Водород в энергетике

Учеными уже давно рассматривается водород как возможный энергоноситель и сырье для микробиологической промышленности. Но водород не только экологически чистое топливо, он прекрасный восстановитель для получения металлов из окислов, сырье для химической промышленности. В качестве топлива он может использоваться как в двигателях внутреннего сгорания для самых различных видов транспорта от автомобилей до космических и подводных аппаратов, так и для отопления жилищ.


Водород обладает самыми высокими удельными энергетическими характеристиками: его теплотворная способность примерно в 3 раза выше, чем у лучших сортов углеводородных топлив. По этому показателю молекулярный водород уступает только атомарному водороду же, при рекомбинации которого выделяется энергия в 10 раз большая, чем у лучших сортов ракетного углеводородного топлива. Одна из важных особенностей водорода как топлива — его способность гореть в широком диапазоне концентраций кислорода (здесь он уступает лишь ацетилену).

Широкий диапазон возможностей применения водорода делает его практически универсальным энергоносителем, ориентируясь на который можно постепенно перестроить всю экономику планеты. Именно поэтому расчет на получение водорода на океанских электростанциях кажется достаточно перспективным: получение водорода в качестве конечного продукта работы таких станций снимает вопрос о необходимости аккумулирования энергии, упрощает передачу из удаленных районов в места потребления, исключает необходимость увязывать работу океанских электростанций с энергосетями.

Такой вариант использования океанской энергии оказывается приемлемым не только для автономных ОТЭС, но и для удаленных от потребителей энергии приливных, волновых и ветровых электростанций. Вырабатываемый на таких станциях водород мог бы транспортироваться по трубопроводам. При создании таких трубопроводов есть, конечно, свои трудности, связанные с возможностью охрупчивания материалов, происходящего из-за способности водорода образовывать с металлами совершенно особый класс соединений — гидриды, и вследствие коррозии, развивающейся в местах утечки водорода. Сейчас ведется активный поиск конструкционных материалов, способных противостоять этим явлениям. Возможно применение керамики, пластмасс и композитных материалов.

Впрочем, гидриды сейчас изучаются и как перспективные аккумуляторы водорода. Оказалось, что ряд металлов, сплавов и соединений обладает уникальной способностью растворять в себе водород, причем процесс этот является обратимым и может управляться, например, изменением температуры. Объемное содержание водорода в гидридной форме по отношению к массе контейнера выше, чем при его хранении в жидком состоянии. Порошки интерметаллидов образуют уже при обычных температурах гидриды с содержанием водорода до 1,8% по массе. Существуют соединения, способные в диапазоне температур 100— 200°С и давлении 1—1,4-106 Па растворять до 5—7% водорода по массе. Плотность водорода в таких соединениях приближается к плотности его в жидком состоянии.

По технико-экономическим показателям устройства на гидридах оказываются значительно эффективнее традиционных, в которых водород запасается в жидкой или газообразной фазах. В книге А. Н. Подгорного и других приведен пример, позволяющий сравнить гидридный аккумулятор со стандартным газовым баллоном, рассчитанным на хранение 500 г водорода. Такой баллон при полезном объеме до 45 л имеет массу около 80 кг, соответствующий же контейнер с гидридом массой не более 50 кг имеет объем всего 14 л. Заряжается такой аккумулятор при низких давлениях и не требует ни компрессоров высокого давления, ни толстостенных либо теплоизолированных, как в случае хранения жидкого водорода, сосудов. Упрощаются, таким образом, заправка, транспортировка, хранение (хранение жидкого водорода требует специальной холодильной техники), повышаются взрыво- и пожаробезопасность.

Очень интересное свойство гидридного аккумулятора — его избирательность, позволяющая не только извлекать водород из смесей с другими газами, но и очищать его от посторонних примесей. Это особенно важно при дальнейшем использовании водорода для производства белка. Затраты энергии в цикле хранения водорода в гидридных аккумуляторах примерно сравнимы с газобаллонным методом и в 4—5 раз ниже, чем при сжижении. Они составляют 1,8—2,2 кВт-ч/кг водорода. На. основе использования гидридных систем сейчас разрабатываются самые различные устройства от двигателей внутреннего сгорания до холодильных машин.

Трудно рассчитывать, что гидридные аккумуляторы водорода найдут применение в системной энергетике. Их наиболее вероятное место — обеспечение непрерывной работы сравнительно небольших энергетических установок.