Fuel Cells - Electrochemical Power

Водород как основное топливо будущего

На протяжении последних десятилетий водород (H₂) привлекает все больше и больше внимания как благоприятное для окружающей среды топливо и как среда сохранения энергии. Сжигание чистого водорода в качестве продукта реакции производит только воду. Углеводороды и оксид углерода образуются только при сжигании моторных топлив в камере сгорания. Образование оксида азота при сжигании топлива является следствием наличия азота в воздухе, и его концентрация возрастает экспоненциально при повышении температуры сжигания. При использовании водорода в топливном элементе практически не происходит загрязнения окружающей атмосферы. В этом отношении водород дает уровень загрязнения атмосферы много ниже существующих и будущих стандартов.

Водород был важным сырьем в химической промышленности на протяжении более чем 100 лет. Он является ключевым компонентом при производстве аммония, метанола и удобрений и в больших количествах используется в процессах очистки бензинов. Другим, во многом неожиданным направлением утилизации водорода является его использование при производстве стекол, чистых материалов, витаминов, косметики, полупроводниковых микросхем, маргаринов, масла и в мыловаренной промышленности.

Космическая ракета НАСА, несущая космический челнок Атлантис.

Молекулярный водород, H₂.

Водород наиболее распространенный элемент во вселенной. По существующим оценкам до 90% всех атомов и 75% общей массы вселенной сконцентрировано в молекулярном водороде. К сожалению, количество водорода, находящегося в свободном состоянии, на земле мало и поэтому требуется его производство из других источников. Таким образом, водород является не источником энергии, а скорее ее носителем.

Водород это наименьший и наилегчайший из всех химических элементов. Исходя из рассмотрения массовых соотношений, энергетическая плотность водорода более чем в два раза превышает таковую для природного газа и в три раза – для бензина. В практических применениях, где масса топлива более существенна, чем его объем, например в космических ракетах, водород использовался как топливо в течение многих лет. Около 1% годового глобального потребления водорода, то есть порядка 500 миллиардов кубических метров расходуется в космической деятельности.

Нижеприведенная таблица показывает энергетическую плотность, объемную и гравиметрическую, водорода и некоторых других используемых топлив.

	Энергетическая плотность
	[кВт ч/кг]	[кВт ч/л]
Водород, газ (300 атм)	33	0.7
Водород, жидкий (-250°C)	33	2.4
Водород, гидрид металла	0.6	3.2
Химические гидриды	1.5	-
Метанол, жидкий	5.6	4.4
Природный газ (300 атм)	14	3.4
Природный газ, жидкий (-160°C)	14	5.8
Бензин, жидкий	13	8.7
Сырая нефть	12	-

В противоположность высокой гравиметрической энергетической плотности водорода, проиллюстрированной выше, объемная энергетическая плотность его мала. Важно подчеркнуть, что для корректного сравнения различных топлив необходимо также рассматривать проблему системно, включая массы и объемы всех компонентов и источников и, конечно, эффективность энергетических преобразователей. Кроме того, общая стоимость и эксплуатационные расходы также влияют на общий рейтинг.

Стремление к переходу в долговременной перспективе к водородному обществу базируется главным образом на необходимости снижения загрязнения окружающей среды и снижения влияния на климатические изменения, а также связано с обеднением ресурсов ископаемых топлив. Сегодня около 90% мирового потребления энергии покрывается ископаемыми топливами, и большинство из них приходит из ограниченного числа регионов в мире. Даже если водород будет использоваться в больших масштабах в будущем, тем не менее, будет оставаться потребность в источниках энергии для его производства. Технологии, базирующиеся на возобновляемых источниках энергии, таких как гидроэлектроэнергия, ветер, приливные волны, солнечная энергия хотя и в принципе доступны, но еще не столь развиты, чтобы покрыть потребности массового производства энергии. Для создания системы распределения водорода также требуется развитие соответствующей инфраструктуры.

Stuart/CKI’s Перспективы водородной экономики. Адрес для более детального описания.

Производство и хранение водорода являются не единственными важными моментами для производства энергии в будущем. Критическим является также поставка водорода от места его производства к потребителю. Так как водород уже используется в промышленности, то и технологии его транспортировки также разработаны. Большие количества жидкого и газообразного водорода транспортируются морем и по земле, например, около 1100 км водородных трубопроводов существует в США, Германии и Англии. Это мало по сравнению с газопроводами природного газа, но важно отметить, что уже сегодня имеются действующие водородные трубопроводы, которые успешно доставляют газ потребителям. Главная задача сейчас расширить сеть этих трубопроводов до размеров, отвечающих выдвигаемыми требованиями.

К началу