В первой статье "Как получить водород из железных опилок и воды" мы рассмотрели базовые принципы обращения с водородом и провели лабораторное исследование.
Хоть способ получения водорода путем гидролиза воды и является самым энергозатратным, но считается самым "зеленым" при условии, что электричество получено с помощью возобновляемых источников энергии (солнце, ветер, прилив и т.п.). Если быть совсем дотошным, то стоит учесть выбросы парниковых газов при производстве электрогенерирующего оборудования, с помощью которого ВИЭ превращаются в электричество.
Вернемся к рассматриваемому способу выделения водорода на окисляющемся водяным паром железе. Пока не знаю, к какому по экологичной цветности можно отнести данный водород, но сейчас нас это не особо и волнует. Тем более, что оксид железа не является опасным отходом и легко восстанавливается в природе.
ХИМИЯ, ХИМИЯ ВСЯ МИНЗУРКА СИНЯЯ! Народный фольклор (с).
Окисление железа кислородом из водяного пара происходит при температурах 500...600 градусов Цельсия. Составим базовые реакции для того, чтобы понять материальный баланс:
Взаимодействие водяного пара с железом при температурах ниже 570°С протекает по реакциям:
Н2О + 2Fe3O4 = 3Fe2O3 + Н2
4H2О + 3Fe <=> Fe3O4 + 4H2
при температурах выше 570°С - по реакциям:
Н2О + 2Fe3O4 = 3Fe2O3 + Н2
Н2О + 3FeO <=> Fe3O4 + H2
Н2О + Fe <=> FeO + Н2
Реакции взаимодействия водяного пара и оксидной пленки железа можно опустить и рассматривать только реакции с железом, но при этом следует учесть, что они также выделяют водород из водяного пара.
Основным выводом на данном этапе будет то, что выход водорода на атом железа при температурах ниже 570 градусов больше (4 молекулы водорода с 3х атомов железа), чем при температурах выше 570 градусов (1 молекула водорода с 1 атома железа).
Интересно отметить, что реакция взаимодействия железа с водяным паром (H2О) сопровождается выделением тепла, т.е. является экзотермической. А это означает, что можно частично снизить подвод энергии для поддерживания реакции в реакторе.
Удалось найти информацию по константам равновесия для различных температур взаимодействия водяного пара и железа.
На рисунке приведены теоретические кривые равновесия реакций окисления - восстановления железа с двуокисью и окисью углерода и водяным паром и водородом, нас интересует последняя пара.
Кривые 1 и 2 представлены так, что в левой части от кривых расположены области восстановления железа, а в правой части - области окисления железа.
Окислительная способность водяных паров с понижением температуры увеличивается, а с повышением температуры уменьшается (кривая 2). Константа равновесия, представляющая отношение парциальных давлений водяного пара к водороду, при снижении температуры с 1300 до 370°C изменяется от 0.85 до 0.07.
Данный характер изменения кривых подтверждается опытом, проведенным в первой статье.
ПРИКИНЕМ РАСХОДЫ СЫРЬЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ТОПЛИВНОГО ВОДОРОДА
Итак, молекулярная масса Н20 - 18 гр/моль, молекулярная масса железа Fe - 56 гр/моль и молекулярная масса газообразного водорода 2 гр/моль.
4H2О + 3Fe <=> Fe3O4 + 4H2
Значит 4 моля воды соединяется 3 молями железа и получается 4 моля водорода и 1 моль оксида железа. Переведем в массы: берем 72 грамма воды и 168 граммов железа и нагреваем до температуры 570 градусов цельсия и на выходе получаем 8 грамм водорода и 232 грамма оксида железа. Если привести объем водорода к нормальным условиям (условиям улицы при 0 градусов) - это будет 89,6 литра.
СДЕЛАЕМ ПЕРВЫЙ ПОДХОД К ЭКОНОМИКЕ ДАННОЙ ЗАТЕИ
Так как низшая теплота сгорания водорода составляет примерно 120 МДж/кг, то полученной массы водорода достаточно, чтобы получить 960 кДж энергии или 0,23 Гкал. По моим местным тарифам теплоснабжающей организации это стоит 490 рублей.
Будем считать, что Н2О у нас - бесплатное сырье, остается понять сколько стоят железные опилки и энергия на испарение и прогрев реакционной массы.
Для того, чтобы железо и вода вошли в реакцию их надо нагреть, а воду испарить и ее пар перегреть. Предположим, что вода и железо заходит в реактор с температурой 20 гр. Цельсия:
- нагрев воды до 100 гр. С - 24 кДж;
- испарение воды - 162 кДж;
- перегрев пара - 73 кДж;
- нагрев железа до 570 гр. С - 61 кДж.
Итого внутренние потери энергии - 320 кДж, что составляет ровно треть от полученной при сжигании водорода энергии. В целом неплохо мы еще на 640 кДж у нас в плюсе).
Осталось оценить стоимость основного сырья - мелкодисперсного железного порошка.
Рынок предлагает специальные мелкодисперсные порошки родом из г. Челябинска по цене 98 рублей за килограмм, но возможно найти и дешевле. А так как нам требуется 168 граммов железа, то и стоимость загрузки будет 16,5 рублей.
Итого на внутренние затраты нам потребуется 320 кДж рекуперированной тепловой энергии с температурой 570...600 градусов и 16,5 рублей денег, на выходе имеем 640 кДж тепловой энергии (в случае если мы хотим жечь водород для обогрева жилища) или 60 литров чистого водорода. Если уж совсем перейти на стоимость водорода, то 1 литр водорода будет стоить 28 копеек.
Не будем заранее радоваться, т.к. природный газ стоит 0,8 копеек за литр, что в 35 раз дешевле))))))))
Но у водорода по сравнению с природным газом есть очень много преимуществ, о которых можно поразмышлять в следующей статье.