Огромный интерес к водороду как к перспективному топливу обусловлен рядом неоспоримых его преимуществ, главные из которых таковы: 1) экологическая безопасность водорода в отличие от других топ-лив, так как продуктом сгорания его является водяной пар; 2) очень высокое значение теплоты сгорания (вчетверо больше, чем у каменного угля); 3) высокая теплопроводность; 4) низкая вязкость, что очень важно при необходимости его транспортировки по трубопроводам, особенно на большие расстояния; 5) практически неограниченные запасы сырья, если в качестве такового рассматривать воду; 6) возможность многостороннего применения водорода: он может быть использован как топливо во многих химических и металлургических процессах, в авиации и автотранспорте, а также в виде добавок к моторным топливам.
Вышеизложенное дало толчок к созданию т.н. водородной энергетики,в которой водород используется как носитель энергии. Водородная энергетика включает следующие стадии: получение водорода из различного сырья; хранение его в газообразном и сжиженном состояниях или в виде искусственно полученных химических соединений, например, гидридов (NaH); транспортирование водорода к потребителю.
Получение водорода.Для промышленного производства водорода используют в основном природный газ, жидкие и твердые горючие ископаемые, воду.
В настоящее время наибольшее количество водорода получают паровой конверсией природного газа. Указанный процесс включает следующие стадии:
1. Каталитическая конверсия метана с водяным паром:
СН4 + Н2О → СО + ЗН2 - 206 кДж.
Реакция осуществляется в присутствии Ni — катализатора при 750-870 °С.
2. Конверсия СО с водяным паром:
СО + Н2О → С02 + Н2 + 41 кДж.
Процесс проводят при 370—440°С в присутствии железохромоксидного катализатора (первая ступень) и при 230—260°С в присутствии цинкхром-медного катализатора (вторая ступень).
3. Выделение водорода из газовой смеси.
Процесс проводят путем последовательной очистки газовой смеси от С02 и остатков непрореагировавших СО, СН4 и Н20.
Получение водорода из твердых горючих ископаемых (например, угля) включает переработку последних с водяным паром и воздухом или кислородом (газификацию):
С + Н2О -> СО↑ + Н2↑ - 118,9 кДж
2С + О2 -> 2СОТ + 230 кДж.
При этом образуется водяной газ, который содержит до 40% СО и 50% Н2, а также СО2, СН4, N2 и примеси сернистых соединений. В дальнейшем газы очищают от нежелательных компонентов, прежде всего негорючих примесей.
Электролизом воды можно получать водород совместно с кислородом. При этом электролитом служит водный раствор КОН (350— 400 г/дм3); давление в электролизерах варьируют от атмосферного до 4 МПа (40 атм.), расход электроэнергии составляет 5,1—5,6 кВтч на 1 м3 водорода.
Описанные традиционные методы получения водорода недостаточно экономичны, если речь идет о широкомасштабном его производстве, исчисляемом сотнями млн т (ныне мировое производство водорода на уровне ста млн т). Это связано, прежде всего, с чрезмерными затратами энергии.
Возможное усовершенствование основного традиционного метода получения водорода — каталитической конверсии природного газа — заключается в том, что процесс проводят в кипящем слое катализато- * ра (газ проходит снизу вверх, взрыхляя последний), а необходимое тепло подводят с высокотемпературного ядерного реактора. При этом возможно снизить затраты на производство водорода на 20—25%.
Другой вариант получения водорода — водно-щелочной электролиз под давлением с использованием относительно дешевой разгрузочной электроэнергии, вырабатываемой в ночное время АЭС.
В последние годы интенсивно разрабатываются плазмохимичес-кие технологии получения водорода, связанные с использованием низкотемпературной (103—105 К) плазмы. Из них наиболее перспективен двухстадийный углекислотный цикл, включающий: 1) диссоциацию (2С02 —> 2СО + 02), осуществляемую в плазмотроне — устройстве для создания плазмы при помощи электрической дуги; 2) конверсию СО с водяным паром (СО + Н20 -> Н2 + С02), после чего образовавшийся диоксид углерода возвращается в плазмотрон для нового цикла.
Имеют перспективу и термохимические циклы получения водорода из воды. Известно, что степень термической диссоциации воды при 248,3°С составляет 11,1%. Указанные термохимические циклы представляют собой совокупность последовательных химических реакций, приводящих к разложению воды при более низкой температуре, чем та, которая требуется для термической диссоциации. В этих циклах все компоненты системы, кроме водородсодержащего сырья (воды), регенерируются.
Среди других исследуемых в последнее время методов получения водорода из воды следует отметить фотоэлектролиз и биофотолиз.
Фотоэлектролиз - метод получения водорода и кислорода из воды при помощи солнечной энергии. Этот процесс осуществлен с КПД пока около 3—4%; он будет представлять практический интерес, если удастся довести КПД до 10—12%.
Биофотолизводы основан на том, что определенные микроорганизмы, например, хлорелла, использующие солнечную энергию для своей жизнедеятельности, способны разлагать воду с образованием водорода. При этом КПД трансформации солнечной энергии такими микроорганизмами составляет около 8%.
Хранение и транспортирование водорода.Газообразный водород хранят в специальных емкостях — газгольдерах, а также сосудах высокого давления — баллонах. Существуют проекты подземного хранения больших количеств водорода в выработанных месторождениях нефти и газа, горных выработках, искусственных соляных кавернах. Жидкий водород хранят и транспортируют в специальных герметических резервуарах с эффективной тепловой изоляцией. При этом емкость стационарных хранилищ достигает 3000 м3 и более, железнодорожных цистерн — 100—125 м3, автомобильных — 25—75 м3. Наконец, проводятся исследования в области получения и хранения водорода в твердом и шугообразном (до 50% твердой фазы) состояниях.