В понятие солнечной энергии входит не только солнечное излучение. Как отмечалось выше, есть виды энергии, которые наше светило производит не напрямую (ветровая энергия, гидравлическая энергия рек, энергия биомассы, энергия океана).
Хотя солнечная энергия в своем прямом и косвенном воздействии хороша для окружающей среды, у нее все же есть свои недостатки. Она не столь удобна для использования, как бензин или природный газ. К примеру, мы не можем просто заправить машину солнечной энергией где и когда угодно. Кроме того, солнце в среднем светит только шесть–восемь часов в день. Прямое и косвенное воздействие солнечной энергии сосредоточено в областях, далеких от центров ее потребления. Энергия солнечных лучей сильнее всего в тропиках и субтропиках, в то время как основные потребители сосредоточены в умеренных зонах. Энергия ветра максимальна в полярных регионах и не столь велика в умеренных областях. То же самое можно сказать и о гидроэнергии, термальной энергии океанов, энергии волн, течений и приливов — в большинстве своем они наименее доступны в тех районах, где более всего нужны.
Существуют места, где в какое-то время и прямое и непрямое воздействие солнечной энергии недоступно. И даже если эта энергия присутствует, она дается нам не в той форме, в которой ее можно применить дома, на заводе или в транспортной системе, поэтому необходимо каким-нибудь образом аккумулировать энергию солнца, ветра, волн, океанического тепла, приливов и течений тогда и там, где она доступна. Другими словами, нужен накопитель энергии, который будет действовать как связующее звено между солнечной энергией (прямой и непрямой) и потребителем.
Это связующее звено должно отвечать следующим условиям:
- оно должно быть удобно в хранении и транспортировании;
- это должно быть топливо, которое можно использовать на транспорте, в домах и промышленности;
- оно должно отвечать требованиям экологической чистоты;
- его ресурсы должны быть неограниченными.
Водород лучше всех отвечает перечисленным условиям. Он не производит никаких веществ, вызывающих парниковый эффект, никаких химикатов, образующих смог и кислотные дожди. Все, что он производит — это электричество и водяной пар.
Водород также и эффективное топливо. Он может быть преобразован в другие формы энергии (механическую и электрическую) более эффективно, чем другие виды топлива. Например, в автомобилях его КПД составляет 60%, в то время как эффективность бензина — всего 25%.
На Земле водород в свободной форме встречается редко, в основном он соединен с кислородом, образуя воду. Водород очень хорошо восполняет недостатки солнечной энергетики, и это соединение солнца и водорода называют солнечно-водородной энергетической системой. В ней водород производится одним из методов его получения с использованием солнечной энергии в ее прямой или косвенной форме в зависимости от того, как удобнее. Затем он может переправляться по трубопроводам или в танкерах в районы потребления, где из него получают электроэнергию или сразу используют в качестве топлива на различные народнохозяйственные нужды. Традиционные топливные ресурсы успешно можно заменить водородом, получая при этом значительную выгоду и не ухудшая состояния окружающей среды.
Солнечно-водородное производство
Солнечная энергия не всегда и не везде доступна. В среднем ее можно получать в течение примерно одной трети суток, и даже тогда ее интенсивность меняется от слабой по утрам и вечерам до максимальной в полдень. Поэтому солнечную энергию необходимо запасать в те моменты, когда ее много, чтобы использовать потом, когда она отсутствует.
С помощью солнечной энергии экологически чистый водород можно производить четырьмя различными путями — прямым нагревом, термохимическим путем, электролизом и фотолизом.
Прямой нагрев. В этом методе водяной пар нагревается до 1400 ◦C или выше, после чего молекулы воды начинают распадаться, образуя газообразные водород и кислород. Чем выше температура, тем выше скорость распада молекул в паре. Для получения большого количества водорода нагрев необходимо проводить при температуре 2500–3000 ◦C, что возможно при использовании параболических зеркал, фокусирующих солнечную энергию на контейнеры с водой.
Термохимический метод. Пар с температурой 300–1000 ◦C пропускают через железный порошок, что приводит к окислению железа кислородом и высвобождению связанного водорода. Это лишь один пример термохимического метода. В настоящее время продолжаются исследования по применению различных материалов, чтобы этот метод стал более дешевым.
Электролитический метод. Технология этого метода хорошо разработана. С ее помощью элементы, подобные автомобильным аккумуляторам, используются для производства водорода и кислорода из воды. Каждый элемент состоит из двух электродов, помещенных в электролит (воду с химическими добавками, повышающих ее электропроводность), и подсоединен к источнику постоянного тока. Если к электродам приложить напряжение, достаточное для возникновения тока, то кислород будет выделяться на аноде, а водород — на катоде.
Фотолитический метод. В этом методе Солнце используют для прямого разложения воды на водород и кислород, не прибегая к помощи высоких температур или электричества. Молекулы воды поглощают мельчайшие частицы, из которых состоят солнечные лучи — фотоны. Захватив много этих частиц, молекула сама распадается на водород и кислород. Это явление называется фотолизом. Для инициирования разложения воды в нее добавляют различные неорганические вещества, которые будут поглощать больше фотонов, чем это может сделать сама вода. Фотолитический метод получения водорода не очень эффективен, хотя он дешевле, чем остальные методы.
Таким образом, водород является экологически чистым посредником в применении солнечной энергии. Сначала, используя солнечную энергию (прямую и непрямую), получают электроэнергию. Далее, используя электроэнергию в электролизных установках, из воды получают водород — новое экологически чистое топливо — и кислород, который может быть выпущен в атмосферу или как-нибудь использован. Потом с помощью танкеров или трубопроводов водород транспортируют в центры потребления. Там водород будет сожжен в качестве топлива в двигателях внутреннего сгорания вместо бензина и дизельного топлива или использован в топливных элементах для получения механической, электрической и тепловой энергии. И конечным продуктом всех этих процессов будет вода. В перспективе солнечно-водородные системы должны обеспечит человечество экологически чистой энергией.
Возможны следующие схемы электролитического получения водорода за счет солнечной энергии: электролиз воды электрическим током, вырабатываемым путем прямого преобразования энергии излучения Солнца в электроэнергию с помощью солнечных батарей, и электролиз воды электрическим током, вырабатываемым тепловой солнечной станцией в паровом цикле обычного типа (рисунок 1). Общая эффективность схемы, показанной на рисунке 1а, составляет от 5 до 12% (при КПД электролизера 75–80% и КПД кремниевых фотобатарей 16–20%). Общая эффективность схемы на рисунке 1б при прежнем значении КПД электролизера достигает 21% при температуре пара на входе в турбину 825 К и на выходе 300 К.
Особое значение для локальных потребителей северных труднодоступных районов, где малые реки промерзают, имеют ветроводородные электростанции (ВВЭС). Получение водорода электролизным разложением воды, его аккумулирование в периоды сильного ветра (при избытке электроэнергии, вырабатываемой ветроагрегатами) и использование накопленного водорода как топлива в теплоагрегатах в периоды слабого ветра кардинально решают задачу гарантированного электроснабжения от ВВЭС.
Упрощенная схема получения и преобразования энергии в системе ВВЭС представлена на рисунке 2.
На рисунке 3 представлена схема получения водорода за счет геотермальной энергии.
В предложенной схеме электроэнергия бинарной ГеоЭС в ночное время используется в электролизной установке для получения водорода.
Водород также можно получать из углеводородного сырья (в частности, из природного газа) и органических отходов с использованием ядерной энергии, угля и промежуточных энергоносителей.
Производство водорода из углеводородов и органических отходов чаще всего осуществляется термохимическими методами, а при производстве из воды традиционно используется электролиз. Для целей водородной энергетики необходима разработка новых экономичных, экологически чистых методов получения водорода.
Одним из перспективных методов получения водорода в ближайшей перспективе может стать производство водорода с помощью бактерий. При таком методе процесс идет по схеме фотосинтеза: солнечный свет поглощается сине-зелеными водорослями, которые довольно быстро растут. Эти водоросли могут служить пищей для некоторых бактерий, в процессе жизнедеятельности выделяющих из воды водород. Исследования, которые были проведены с разными видами бактерий, показали, что всю энергетику города с миллионным населением может обеспечить водород, выделенный бактериями, питающимися сине-зелеными водорослями на плантации площадью около 18 квадратных километров.
Хранение и использование водорода
В больших количествах водород лучше всего хранить под землей. Для этого можно использовать выработанные коллекторы-пустоты, оставшиеся после выкачивания нефти и природного газа, или шахты и прочие подземные сооружения. Подобные хранилища имеются в Великобритании и Франции.
Запасенный водород в дальнейшем необходимо доставить к месту потребления. В небольших количествах его можно перевозить и распределять в топливовозах как газ, но там, где требуется его большое количество, трубопроводы являются гораздо более экономичным способом транспортировки. В США и Европе накоплен некоторый опыт безопасной транспортировки водорода по трубам.
В водородной энергетической системе из воды одновременно с водородом производится и кислород. Он также может быть помещен в хранилища и доставлен по трубопроводам к месту потребления или выброшен в атмосферу. При сжигании водород будет соединяться с кислородом или из хранилища, или прямо из воздуха.
Электричество может быть получено из водорода тремя разными путями — с использованием газовой турбины, паровой турбины и топливного элемента. Газовые турбины используют для получения механической энергии и производства электроэнергии при соединении турбины с генератором. Обычно в газотурбинных установках используется природный газ, продуктами сгорания которого являются углекислота и другие загрязнители окружающей природной среды. При использовании в газовой турбине водорода энергию можно получать более эффективно, не загрязняя при этом окружающей среды.
Большие количества механической и электрической энергии получают от паровых турбин с использованием угля и мазута, что приводит к значительному загрязнению окружающей среды продуктами их сгорания. Однако пар можно получить более чистым путем, сжигая водород в чистом кислороде.
Как топливо для транспорта водород удобнее и безопаснее применять в жидком виде; в пересчете на 1 кг массы он в несколько раз превосходит керосин по теплотворной способности. В то же время плотность жидкого водорода значительно меньше, чем у керосина, поэтому требуется больший объем топливных баков, которые к тому же должны иметь высококачественную изоляцию.
Наиболее безопасно аккумулирование и хранение водорода в твердофазном связанном состоянии в металлогидридах и композитных наноструктурных материалах (водород «хранится» в межатомных пространствах кристаллической решетки металла). Для выделения свободного водорода металл нужно нагреть до невысокой температуры. Исследования и разработки таких новых технологий охватывают как создание и исследование новых металлогидридных систем, так и систем на основе новых водородпоглощающих материалов.
В созданных к настоящему времени низкотемпературных обратимых металлогидридных системах хранения весовое содержание доступного водорода составляет не более 2% при его объемной плотности, превышающей плотность жидкого водорода. Для использования в крупномасштабных и транспортных системах аккумулирования такое низкое массовое содержание водорода является серьезным барьером. Существенно большего весового содержания водорода (до 5% веса) удается достичь для высокотемпературных обратимых металлогидридных систем. Однако для их функционирования необходимы источники высокопотенциального тепла, что снижает экономическую эффективность таких систем аккумулирования.
В этой связи важнейшими задачами при создании эффективных устройств для хранения водорода в твердофазном связанном состоянии являются разработки новых поглощающих материалов (в том числе композитных, каталитических и наноструктурных) с улучшенной кинетикой сорбции и повышенной емкостью по водороду.
Решение указанных проблем может привести к радикальному расширению практического использования аккумулирующих устройств с применением водородопоглощающих материалов в автотранспорте и автономной энергетике. Это имеет особое значение для целей безопасного хранения водорода на борту транспортных средств, использующих энергоустановки на базе топливных элементов.
Хранение водорода возможно в ограниченных количествах и в сосудах баллонного вида при соответствующем высоком давлении. Использование водорода как экологически чистого энергоносителя для производства электроэнергии возможно как в топливных элементах (рисунок 4), так и в водородосжигающих энергетических установках (рисунок 5).
Топливные элементы
Топливный элемент (ТЭ) — это химический источник генерирования тока, его простейшим аналогом является обычная электрическая батарейка. Внутри ТЭ расположены два электрода, между которыми находятся мембрана и катализатор.
В ТЭ водород соединяется с кислородом и производит электричество; при этом конечным продуктом является вода — источник водорода, так что процесс получается возобновляемым и экологически чистым. В ТЭ реализуется разомкнутый процесс (близкий к изотермическому), а не цикл и ограничения, связанные с КПД цикла, здесь неприменимы. Теоретически вся химическая энергия топлива может быть превращена в ТЭ в электроэнергию.
Теоретический КПД водород-кислородного ТЭ, рассчитанный как отношение произведенной электроэнергии к теплоте реакции, близок к единице. ТЭ уже давно и успешно используются на борту космических кораблей, производя электричество и воду для космонавтов. Электростанция на ТЭ мощностью 4,5 МВт успешно работает в Японии с 1984 г.
Трудность реализации ТЭ заключается в необходимости осуществления реакции топлива с окислителем электрохимическим путем, для чего оба компонента реакции должны быть вначале превращены в ионы. В ТЭ ионизация топлива и окислителя осуществляется при умеренных температурах за счет применения активных катализаторов, включающих металлы платиновой группы. Существуют несколько типов ТЭ, различающихся электролитом и наличием промежуточных реакций:
- ТЭ со щелочным электролитом (ЩТЭ);
- ТЭ с фосфорной кислотой (ФТЭ);
- ТЭ с твердо-полимерными мембранами (ТПТЭ);
- ТЭ с расплавом карбонатов (РКТЭ);
- ТЭ с твердооксидным электролитом (ТОТЭ).
Топливом для этих ТЭ служит водород, а окислителем является кислород или воздух. Принцип действия ТЭ проще всего проиллюстрировать на примере ЩТЭ, который являлся первым типом ТЭ, примененным как источник энергии для космических аппаратов. На аноде такого ТЭ, к которому подводится газообразный молекулярный водород, происходят его диссоциация и ионизация:
В качестве электролита обычно используется раствор щелочи KOH с концентрацией 30–50% (масс.). ЩТЭ работает при температуре 100–250 ◦C. Образовавшиеся ионы водорода за счет разности потенциалов анода и катода диффундируют через слой электролита к катоду. Электроны, образовавшиеся на аноде, при замыкании внешней электрической цепи перетекают к катоду, совершая полезную работу. На катоде происходит реакция
т. е. единственным продуктом при работе ЩТЭ является вода (водяной пар).
В ТЭ электроды и электролит в реакции не участвуют, но в реальных конструкциях со временем загрязняются примесями топлива. Отличие ТЭ от гальванических заключается в том, что в них используются нерасходуемые электроды, которые могут работать длительное время.
Эффективность реального ТЭ во многом зависит от каталитических свойств электродов, обеспечивающих ионизацию реагентов. Для ЩТЭ в качестве катализаторов используются никель, серебро, металлы платиновой группы и др.
Для транспортной энергетики наибольший интерес представляет ТПТЭ, в котором проводником ионов водорода служит тонкая твердая полимерная мембрана. Рабочая температура ТПТЭ существенно ниже, чем для других ТЭ, и составляет 60–80 ◦C. Одной из проблем для ТПТЭ является организация отвода воды, образующейся при реакции водорода с кислородом.
Разработка ТПТЭ была начата компанией «General Electric» в конце 1950-х гг., и одной из основных проблем стало создание химически стойкого электролита с низким удельным сопротивлением и высокой механической прочностью. Протонопроводящие мембраны — это полимеры с ионогенными (диссоциирующими на ионы) группами, образующие водонерастворимые ионообменные мембраны за счет пространственной сшивки полимерных цепей. При контакте с водой мембрана набухает и происходит диссоциация ионогенных групп, в результате чего ионы водорода получают возможность перемещаться между фиксированными в полимере кислотными группами, в частности сульфогруппами.
Хотя мембрана из твердополимерного электролита тонка (около 120 мкм), она обладает низкой газопроницаемостью и снижает вероятность смешения взрывоопасных реагентов. В качестве электро-катализаторов в таких установках используют металлы платиновой группы. Поскольку твердополимерный электролит и катализаторы не взаимодействуют с СО, в качестве окислителя может быть использован атмосферный воздух.
Топливные элементы могут быть самого разного размера: маленькие, размером вдвое меньшим домашнего кондиционера могут обеспечить все потребности квартиры или дома в электричестве, большие — снабжать энергией крупных потребителей. В зависимости от типа ТЭ его эффективность может меняться от 40 до 85%. Кроме электричества эти элементы производят еще и тепло, которое может нагревать воду, отапливать помещения и использоваться для сушки.
При уровне мощностей энергоустановок более 1–10 МВт термодинамическая эффективность водородосжигающих установок паротурбинного и парогазового циклов близка к эффективности топливных элементов, а их удельная мощность превышает таковую в топливных элементах, что приводит к более низким удельным капиталовложениям. В этой связи ожидаемая экономическая эффективность водородных энергоустановок различных типов в значительной степени будет определяться уровнем их мощностей. При относительно низких мощностях (до 0,1–1,0 МВт) для автономных потребителей более эффективными могут оказаться топливные элементы, при более высоких — водородосжигающие: паротурбинного, газотурбинного и парогазового циклов, а также водородные дизель-генераторы.
