоатация кораб, транспортиращ течен водород с маршрут от Кобе, Япония до Австралия, фиг. 2.

Известни са вече успешни опити за използването на втечнен водород във водния транспорт. Има данни за практическо приложение на втечнен водород за транспорт на малки разстояния в Белгия.

Водородът в енергетиката

Водородът като гориво в енергетиката е привлекателен с отсъствието на парникови емисии, серни оксиди и фини прахови частици. Обаче не бива да забравят косвените емисии от парникови газове при производството му, както от природен газ, така и при електролиза. Установено е, че за добиването на 1 тон добит водород се отделят около 30 тона въглероден диоксид. Този отрицателен баланс на вложената електроенергия и добитата енергия на водорода и свързаните с него парникови емисии се преодолява чрез използването на електроенергия, получена от възобновяеми източници (вятър, водна сила, слънчева енергия).

Друга възможност предлага разлагането на водата в т. нар. микробни електролизни клетки. В присъствие на определени микроорганизми разложителният потенциал на водата значително се понижава ( от 1,23 до 0,6 волта) и добиването на водород става при по-нисък разход на външна енергия.

Трета възможност предлагат фотокаталитичните микробни процеси, катализирани от пряка външна светлина. Засега обаче добивите са твърде ниски, а технологичните параметри недостатъчно изяснени.

Все пак, водородът си пробива път в енергетиката, не само чрез горивните клетки, но и като добавка към метана, инжектиран директно в газопроводите за природен газ. По този начин се намалява товарът от парникови емисии при използването на природен газ като гориво.

Заключение

Направеният кратък преглед показва, че практическата употреба на водорода като източник на енергия и суровина за индустрията е напълно актуална. Сериозно се говори за водородна енергетика. Проблемите, които трябва да се решават при неговото получаване, са свързани с повишаване на ефективността на производството му и използването на енергийни източници, незамърсяващи околната среда с парникови емисии.