Водородное топливо

 

Нижегородский Строительный Техникум

 

 

 

 

Водородное топливо

Реферат

 

 

 

 

 

Подготовила студент группы 516 Крекина А.

Преподаватель Якутова М. Ю.

 

 

 

 

Нижний Новгород 2012

Водород на Земле

Исследования Солнца, звёзд, межзвёздного пространства показывают, что самым распространённым элементом Вселенной является водород (в космосе в виде раскалённой плазмы он составляет 70 % массы Солнца и звёзд).

Водород –  один из наиболее распространённых элементов  и на Земле. Он составляет примерно 0,88 % от массы земного шара (включая  атмосферу, литосферу и гидросферу). Если вспомнить, что воды на земной поверхности более  1,5∙1018  м3 и что массовая доля водорода в воде составляет 11,19 %, то становится ясно, что сырья для получения водорода на Земле – неограниченное количество. Водород входит в состав нефти (10,9 – 13,8 %), древесины (6 %), угля (бурый уголь – 5,5%), природного газа (25,13 %). Водород входит в состав всех животных и растительных организмов. Он содержится и в вулканических газах. Основная масса водорода попадает в атмосферу в результате биологических процессов. При разложении в анаэробных условиях миллиардов тонн растительных остатков в воздух выделяется значительное количество водорода. Этот водород в атмосфере быстро рассеивается и диффундирует в верхние слои атмосферы. Имея малую массу, молекулы водорода обладают высокой скоростью диффузионного движения (она близка ко второй космической скорости) и, попадая в верхние слои атмосферы, могут улететь в космическое пространство. Концентрация водорода в верхних слоях атмосферы составляет 1∙10-4 %.

 

Что такое водородная технология?

 Под водородной  технологией подразумевается совокупность  промышленных методов и средств для получения, транспортировки и хранения водорода, а также средств и методов его безопасного использования на основе неисчерпаемых источников сырья и энергии.

 Переход  транспорта, промышленности, быта на  сжигание водорода – это путь  к радикальному решению проблемы  охраны воздушного бассейна от  загрязнения оксидами углерода, азота, серы, углеводородами.

Но водород  как топливо и химическое сырьё  обладает и рядом других ценнейших  качеств. Универсальность водорода заключается в том, что он может  заменить любой вид горючего в  самых разных областях энергетики, транспорта, промышленности, в быту. Он заменяет бензин а автомобильных двигателях, керосин в реактивных авиационных двигателях, ацетилен в процессах сварки и резки металлов, природный газ для бытовых и иных целей, метан в топливных элементах, кокс в металлургических процессах (прямое восстановление руд), углеводороды в ряде микробиологических процессов. Водород легко транспортируется по трубам и распределяется по мелким потребителям, его можно получать и хранить в любых количествах. В то же время водород – сырьё для ряда важнейших химических синтезов (аммиака, метанола, гидразина), для получения синтетических углеводородов.

 

Из чего в настоящее время получают водород?

 В распоряжении  современных технологов имеются  сотни технических методов получения  водородного топлива, углеводородных  газов, жидких углеводородов,  воды. Выбор того или иного  метода диктуется экономическими  соображениями, наличием соответствующих  сырьевых и энергетических ресурсов. В разных странах могут быть  различные ситуации. Например, в  странах, где имеется дешёвая  избыточная электроэнергия, вырабатываемая  на гидроэлектростанциях, можно получать водород электролизом воды (Норвегия); где много твёрдого топлива и дороги углеводороды, можно получать водород газификацией твёрдого топлива (Китай); где дешёвая нефть, можно получать водород из жидких углеводородов (Ближний Восток). Однако больше всего водорода получают в настоящее время из углеводородных газов конверсией метана и его гомологов (США, Россия).

 

Получение водорода – будущая технология

 Современная  технология обеспечивает ежегодное  получение во всём мире десятков  миллионов тонн молекулярного  водорода. Более 90% его получается  каталитической конверсией метана, жидких углеводородов, газификацией  твёрдого топлива. Совершенно  ясно, что в будущем при переходе  на водородную технологию такие  источники получения водорода, кроме  твёрдого топлива, будут в основном  исключены. В качестве основного  источника сырья будет использоваться  вода. В качестве источника энергии  для разложения воды – атомная  энергия в различных её видах  (тепло, электроэнергия) и энергия  воды, ветра в виде электрической  энергии, энергия солнечного излучения.  Общая картина использования  первичных источников энергии  для получения водорода представлена  на схеме 3.

 При внимательном рассмотрении всего комплекса методов получения водорода видно, что если использование горючих ископаемых имеет прямой выход к водороду, то использование других первичных источников энергии в основном базируется на использовании электрической энергии для электролитического разложения воды, энергии Солнца в фотосинтетических системах для разложения воды и атомного тепла в термохимических системах для разложения воды. Электролиз воды проводится в промышленной практике давно и широко описан в литературе. Сейчас делаются значительные усилия в науке промышленности, чтобы использовать неисчерпаемую энергию солнечного излучения для разложения воды. Это и применение фотолизных ячеек для разложения воды, солнечных ячеек для получения электроэнергии с последующим её использованием при электролизе воды. Главная задача, которая здесь решается, заключается в том, чтобы провести под непосредственным воздействием солнечной энергии ряд фотохимических реакций с целевым назначением разложения воды до водорода  кислорода. Суть проблемы заключается в том, чтобы подобрать такие биологические системы, которые будут использовать солнечную энергию для разложения воды.

 Но наиболее  в технологическом плане являются  методы термохимического разложения  воды. Эти методы важны тем,  что для разложения воды они  могут использовать и тепло  атомных реакторов,  солнечное  тепло, и тепло геотермальных  вод, и любые другие виды  тепла, например перепад температур  верхних и нижних слоёв тропических  морей. Разрабатываются и комбинированные  термохимические процессы, которые  наряду с теплом используют  электрическую энергию – термоэлектрохимические процессы, солнечное излучение, фото- и термохимические процессы. Термохимические процессы разложения воды привлекательны ещё и тем, что в результате целого ряда химических превращений, протекающих в термохимическом цикле (системе), из цикла в окружающее пространство ничего, кроме водорода и кислорода, не выделяется. Все химические процессы, сопровождающие разложение воды, находятся в закрытом циркуляционном контуре. В этот контур подводятся только вода и тепло (высокопотенциальное), от контура отводятся водород, кислород и тепло (низкопотенциальное).

 

Многоликий водород

XX в. Водород  приобрёл многоликость. В природе  были открыты три различных  водорода, три его изотопа, которые  были названы в соответствии  со сложностью своих ядер. Самый  лёгкий – протий. Водород в  обычной воде в основном состоит  из протия. Но в воде есть  и более тяжёлый водород –  дейтерий. На каждые 6700 атомов протия  приходится один атом дейтерия.

 Существует  и сверхтяжёлый водород – тритий. Тритий радиоактивен. Он непрерывно  образуется в стратосфере под  действием космического излучения.  Есть предположения, что это  не предел для существования  новых, ещё более тяжёлых изотопов  водорода, которые должны быть  радиоактивны.

 Дейтерий  – исходный элемент для энергии  будущего. Впервые существование  тяжёлого водорода – дейтерия  было доказано в 1932 году. Несмотря  на относительно малое содержание  дейтерия в обычной воде, общее  количество дейтерия на Земле  очень велико. По подсчётам академика  И. В. Курчатова, 1 литр обычной  воды по энергии содержащегося  в нём дейтерия эквивалентен  примерно 400 л нефти, поэтому дейтерия  кат топлива будущего хватит  на сотни миллионов лет. (Вспомните  ещё раз героя Жуля Верна).

 Количество  трития на Земле исчезающее мало. Его меньше 1 кг, но, несмотря на это, его можно обнаружить в каждой капле воды. А его значение в будущей энергетике, возможно, ещё более велико, чем дейтерия. Он неустойчив, период его полураспада – 12, 262 года.

Водород (протий), дейтерий и тритий образуют двухатомные  молекулы. Молекулы с одинаковыми  атомами Н2, D2, Т2 существуют в двух ядерно-изомерных формах, орто- и пара-форме. Эта изомерия является исходной причиной различия магнитных, спектральных и термических свойств обеих модификаций.

ещё один лик  водорода – атомарный водород, победное шествие которого в технике предстоит. Дело в том, что атомарный водород  более перспективное горючее, чем  протий.

 Р. Вуд  в 1922 г. установил, что при  пропускании тихих электрических  разрядов через водород, находящийся  под давлением в нескольких десятых долей миллиметра ртутного столба, можно получить атомарный водород.

Атомарный водород  уже при комнатной температуре  восстанавливает оксиды металлов, соединяется  с кислородом, серой. Но главное, в  чём заключается его ценность и что обеспечивает его будущее, - это огромная энергия, которая выделяется при рекомбинации атомов водорода в  молекулу. Эта теплота используется при автогенной сварке особо тугоплавких  металлов, например тантала с вольфрамом. Температура при такой сварке достигает 4000оС.

 Высокая  теплота рекомбинации атомов  водорода в молекулу открывает  возможность использовать атомарный  водород в качестве особо высокого  по калорийности топлива. Но  атомарный водород очень неустойчив, он существует в течении десятых долей секунды, затем превращается в молекулярный водород. Создание условий, при которых можно было бы хранить атомарный водород, - задача ещё не решённая.

 И наконец,  ещё один лик водорода –  протон (ядро атома водорода), широко  используемый в современной науке  для осуществления ядерных реакций.

 

Сколько получают водорода и для каких целей?

 Водород  получают в газообразном виде  и, если для использования необходим  жидкий водород, его подвергают  глубокому охлаждению и ожижению.

 Производство  молекулярного водорода в 1985 году  достигло примерно 57 млн. тонн (без  СССР), а  в 1990 году уже 95. Если вспомнить, что водород  это газ, который в 14,5 раза  легче воздуха, то станет ясно, какой это громадный объем. 

 Где же  в настоящее время используется  такая масса водорода? Во-первых, в азотной промышленности, для  получения синтетического аммиака.  Во-вторых, для получения метанола  из СО и Н2, Значительное количество водорода используется в нефтехимической промышленности  для очистки нефти от сернистых соединений, для гидрирования тяжелых нефтяных фракций и повышения выхода легких фракций, в ряде нефтехимических синтезов, для гидрирования жиров, в металлургии для восстановления руд черных и цветных металлов, жидкий водород необходим в авиации и космонавтике, в ряде производств. В будущем потребление водорода будет расти более высокими темпами. Возникнет промышленность синтетического жидкого и газообразного топлива на базе твердых горючих ископаемых (гидрирование и гидрогазификация твердых топлив).

Использование водорода для бытовых целей в  значительной степени технически подготовлено. Известны и испытаны различные типы керамических горелок. Регулируя подачу газа в горелку, в которую вмонтирована каталитическая пластина, можно менять в широких пределах температуру  нагрева при приготовлении  пищи. Водород легко и полностью  сгорает при низких температурах на поверхности катализаторов. При  этих температурах полностью исключается  образование оксидов азота. Единственным продуктом сгорания на кухне будет  водяной пар.

 Низкотемпературное  сжигание водорода обеспечивает  его использование в низкотемпературных  каталитических калориферах для  бытового отопления. Форма обогревателя  конструируется в зависимости  от целей обогрева. Например, стены  квартиры могут использоваться  как поверхность нагрева. 

 Освещение  в доме на водороде может  обеспечиваться специальными светильниками,  в которых на внутреннюю сторону  трубки наносится фосфор точно  так же. Как в люминесцентных  лампах. Когда водород в присутствии  регулируемого количества воздуха  вступает в контакт с фосфором, последний люминесцирует, освещая  квартиру, но сама лампа не  нагревается. Холодильники и кондиционеры  в таком доме могут работать  с помощью адсорбционных рефрижераторов  с использованием каталитической  водородной горелки в качестве  источника энергии. К такому  дому не надо подводить электроэнергию  для других электробытовых приборов (пылесосов, телевизоров, вентиляторов  и т.д.), так как электроэнергия  может вырабатываться в самом  доме  на основе водородного  топливного элемента.

 Дом на  водороде ведёт к посёлку на  водороде и городу на водороде, где единственны энергоносителем  становится водород, который используется  не только в быту, но и для  транспортных целей (автомобили  на водородном топливе), в промышленности. Такой город будет совершенно  чистым в экологическом отношении,  так как единственным выбросом  в атмосферу будет чистый водяной  пар.

 

Роль водорода и водородной технологии в кругообороте веществ в природе

 В настоящее  время связанный углерод в  виде природного газа, нефти, твёрдого  горючего (древесины, торфа, каменного  угля) активной человеческой деятельностью в промышленности, на транспорте и в быту переводится в энергетические тупики – залежи карбонатных пород. Общее промышленно выделение СО2 в атмосферу с каждым годом возрастает. Возвратить эту огромную массу связанного углерода, исчисляемую десятками миллиардов тонн, в кругооборот веществ в природе – одна из важнейших задач водородной технологии. Именно водородная технология разработала ряд путей для достижения этой цели. В основе этой технологии лежат процессы гидрирования СО2 до метана, метанола, жидких углеводородов. Например,