СОЛНЕЧНЫЙ ВОДОРОД

Аннотация

Т.С. Майлатова, Ж.Л. Глухова - СОЛНЕЧНЫЙ ВОДОРОД Рассмотрены способ применения, основные преимущества и недостатки водорода как энергоносителя

Основной материал

Водород давно известен как универсальный энергоноситель. Его привлекательность в этой роли обусловлена тем, что процесс превращения энергии с его участием экономически эффективен, гибок и чист с точки зрения экологии. Водородная энергетика сформировалась как одно из направлений развития научно-технического прогресса в середине 70-х годов прошлого столетия. По мере того, как расширялась область исследований, связанных с получением, хранением, транспортировкой и использованием водорода, становились все более очевидными экологические преимущества водородных технологий в различных областях народного хозяйства. Успехи в исследовании продемонстрировали, что использование водорода приводит к качественно новым показателям в работе систем и агрегатов. А выполнение технико-экономических показателей, его применение экономически целесообразно уже сейчас. Запасы водорода, связанного в органическом веществе и в воде, практически неисчерпаемы. Разрыв этих связей позволяет производить водород и затем использовать его как топливо.

Разработаны многочисленные методы разложения воды на составные элементы. Современный широко распространенный способ производства водорода – это процедура паровой конверсии метана, который является основным компонентом природного газа, и представляет собой наиболее экономичный способ получения азотоводородной смеси. Полученный таким путем водород используется как реагент для очистки нефти и как компонент азотных удобрений, а также для ракетной техники.

Еще одна технология получения водорода – это производство водорода электролизом. В основе работы, положен физический эффект, обнаруженный в 1883 году Эдисоном.

Современная установка представляет собой надежный, экологически безопасный аппарат, работа которого основана на технологии электролиза водных растворов щелочей.

Электролиз осуществляется под высоким давлением и позволяет получать большую концентрацию водорода. Эта технология обеспечивает чистоту продукта на выходе от 99,6 % за одну ступень. Этот метод получил применение в ряде стран, обладающих значительными ресурсами дешевой гидроэнергии. Наиболее крупные электрохимические комплексы находятся в Канаде, Индии, Египте, Норвегии, но созданы и работают тысячи более мелких установок во многих странах мира. Важен этот метод и потому, что он является наиболее универсальным в отношении использования первичных источников энергии. Ресурсы современной электроэнергетики недостаточны для получения водорода в качестве продукта для дальнейшего энергетического использования.

Термохимическим или биохимическим методом получают водород из биомассы. Современные установки по производству водорода генерируют электроэнергию из биомассы с КПД более чем 30 %.В биохимическом процессе производство водорода происходит благодаря различным бактериям, например, Rodobacter speriodes.

В настоящее время проводится разработка и испытание альтер-нативных методов производства водорода. Один из них – производство водорода из воды при помощи солнечной энергии, разрабатывается учеными университета Нового Южного Уэльса (Австралия). Исследователи объявили, что после серии открытых испытаний, они смогли конвертировать солнечный свет в электроэнергию с рекордным показателем эффективности в 40%. Здесь же важно отметить, что ученые из Австралии являются одними из первых, кто начал устанавливать рекорды КПД при производстве электричества из солнечного света еще с 1989 года. На тот момент исследователям удалось добиться результатов в 20% эффективности.

Специалисты, стоящие за этим проектом, объясняют, что, несмотря на сегодняшний уровень исследований в области генерации электричества за счет фотоэлектрических систем, такой показатель эффективности, какой удалось добиться в рамках экспериментов в Сиднее, является первым в истории. Эта технология подразумевает преобразование солнечного света в электричество, которое в свою очередь разлагает воду на водород и кислород в присутствии катализатора – диоксида титана.

Новый подход по сбору солнечной энергии не является сверхуникальным и при желании его можно использовать повсеместно. Здесь используются самые обычные солнечные ячейки, какие используются во всех солнечных панелях, установленных в мире. Другими словами, даже самые обычные солнечные панели можно модернизировать таким образом, чтобы они показывали аналогичные результаты эффективности, какие были показаны в рамках экспериментов в Сиднее.

Интересно, что как прототип в опыте была использована башня, на которой концентрируется солнечное излучение с помощью множества автоматически управляемых зеркальных отражателей (гелиостатов). Иными словами реализуется, старинная идея Архимеда, с помощью которой был сожжен вражеский флот в порту г. Сиракузы. Солнечное излучение концентрируется на теплопоглощающей поверхности башни, где образуется пар – теплоноситель, который далее поступает напрямую в паровую турбину или в теплообменник.

На одном валу с паровой турбиной размещается ротор генератора, вырабатывающего электрический ток заданного напряжения и частоты. Правда, там температура обычно не выше 500 градусов. Установка, которую уже сконструировали специалисты из Колорадо, проблему решает достаточно оригинально. Внутри башни возле реактора монтируются дополнительные отражатели, где концентрируется тепло от лучей солнца. Так нужную температуру в 1350 градусов получают довольно быстро. И таких условий вполне достаточно, чтобы стартовала реакция, последствием которой и будет получение водорода. Проходит реакция по следующему сценарию — поступившее к реактору тепло разогревает содержащееся в нем вещество группы металооксидов (к примеру , стронциевый купратоборат). Это ведет к тому, что при реакции высвобождаются кислородные атомы, образуя в веществе вакантные места. Однако свободные места долго такими не остаются — в них устремляется кислород, который идет к реактору от водяного пара. И получается, что молекула воды “растягивается”: кислород идет к металлооксиду, а водород — остается на свободе (чего ученые и добиваются).

Ученые считают, что установка производит достаточно большие объемы газа. По расчетам, если площадь зеркального массива около "водородной башни" составит 48 500 гектаров, то ежедневно реактор сможет дать примерно 100 000 килограммов водорода. Это очень чувствительные объемы — такого количества водорода достаточно будет для заправки 5000 автобусов, работающих на водородном топливе, на трое суток. И наиболее важное, себестоимость килограмма водорода составит всего $2! Энергия Солнца, это сущность энергетики, поскольку фотоэлектрические установки не оказывают воздействия на природную среду, бесшумны, не имеют движущихся частей, требуют минимального обслуживания, не нуждаются в воде. Их можно монтировать в отдаленных или засушливых районах, мощность таких установок составляет от нескольких ватт, до многих мегаватт.

Если испытания установки докажут ее эффективность, то это станет сильным прорывом в водородной энергетике. Более того, дешевый газ, который можно получать подобным методом, быстро подвинет в сторону другое топливо. А башни, кстати, можно будет дополнительно использовать и как солнечные электростанции.

С учетом циклического и случайного характера солнечного излучения подобные СЭС могут быть источником дублирующей мощности в энергосистеме и предназначаются для экономии дефицитного органического топлива. Для повышения эффективности работы подобных СЭС в их технологическую схему могут включаться различные накопители энергии, с помощью которых можно перераспределять во времени солнечную энергию.

С точки зрения окружающей среды и устойчивого развития эти альтернативные источники электричества вполне надежны. За альтернативными источниками энергии стоит наше будущее. Необходимо объединить усилия для борьбы за чистую планету, чистый воздух, чистую воду!