4. Воднева енергетика
Водень H2 є ідеальним паливом з високою теплотою згорання і нешкідливим продуктом горіння - водяною парою. В світі ведеться обширний об'єм досліджень в області «водневої енергетики» - здобуття і використання водню як енергоносію. Вжиток водню в світі в кінці XX століття складав близько 200 млрд. нм3/рік, з яких приблизно 100 млрд. йшло на виробництво аміаку і приблизно 80 млрд. - на інші потреби хімічної і нафтохімічної промисловості.
Водень є універсальним енергоносієм. Він може застосовуватися як паливо для двигунів внутрішнього згорання і газотурбінних установок, теплових електростанцій, в технологічних установках промисловості, в побуті. Висловлюються побоювання з приводу вибухонебезпечності «гримучого газу» - суміші водню з повітрям. Проте так само вибухонебезпечна і суміш природного газу з повітрям, відомі одиничні випадки аварій при її вибухах, що не заважає широкому вживанню природного газу. У м. Базель (Швейцарія) по міській мережі десятиліттями безаварійно подається газ, що містить 80% водню.
Водень можна отримувати термохімічним способом - нагрівом водяної пари у присутності різних каталізаторів. Так, реакція К2О + H2О → 2КОН приводить до утворення лугу їдкого калію. Потім додають калій і підводять теплоту при температурі 700°С, у результаті отримують реакцію 2КОН + 2К → К2О + Н2. Опрацьовуються проекти здобуття водню термохімічним гідролізом з використанням високотемпературних ядерних реакторів. Застосовуються також термохімічні способи здобуття водню з природного газу і нафти.
Найпоширеніший в даний час метод електролізу води заснований на реакції: електроенергія + 2Н2О → 2Н2 + О2. Електроліз може здійснюватися в рідкій фазі при низькій температурі. Працюють установки низькотемпературного електролізу води потужністю до 3 МВт. Електролітичні ванни обладнані нікелевими електродами, у воду додаються солі калія. ККД процесу електролізу досягає 85%. Для широкого поширення виробництва водню електролізом необхідна дешева електроенергія, яку можна отримувати з ТЕС і АЕС в години провалу навантаження.
Вживання водневого палива в автомобільних двигунах внутрішнього згорання наводить до підвищення їх ККД і різкому поліпшенню екологічної чистоти повітря в містах. Газоподібний водень має низьку щільність, тому його транспортування в балонах привело б до збільшення маси і зниження дальності пробігу автомобілів. Питання вирішується із застосуванням гідридів металів, що зв'язують водень (наприклад, гідриду титана ТіН2), які при невеликій масі здатні зв'язувати дуже значні об'єми водню. «Цеглинка» з гідриду титану об'ємом 10 см3 здатна зберігати в собі 1,68 нм3 водню. Водень витягується з гідридів при їх нагріві, наприклад, відпрацьованими в двигуні газами.
Водневе паливо застосовувалося в космічній техніці. Зокрема, на ньому працювали двигуни третього рівня ракети «Аполлон», на якій американські астронавти відвідували Луну. Цей ступінь масою 90,7 т ніс в своїх баках 242 м3 рідкого водню.
Вельми перспективне вживання водню в металургії. Залізняк відновлюватиметься воднем із здобуттям губчастого заліза при температурі 8ОО...115О°С. Сталь виплавлятиметься з губчастого заліза в дугових електропечах. Таким чином, будуть виключені сучасні енергоємні і екологічно брудні металургійні виробництва - коксохімічне, доменне, киснево-конвертерне. Таке виробництво освоюється в Японії. Його значення зростає у зв'язку з дефіцитом вугілля, що коксується. Так, Росія вимушена імпортувати для своїх домен вугілля, що коксується, з Карагандинського басейну (Казахстан). Водень може також служити сировиною у ряді хімічних технологій.
Паливні елементи. Водень є оптимальною сировиною для паливних елементів, в яких електричний струм генерується з хімічною енергією споживаних компонентів, минувши теплову енергію. Пряме перетворення хімічної енергії в електричну відбувається в паливних елементах без втрат, пов'язаних з необхідністю віддавати частину підведеної теплоти в довкілля по другому закону термодинаміки, тому паливні елементи мають високий ККД. При їх роботі практично не забруднюється довкілля. За принципом дії робота паливного елементу протилежна до електролізу води.
Воднево-кисневий паливний елемент (рис. 8) працює таким чином. Судина заповнена електролітом - наприклад, розчином сірчаної кислоти слабкої концентрації. У елемент вбудовані каталітично активні платинові електроди, один з яких є анодом, інший катодом. Вони сполучені зовнішнім електричним ланцюгом.
Рис. 8 - Воднево-кисневий паливний елемент
Електроди розділені напівпроникною мембраною. До одного електроду подається водень, до іншого - в еквівалентних кількостях кисень. На катоді молекули водню Н2 завдяки каталітичній дії платини розпадаються на атоми, які переходять в іони +Н. Електрони, що звільнилися, через зовнішній ланцюг спрямовуються до анода, створюючи в ланцюзі електричний струм. Позитивні водневі іони проходять через напівпроникну мембрану в іншу половину судини. На аноді електрони, що прийшли по електричному ланцюгу, атоми кисню і позитивні іони водню утворюють нейтральні молекули води Н2О, що поступають в розчин. Включене в електричний ланцюг навантаження споживає електроенергію, що виробляється паливним елементом.
В результаті реакції хімічна енергія пари реагентів водень-кисень перетворюється на електроенергію. Напруга в ланцюзі одного паливного елементу складає близько 1 В, тому елементи об'єднуються в батареї. ККД сучасних воднево-кисневих паливних елементів складає близько 80%.
Як вихідний енергоносій для паливних елементів можуть використовуватися окрім водню інші горючі гази, дешевші і доступніші. Як електроліт можуть застосовуватися розчини солей, що дозволяє підвищити температуру і швидкість хімічного перетворення. Паливні елементи поки що дорогі, і тому застосовуються в основному там, де ціна не грає вирішальної ролі (наприклад, в космічній техніці). Крупні транснаціональні компанії ведуть роботи по вдосконаленню процесів здобуття і використання водню і паливних елементів. Хоча водень і не відноситься до первинних енергоносіїв, його використання дає можливість істотно підвищити якість енергоспоживання і енерготехнологій.