Бюлетень західного наукового центру 2009 Бюлетень Західного наукового центр



Сторінка11/24
Дата конвертації16.04.2016
Розмір2.87 Mb.
1   ...   7   8   9   10   11   12   13   14   ...   24

Завалій І. Ю.©

Водень – паливо майбутнього


(Доповідь на урочистому засіданні з нагоди Дня науки 15 травня 2009 р.)
На сьогодні майже 80 % енергії людство отримує із викопних ресурсів, таких як нафта, газ, кам’яне вугілля, торф, які не є безконечними. Прогнозується, що запасів цієї енергомісткої сировини людству, можливо, вистачити лише на 100-150 років. Вичерпність викопного палива і зумовлені його використанням "парникові ефекти", які негативно впливають на екологічну ситуацію та спричиняють глобальне потепління планети, роблять надзвичайно актуальним розвиток нових підходів до енергетичного забезпечення людства. Радикальним чином вирішити енергетичну проблему можна тільки завдяки впровадженню альтернативних та відновлюваних джерел енергії. Таке впровадження передбачає використання водню як пального, розробку високоенергоємних хімічних джерел струму і накопичувачів енергії (зокрема паливні комірки, металогідридні джерела струму, літієві хімічні джерела енергії), біопаливо, використання гідроелектроенергії малих та гірських рік, енергії геотермальних вод, енергії Сонця, вітру, енергії за рахунок спалювання відходів тощо. За прогнозом Світового енергетичного конгресу за рахунок альтернативних енергогенеруючих систем у 2020 р. планувалося забезпечити 5,8 % загального енергоспоживання планети. Високорозвинені країни (США, Японія, Євроспільнота та інші) планували довести частку альтернативного енергоспоживання до 20 % [1,2]. Звичайно, світова економічна криза може внести у ці плани свої корективи, але принципово змінити поставлене питання чи його обминути очевидно не вдасться.

Отже, чому останнє десятиліття серед глобальних шляхів вирішення енергетичних проблем людства інтенсивно обговорюється можливість використання водню як ефективного палива? Теплотворна здатність водню складає 142 МДж/кг і за цим показником він є в 3 рази ефективнішим за бензин. Проте водень в чистому вигляді практично не зустрічається на нашій планеті, а отже його треба добувати. Основним джерелом сировини для водню є вода, запаси якої на Землі практично необмежені (хоча водень також отримують як супутній продукт в ряді хімічних виробництв, металургійних процесів тощо). Добутий газоподібний водень треба зберігати, транспортувати та спалювати, ефективно перетворюючи та використовуючи виділену енергію. Єдиним продуктом спалювання водню є вода, а отже він є абсолютно "екологічно-толерантним" паливом. Його використання не буде викликати різного роду парникових ефектів, які ми маємо при спалюванні вугілля чи вуглеводнів. І це в свою чергу повинно допомогти вирішити серйозні екологічні проблеми, зокрема, і такі глобальні як потепління клімату на планеті. Ці дві базові переваги водню як палива унаочнені у вигляді діаграм (рис. 1).

Водень давно використовується як паливо в космічних програмах типу "Space-Shuttle". Проте поряд з такими унікальними програмами існує багато пілотних і реально діючих проектів використання водню як палива в побуті, промисловості та на транспорті. Практично кожна потужна автомобільна компанія розробляє або вже має готові моделі авто, що працюють на водневому паливі. При тому, цій проблемі присвячуються не тільки наукові чи економічні форуми, спеціалізовані журнали чи видання, наукові проекти великих компаній та корпорацій але і довгострокові програми на рівні держав чи міждержавних об’єднань. Тим не менше актуальною проблемою залишається правильна оцінка перспектив водневої енергетики, можливість її широкого впровадження та складність тих проблем (наукових, технологічних та організаційних), які треба буде вирішити для створення економічно конкурентних проектів (матеріалів, технологій та пристроїв).


Рис. 1. Порівняльні діаграми теплотвірної здатності та викидів вуглекислого газу при спалюванні водню та інших видів палива [2].


Застосування водню та особливості водневих технологій


Водень є найбільш розповсюдженим елементом у Всесвіті (93 ат.%) і одним із найрозповсюдженіших на Землі (15,52 ат.%). При середньому вмісті водню в земній корі 1,4 г/кг, в основному він міститься у воді і органічних сполуках, включаючи кам’яне вугілля, нафту, природний газ і біомасу. Водень володіє унікальним набором властивостей, які з однієї сторони визначають можливості його широкого застосування в різних областях промисловості, а з другої – породжують ряд технічних проблем, які потребують свого вирішення в процесі реалізації того чи іншого процесу за участі водню [1, 3-6].

Здатність водню вступати при підвищених температурах в присутності каталізаторів в реакції гідрування широко використовується в хімічній (синтез аміаку і метанолу), нафтохімічній (гідрокрекінг) і харчовій (гідрування рослинних жирів) промисловостях. Відновлювальні властивості водню (можливість відновлення оксидів, галогенідів та інших сполук до елементів) використовується в хімічній технології, в порошковій металургії, металообробці, машинобудуванні, мікроелектроніці.

Із усіх відомих газів водень має найменшу в’язкість і найвищу теплопровідність. Так, при кімнатній температурі і атмосферному тиску теплопровідність водню (0,182 Вт/м∙К) в 1,24 рази перевищує теплопровідність гелію, в 5,9 – метану, в 7,2 – азоту і кисню, в 10,7 – аргону. Коефіцієнт динамічної в’язкості газоподібного водню при кімнатній температурі і атмосферному тиску 8,92∙10-6 Па∙с, що в 2,11 раз менше ніж для гелію при таких же умовах [3, 7]. Завдяки цій властивості водень ефективно використовується для зменшення тертя в частинах установок (наприклад, турбогенераторів в тепловій і атомній енергетиці) і їх охолодження. Водночас низька в’язкість водню зумовлює підвищену ймовірність його витоку через ущільнення, ставлячи більш жорсткі вимоги до якості водневої газової арматури.

Водень відноситься до горючих газів з підвищеною пожежо- і вибухонебезпечністю [8]. Цьому сприяють широкі концентраційні межі горіння і детонації, висока швидкість поширення вогню (у 8 раз вища, ніж метану), а також низька (в 14,5 раз менша, ніж метану) мінімальна енергія спалаху. Разом з тим низька густина і висока дифузійна здатність водню сприяють швидкому зниженню його концентрації на відкритій місцевості і у вентилюючих приміщеннях.

На даний час технології великомасштабного виробництва і переробки водню є добре освоєні. Згідно з даними [9-13] щорічне світове виробництво водню на кінець 1990-х рр. складало ~40-45 млн. т або ~450- 500 млрд. м3. Вказані об’єми є значними і відповідають 20-25 % щорічного видобутку природного газу. Більшу частину водню отримують методом парової конверсії або часткового окислення вуглеводневої сировини, головним чином, природного газу. Слід зазначити, що на даний час лише 62 % водню виробляють як кінцевий продукт, решта 38 % являються побічним продуктом інших виробництв (нафтопереробка, коксохімія та інші). До останнього також відноситься весь водень, який одержують електролізом (виробництво хлору і каустичної соди).

Основними споживачами водню (95 %) є хімічна промисловість і нафтопереробка. Водень являється ключовим елементом у виробництві мінеральних добрив (одержання аміаку). Визначальне значення має використання водню у багатьох процесах органічного синтезу як у вигляді метанолу, так і безпосередньо реагентом. Особливе місце водень займає у нафтопереробці (гідрокрекінг, гідроочистка), сприяючи збільшенню глибини переробки сирої нафти і підвищенню якості кінцевих продуктів – вуглеводневих палив з підвищеною теплотворною здатністю і зменшеними шкідливими викидами від їх спалювання. Потреба нафтопереробки у водні на 1998 рік становила біля 1 % від об’єму перероблюваної сирої нафти [14]. Розкислювальну дію водню широко використовують в порошковій металургії, металообробці, виробництві скла, синтетичних рубінів і т.п. (разом приблизно 2 % від загального споживання водню). Застосування водню в мікро-електроніці, головним чином пов’язане з одержанням кремнію шляхом відновлення SiCl4.

Як вже згадувалося вище, основним споживачем водню як палива є космонавтика. Комбінація "рідкий водень(паливо) – рідкий кисень(окисник)" забезпечує максимальне виділення енергії на одиницю маси, що є визначальним критерієм для аерокосмічних апаратів. Це діючі унікальні проекти, а широке впровадження водневої енергетики передбачає використання як інших технологій так і створення для них широкої інфраструткури. Цьому повинно передувати вирішення ще цілого ряду наукових та технологічних проблем. А тому коротко проаналізуємо глобальність поставлених завдань та можливість їх вирішення.

Воднева енергетика та використання водню як енергоносія: проблеми та перспективи

Коли ми зустрічаємося з твердженнями, що на Землі є необмежені запаси водню і не уточнюємо в якому стані є цей водень, то це може бути причиною першого і дуже суттєвого непорозуміння. Пам’ятаймо – на земній кулі є дуже великі запаси води, а це є продукт спалювання водню. Для того щоби добути з неї водень у вільному стані потрібно затратити енергію, при цьому кількість цієї енергії повинна бути більшою за ту, яку ми отримаємо в результаті спалювання добутого водню. Тому можемо і маємо говорити не про водень як викопне паливо, але лише як про енергоносій який треба добувати (і який володіє двома суттєвими перевагами – екологічна толерантність і найвища теплотвірна здатність).

Водень для енергетичних потреб планують виробляти як традиційними методами: електролізом води та конверсією природного газу чи вугілля, так і за новими технологіями: біохімічною переробкою, термічним розщепленням води, взаємодією різних речовин (наприклад алюмінію) з водою тощо. Для всіх цих методів одержання водню необхідно затрачати енергію, часто мова ведеться про використання ядерної чи термоядерної енергії, а також про використання надлишкової енергії циклічних процесів (енергії сонця, припливів, пікові навантаження/споживання гідроелектроенергії) тощо. Пріоритетним напрямком вважається електролітичне виробництво водню з води з використанням відновлюваних джерел енергії чи ядерної енергетики.

Створення ефективних технологій одержання, акумулювання-транс­портування і спалювання водню та їх впровадження на практиці має стати основою водневої енергетики з названими вище перевагами. Використання енергії сонця для добування водню з його подальшим спалюванням може стати основою сонячно-водневої енергетики, яка в майбутньому має cуттєво зменшити залежність людства від викопного палива.

Водень також найлегша з існуючих речовин, тому його ефективне зберігання є складною проблемою. Головний недолік водню – дуже низька об’ємна густина енергії. Один кілограм газоподібного водню за кімнатної температури і атмосферного тиску займає об’єм 11,2 м3 і для забезпечення 100 км пробігу автомобіля з водневим паливним елементом необхідно мати на борту ~11 м3 газоподібного водню. Отже, слід розробити ефективні методи його компактного зберігання. Серед таких методів є компресування чи зрідження водню, а також його зв’язування в хімічних сполуках (металогідридах, комплексних гідридах, вуглецевих наноматеріалах, складних органічних сполуках тощо), з яких його за певних умов можна отримувати і використовувати.

Головним недоліком поширених і розроблених на сьогоднішній день металогідридних матеріалів на основі РЗМ (сплави типу AB5) чи на основі титану та цирконію (сплави типу AB2 і AB) є недостатньо високий ваговий вміст у них водню (зазвичай він становить до 1.5 мас.% H для AB5 і до 2 мас.% H для сплавів AB2 і AB). При цьому реальні значення вагової та об’ємної ємності пристроїв для накопичення водню суттєво нижчі. Для вибору оптимальної для певного застосування металогідридої системи слід взяти до уваги об’ємну та масову концентрацію зберігання водню кожної з них. В разі, якщо застосування не має обмеження по вазі, то доречно використовувати звичайні металогідриди, наприклад, на основі LaNi5H6. Таким може бути зберігання водню на станціях водневої заправки, де маса підземних контейнерів не відіграє великої ролі. В той же час, для використання водню в якості автомобільного палива ставить великі обмеження по масі, тому слід приділяти увагу високій не тільки об’ємній, але й масовій концентрації водню у середовищі зберігання. Серед металогідридів найкращими характеристики як масової так і об’ємної густини володіють гідриди AlH3 та MgH2 (рис. 2 [15]). Ці матеріали мають свої переваги та недоліки. Використання гідриду алюмінію обмежує складність синтезу цього матеріалу та незворотність процесу синтез-розклад (при задовільних параметрах розкладу), а використання магнію як накопичувача водню до останнього часу було обмежене низькою кінетикою абсорбції-десорбції та високими температурами, за яких відбуваються ці процеси. Та саме цьому типу сплавів останнім часом дослідниками приділяється багато уваги, зокрема, в Фізико-механічному інституті ім. Г.В. Карпенка НАН України в результаті синтезу нових наноматеріалів на основі магнію вдалося суттєво покращити параметри сорбції-десорбції водню і показати, що таке покращення відбувається за рахунок зміни кінетичних параметрів процесу [16, 17].

Необхідні об’єми водню, що зберігається в різний спосіб на борту автомобіля, для 100 мильного пробігу наведені на рис. 3 (дані взято з [18]). З приведеного порівняння видно, що саме сплави на основі магнію (за умови одержання задовільних параметрів поглинання та виділення водню) є найбільш перспективними у порівнянні з іншими металогідридами, стиснемим чи зрідженим воднем.






Рис. 2. Об’ємний та ваговий вміст водню
в різних металогідридних матеріалах [15].

Рис. 3. Об’єми водню як пального для автомобільного використання у різних формах для 100 миль пробігу [18].


Але використання водню на борту автомобіля прямим згорянням у двигуні внутрішнього згоряння є можливим але неефективним процесом. Зараз інтереси багатьох дослідників спрямовані на роботу водень-кисневих паливних елементів, в яких в результаті спалювання водню генерується електричний струм (процеси електрохімічного окислення водню та відновлення кисню відбуваються на розділених електродах). Під час згоряння 1 м3 водню в тепловій енергоустановці з ефективністю 15-20 %, виділяється від 0.45 до 0.6 кВтгод енергії. Генерування енергії паливним елементом з ефективністю 40…60 % становить від 1.2 до 1.8 кВтгод/м3 H2. Отже загальна ефективність електрохімічного спалювання водню в паливних елементах є в 3 рази вищою. Загальний вигляд системи подачі водню (металогідридного акумулятора) та паливного елемента представлені на рис. 4.





Рис. 4. Загальний вигляд системи подачі водню (зліва)
та паливної комірки (справа).

Звичайно можуть бути різними погляди оптимістів та скептиків на май­бутнє водневої енергетики, різними можуть бути і терміни впровадження систем альтернативної енергії, проте враховуючи аргументи приведені вище (екологічна толерантність водню як палива та ефективність його спалюван­ня в паливних комірках) майбутнє цієї пари виглядає безальтернативним. Зрозуміло також, що надважливою умовою поширення водневої енергетики є створення і впровадження ефективних паливних елементів, які дозволяють перетворювати енергію хімічних зв’язків молекулярного водню в електричну енергію шляхом електрохімічної взаємодії з киснем. З цією метою треба вирішити цілий ряд наукових, технічних та чисто економічних завдань, серед яких такі як низькі терміни експлуатації існуючих на сьогодні паливних елементів, використання великої кількості дорогих благородних металів в якості каталізаторів, висока вартість паливних комірок тощо. Та якщо мова іде про транспорт, то основні автомобільні виробники вже мають серед своїх розробок моделі на паливних елементах. На рис. 5 приведене фото однієї з таких розробок, яка була продемонстрована учасникам між­народного симпозіуму "Системи метал-водень: фундаментальні проблеми та застосування – MH’2008" (Рейк’явік, червень 2008 р.).



Рис. 5. Демонстрація автомобіля з воднево-повітряною паливною коміркою фірми "Даймлер-Крайслер" під час проходження міжнародного симпозіуму MH’2008.


Про стан досліджень в галузі водневої енергетики в Україні


Зрозуміло, що масштабні зміни в енергетичному забезпеченні людства повинні бути підготовлені на фундаментальному науковому, технологічному і економічному рівнях. Очевидно, що надважливим завданням на перших 2-х рівнях є науково-технічна кооперація колективів вчених як в межах однієї держави так і в міжнародному масштабі. Ця кооперація повинна відбуватися не на окремих програмах чи проектах, а на довготривалій державній і міждержавній стратегії розвитку водневої енергетики, розрахованої мінімум на 20-30 років, з чіткими критеріями і параметрами, які повинні бути досягнуті на кожному етапі і протягом конкретного терміну. Наприклад, за завданнями водневої програми ЄС загальна доля водню в паливному балансі країн спільноти повинна складати 2 % до 2015 року і 5 % – до 2020 року. Безумовно, що про подібні плани для України чи інших країн з менш потужними економіками не може йти мова. Безумовно, що світова фінансова криза внесе свої корективи в перспективні плани економічного розвитку всіх країн. Але дуже важливим для країн з середнім рівнем економічного розвитку (до яких віднесемо і Україну) є міжнародна кооперація і знання та детальний аналіз тих досягнень і орієнтирів, які вже зроблені (поставлені, досягнуті) в державах чи об’єднаннях держав, які є лідерами світового наукового прогресу (США, Японія, ЄС). А отже дуже важливою для українських вчених є участь в міжнародних проектах, просто кооперація, чи навіть участь в міжнародних симпозіумах, що дозволяє виставляти правильні орієнтири і оцінки, об’єк­тивно визначати своє місце в системі міжнародного наукового процесу.

Питання про можливу роль України у міжнародних наукових "гіперпрограмах" (термоядерна енергетика, сонячно-воднева енергетика тощо) заслуговує окремого і більш детального обговорення. Зараз лише зазначимо, що болюча енергетична тема для України (мається на увазі її забезпеченість нафтою і газом) робить розвиток альтернативної енергетики для неї дуже актуальним завданням. І якщо ставити собі за мету розв’язати такі завдання то обов’язково треба добитися чіткості як в поставлених завданнях так і в планах їх досягнення. Іншим важливим моментом організації в маштабних наукових проектах повинна бути підготовленість і оснащеність лабораторій, які беруть в ньому участь. Добре, що в рамках НАН України функціонує програма "Фундаментальні основи водневої енергетики", в якій беруть участь близько 60-ти наукових колективів, що в рамках цієї програми отримано перспективні результати в трьох напрямах – одержання, зберігання і використання водню. Але є і інша сторона цієї медалі – вартість проекту в рамках цієї програми складає ~58 тис. доларів США, а об’єм фінансування всієї програми складає 0,20,4 млн. дол. США на рік. Для порівняння – вартість одного подібного проекту в США (як правило, в ньому задіяна невелика кількість дослідників) вимірюється мільйонами доларів, а інвестиції у водневу програму США ще в 2005 році складали ~150 млн. дол. і з кожним роком вони невпинно зростають. Але суттєво вищими (майже у 30 разів!) є інвестиції у водневу програму навіть в сусідній Росії (~15 млн. дол. США на 2007-2008 рр., 48 проектів) [19]. Зрозуміло, що малі об’єми фінансування в Україні не передбачають придбання нового сучасного обладнання, дорогих реактивів тощо, а це в свою чергу веде взагалі до відмови від наукових досліджень в ряді нових перспективних напрямів (наприклад, хімії комплексних гідридів, які у світі досліджуються надзвичайно інтенсивно). І тут нам слід говорити про правильність вибору власних пріоритетів (до речі, першим пунктом водневої програми США є виробництво водню з вітчизняних ресурсів!). І знову слід говорити про ефективність використання невеликих за обсягом коштів, які виділяються на науку в Україні, і про необхідність оцінки вітчизняного наукового продукту за європейськими чи світовими критеріями. І про те, що тільки оптимізація всіх цих складових наукового процесу може дати відчутний результат в майбутньому і знаходження українських вчених на передовій лінії розробки і впровадження нових технологій в альтернативній енергетиці і наукового пошуку взагалі.


Література:


1. Б. П. Тарасов, М. В. Лотоцкий. Водород для производства энергии: проблемы и перспективы. Альтергативная энергетика и экология. 2008. № 8. C.72-90.

2. В. А. Яртись, О. Б. Рябов, М. В. Лотоцький. Матеріалознавство та структурна хімія металогідридів. – Львів: СПОЛОМ, 2006. – 288 с.

3. Д. Ю. Гамбург, В. П. Семенов, Н. Ф. Дубовкин, Л. Н. Смирнова. Водород. Свойства, получение, хранение, транспортирование, применение: Справочник. / Под ред. Д. Ю. Гамбурга и Н. Ф. Дубовкина. М.: Химия, 1989.

4. F. Barbir. Review of Hydrogen Conversion Technologies. Clean Energy Research Institute, University of Miami, Coral Gables, FL 33124, U.S.A.

5. Э. Э. Шпильрайн, С.П. Малышенко, Г. Г. Кулешов. Введение в водородную энергетику. М.: Энергоатомиздат, 1984.

6. Л. Ф. Козин, С. В. Волков. Водородная энергетика и экология. – Киев: Наукова думка, 2002. – 334 с.

7. База данных "Термические константы веществ" (Рабочая версия от 17 декабря 2002 г.) http:/www.chem.msu.su/cgi-bin/tkv2.pl?show=welcome.html.

8. Hydrogen: Hazardous Substance Fact Sheet. New Jersey Department of Health and Senior Services, June 1996 (revision August 2002).

9. M. S. Dresselhaus, I. L. Thomas. Alternative energy technologies. Nature. 2001. Vol. 414, No.15. P. 332-337.

10. R. M. Dell, D. A. J. Rand. Energy storage – a key technology for global energy sustainability. Journal of Power Sources. 2001. Vol.100. P.2-17.

11. L. Browning. Projected Automotive Fuel Cell Use in California, P600-01-022, Consultant Report – Prepared for California Energy Commission, October 2001.

12. R. Wurster, W. Zittel. HYDROGEN ENERGY. Workshop on Energy technologies to reduce CO2 emissions in Europe: prospects, competition, synergy, Energieonderzoek Centrum Nederland ECN, Petten, April 11-12, 1994.

13. W. Zittel, R. Wurster. Hydrogen in the Energy Sector. Issue: 8.7.1996.

14. R. Ramachandran, R. K. Menon. An overview of industrial uses of hydrogen. Int. J. Hydrogen Energy. 1998. Vol.23, No.7. P.593-598.

15. Звіт по темі № 36 "Розроблення нових гідридоутворюючих матеріалів на основі магнію, титану та РЗМ для ефективного зберігання та транспортування водню" програми НАН України "Фундаментальні проблеми водневої енергетики", 2007 р. – 32 с.

16. І. Ю. Завалій, Р. В. Денис, В. В. Березовець. Механохімічні методи синтезу нових композитних матеріалів на основі магнію для акумулювання водню. Фізико-хімічна механіка матеріалів. 2009. Т.45, № 2. C.93-102.

17. R. V. Denys, I. Yu. Zavaliy, V. Paul-Boncour, V. V.Berezovets, I. V. Koval’chuk, A. B. Riabov. New Mg-Mn-Ni alloys as efficient hydrogen storage materials. Intermetallics, submitted.

18. L. Schlapbach, A. Züttel. Hydrogen-storage materials for mobile applications. Nature. 2001. Vol. 414. P.353-358.

19. Б. П. Тарасов. Водородные технологии для производства энергии и источники водорода для топливных элементов. Материалы XI Международной конференции ICHMS-2009 "Hydrogen Materials Science and Chemistry of Carbon Nanomaterials", Ялта, Украина, 25-30 августа 2009 г. C.264-267.

1   ...   7   8   9   10   11   12   13   14   ...   24


База даних захищена авторським правом ©shag.com.ua 2016
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка