Применение водорода в энергетике: вопросы экологии. – Водородные технологические решения

Применение водорода в энергетике: вопросы экологии.

Применение водорода в энергетике:

вопросы экологии

В настоящее время появляется всё больше публикаций, связанных с использованием водорода в качестве топливного газа. Интерес к применению водорода в качестве топлива обусловлен тем, что при сжигании водорода образуется только водяной пар и не выделяется углекислый газ.

Процесс перехода к водородной энергетике называется «декарбонизация».

Во многих развитых странах приняты программы поддержки водородных технологий, в первую очередь технологий производства «зелёного» водорода, то есть, водорода, получаемого из воды методом электролиза с помощью электроэнергии, получаемой из возобновляемых источников энергии, таких как энергия ветра, солнца и вода (гидроэлектростанции).

При этом подразумевается, что такой подход приведет к снижению парникового эффекта, поскольку будет снижаться концентрация углекислого газа в атмосфере Земли.

Парниковый эффект

Рассмотрим основные причины усиления парникового эффекта.

Ниже приведены определения понятия «Парниковые газы»:

– газообразные составляющие атмосферы природного, или антропогенного происхождения, которые поглощают и переизлучают инфракрасное излучение.

– газы с высокой прозрачностью в видимом диапазоне и с высоким поглощением в среднем и дальнем инфракрасном диапазонах. Присутствие таких газов в атмосферах планет приводит к парниковому эффекту.

К основным парниковым газам относятся:

  • Водяной пар;
  • Углекислый газ;
  • Метан;
  • Тропосферный озон.

Водяной пар:

Водяной пар (Н2О) – главный природный парниковый газ. На его долю приходится более 60% влияния на терморегуляцию нашей планеты. Потепление климата провоцирует усиленное испарение влаги, повышающее парниковый эффект.

Углекислый газ:

Двуокись углерода (СО2) составляет 0,03% атмосферы. Источниками диоксида углерода (CO2) в воздухе служат выбросы веществ во время извержений вулканов, антропогенные факторы (производственные процессы, сжигание топлива), продукты жизнедеятельности (метаболизма, дыхания, гниения) живых организмов. Основные характеристики углекислоты: вещество без цвета и запаха, тяжелее воздуха, в больших количествах имеет кисловатый привкус и может вызывать отравления. В результате вырубки лесов, поглощающих CO2, концентрация в атмосфере выросла на 46% в период с 1750 по 2017 годы (с 280 до 405 ppm).

Метан:

Метан (CH4) продуцируется микроорганизмами, появляется вследствие биологических процессов на болотах, выделяется при горении лесов, его источниками служат домашнее животноводство и рисоводство. Период распада составляет 10-12 лет, но, несмотря на сравнительно короткий период жизни и небольшую концентрацию, в сравнении с двуокисью углерода, эффект от метана в 25 раз сильнее. Благодаря деятельности человека, газ накапливается быстрее, чем поглощается естественным образом, увеличивая угрозу возникновения глобального потепления.

Тропосферный озон:

Озоновый слой находится в стратосфере на высоте 20-25 км и защищает нашу планету от УФ-излучения. Тропосферный озон (O3) приводит к усилению парникового эффекта, загрязняет атмосферу, подавляет наращивание растениями биомассы. Синтезируется при реакции оксида азота с окисью углерода в присутствии солнечного света, водяных паров и кислорода. Главные источники появления в атмосфере – транспорт, химические и промышленные выбросы. Превышения ПДК носят локальный характер, так как озон быстро разрушается.

В таблице 1 приведены данные по вкладу основных парниковых газов в парниковый эффект:

Таблица 1

Парниковый газ Формула Вклад
1 Водяной пар Н2О 36÷72%
2 Углекислый газ СО2 9÷26%
3 Метан СН4 4÷9%
4 Озон О3 3÷7%

 

Как видно из этой таблицы углекислый газ находится на втором месте по вкладу в парниковый эффект после водяного пара.

Сжигание водорода и метана

Сравним количество выбросов в атмосферу парниковых газов при сжигании водорода и метана, который является основным компонентом природного газа.

При соединении двух молекул водорода с одной молекулой кислорода возникают две молекулы воды. Реакция соединения водорода и кислорода сопровождается выделением  энергии.

2*Н2 + О2 → 2*Н2О + энергия                  (1)

При сжигании одного килограмма водорода (Н2) выделяется 120 МДж тепловой энергии и 9 кг водяного пара (Н2О).

При соединении одной молекулы метана с двумя молекулами кислорода возникают две молекулы воды и одна молекула углекислого газа. Реакция соединения метана и кислорода сопровождается выделением тепловой энергии.

СН4 + 2*О2 → 2*Н2О + СО2 + тепловая энергия   (2)

При сжигании одного килограмма метана (СН4) выделяется 50 МДж тепловой энергии, а также 2,75 кг углекислого газа (СО2) и 2,25 кг водяного пара (Н2О), то есть 5 кг парниковых газов.

Для получения 120 МДж тепловой энергии потребуется сжечь 2,4 кг метана. При этом в атмосферу попадет 6,6 кг углекислого газа и 5,4 кг водяного пара, то есть 12 кг парниковых газов.

Данные, приведенных выше расчетов сведены в таблицу 2.

Таблица 2

Масса сжигаемого газа Выделение тепловой энергии,

МДж

Масса  водяного пара Масса

 углекислого газа

Суммарная масса парниковых газов
1 кг водорода (Н2О) 120 9 кг 9 кг
2,4 кг метана (СН4) 120 5,4 кг 6,6 кг 12 кг

 

Из данного расчёта видно, что при получении одинакового количества энергии суммарные выбросы парниковых газов при сжигании метана на 30% выше, чем при сжигании водорода.

При этом выбросы водяного пара при сжигании природного газа на 40% ниже, чем при сжигании водорода.

Из таблицы 1 видно, что влияние водяных паров на парниковый эффект более чем в два раза выше, чем влияние углекислого газа.

Если учесть этот факт, то парниковый эффект от сжигания 1 кг водорода будет соизмерим со сжиганием 2,4 кг метана. То есть, при выделении одинакового количества энергии влияние водорода и метана на парниковый эффект соизмеримо.

Вместе с тем, по публикациям зарубежных средств массовой информации (СМИ) можно сделать вывод, что на увеличение парникового эффекта оказывает влияние только углекислый газ!

Более того, страны Европейского Союза (ЕС) планируют ввести так называемый «углеродный налог» на все импортные в ЕС товары.

Аккумулирование водорода в газотранспортной системе

В Европейских странах предлагается с помощью вырабатываемой ночью энергии ветропарков производить водород по нулевым или даже отрицательным тарифам, а полученный водород подмешивать к природному газу в систему газоснабжения. В этом случае система газопроводов будет играть роль огромного аккумулятора водорода.

Натурные исследования, проведённые в Европе, показали, что при концентрации водорода в природном газе не превышающей 10% водород не оказывает негативного влияния на металл газопроводов, а также незначительно изменяет число Воббе метано-водородной смеси.

            Число Воббе (Wobbe IndexWI) является признанным международным критерием взаимозаменяемости газообразных топлив.

Число Воббе определяется как отношение объемной теплоты сгорания топливного газа к квадратному корню относительной плотности газа при нормальных или стандартных условиях.

WI = Qн (об.)  / (ρгкс / ρвну)0,5,      (3)

где Qн (об.)  – объемная теплота сгорания газа,   ρг – плотность газа при нормальных условиях, ρв – плотность воздуха при нормальных условиях.

Этот критерий был сформулирован в 1927 году итальянским инженером Альфредо Воббе.

В таблице 3 приведены характеристики, такие как, плотность (ρ), низшая теплота сгорания (НТС) и низшее число Воббе (WI) метана, водорода и природного газа.

Таблица 3

Характеристики Природный газ Метан

СН4

Водород

Н2

Объемная низшая теплота сгорания при нормальных условиях,

МДж/нм3

 

36,6

 

35,88

 

10,79

Плотность при нормальных условиях, кг/нм3  

0,746

 

0,717

 

0,09

Относительная плотность 0,58 0,55 0,07
Массовая низшая теплота сгорания при нормальных условиях,

МДж/кг

 

49

 

50

 

120

Объемное низшее Число Воббе (WI),

МДж/кг

 

48

 

48,2

 

40,7

 

Из этой таблицы видно, что объемная теплота сгорания водорода в 3,4 раза меньше, чем объемная теплота сгорания природного газа, плотность водорода в 8,3 раза меньше, чем плотность природного газа, массовая теплота сгорания водорода в 2,4 раза выше, чем массовая теплота сгорания природного газа, а число Воббе водорода ниже числа Воббе природного газа всего на 18%.

При сжигании водородосодержащих газов (ВСГ) выбросы углекислого газа в атмосферу будут снижаться по сравнению с выбросами СО2, образующимися при сжигании природного газа как показано на рис. 1.

Рис. 1

Из этого графика видно, что при относительно небольших концентрациях водорода в метано-водородном топливе снижение выбросов углекислого газа в атмосферу – незначительно.

Чтобы достичь снижения выбросов СО2 на 50% необходимо подмешать к природному газу 75% водорода.

При увеличении концентрации водорода в газотранспортной системе будет снижаться число Воббе водородсодержащего газа (ВСГ).

На рис. 2 показана зависимость числа Воббе от концентрации водорода в ВСГ.

Рис. 2

В большинстве Европейских стран, а также на территории Российской Федерации (РФ) допустимое отклонение значения числа Воббе составляет ±5% от номинального значения.

То есть, существующие нормы не позволяют значительно увеличить концентрацию водорода в существующей газотранспортной системе.

Ежегодно по Единой газотранспортной системе РФ транспортируется около 700 млрд. нм3 природного газа, следовательно, 10% от этого объёма составит 70 млрд. нм3 или 6,3 млн. тонн водорода.

Чтобы произвести такой объем водорода методом электролиза потребуется около 350 млрд. кВт*ч электроэнергии в год или 40 ГВт электрической мощности.

В Российской Федерации единственным владельцем Единой газотранспортной системы является ПАО «Газпром».

В соответствии с пунктом 7 Таблицы 1 «СТО Газпром 089-2010» (Физико-химические показатели газа горючего природного, поставляемого и транспортируемого по магистральным газопроводам) «Теплота сгорания низшая при стандартных условиях» должна быть не менее 31,8 МДж/м3.

Низшая объемная теплота сгорания водорода при стандартных условиях равна 10 МДж/м3, то есть в три раза меньше, чем допускается по «СТО Газпром 089-2010».

Следовательно, без изменения нормативной базы подмешивание водорода к природному газу газотранспортной системы невозможно.

Повышение КПД энергетических установок

            Одним из способов уменьшения выбросов в атмосферу углекислого газа является повышение КПД энергетических установок. Повышение КПД приводит к уменьшению потребления топлива на киловатт-час электроэнергии, тем самым уменьшая выбросы СО2 на единицу произведенной электроэнергии. В тепловой энергетике, использующей в качестве топлива природный газ, наиболее высокий КПД имеют парогазовые установки (ПГУ), в состав основного оборудования которых входят газотурбинные установки (ГТУ), котлы-утилизаторы (КУ) и паротурбинные установки (ПТУ). КПД современных парогазовых установок превышает 60%.

Дополнительную возможность снижения выбросов в атмосферу углекислого газа является переход тепловых электростанций и котельных на водородсодержащий газ, а именно смесь природного газа и водорода.

Сжигание метано-водородной смеси в газотурбинных установках

            Зарубежные изготовители газотурбинных установок проводят интенсивные исследования по использованию в качестве топлива метано-водородных смесей. В соответствии с /1/:

  • Наиболее популярные газовые турбины Ansaldo Energia – GT36 H-класса и AE3A F-класса. В ГТУ GT36 H-класса можно сжигать газ с содержанием водорода до 50%, а в ГТУ AE94.3A F-класса до 25%.
  • Газовая турбина 7НА производства GE мощностью 384 МВт, оснащённая системой сжигания multi-tube, известная как DLN2.6e может работать на смеси природного газа и водорода с объемной долей водорода до 50%.
  • Компанией «OPRA» – Датским изготовителем ГТУ – разработана система сжигания, которая позволяет сжигать 100% водорода.
  • В 2018 году компания «Kawasaki Heavy Industries» продемонстрировала, что турбина М1А-17 мощностью 1 МВт может сжигать 100% водорода.
  • Компанией «Mitsubishi Power» разработана турбина, которая может работать на смеси, состоящей из 30% водорода и 70% природного газа. Ведётся работа по увеличению доли водорода до 100%. Газовая турбина Advanced Class JAC серии J позволяет в парогазовом цикле достигнуть КПД = 64%. Для этой ГТУ «Mitsubishi Power» разрабатывает низкоэмиссионные камеры сгорания multi-claster для работы на 100% водороде. Технология заимствована из ракетной техники, разработанной MHI.
  • Все ГТУ компании «Siemens Energy» большой мощности от SGT5-2000E до SGT5/6-9000HL способны работать на смеси природного газа и водорода с объемной концентрацией до 30%. ГТУ SGT600 может работать с концентрацией водорода до 60%. В ближайшее время эта ГТУ сможет работать на смеси с концентрацией водорода 75%. ГТУ SGT800 может работать с концентрацией водорода до 50%. В ближайшее время эта ГТУ сможет работать на смеси с концентрацией водорода 75%.

            При переходе на водородосодержащий газ в газотурбинных установках необходимо принять во-внимание, что в результате сжигания, кроме водяного пара и углекислого газа, образуются оксиды азота.

В ряду основных загрязнителей атмосферы оксиды азота занимают особое место из-за высокой токсичности. В валовом выбросе всех токсичных веществ на них приходится 6-8%, но по токсичности их доля оценивается в ~35%. Даже концентрация 150-200 мг/м3 при кратковременном вдыхании способна вызвать отек легких. Оксиды азота, как и СО, способны соединяться с гемоглобином крови. Они могут вызывать изменение состава крови.

Важнейшими оксидами азота являются монооксид NO и диоксид NO2, которые объединяются общей формулой NOx. Остальные известные оксиды азота не являются биологически значимыми.

Причиной образования оксидов азота является окисление азота воздуха в факеле горелочных устройств. Образование NO происходит непосредственно в зоне горения, и наиболее интенсивно – в зоне самых высоких температур пламени.

Экспериментальные исследования /2/ показывают, что при увеличении доли водорода в топливном газе выбросы оксидов азота в выхлопных газах ГТУ возрастают. Так исследования, проведенные компанией Сименс на камерах сгорания ГТУ SGT700 и SGT800 показали, что при концентрации водорода в смеси с природным газом равной 30% выбросы оксидов азота незначительно превышают  выбросы NOx при сжигании природного газа, а при переходе на 100% водород концентрация NOx в выхлопных газах ГТУ возрастает на 30%.

Получение водорода методом электролиза из воды

Одним из стратегических направлений водородной энергетики в Европейских странах является производство водорода методом электролиза воды.

            При электролизе вода разлагается на водород (Н2) и кислород (О2). При этом из двух молекул воды образуется две молекулы водорода и одна молекула кислорода.

2*Н2О → 2Н2 + О2               (4)

            Из девяти литров дистиллированной воды электролизом можно получить один килограмм водорода и восемь килограмм кислорода. Следовательно, чтобы произвести 6,3 млн. тонн водорода для заполнения Единой газотранспортной системы РФ с концентрацией водорода в природном газе 10% потребуется 56,7 млн. тонн дистиллированной воды.

Получить дистиллированную воду из сырой воды можно с помощью мембранных технологий (обратный осмос) или термическими методами. Независимо от выбранной технологии в результате очистки воды останется вода с повышенным содержанием примесей. Эту воду необходимо утилизировать.

На сегодняшний день существует две основных технологии очистки воды до состояния дистиллированной: многократное кипячение с конденсацией и обратный осмос.

Вода – ценнейший природный ресурс. Она играет исключительную роль в процессах обмена веществ, составляющих основу жизни. Огромное значение вода имеет в промышленном и сельскохозяйственном производстве. Общеизвестна необходимость ее для бытовых потребностей человека, всех растений и животных. Для многих живых существ она служит средой обитания.

Рост городов, бурное развитие промышленности, интенсификация сельского хозяйства, значительное расширение площадей орошаемых земель, улучшение культурно-бытовых условий и ряд других факторов все больше усложняет проблемы обеспечения водой.

Потребности в воде огромны и ежегодно возрастают. Ежегодный расход воды на земном шаре по всем видам водоснабжения составляет 3300-3500 км3. При этом 70% всего водопотребления используется в сельском хозяйстве.

Много воды потребляют химическая и целлюлозно-бумажная промышленность, черная и цветная металлургия. Развитие энергетики также приводит к резкому увеличению потребности в воде. Значительное количество воды расходуется для потребностей отрасли животноводства, а также на бытовые потребности населения. Большая часть воды после ее использования для хозяйственно-бытовых нужд возвращается в реки в виде сточных вод.

Дефицит пресной воды уже сейчас становится мировой проблемой. Все более возрастающие потребности промышленности и сельского хозяйства в воде заставляют все страны, ученых мира искать разнообразные средства для решения этой проблемы.

На современном этапе определяются такие направления рационального использования водных ресурсов: более полное использование и расширенное воспроизводство ресурсов пресных вод; разработка новых технологических процессов, позволяющих предотвратить загрязнение водоемов и свести к минимуму потребление свежей воды.

Выбор оптимальных технологических схем очистки воды – достаточно сложная задача, что обусловлено преимущественным многообразием находящихся в воде примесей и высоким требованиями, предъявленными к качеству очистки воды. При выборе способа очистки примесей учитывают не только их состав в сточных водах, но и требования, которым должны удовлетворять очищенные воды: при сбросе в водоем – ПДС (предельно допустимые сбросы) и ПДК (предельно допустимые концентрации веществ), а при использовании очищенных сточных вод в производстве – те требования, которые необходимы для осуществления конкретных технологических процессов.

Для приготовления из сточных вод технической воды или обеспечения условий сброса очищенных сточных вод водоемов большое значение имеет технико-экономическая оценка способов подготовки воды. Экономическое преимущество имеют, как правило, замкнутые системы водоиспользования. Однако процесс замены современных производств безотходными, в том числе и с полностью замкнутой системой водоиспользования, достаточно длительный. Поэтому часть очищенных сточных вод сбрасывают в водоемы. В этих случаях необходимо соблюдать установленные нормативы для относительной концентрации вредных веществ в очищенных сточных водах.

Применяемые схемы очистки должны обеспечивать максимальное использование очищенных вод в основных технологических процессах и минимальный их сброс в открытые водоемы. При широком внедрении оборотных систем имеются дополнительные резервы по сокращению расхода свежей воды и уменьшению сброса в открытые водоемы. При широком внедрении оборотных систем имеются дополнительные резервы по сокращению расхода свежей воды и уменьшению сброса сточных вод в водоемы (совершенствование технологических процессов, повышение эффективности очистки сточных вод). Сточные воды являются чистыми, если их отведение в водные объекты не приводит к нарушению норм качества воды в контролируемом створе или пункте водоиспользования.

Степень очистки сточных вод при сбросе их в водоемы определяется нормативами качества воды водоема в расчетном створе и в большой степени зависит от фоновых загрязнений. Для снижения концентраций вредных примесей, присутствующих в сточных водах, до требуемых величин необходима достаточно глубокая очистка. Поэтому важное значение имеет надежный контроль степени очистки сточных вод, так как с ужесточением требований к качеству очищенных вод значение ПДК большинства вредных веществ снижается и, следовательно, возрастают трудности их определения. Кроме того, контроль усложняется при определении концентраций вредных веществ в сильно разбавленных сточных водах.

Морская вода, ветер и водород

            В целях декарбонизации атмосферы развитые страны планирую увеличить производство электроэнергии с помощью возобновляемых источников энергии, в частности, ветровых электростанций. Особенностью современного подхода к ветровой энергетики является то, что:

а) увеличивается мощность ветропарков;

б) строительство ветропарков осуществляется на морском шельфе.

Лидером по строительству морских ветропарков (wind farms) в настоящее время является Великобритания. К 2030 году суммарно Великобритания планирует построить 50 ГВт мощностей ветропарков. Их них 40 ГВт на морском шельфе.

Япония планирует построить к 2030 году 10 ГВт морских ветровых электростанций и к 2040 году увеличить их мощность до 30-45 ГВт.

Германия планирует построить к 2040 году 40 ГВт ветровых электростанций на шельфе Балтийского моря.

Индия к 2030 году планирует построить 30 ГВт мощностей морских ветровых электростанций.

К 2035 году США планирует построить 30 ГВт ветропарков на шельфе.

В чём преимущество сооружения ветропарков на море по сравнению с их строительством на суше?

  • Во-первых, строительства оффшорных ветровых электростанций не приводит к отчуждению земель сельхозназначения;
  • Во-вторых, появляется возможность производства водорода в промышленных масштабах из опреснённой морской воды.
  • Третьим преимуществом является то, что сточные воды, которые образуются в результате опреснения морской воды можно сбрасывать обратно в море.

Почему для производства водорода методом электролиза перспективно применение энергии ветра? Потому что в отличие от солнечных электростанций ветрогенераторы могут работать и в ночное время, но ночью потребность в электроэнергии снижается, поэтому электроэнергия, вырабатываемая в ночное время может использоваться как для аккумулирования электроэнергии, так и для производства водорода.

Водородные топливные элементы

            С помощью топливных элементов из водорода можно получать электрическую и тепловую энергию без образования вредных веществ, таких как оксиды азота.

Водородный топливный элемент генерирует электричество в процессе электрохимической реакции, в которой атомы поступающего под давлением водорода разлагаются на электроны и протоны. Электроны поступают во внешнюю цепь, создается электрический ток. Далее протоны проходят через мембрану, где с ними соединяется кислород и электроны. Единственным побочным продуктом такой реакции является водяной пар и тепло.

Системы на водородных топливных элементах не имеют движущихся частей, потеря КПД при их работе минимальна. И хотя цены на водородные топливные элементы пока достаточно высоки, однако надежность и простота эксплуатации такого оборудования компенсируют этот недостаток.

Существуют несколько причин, по которым в качестве источников электроэнергии компании решают купить топливные элементы на водороде:

  • надежность
  • низкие требования к сервису и техническому обслуживанию
  • высокий уровень автономности системы
  • компактность системы
  • отсутствие вредных выбросов и низкий уровень шума

На сегодняшний день существуют несколько производителей готовых комплексных систем на водородных топливных элементах, которые уже хорошо зарекомендовали себя на мировом рынке.

Основной недостаток – небольшая мощность топливных элементов. Поэтому можно рассматривать применение топливных элементов в качестве резервных источников электропитания, а также для предприятий, потребляющих незначительное количество энергии и ориентированных на экспорт своей продукции в Европейские страны, поскольку страны Европейского Союза планируют в ближайшее время ввести так называемый «углеродный налог» на все товары, импортируемые в Европу.

Водяной пар или углекислый газ?

Независимо от способа получения электроэнергии из водорода или водородсодержащего газа в качестве побочного продукта образуется водяной пар, который будет попадать в воздушную атмосферу.  Молярная масса водяного пара равна 18 г/моль, что существенно ниже молярной массы воздуха (29 г/моль) поэтому водяной пар будет всегда подниматься вверх до тех пор, пока не сконденсируется и не выпадет на землю в виде дождя.

Особенностью воды в отличие от углекислого газа является то, что она не разлагается в естественных условиях.

Углекислый газ намного тяжелее воздуха и после попадания его в атмосферу опускается на землю или водяную поверхность. Углекислый газ является строительным материалов для растительных организмов и повышение его концентрации стимулирует рост растений. С помощью процесса фотосинтеза (энергии Солнца) растения разлагают углекислый газ с образованием кислорода, который необходим для дыханий живых организмов.

Следует принимать во-внимание, что при сжигании природного газа и других углеводородных топлив в атмосферу выбрасывается не только углекислый газа, но и огромный объем водяного пара. Соответственно, концентрация водяных паров в атмосфере Земли будет ежегодно увеличивается.

Добыча газа в России в 2020 году составила примерно 700 млрд кубометров. При этом в 2021 году добычу природного газа предположительно будет находиться на уровне 728,4 млрд кубометров, в 2022 году добыча превысит 770 млрд кубометров, а в 2023 году достигнет 800 млрд кубометров.

При сжигании 700 млрд. нм3 природного газа в атмосферу выбрасывается примерно 1,35 млрд. тонн углекислого газа и 1,1 млрд. тонн водяного пара.

Важно отметить, что при получении водорода из воды методом электролиза часть воды будет временно выводиться из естественного «круговорота воды в природе», а при выработке электрической и тепловой энергии на установках, использующий в качестве топлива водород, водяные пары будут возвращаться в атмосферу, создавая замкнутый цикл «вода – водород – вода».

Кислород

            Параллельно с выделением из воды методом электролиза водорода будет образовываться кислород. Из девяти литров дистиллированной воды электролизом, кроме одного килограмма водорода можно получить восемь килограмм кислорода. Соответственно, из 56,7 млн. тонн воды, необходимых для получения 70 млрд. нм3 водорода, при электролизе будет образовываться 50,4 млн. тонн кислорода. Вряд ли мы сможет найти полезное применение такому объему кислорода, поэтому предполагается, что при получении водорода методом электролиза кислород будет выбрасывается в атмосферу. Кислород имеет плотность незначительно превышающую плотность воздуха, поэтому кислород в отсутствии ветра будет концентрироваться в местах его получения. Хорошо это или плохо?

Чистый кислород может приводить к следующим вредным и даже опасным последствиям:

  • ускорение процесса коррозии металлов;
  • при наличии источника пламени в чистом кислороде может гореть даже железо;
  • образовывать взрывоопасную смесь с водородом, называемую «гремучей смесью».

Следовательно, с точки зрения обеспечения безопасности, на электролизных станциях необходимо предусмотреть устройства, рассеивающие кислород в окружающем воздухе.

Уменьшение выбросов водяных паров в атмосферу

При оценке теплотворной способности топлива принято различать высшую и низшую теплоту сгорания.

Низшая теплота сгорания – это количество теплоты, выделяемое при сжигании без учета теплоты конденсации водяных паров, а высшая теплота сгорания учитывает эту теплоту.

Высшая теплота сгорания природного газа превышает низшую на 10-11% в зависимости от состава газа.

Технически конденсация водяных паров дымовых газов осуществима, но реализуется в очень редких случаях, поскольку экономически это не всегда выгодно.

В топливных элементах помимо электрической энергии образуется водяной пар, который можно конденсировать для получения тепловой энергии, а также воды, которую можно использовать для получения водорода.

То есть, технически возможно минимизировать выбросы водяного пара в атмосферу, сократив тем самым вредное влияние водяного пара на климат.

 

Использованная литература

  1. «Turbomachinery International». “Gas turbine innovations, with or without hydrogen”. Rosy Pasquariello. Dec. 4, 2020.
  2. «Турбины и дизели». Исследование камеры сгорания газовых турбин по гибкости по топливу и нагрузке. Сентябрь-Октябрь 2020.
  3.  Андреас Ланц, Анника Линдхолм, Дениэль Лорштадт – Siemens Energy AB, Финспонг, Швеция.
  4. Арман Ахамед Сабах, Хайсол Ким, Свен-Инге Мёллер, Мттиас Рихтер, Кристиан Бракманн, Маркус Альдер – Университет г. Лунд, Швеция.

 

М. А. Савитенко – АНО «Центр исследований и научных разработок в области энергетики «Водородные технологические решения»

Б. А. Рыбаков, к.т.н – ООО «СК-Инжиниринг» вопросы экологии

Дата публикации 17.02.2021