ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА - ОДИН ИЗ СПОСОБОВ РАЦИОНАЛЬНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ АТОМНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

атомная энергетика

atomic energy

Атомно-водородная энергетика

Atomic-hydrogen energy

удк 671

ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА -ОДИН ИЗ СПОСОБОВ РАЦИОНАЛЬНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ АТОМНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

А. А.Вечер, К. В. Чернякова

Белорусский государственный университет ул. ленинградская, 14, г. минск, 220030, республика беларусь тел.: +375 17 200 81 06, e-mail: [email protected]

Вечер Алим Александрович

сведения об авторе: профессор, доктор хим. наук, награжден Почетной грамотой Верховного совета БССР.

профессиональный опыт: 50 лет.

область научных интересов: физическая химия.

публикации: около 400 работ.

сведения об авторе: студентка 5 курса химического факультета Белорусского государственного университета.

область научных интересов: физическая химия, химия твердого тела метал-локсидных систем.

публикации: 4 работы.

Чернякова Катерина Викторовна

The replacement of hydrocarbon fuel for biogenic one (vegetable oil, ethanol) does not solve the problem of the gases causing the greenhouse effect since carbon is a part of biogenic fuel and CO2 will keep on emitting. The article deals with the use of electrical energy produced by atomic power plant. This energy will be used for producing hydrogen by electrolysis. Then hydrogen will be converted to ammonia, which has better physical and chemical properties for a consumer in comparison with hydrogen.

Since the government of the republic of Belarus approved the project of atomic power plant. Hydrogen produced by electrolysis by the suggested scheme is believed to be competitive in Belarus in the near future.

введение

Замена углеводородного топлива на биогенное (растительное масло, этанол) целиком не решает проблемы парниковых газов, поскольку в состав биотоплива входит углерод, следовательно, выделение СО2 будет продолжаться. Кроме того, массовое производство биогенного топлива потребует больших дополнительных сельскохозяйственных площадей, которые будут изъяты из производства пищевых продуктов, поэтому

актуальны альтернативные предложения решения проблемы рационального использования энергии.

Правительством Республики Беларусь одобрен проект строительства атомной электростанции (АЭС), поскольку именно это позволит решить проблемы обеспеченности народного хозяйства республики энергией, необходимой для его дальнейшего развития. При производстве электричества и тепла ядерная энергетика оказывает наименьшее

Статья поступила в редакцию 22.12.2007 г. Ред. per. № 187. The article has entered in publishing office 22.12.2007. Ed. reg. No. 187.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 12 (56) 2007

© 2007 Scientific Technical Centre «TATA»

воздействие на окружающую среду в сравнении с использованием углеродных ресурсов. Кроме того, ядерная энергетика имеет практически неограниченные ресурсы, а негативные последствия [1] использования атомной энергии могут быть сведены до минимума, если будут учтены и максимально решены те проблемы, о которых известно достаточно благодаря многолетнему опыту, накопленному в разных странах мира, использующих атомную энергию.

Одна из таких проблем связана с тем, что ядерные энергетические устройства большой мощности эффективно работают лишь тогда, когда энергоотбор стабилен и не подвергается ни суточным, ни сезонным колебаниям. Чтобы обеспечить функционирование АЭС в базовом режиме нагрузок, электроэнергию, вырабатываемую в так называемые «провальные» часы, целесообразно направлять на производство газообразного водорода из воды методом электролиза. Например, Ленинградская АЭС в настоящее время недовырабатывает примерно 400 млн. кВтЧч/год, что позволило бы произвести около 8 тыс. т водорода [2]. Водород считают топливом будущего, поскольку это один из наиболее перспективных источников энергии, который экологичен, так как единственными продуктами сгорания водорода являются тепло и вода.

Теоретический анализ

Для перехода к водородной энергетике, а затем и к водородной экономике необходимо решить ряд задач, связанных с производством, хранением [2,3], транспортировкой и использованием водорода. Разработка концепции широкого использования водорода как энергоносителя в промышленности [4], энергетике, на транспорте и в быту началась еще в 1970-е годы.

Трудности, связанные с хранением и транспортировкой водорода, хорошо известны. Ни в криогенном (жидком), ни в сжатом состоянии длительное хранение водорода не возможны. Критическая температура водорода 32К. Жидкий водород при 20К имеет плотность 71 г/л [5]. Расчет по уравнению Ван-дер-Ваальса с использованием значений констант а=0,24463 л2.атм-1, &=0,02661 л.моль1 [6] показывает, что плотность сжатого водорода при температуре 290 К и давлении 250 атм равна 17,4 г/л. Кроме того, водород взрывоопасен, он легко диффундирует сквозь металлы [7] и другие материалы [3].

Один из возможных способов хранения водорода — перевод его в связанное состояние в виде аммиака [8]. Именно аммиак можно рассматривать как потенциальный источник водорода.

Реакция окисления водорода Н2 + 1/202®Н20

дает энергию Гиббса, рассчитанную по упрощенной формуле

с использованием термодинамических констант

[9]

AG3°00 =-231 кДж, А С?™ Реакция окисления аммиака

= -200 кДж.

+ 1/2°2

® 1/3N2 + Н2О.

73^з

Значение энергии Гиббса в расчете на 1 моль Н2О составляет

AG0300 = -218 кДж, AG01000= -232 кДж,

т.е. энергетически водород и аммиак вполне сравнимы. При этом продуктами реакции окисления аммиака являются азот и вода, которые не нарушают природного равновесия.

Давление пара жидкого аммиака при комнатной температуре составляет примерно 10 атм, плотность 610 г/л [10]. Так как в молекуле NH3 содержится 17,6% водорода по массе, что в процентном выражении гораздо выше, чем в гидридах металлов, то легко рассчитать, что в 1л жидкого аммиака содержится 107г водорода. Это делает целесообразным связывание водорода именно в аммиак, промышленное производство которого налажено в нашей республике. Следует заметить, что 1л концентрированного (~ 30%) водного раствора аммиака содержит около 50 г гидридного водорода.

Представляется перспективным электроэнергию, полученную на АЭС в «провальные» часы, передавать на НПО «Азот» (г.Гродно), где и проводить электролиз воды. Электролитический водород весьма чист и может быть направлен на синтез аммиака без дополнительной обработки [11, 12].

Для получения электроэнергии аммиак выгоднее всего использовать в качестве горючего в высокотемпературном топливном элементе [8]. Отметим, что при температуре 1000К теоретический КПД превращения, рассчитанный по формуле n=AG/AH, равен 110%.

Электролиз воды также следует вести при высокой температуре. Электролизер может быть создан по той же технологии, что и топливный элемент. Один из возможных вариантов — высокотемпературные твердооксидные электролизеры, работающие при температуре 800-1000С. Их использование позволяет снизить энергопотребление до 3,2-3,3 кВт.ч/м3 [12], что почти в 1,5 раза меньше по сравнению с обычными электролизерами, в которых энергопотребление составляет 5,0-5,9 кВт. / м3. Таким образом, предлагаемые технологии позволяют приблизить энергопотребление к теоретически рассчитанному, составляющему около 3 кВт.ч/м3 [12].

Неизбежное повышение цен на углеводородное сырье, используемое в настоящее время для получения водорода на предприятиях по фиксации атмосферного азота, позволяет предположить, что электролизный водород, полученный по предлагаемой нами схеме, для

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 12 (56) 2007 © 2007 Научно-технический центр «TATA»

А. А. Вечер, К. В. Чернякова

Водородная энергетика — один из способов рационального использования энергии атомных электростанций

Беларуси станет конкурентоспособным в ближайшем будущем.

Кроме того, в топливном элементе одновременно с получением электроэнергии [8, 13] можно провести реакцию окисления аммиака до оксида азота (N0) при подборе материала анода с соответствующими каталитическими свойствами:

21Ж3 + 2-1О2 ^ 21ЧО + 3Н20.

Теоретически при 1000К на 1 моль N0 можно получить 271кДж, на 1моль Н20 — 181 кДж энергии.

Дальнейшего изучения заслуживает применение аммиака в качестве горючего в двигателях внутреннего сгорания [14]. Теплота сгорания аммиака сравнима с теплотами сгорания спиртов (табл. 1), однако, характер горения может измениться, поэтому, скорее всего, потребуется приспособление двигателя внутреннего сгорания (ДВС) специально к этому виду топлива.

Таблица 1 Теплоты сгорания горючих соединений

Таблица 2 Область воспламенения смесей пары горючее —воздух и температуры самовоспламенения горючих

Соединение ДН, кДж/г

Аммиак 22,5

Водород 121,0

Этанол 29,7

Метан 55,6

Метанол 22,7

к-Октан 48,0

В отходящих газах ДВС присутствие аммиака маловероятно, поскольку при 450°С аммиак диссоциирует на 99,5%. Кроме того, сравнение (табл. 2) пределов воспламенения смесей паров горючего с воздухом [14] позволяет сделать вывод, что должна наблюдаться очень значительная утечка аммиака по сравнению с другими видами горючего до возникновения нештатной ситуации. К тому же, нет необходимости одорировать аммиак, так как он обладает резким запахом. Поэтому, возможно, что в недалеком будущем аммиак как горючее для ДВС не будет иметь конкурентов.

Из вышесказанного следует, что осуществление предлагаемой схемы утилизации энергии расщепляющихся материалов даст возможность использовать эту энергию и в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) на транспорте. Однако, в связи с высоким пределом воспламенения аммиака его применение в качестве горючего, вероятно, потребует специальных мер для поджига рабочей смеси.

Главным преимуществом аммиака как автомобильного топлива является отсутствие в продуктах сгорания парниковых газов: оксидов углерода и остатков углеводородов.

Горючее Область воспламенения, об. % Температура самовоспламенения, °С

Аммиак 15-28 650

Водород 4-75 510

Метан(при-родный газ) 5-15 737

Метанол 6-35 464

Этанол 3-19 404

к-Октан (бензин) 1,0-6,5 196

Пропан (сжиженный газ) 2,1-9,5 466

По нормативу Evro3, ДВС должен выделять не более 160г СО2 на 1км пробега. Так как состав горючего для ДВС довольно неопределенен, проведем расчет для октана С8Н18:160г СО2 получается из 0,45 моля октана, а на 100 км необходимо 45 моля октана или 5130 г. Теплота сгорания октана 10 700 ккал/кг [14], т.е. на 100 км пробега 54 900 ккал. Для обеспечения такого же теплового эффекта необходимо сжечь 950 моль или 1,9 кг водорода. Масса стандартного баллона на 6 м3 сжатого газа 70 кг, а масса водорода в таком баллоне 480 г. Таким образом, для того, чтобы проехать 100 км потребуется 4 баллона водорода общей массой 280 кг. Это еще раз показывает неэффективность использования сжатого водорода в качестве топлива для ДВС.

Заключение

Таким образом, электроэнергию, произведенную на АЭС в «провальные» часы, необходимо направлять на получение из воды водорода методом электролиза. Затем этот водород переводить в аммиак, обладающий лучшими по сравнению с водородом потребительскими физико-химическими свойствами, что создает предпосылки для его использования в качестве источника энергии и топлива в недалеком будущем. Следует иметь в виду, что, согласно прогнозам, во второй половине 21 века появятся термоядерные энергоисточники, для которых колебания энергоотбора будут, вероятно, совершенно недопустимы. Таким образом, аммиак можно рассматривать как носитель

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 12 (56) 2007

© 2007 Scientific Technical Centre «TATA»

энергии от ядерного реактора к малым потребителям.

Статья подготовлена при частичной финансовой поддержке МНТЦ (проект №3234).

Список литературы

1.Яблоков А. В. Атомная мифология: заметки эколога об атомной индустрии. М.: Наука, 1997.

2.Пономарев-Степной Н.Н., Столяревский А. Я. Атомно-водородная энергетика — пути развития // Энергия. 2004. № 1. С. 3-9.

3.Гладышева М. А. // http:www.abitura.com/ modern_physics/hydro_energy4.html/

4.Химия окружающей среды/Под ред. Дж. О. М. Бокриса. М.: Химия, 1982.

5.Handbook of chemistry and physics. Editor in chief Charles D. Hodgman. Cheveland: Ohio, 1951.

6.Пригожин И., Кондепуди Д. Современная термодинамика. От тепловых двигателей до диссипативных структур. Пер. с англ. М.: Мир, 2002.

7.Christensen С. H., Johannessen T., Sren-sen R. Z., Nrskov J. K. Towards an ammonia-mediated hydrogen economy? // Catalysis today. 2006. Vol.111, №1. P.140-144.

8.Wojcik A., Middleton H., Damopoulos I., Herle J. V. Ammonia as a fuel in solid oxide fuel cells // J. Power Sources. 2003. Vol. 118. P. 342-343.

9.Карапетьянц М. Х., Карапетьянц М. Л. Основные термодинамические константы неорганических и органических веществ. М.: Химия, 1968.

10.Неводные растворители. Под ред. Т. Вад-дингтона. Пер. с англ. М.: Химия, 1971.

11.Атрощенко В. И. Курс технологии связанного азота. М.: Химия, 1986.

12.Прикладная электрохимия. Под. Ред. Н. Т. Кудрявцева. М.: Химия, 1975.

13.Вечер А. А., Вечер Д. В. Твердые электролиты. Минск: Университетское, 1988.

14.Пожарная опасность веществ и материалов, применяемых в химической промышленности. Справочник. Под. ред. И. В. Рябова. М.: Химия, 1970.

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 12 (56) 2007 © 2007 Научно-технический центр «TATA»