Прикладная химия

Рыскалиева Роза

ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА. В 70-е годы впервые возникла идея о том, что для уменьшения загрязнения ОС в результате сжигания ископаемых топлив целесообразна замена их на Н₂. О водороде стали все чаще говорить как о «топливе будущего». Это легко воспламеняющийся газ, который можно использовать в быту вместо природного; Н₂ может служить автомобильным горючим. Теплотворная способность водорода Н₂ – 120000 кДж/кг. Использование водорода гораздо чище с экологической точки зрения, так как единственным продуктом горения является вода Н₂О. Таким образом, значительно

сократилось бы загрязнение атмосферы. Водород самый распространенный элемент на Земле, но он практически не встречается в свободном виде, так как окисляется до воды. Это единственная серьезная преграда на пути крупномасштабного использования водорода в качестве горючего топлива. Следовательно, нужны перспективные методы его получения, хотя способов синтеза Н₂ много. Простейшие из них – взаимодействие водных растворов кислот и оснований с металлами:

Zn + 2HCL -> ZnCL2 + H2; Zn + 2NaOH -> Na2ZnO2 + H2

Заслуживают внимания три варианта получения Н₂ из органического сырья:

1. паровая конверсия метана СН₄, являющегося главным компонентом природного газа:

СН₄ + Н₂О -> СО + 3Н₂ – 50 ккал

СО + Н₂О -> СО₂ + Н₂ + 10 ккал

СН₄ + 2Н₂О -> СО₂ + 4Н₂ – 40 ккал – суммарное уравнение.

2. паракислородная конверсия метана СН₄ – более совершенный вариант:

2СН₄ + О₂– > 2СО + 4Н₂ + 16 ккал

СН₄ + Н₂О -> СО + 3Н₂ – 50 ккал

7СН₄ + 3О₂ + Н₂О -> 7СО + 15Н₂ – 34 ккал – суммарное уравнение.

Как следует из уравнений, в обоих вариантах требуется затрата больших количеств дефицитного природного газа как исходного сырья.

3. газификация угля: 2С + О₂– > 2СО + 55 ккал; С + Н₂О -> СО + Н₂ – 30 ккал. Комбинацией этих двух реакций можно получить смесь водорода и угарного газа, называемого «водяным газом». В последнее время метод получения водорода из воды и угля считается одним из наиболее перспективных. Но уголь – ограниченный ресурс.

Очень перспективным, по мнению специалистов, является вариант использования водяного газа для восстановления окислов железа при 800-900⁰С: 2Fe3O4 + CO + H2 -> 6FeO + H2O + CO2 – 22 ккал с последующей обработкой FeO водяным паром при 600-700⁰С. После конденсации паров воды можно получить чистый Н₂: 3FeO + Н₂О -> Fe3O4 + Н₂ + 16 ккал. Экономичность процесса здесь возрастает из-за того, что последняя реакция экзотермична и позволяет некоторое количество выделяющегося тепла использовать для нагрева водяного газа до температуры, при которых в соответствии с последней реакцией имеет место восстановления оксидов железа.

Казалось бы, самым простым и чистым способом получения водорода должен быть электролизный способ, непосредственно расщепляющий молекулу воду на водород и кислород. Но этот процесс сам требует много электроэнергии и экономически пока еще остается невыгодным.

Термолиз (термораспад) воды также нерентабельный процесс, так как при температуре 2000⁰С выход водорода составляет 1 %. Но вместо термолиза напрямую предложили термохимические циклы, где водород получают в несколько стадий.

Один из циклов Mark – 1: 2CuBr2 + 4H2O -> 2Cu(OH)₂ + 4HBr (730⁰C);

4HBr + Cu₂O -> 2CuBr₂ + H₂O + H₂ (100⁰C);

2CuBr₂ + 2Cu(OH)₂– > 2CuO + 2CuBr₂ + 2H₂O (100⁰C);

2CuO -> Cu2O + 1/2O2 (100⁰C).

Отрицательное воздействие водородной энергетики на окружающую среду следующее:

• при горении водорода на воздухе развиваются температуры, достаточные для окисления азота. Поэтому кроме воды среди продуктов горения есть некоторое количество оксидов азота NхО_у;

• добыча водорода из его природных соединений в соответствии с законом сохранения энергии требует столько же энергии (в реальных условиях несколько больше), сколько мы получим при окислении водорода. Следовательно, необходимо затратить эквивалентное количество первичной энергии, которая не является экологически чистой. Значит, загрязнение из одного региона (где водорода потребляют) переносится в другой (где его получают);

• низкая плотность, взрывоопасность, высокая диффузионная подвижность требуют для работы с водородом новых материалов и технологий, которые вряд ли будут экологически чистыми;

• еще одна проблема – это аккумулирование водорода. Расход водорода, как и любого другого энергоносителя, будет неравномерным. Следовательно, нужно заранее проектировать устройства для его аккумулирования. На сегодня лучшими являются интерметаллические аккумуляторы (трехкомпонентные сплавы на основе редкоземельных элементов). Следовательно, нужно увеличение производства редкоземельных элементов, что не безопасно с точки зрения охраны окружающей среды.

Таким образом, использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии и энергосбережение, возможно, решат энергетические проблемы.

Немецкие ученые подсчитали мировой технический потенциал альтернативных источников энергии в год (млрд. тонн условного топлива):

биомасса – 5,6;

гидроэнергия – 2,8;

энергия ветра – 2,8;

геотермальная энергия – 1,9;

энергия приливов – 0,9;

энергия Солнца – 6,3;

всего – 20,3 млрд. тонн условного топлива.

Для сравнения – первичной энергии используется 9 млрд. тонн условного топлива.

Контрольные вопросы:

1. Проблемы энергетики и причины их возникновения.

2. Какова роль химии в решении энергетических проблем?

3. Классификация энергоресурсов.

4. Традиционные виды топлива, их характеристика.

5. Основные продукты переработки нефти.

6. Перспективы развития синтетического топлива.

7. Влияние энергетики на окружающую среду.

8. Что такое тепловыделяющие элементы, где их используют?