Водень як альтернативний вид палива

Водень як альтернативний вид палива

Зміст

Введення

1  Водень на Землі

2       Що таке воднева технологія?

3       Як і з чого в даний час отримують водень?

4       Отримання водню - майбутня технологія

5       Багатоликий водень

6       Роль водню і водневої технології у кругообігу речовин у природі

7       Увага, водень!

8       Проблеми отримання енергії

9       Водневі двигуни

Висновок

Вступ

Дослідження Сонця, зірок, міжзоряного простору показують, що найпоширенішим елементом Всесвіту є водень (в космосі у вигляді розжареної плазми він становить 70% маси Сонця і зірок).

За деякими розрахунками, кожну секунду в глибинах Сонця приблизно 564 млн. тонн водню в результаті термоядерного синтезу перетворюються в 560 млн. тонн гелію, а 4 млн. тонн водню перетворюються на потужне випромінювання, яке йде в космічний простір. Немає побоювань, що на Сонці незабаром вичерпаються запаси водню. Воно існує мільярди років, а запас водню в ньому достатній для того, щоб забезпечити ще стільки ж років горіння.

Людина живе в воднево-гелієвої всесвіту.

Тому водень представляє для нас дуже великий інтерес.

Вплив і користь водню в наші дні дуже велика. Практично всі відомі зараз види палива, за винятком, зрозуміло, водню, забруднюють навколишнє середовище. У містах нашої країни щорічно проходить озеленення, але цього, як видно, недостатньо. У мільйони нових моделей автомобілів, які зараз випускаються, заливають таке паливо, яке випускає в атмосферу вуглекислий (СО2) і чадний (СВ) гази. Дихати таким повітрям і постійно перебувати в такій атмосфері представляє дуже велику небезпеку для здоров'я. Від цього відбуваються різні захворювання, багато з яких практично не піддаються лікуванню, а вже тим більше неможливо лікувати їх, продовжуючи перебувати в можна сказати «зараженої» вихлопними газами атмосфері. Ми хочемо бути здоровими, і зрозуміло, хочемо, щоб покоління, які підуть за нами, теж не скаржилися і не страждали від постійно забруднюють повітря, а навпаки, пам'ятали і довіряли прислів'ї: «Сонце, повітря і вода - наші кращі друзі".

А поки я не можу сказати, що ці слова виправдовують себе. На воду нам вже взагалі доводиться закривати очі, оскільки зараз, якщо навіть брати конкретно наше місто, відомі факти, що з кранів тече забруднена вода, і пити її в жодному разі не можна.

Що стосується повітря, то тут на порядку денному вже багато років стоїть не менш важлива проблема. І якщо уявити, хоча б на секунду, що всі сучасні двигуни будуть працювати на екологічно чистому паливі, яким, зрозуміло, є водень, то наша планета стане на шлях, що веде до екологічного раю. Але це все фантазії і подання, які, на превеликий наш жаль ще не скоро стануть реальністю.

Незважаючи на те, що наш світ наближається до екологічної кризи, всі країни, навіть ті, які більшою мірою забруднюють своєї промисловістю навколишнє середовище, (ФРН, Японія, США, і як це не сумно - Росія) не квапляться панікувати і починати екстрену політику за її очищення.

Скільки б ми не говорили про позитивний вплив водню, на практиці це можна побачити досить таки не часто. Але все ж розробляється безліч проектів, і метою моєї роботи був не лише розповідь про сам чудовому паливі, але і про його застосування. Ця тема дуже актуальна, оскільки зараз жителів не тільки нашої країни, але і всього світу, хвилює проблема екології та можливі шляхи вирішення цієї проблеми.

1 Водень на Землі

Водень - один з найбільш поширених елементів і на Землі. У земній корі з кожних 100 атомів 17 - атоми водню. Він становить приблизно 0,88% від маси земної кулі (включаючи атмосферу, літосферу і гідросферу). Якщо згадати, що води на земній поверхні більше

1,5 ∙ 1018 м3 і що масова частка водню у воді становить 11,19%, то стає ясно, що сировини для одержання водню на Землі - необмежена кількість. Водень входить до складу нафти (10,9 - 13,8%), деревини (6%), вугілля (буре вугілля - 5,5%), природного газу (25,13%). Водень входить до складу всіх тваринних і рослинних організмів. Він міститься і у вулканічних газах. Основна маса водню потрапляє в атмосферу в результаті біологічних процесів. При розкладанні в анаеробних умовах мільярдів тонн рослинних залишків у повітря виділяється значна кількість водню. Цей водень в атмосфері швидко розсіюється і дифундує у верхні шари атмосфери. Маючи малу масу, молекули водню володіють високою швидкістю дифузійного руху (вона близька до другої космічної швидкості) і, потрапляючи у верхні шари атмосфери, можуть полетіти в космічний простір. Концентрація водню у верхніх шарах атмосфери складає 1 ∙ 10-4%.

2 Що таке воднева технологія?

Під водневої технологією мається на увазі сукупність промислових методів і засобів для отримання, транспортування та зберігання водню, а також засобів і методів його безпечного використання на основі невичерпних джерел сировини та енергії.

У чому ж привабливість водню і водневої технології?

Перехід транспорту, промисловості, побуту на спалювання водню - це шлях до радикального вирішення проблеми охорони повітряного басейну від забруднення оксидами вуглецю, азоту, сірки, вуглеводнями.

Перехід на водневу технологію та використання води в якості єдиного джерела сировини для отримання водню не може змінити не тільки водного балансу планети, але і водного балансу окремих її регіонів. Так, річна потреба енергетики такої високо індустріальної країни, як ФНР, може бути забезпечена за рахунок водню, отриманого з такої кількості води, яка відповідає 1,5% середнього стоку річки Рейн (2180 л води дають 1 тут у вигляді H2). Відзначимо попутно, що на наших очах стає реальною одна з геніальних здогадок великого фантаста Жуля Верна, який вустами героя рому «Таємничий острів» (гл. XVII) заявляє: «Вода - це вугілля майбутніх століть».

Водень, що отримується з води, - один з найбільш енергонасичених носіїв енергії. Адже теплота згоряння 1 кг H2 становить (за нижчого межі) 120 МДж / кг, у той час як теплота згоряння бензину або кращого вуглеводневої авіаційного палива - 46 - 50 МДж / кг, тобто в 2,5 рази менше 1 т водню відповідає за своїм енергетичного еквіваленту 4,1 тут, до того ж водень - легковідтворюєме паливо.

Щоб накопичити викопне пальне на нашій планеті, потрібні мільйони років, а щоб у циклі отримання та використання водню з води отримати воду, потрібні дні, тижні, а іноді години та хвилини.

Але водень як паливо і хімічна сировина володіє і рядом інших найцінніших якостей. Універсальність водню полягає в тому, що він може замінити будь-який вид пального в самих різних областях енергетики, транспорту, промисловості, у побуті. Він замінює бензин а автомобільних двигунах, гас в реактивних авіаційних двигунах, ацетилен в процесах зварювання та різання металів, природний газ для побутових та інших цілей, метан у паливних елементах, кокс у металургійних процесах (пряме відновлення руд), вуглеводні в ряді мікробіологічних процесів. Водень легко транспортується по трубах і розподіляється по дрібним споживачам, його можна отримувати і зберігати в будь-яких кількостях. У той же час водень - сировина для ряду найважливіших хімічних синтезів (аміаку, метанолу, гідразину), для одержання синтетичних вуглеводнів.

3 Як і з чого в даний час отримують водень?

У розпорядженні сучасних технологів є сотні технічних методів отримання водневого палива, вуглеводневих газів, рідких вуглеводнів, води. Вибір того чи іншого методу диктується економічними міркуваннями, наявністю відповідних сировинних і енергетичних ресурсів. У різних країнах можуть бути різні ситуації. Наприклад, в країнах, де є дешева надлишкова електроенергія, що виробляється на гідроелектростанціях, можна отримувати водень електролізом води (Норвегія); де багато твердого палива та дороги вуглеводні, можна отримувати водень газифікацією твердого палива (Китай); де дешева нафта, можна отримувати водень із рідких вуглеводнів (Близький Схід). Однак найбільше водню отримують в даний час з вуглеводневих газів конверсією метану і його гомологів (США, Росія).

У процесі конверсії метану водяною парою, діоксидом вуглецю, киснем та оксиду вуглецю водяною парою протікають наступні каталітичні реакції. Розглянемо процес отримання водню конверсією природного газу (метану).

Отримання водню здійснюється в три стадії. Перша стадія - конверсія метану в трубчастої печі:

CH4 + H2O = CO + 3H2 - 206,4 кДж / моль

або

CH4 + CO2 = 2CO + 2H2 - 248, 3 кДж / моль.

Друга стадія пов'язана з доконверсіею залишкового метану першій стадії киснем повітря і введенням в газову суміш азоту, якщо водень використовується для синтезу аміаку. (Якщо виходить чистий водень, другої стадії принципово може і не бути).

CH4 + 0,5 O2 = CO + 2H2 + 35,6 кДж / моль.

І, нарешті, третя стадія - конверсія оксиду вуглецю водяною парою:

CO + H2O = СO2 + H2 + 41,0 кДж / моль.

Для всіх зазначених стадій потрібно водяна пара, а для першої стадії - багато тепла, тому процес в енерго - технологічному плані проводиться таким чином, щоб трубчасті печі зовні обігрівалися спалюється в печах метаном, а залишкове тепло димових використовувалося для отримання водяної пари.

Розглянемо, як це відбувається в промислових умовах (схема 1). Природний газ, який містить в основному метан, попередньо очищають від сірки, яка є отрутою Щоб каталізатора конверсії, підігрівають до температури 350 - 370 C° і під тиском 4,15 - 4,2 МПа змішують з водяною парою в співвідношенні обсягів пар: газ = 3 , 0: 4,0. Тиск газу перед трубчастою піччю, точне співвідношення пар: газ підтримуються автоматичними регуляторами.

Утворюється парогазова суміш при 350 - 370 C° надходить у підігрівник, де за рахунок димових газів нагрівається до 510 - 525 С. Потім парогазову суміш направляють на першу сходинку конверсії метану - в трубчасту піч, в якій вона рівномірно розподіляється по вертикально розташованими реакційним труб (8). Температура конвертованого газу на виході з реакційних труб досягає 790 - 820 С°. Залишковий зміст метану після трубчастої печі 9 - 11% (об'емн.). Труби заповнені каталізатором.

Після реакційних труб конвертована парогазова суміш проходить підйомні труби (9) і по колектору (10) потрапляє в шахтний конвертор метану другого ступеня (11). Тут на нікелевому каталізаторі відбувається киснева конверсія залишкового метану. Температура конвертованого газу на виході з реактора другого ступеня досягає 990 - 1000 C°, залишкове вміст метану в конвертованій газі становить 0,35 - 0,55% (об'емн.).

Після двоступеневої конверсії метану, якщо водень призначається для синтезу аміаку, в конвертованій газі крім водню (57%) і азоту (22,4%) утримуються оксид вуглецю 13,4% і діоксид вуглецю 7,7% (об'емн.).

Оксид вуглецю далі перетворюється на водень та діоксид вуглецю в системі парової конверсії. Парова конверсія оксиду вуглецю до водню проводиться в два ступені. Перший ступінь конверсії здійснюється при температурі 330 - 400 С° на залізо-хромовому каталізаторі, при цьому на виході з конвертора першого ступеня вміст оксиду вуглецю у конвертованій газі падає до 3,3% (об'емн.), і з таким змістом оксиду вуглецю газ, пройшовши через випарник , набуває в другу, низькотемпературну ступінь конверсії. Тут на низькотемпературному каталізаторі конверсії, що містить оксидні сполуки міді, цинку, алюмінію, хрому, при температурі 190-210 С° відбувається доконверсія залишкового оксиду вуглецю до його змісту на виході з конвертора 0,4 - 0,5%. Далі газ надходить на очищення вуглецю різного роду поглиначами. Так у промислових умовах отримують чистий водень і азот-водневу суміш.

4 Отримання водню - майбутня технологія

Сучасна технологія забезпечує щорічне отримання в усьому світі десятків мільйонів тонн молекулярного водню. Понад 90% його виходить каталітичної конверсією метану, рідких вуглеводнів, газифікацією твердого палива. Абсолютно ясно, що у майбутньому при переході на водневу технологію такі джерела отримання водню, крім твердого палива, будуть в основному виключені. В якості основного джерела сировини буде використовуватися вода. В якості джерела енергії для розкладання води - атомна енергія в різних її видах (тепло, електроенергія) та енергія води, вітру у вигляді електричної енергії, енергія сонячного випромінювання. Загальна картина використання первинних джерел енергії для одержання водню представлена на схемі 3.

При уважному розгляді всього комплексу методів отримання водню видно, що якщо використання горючих копалин має прямий вихід до водню, то використання інших первинних джерел енергії в основному базується на використанні електричної енергії для електролітичного розкладання води, енергії Сонця в фотосинтетичних системах для розкладання води й атомного тепла в термохімічних системах для розкладання води. Електроліз води проводиться в промисловій практиці давно і широко описаний в літературі. Зараз робляться значні зусилля в науці промисловості, щоб використовувати невичерпну енергію сонячного випромінювання для розкладання води. Це і застосування фотолізних осередків для розкладання води, сонячних осередків для отримання електроенергії з подальшим її використанням при електролізі води. Головне завдання, яке тут вирішується, полягає в тому, щоб провести під безпосереднім впливом сонячної енергії ряд фотохімічних реакцій з цільовим призначенням розкладання води до водню кисню. Суть проблеми полягає в тому, щоб підібрати такі біологічні системи, які будуть використовувати сонячну енергію для розкладання води.

Але найбільш в технологічному плані є методи термохімічної розкладання води. Ці методи важливі тим, що для розкладання води вони можуть використовувати і тепло атомних реакторів, сонячне тепло, і тепло геотермальних вод, і будь-які інші види тепла, наприклад перепад температур верхніх і нижніх шарів тропічних морів. Розробляються та комбіновані термохімічні процеси, які поряд з теплом використовують електричну енергію - термоелектрохімічних процеси, сонячне випромінювання, фото-і термохімічні процеси. Термохімічні процеси розкладання води привабливі ще й тим, що в результаті цілого ряду хімічних перетворень, що протікають у термохімічної циклі (системі), з циклу в навколишній простір нічого, крім водню і кисню, не виділяється. Всі хімічні процеси, що супроводжують розкладання води, знаходяться в закритому циркуляційному контурі. У цей контур підводяться тільки вода і тепло (високопотенціальні), від контуру відводяться водень, кисень і тепло (низькопотенційні).

5 Багатоликий водень

Ми підняли лише краєчок завіси сцен на якій діє один з найцікавіших елементів нашого Всесвіту - багатоликий водень. Аж до XX ст. Всі були переконані, що за «горючим повітрям» Кавендіш, гідрогеніумом Лавуазьє ховається елемент, що породжує при своєму з'єднанні з киснем звичайну воду.

Але в XX ст. Водень придбав багатоликість. У природі були відкриті три різних водню, три його ізотопу, які були названі відповідно до складності своїх ядер. Найлегший - проти. Водень у звичайній воді в основному складається з протію. Але у воді є і більш важкий водень - дейтерій. На кожні 6700 атомів протію доводиться один атом дейтерію.

Існує і надважкий водень - тритій. Тритій радіоактивний. Він безперервно утворюється в стратосфері під дією космічного випромінювання. Є припущення, що це не межа для існування нових, ще більш важких ізотопів водню, які повинні бути радіоактивні.

Дейтерій - вихідний елемент для енергії майбутнього. Вперше існування важкого водню - дейтерію було доведено в 1932 році. Незважаючи на відносно малий вміст дейтерію в звичайній воді, загальна кількість дейтерію на Землі дуже велике. За підрахунками академіка І. В. Курчатова, 1 літр звичайної води по енергії, що міститься в ньому дейтерію еквівалентний приблизно 400 л нафти, тому дейтерію кат палива майбутнього вистачить на сотні мільйонів років. (Згадайте ще раз героя Жуля Верна).

Кількість тритію на Землі зникає мало. Його менше 1 кг, але, незважаючи на це, його можна виявити в кожній краплі води. А його значення в майбутній енергетиці, можливо, ще більш велика, ніж дейтерію. Він нестійкий, період його напіврозпаду - 12, 262 року.

Водень (проти), дейтерій і тритій утворюють двохатомних молекул. Молекули з однаковими атомами Н2, D2, Т2 існують у двох ядерно-ізомерних формах, орто- і пара-форми. Ця ізомерія є вихідною причиною відмінності магнітних, спектральних та термічних властивостей обох модифікацій.

Страницы: 1, 2