Часть 4.
Одно из перспективных и обоснованных способов получения водорода – это использование водородных технологий в альтернативной энергетике.
Подружить водородную и альтернативную энергетику пытаются уже давно, и сегодня мир располагает достаточными данными для глубинного анализа перспективности подобного метода.
1. Солнечная тепловая энергия.
В основе метода – тепловой распад воды.
При температуре более 1700 °C вода самопроизвольно распадается на водород и кислород. Получить подобные температуры можно при фокусировке солнечного света в одной точке с помощью линзы либо параболического зеркала.
Концепция и технология производства водорода высокотемпературным разложением воды при помощи солнечного света была разработана швейцарской компанией “Clean Hydrogen Producers”.
Параболические зеркала, использованные в технологии, имеют общую полезную площадь 92 кв.м; температура в точке фокусировки составляет 2200 °C. Установка способна обработать до 100 литров воды, производя более 10 килограмм водорода в день.
Оригинальный способ получения водорода предложили в израильском институте имени Вейцмана. Суть технологии заключается в получении неокисленного цинка в солнечной башне.
Оксид цинка, содержащийся в древесном угле, нагревается в солнечной башне до температуры 1200 °C, в результате химических процессов получается чистый цинк. Полученный цинк извлекается и доставляется на место производства водорода. Цинк помещают в воду, где в результате химической реакции выделяется водород с образованием оксида цинка, который повторно используется в солнечной башне. И так по замкнутому циклу.
Технология прошла испытания в Канадском Институте Энергетических Исследований.
2. Энергия ветра.
Несмотря на кажущуюся простоту и эффективность данного метода, он до сих про фактически находится на экспериментальной стадии освоения.
Департамент энергетики США совместно с национальной исследовательской энергетической лабораторией без малого 14 лет проводит исследовательские работы по концепции «Водород из ветра», исследуя сравнительные методы производства водорода гидролизом с помощью энергии ветра и энергии из промышленной электрической сети. Построены водородные заправочные станции с ветрогенераторами мощностью до 100 кВт.
Ветро-гидролизная система установлена в Национальной лаборатории по изучению возобновляемой энергии.
Сравниваются различные технологии гидролиза воды, их стоимости, а также способы хранения водорода.
Согласно первоначальным расчётам, в ближайшем будущем себестоимость производства водорода из энергии ветра составит 4,03 доллара за кг водорода. При этом США смогут производить из энергии ветра свыше 154 млрд кг водорода в год.
Однако данный проект, намеченный на 2019 год, всё еще находится на исследовательской стадии, перейдя лишь во вторую фазу исследования – «Wind2H2».
Фактически это означает, что получение электрической энергии ветрогенерацией выгоднее, чем полный цикл по получению, хранению и использованию водорода (даже в качестве энергетического буфера).
3. Получение водорода из отходов.
В 2006 году Лондонское водородное партнерство опубликовало исследование о возможности производства водорода из муниципального и коммерческого мусора.
Согласно исследованию, только в Лондоне можно ежедневно производить 141 тонну водорода как пиролизом, так и анаэробным сбраживанием мусора, а из муниципального мусора можно производить 68 тонн водорода.
В 2013 году Лундский университет в Швеции провел собственные исследования получения водорода из золы. Золу можно использовать в качестве ресурса за счёт рекуперации водородного газа вместо того, чтобы выпускать её в воздух, как это делается в настоящее время.
Процесс получения водорода включает в себя размещение золы в бескислородной среде. Зола смачивается водой, после чего образуется газообразный водород. Газ всасывается через трубы и хранится в резервуарах.
Метод кажется перспективным, однако по состоянию на 2020 год так и не был развит.
4. Химическая реакция воды с металлами.
В 2007 году Университет Purdue в США разработал метод производства водорода из воды при помощи алюминиевого сплава.
Сплав алюминия с галлием формируется в топливные гранулы . Топливные гранулы помещают в бак с водой. Галлий создаёт вокруг алюминия пленку, предотвращающую окисление алюминия.
В результате реакции создается водород и оксид алюминия.
Из одного килограмма алюминия можно получать более 4,4 кВт·ч энергии от сжигания водорода и более 4 кВт·ч тепловой энергии во время реакции алюминия с водой.
5. Получение водорода из биомассы.
Водород получается термохимическим или биохимическим способами.
При термохимическом методе биомассу нагревают без доступа кислорода до температуры 500–800 °C, что намного ниже температуры процесса газификации угля. В результате процесса выделяется H2, CO и CH4.
Себестоимость процесса - 6 долларов за килограмм водорода.
В биохимическом процессе водород вырабатывают различные бактерии, например Rodobacter speriodes. Возможно применение различных энзимов для ускорения производства водорода из полисахаридов (крахмал, целлюлоза), содержащихся в биомассе. Процесс проходит при температуре 30 °C при нормальном давлении.
Себестоимость получения водорода при этом около 2 долларов за килограмм.
6. Биохимическое производство водорода.
Многообещающей и перспективной альтернативой промышленным процессам получения водорода является разложение воды с использованием солнечной энергии в процессах фотосинтеза и биоконверсии.
В процессе фотосинтеза зелёные растения и морские водоросли (микроскопические одноклеточные растения) преобразовывают углекислый газ, воду и солнечный свет (зеленую часть спектра с длиной волны 500 нм) в углеводы, воду и кислород.
CО2 + 2H2O → CH2 + H2 О + 3/2O2.
Солнечный свет поглощается светочувствительным пигментом, например белком хлорофилла. С помощью активных центров этого белка энергия передаётся электронам, источником которых служит некоторое донорное вещество. Затем, как и при фотосинтезе, электроны через промежуточное соединение “ферродоксин” доставляются к ионам водорода, восстановление которых до молекулярного состояния происходит под действием катализатора биологической природы:
- "2H2O"+"hn" → "O2"+"4H+" + "4e–"
- "4H+"+ "4e–" → 2H2.
Однако исследования в области биологических методов получения водорода носят пока только лишь поисковый характер, находясь на стадии фундаментальных исследований.
Российский вклад.
Одним из наиболее продуктивных и успешных проектов применения водорода в возобновляемой энергетики реализован в России. Он носит название “Комбинированная энергоустановка”.
Государственным научным центром «Физико-энергетический институт» разработана комбинированная энергоустановка электрической мощностью 7,5 кВт, включающая в себя: ветрогенератор (ВГ), электролизёр, ресивер водорода и батарею топливных элементов (БТЭ).
Эксплуатация установки подтвердила её принципиальную работоспособность, а именно:
- Постоянная работа БТЭ с генерацией необходимого количества электричества и тепла для потребителя;
- Умеренная потребная мощность ВГ и, соответственно, стоимость установки.
Однако лавными недостатками были признаны:
- большая потребная мощность ВГ, а значит и стоимость всей установки;
- отсутствие тепла в режиме, когда электроэнергия поступает потребителю прямо с ВГ;
- необходимость частого включения-выключения БТЭ, что снижает её ресурс.
Выводы как российских, так и зарубежных исследований дают ясное понимание, что решить проблему получения водорода и его использования даже в качестве накопителя энергии для выравнивания прерывистой генерации альтернативных источников энергии не представляется возможным с точки зрения энергетической эффективности.
В следующей статье рассмотрим проблемы водородной энергетики.
Часть 5. Проблемы водородной энергетики
================================================================
P. S. Ссылки на источники теперь находятся в группе Вконтакте!