Сторінка
4

Альтернативні технології енергетики, їхні переваги й недоліки

2. За згоряння водню (2Н2 + О = 2Н2О) утворюється тільки вода, що є ідеальним процесом з огляду на екологічні проблеми. Навіть викиди водню в атмосферу в процесі його виробництва і використання нешкідливі для довкілля, оскільки він не отруйний, легкий і швидко переміщується у верхні шари атмосфери.

На жаль, і недоліки також відчутні:

1. Сучасні технології отримання водню (електроліз води чи конверсія природного газу) з метою його використання як енергетичного джерела є економічно невигідними.

2. Водень (як і природний газ) не такий зручний у використанні на транспорті, як рідке вуглеводневе пальне (бензин, дизельне пальне). Водень зберігається у спеціальних газових балонах під тиском, що потребує додержання суворих правил безпеки. Повітряно-воднева суміш (від 4 до 74% Н) вибухонебезпечна і, контактуючи з вогнем або за нагрівання вище 700°С, вибухає.

Сьогодні науковці і технологи ведуть широкий пошук ефективних технологій термохімічних і фотохімічних методів отримання водню як з води, так і з інших речовин, удосконалення способів його концентрації і зберігання, наприклад, зв’язаним у тверді гідриди з паладієм, з яких за нагрівання він легко вивільнюється. Сподіваються, проте, що ця проблема може бути вирішена лише в наступні десятиріччя ХХІ ст. Винятково цікавою і обнадійливою є, на жаль, іще досить віддалена перспектива отримання молекулярного водню, вилученням його з процесу фотосинтезу рослин.

Суть проблеми полягає в тім, що сонячна енергія рослиною використовується для розкладу води на кисень і водень. У самій рослині водень використовується для її власних енергетичних потреб як засіб відновлення діоксиду вуглецю, котрий поглинається з повітря. Відновлений вуглець з воднем утворює вуглеводну основу біомаси рослини, а кисень виділяється в атмосферу. А чи не можна знайти засіб вилучити частину водню з рослин назовні і збирати його в спеціальні колектори? Це не безпідставна фантазія. Такий процес існує в природі. Кожний з нас спостерігав нарости (гали) на стовбурах деяких дерев і рослин. Гали бувають різні як за формою, так і за хімічною будовою речовини, але всі вони утворюються певними видами бактерій.

У галах відбуваються специфічні природні процеси, які, сказати б, протилежні фотосинтезу: окислення вуглецю в утворених під час фотосинтезу вуглеводах знов до діоксиду і повернення його в листя для повторного процесу фотосинтезу. При цьому вивільнений водень з галів виходить назовні. Цей процес зветься біофотолізом (рис. 57). Як стверджують учені, бактерії Rhizobium у галах бобових рослин (сої) на терені США, щорічно виділяють в атмосферу 30 млрд m3 водню, що еквівалентно енергії згоряння понад 100 млрд m3 природного газу. Це значно перевищує річні витрати газу в Україні.

Рис. 57. Схема процесів біофотолізу утворення водню в галах «водневого» дерева

Сьогодні учені працюють також над розробкою синтетичного «хлорофілу» — каталізатора фотохімічного розкладу води на кисень і водень. Покладаються надії і на вирішення технологічної проблеми концентрації сонячних променів, енергія яких була б достатня для нагрівання водяної пари до температури 2000°С, що забезпечило б дисоціацію молекул води (2Н2О ® 2Н2 + О2).

Особливим напрямком розвитку водневої енергетики є розробка так званих паливних елементів, в яких відбувається безпосередня конверсія енергії окиснення водню в електроенергію. Принцип дії паливних елементів нагадує процеси в звичайному гальванічному елементі чи електричній батареї. Але, якщо в останніх «паливо» і «окислювач» закладають в батарею одноразово і з часом вони «розряджаються», то в паливних водневих елементах водень і кисень подаються до електродів безперервно. При цьому на водневому електроді відбувається реакція електрохімічного окиснення водню (Н2 ® 2Н+ + 2е), а на кисневому — реакція відновлення кисню електронами, що вивільнились за окиснення водню:

1/2 О2 + 2е ® О–2.

Сумарна електрохімічна реакція зводиться до утворення води:

Н2 + 1/2 О2 ® Н2О.

Унаслідок описаних процесів на водневому електроді накопичуються електрони — негативний потенціал, а на кисневому — позитивний з різницею близько 1 V. Батарея з 40 послідовно підключених електродів у формі пластин діаметром 250 mm може забезпечити потужність понад 5 kW з коефіцієнтом конверсії енергії майже вдвічі вищим, ніж за використання теплоти згоряння палива в традиційних електростанціях. Конструктивні можливості збільшення потужності батарей є практично необмеженими. Запровадження такої енергетики не створює екологічних проблем. Такі батареї вже використовують у космічних апаратах та в інших спеціальних (енергетично автономних) об’єктах. У зв’язку з цим постає питання, чому сучасна промислова електроенергетика віддає перевагу технології теплових електростанцій з їхньою технічно й екологічно недосконалою системою багатоступеневого перетворення теплоти згоряння палива на енергію водяної пари, механічну роботу турбіни і генератора, з якого і отримують електричний струм? Відповідь ми вже дали раніше: нетрадиційна енергетика є ще дуже дорогою і часто досить небезпечною.

Але слід зазначити, що останнім часом з’явилися обнадійливі перспективи наблизитись до вирішення економічної проблеми водневої енергетики. За повідомленнями американських учених виведено штам бактерій, які спроможні розкладати рослинні полісахариди і навіть целюлозу на водень і воду в технологічному процесі, як це відбувається в галах «водневого дерева».