Экология, окружающая среда и человек - [39]

Водород — автомобильное топливо XXI в. Использование водорода в_качестве основного вида топлива может коренным образом изменить будущую техническую цивилизацию. Важнейшая проблема современности — охрана окружающей среды от загрязнения — будет практически решена.

Характеристики водорода как моторного топлива уникальны: высокая теплота сгорания — 120 МГж/кг (у бензина почти в 3 раза ниже); хорошая воспламеняемость; безвредность отработанных газов; высокая скорость сгорания (в 4 раза выше, чем у смеси «бензин—воздух»).

В мире производится около 50 млн т водорода в год, в основном путем конверсии жидкого и газообразного топлива. Под конверсией понимают химическую реакцию углеводородов с водяным паром (паровая конверсия), либо с паром и кислородом (парокислородная конверсия), либо с кислородом (кислородная конверсия), в результате которых образуются водород и окиси углерода. Наибольшее распространение получила паровая каталитическая конверсия метана. Процесс протекает при умеренной температуре — 800—850°С.

В первой четверти XXI в. ученые прогнозируют рост производства и потребления водорода в несколько раз по сравнению с сегодняшним уровнем.

Разработан ряд перспективных методов получения водорода, например путем электролиза воды. По различным данным, из воды ежегодно получают от 0,5 до 1,5 млн т водорода (1—3% общего количества). Пока получение электролизного водорода обходится в два раза дороже, чем конверсионного, но при использовании промышленных электролизеров следующего поколения в будущем водород может сравняться по стоимости с конверсионным, а затем стать дешевле.

Получают водород и с помощью угля, однако это не чистый водород, а его смесь с монооксидом углерода — синтез-газ и искусственные энергоносители. Совершенствование этих процессов должно привести к снижению затрат на получение водорода и син-тез-газа и к их применению в районах крупных угольных месторождений.

В результате сгорания водорода образуется водяной пар — рабочее тело паротурбинных установок. Поэтому его использование в энергетике потребует усовершенствования энергопроизводящих систем.

В каком виде можно применять водород? Газообразный, даже сильно сжатый водород невыгоден, так как для его хранения нужны баллоны большой емкости. Более реальный вариант — жидкий водород. Правда, в этом случае необходима установка дорогостоящих криогенных баков со специальной термоизоляцией. Возможно хранение водорода в твердой фазе в составе металлогидридов, что безопаснее хранения бензина в цистернах. Связывать водород при определенных условиях могут интерметаллические соединения на основе редкоземельных металлов, титана, железа и др. В Институте металлургии РАН разработан интерметаллический сплав на основе никеля и редкоземельного металла лантана. Благодаря своей структуре сплав обладает некоторыми свойствами неметаллов и может поглощать (сорбировать) и удерживать газы, а при нагревании до 150°С — выделять их. При этом объем сорбируемого водорода в 500 тысяч раз превышает объем самого интерметалла.

Процесс накопления и обратного выделения зависит не только от емкости «поглотителя», но и от его конфигурации. Чем больше поверхность, тем быстрее происходит сорбирование и соответственно обратное выделение водорода. Скорость можно регулировать, меняя температуру нагрева. Это позволяет довольно просто управлять подачей горючего в двигатель. Кроме того, в процессе накопления и отдачи водорода сохраняется первоначальная эффективность при многократном повторении. Интерметалл представляет собой компактный аккумулятор водорода, который может стать основой взрывобезопасного «топливного» бака.

В Великобритании предложен новый способ хранения водорода. Не исключено, что именно так будут заправлять автомобили будущего, работающие на водородном топливе. Исследователи из университета Ньюкасла предлагают свое решение проблемы: материал с нанопорами, диаметр которых в тысячу раз меньше толщины бумажного листа. Под большим давлением в эту «губку» закачивают водород, а чтобы его высвободить, достаточно «губку» нагреть. М. Томасу, одному из авторов разработки, удалось на практике доказать возможность поглощения большого количества водорода пористым материалом и выделения его в нужный момент. Триумфальное шествие нанотехнологий продолжается.

В Институте водородной энергетики и плазменных технологий разработана принципиально новая схема водородного автомобиля. Окисление происходит не в двигателе внутреннего сгорания, а в электрохимическом генераторе, где и вырабатывается электрическая энергия, вращающая основной вал двигателя. Трансформация энергии водорода в электроэнергию с помощью электрохимического генератора, основанная на полимерных мембранах, позволяет это делать при температуре кипения воды, что исключает синтез окислов азота из воздуха, неизбежно возникающий при высоких температурах в других системах. В итоге на выхлопе — чистая вода.

Ученые разработали систему водородной безопасности — так называемые дожигатели, которые нейтрализуют водород при малейшей его утечке, сигнализируя водителю о неисправности.