Водород

Размышляя о водороде и его будущем, невольно вспоминаешь книгу Гоймера фон Дитфурта «Сначала был водород». Трудно придумать лучшее название. На нем фокусируется главная мысль: именно водород — вещество с простейшей молекулой — был и по-прежнему остается основным строительным материалом вселенной. В течение миллиардов лет в недрах звезд не прекращаются сложные преобразования; в них, как в тиглях средневековых алхимиков, из водорода создаются другие химические элементы, без которых было бы немыслимо многообразие форм окружающей нас материи. И разве не символичен тот факт, что современная цивилизация опять же обращается к водороду, предназначая ему все более важную роль в своем развитии?

Химический элемент водород был открыт в 1781 г. Он был известен под разными названиями: «горючий воздух», «кислород», «водород». Все они объяснялись его химическими свойствами. Водород очень легок, и поэтому им накачивали воздушные шары, но такое увлечение значительно ослабло после нескольких катастроф управляемых шаров в тридцатые годы XX века. Зато неизменно расширялось применение этого газа в промышленности. Более половины водорода, производимого во всем мире, используется для получения аммиака и искусственных удобрений. Около четверти идет на очистку нефтепродуктов от серы и получение легких фракций нефти. Оставшаяся часть служит для производства органических соединений, синтетического каучука, смазочных масел, пищевых жиров и т.п.

Не так-то просто было заставить служить человеку столь химически активный элемент. Он легко соединяется с кислородом, что часто приводит к взрыву. Но человек сумел «обуздать характер» водорода. В качестве наиболее удачного примера можно привести успешное использование водорода в космонавтике. Полеты к Луне американских пилотируемых космических кораблей «Аполлон» осуществлялись с помощью ракеты «Сатурн 5», двигатели которой работал^ на жидком водороде и кислорода. Электроэнергию кораблям поставлял^ так называемые топливные элементы ( в них протекала управляемая химическая реакция соединения водорода р кислородом в воде с непосредственным выделением электрической энергии. Оба решения в усовершенствованной форме были использованы при создании космического челнока «Колумбия».

В ближайшем и более отдаленном будущем (через несколько десятилетий предвидится применение водорода в нескольких областях. В химии планируется его использовать при| производстве жидкого и газифицированного топлива из каменного угля, В энергетике ему предназначается роль промежуточного энергоносителе, Схема действия двигателя внутреннего сгорания с водородным топливом. Водород хранится в баке, заполненном гидридом железа и титана. Чтобы водородное топливо начало поступать из бака в двигатель, следует бак нагреть. Для этого горячую воду из двигателя пропускают через змеевик, находящийся внутри бака. В результате химической реакции освобождается чистый водород.

Холодная вода, вытекающая из змеевика, возвращается в двигатель и охлаждает его. При этом она сама нагревается и опять поступает в бак. Процесс повторяется сначала.

После израсходования запаса топлива, бак снова заполняют водородом, который легче поддается аккумулированию, циклическому использованию и восстановлению, чем обычная электроэнергия. И, наконец, водород найдет применение в авиации и автотранспорте.

Особое значение придается получению жидкого и газифицированного топлива в странах, располагающих богатыми залежами каменного угля — в США. СССР, КНР и Польше. Производство из каменного угля жидкого синтетического топлива типа нефти сводится, главным образом, к обогащению углерода водородом. Успешные эксперименты в этой области ведутся уже 70 лет, но ни один из предложенных до сих пор методов нерентабелен. Дело в том, что химические реакции, обеспечивающие преобразование в синтетическое топливо, требуют огромных затрат энергии. Реакции протекают под большим давлением и при высокой температуре, а конечный продукт гораздо дороже горючего, получаемого из нефти. Однако можно рассчитывать, что в ближайшие годы положение изменится. С одной стороны, технический прогресс приведет к усовершенствованию процессов сжижения и газификации каменного угля, а необходимую энергию обеспечит развитие ядерной энергетики. С другой стороны, нефть находит все большее применение в химической промышленности, в то время как ее ресурсы быстро истощаются. В результате меняется соотношение цен на мировом рынке.

Воздух выхлопная груба (водяной пар) водяное охлаждение

Огромные возможности открываются перед водородом в области энергетики. Широко известно явление пиков и спадов потребления энергии от электросети в различное время суток, а ведь тепловые электростанции работают с более или менее равномерной мощностью. С учетом этих колебаний строятся так называемые пиковые электростанции. Когда потребление энергии падает, ее излишек используется для нагнетания воды в резервуары, расположенные на определенной высоте. Во время усиленного потребления вода из резервуаров приводит в действие турбины генераторов, производящих дополнительною энергию. Существуют проекты использования водорода в целях аккумулирования энергии «про запас» перед часами «пик». Во время спада ток будет разлагать воду электролитически на водород и кислород, а затем, когда наступит пик, произойдет реакция окисления водорода — воды с выделением энергии, обеспечивающей возросшие энергетические потребности. В качестве энергообменников послужат крупные наборы топливных' элементов.

И наконец транспорт. Предполага¬ется использовать жидкое топливо в качестве авиационного горючего по примеру ракетной и космической тех¬ники. Это высокопроизводительное топливо, чистое, не выделяющее выхлопных газов. Здесь следует упомянуть о Проекте фирмы Локхид. Предполагается, что после перестройки самолет «Три стар» сможет пересечь Атлантический океан, расходуя 22 тонны водорода. Фюзеляж самолета будет удлинен, чтобы хватило места для огромных баков с водородом. (Не забывайте, что водород при очень высоком выходе энергии на единицу веса имеет, однако, весьма низкую плотность, даже в сжиженном состоянии). Кроме того, придется отказаться от топливных баков в крыльях самолета, так как было бы очень трудно обеспечить охлаждение находящегося в них жидкого водорода

От авиации не отстает и автотранспорт. Во многих странах ведутся испытания легковых автомобилей, автобусов и грузовиков с водородными двигателями. И хотя не дошло еще до серийного производства, перспективы на будущее неплохие.

Где бы ни использовался водород, главная задача — его эффективная и экономичная добыча, а затем аккумуляция и хранение. Речь идет об огромных запасах водорода. Ученые считают, что широко распространенное в наше время получение водорода из нефти уступит со временем мессто электролизу химических веществ, содержащих водород. Эта технология известна и сейчас, но слишком дорого обходится из-за энергетических затрат. В будущем необходимую энергию обеспечат атомные электростанции.

Хранение водорода может обеспечивать несколькими методами. Для нужд энергетики и химической промышленности можно хранить водород в естественных или искусственных резервуарах под землей, например, в пещерах или шахтных выработках. Для нужд нефтехимии и авиационного транспорта предусматривается хранение сжиженного водорода в сферических цистернах с полной теплоизоляцией и интенсивным охлаждением. Подобные резервуары построило для своих ракетоносителей американское Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства. Ну, а для нужд автотранспорта и коммунальных услуг водород можно хранить либо в сжатом виде в стальных баллонах, либо в виде различных гидридов. Перед этими химическими веществами открывается большое будущее, так как они способны циклически то поглощать,, то выделять большое количество водорода. В качестве примера приведем легкий гранулированный гидрид магния и алюминия. При массе резервуара 200 кг он мог бы обеспечить передвижение легкового автомобиля в радиусе 400 км, поглощая и выделяя водород, как губка воду. А место современных бензоколонок заняли бы устройства для насыщения гидрида самым легким элементом — водородом.