Wasserstoff ist ein umweltfreundlicher Kraftstoff. An der Schwelle zum Wasserstoffzeitalter. Biodiesel auf Basis pflanzlicher Öle

Tatsächlich ist die Umrüstung von Autos, Flugzeugen, Schiffen und Lokomotiven auf Wasserstoff als Treibstoff eine sehr attraktive Idee. Der Einsatz von H 2 hinterlässt keinen CO2-Fußabdruck. Ein Toyota Mirai-Personenwagen, der mit Wasserstoffbatterien betrieben wird, produziert auf 100 km Fahrt etwa einen halben Eimer Wasser. Und alle! Keine Treibhausgase. Keine giftigen Emissionen. Ist das nicht ein hervorragender Ersatz für Kohlenwasserstoff-Kraftstoffe? Der Ersatz ist hervorragend, aber das Problem ist, dass die Natur riesige Öl- und Gasvorkommen für uns geschaffen hat, es aber keine Wasserstoffvorkommen gibt. Das leichteste Element des Periodensystems kommt in der umgebenden Welt reichlich vor, jedoch in Form von Verbindungen – hauptsächlich mit Kohlenstoff und Sauerstoff. Um Wasserstoff in freier Form zu erhalten, ist es notwendig, diese Verbindungen zu zerstören, was einen Energieaufwand und beim aktuellen Stand der Technologieentwicklung viel mehr Energie erfordert, als wir dann durch die Wiederverwertung von Wasserstoff gewinnen können.

Sonnenstrahlung, Gezeiten und Wind werden heute als alternative Energiequellen bezeichnet, Wasserstoff gehört jedoch nicht dazu. H2 ist ein umweltfreundlicher Kraftstoff, der im Wesentlichen die zu seiner Herstellung aufgewendete Energie speichert (abzüglich der unvermeidlichen Verluste). Es gibt eine Reihe aktuell genutzter und vielversprechender Technologien zur Herstellung von Wasserstoff, die wichtigsten werden jedoch in zwei Arten unterteilt: die Entfernung von Wasserstoff aus Kohlenstoff und die Entfernung von Wasserstoff aus Sauerstoff.

Wie funktioniert ein Toyota Mirai?

1. Brennstoffzellenstapel Verwendet Toyotas erste in Serie gefertigte Brennstoffzelle mit hoher Leistungsdichte pro Volumeneinheit (3,2 kW/L). Maximale Leistung: 124 kW 2. Aufwärtswandler wandelt den von der Brennstoffzelle erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom mit erhöhter Spannung um bis 650 V 3. Die Nickel-Metallhydrid-Batterie speichert Energie, die beim Bremsen zurückgewonnen wird. Beim Anfahren treibt es zusammen mit der Brennstoffzelle den Motor an. 4. Hochdruckzylinder. Betriebsdruck im Inneren: 700 atm. Innenvolumen: 60 l (vorderer Tank) 62,4 l (hinterer Tank) 5. Elektromotor AC-Synchron-Elektromotor: maximale Leistung - 113 kW (153,6 PS) maximales Drehmoment - 335 Nm 6. Steuereinheit steuert die Brennstoffzelle sowie Laden/Entladen der Batterie 7 Weiteres Zubehör Pumpe zum Pumpen von Wasserstoff usw.

Schmutziger, sauberer Kraftstoff?

Mehr als die Hälfte des weltweiten Wasserstoffs wird durch Dampfreformierung von Methan hergestellt – dies ist die günstigste und zugänglichste Methode. In einem mehrstufigen Prozess unter Einsatz hoher Temperaturen und Katalysatoren werden Methanmoleküle in Wasserstoff und Kohlenmonoxid (Kohlenmonoxid) zerlegt. Da für den Prozess fossile Brennstoffe zum Einsatz kommen, kann der auf diese Weise erzeugte Wasserstoff nicht als CO2-neutral bezeichnet werden.

Ein weiterer weit verbreiteter industrieller Prozess ist die Elektrolyse, die jeder aus Chemieexperimenten in der Schule kennt. Öl, Gas und Kohle gibt es hier nicht mehr – gewöhnliches Wasser zerfällt in Sauerstoff und Wasserstoff, wenn ihm elektrische Energie zugeführt wird. Doch woher kommt diese Energie? Wenn es neben der Wasserstoffproduktion auch ein Wärmekraftwerk gibt, das mit Heizöl betrieben wird, dann wird auch hier mit der CO2-Bilanz nicht alles so gut sein. Energievordenker der Zukunft sprechen von Wasserstofffabriken, die ausschließlich mit Strom aus Windparks, Solarkraftwerken und anderen erneuerbaren Quellen betrieben werden. In diesem Fall wird eine wirklich kohlenstofffreie Kraftstoffproduktionskette entstehen, was jedoch eine enorme Steigerung der Erzeugungskapazität im Bereich „grüner“ Energie erfordert.

Wasserstoffproduktion mittels Biotechnologie

Über das Schicksal der Hindenburg

Eine vollständige Umstellung auf Wasserstoff erfordert nicht nur Energieressourcen für seine Produktion, sondern auch eine entwickelte Infrastruktur für seinen Transport und seine Speicherung – Pipelines, Eisenbahntanks, Seetanker, Stauseen, Tankstellen. Einer der Hauptgründe für die etwas zurückhaltende Haltung der Gesellschaft gegenüber der Wasserstoffrevolution ist, dass Wasserstoff sehr flüchtig und explosiv ist. Wo Wasserstoff gespeichert, transportiert oder verwendet wird, sind hochempfindliche Gasanalysatoren erforderlich, die das kleinste Leck melden. Befürworter der aktiven Nutzung von Wasserstoff argumentieren zwar, dass die Gefahr übertrieben sei. Im Gegensatz zu schweren Gasen wie Methan steigt leichter Wasserstoff, der aus einer Flasche austritt, sofort auf und verflüchtigt sich. Ein Beispiel ist die Geschichte der Katastrophe des Hindenburg-Luftschiffs, bei der der gezündete Wasserstoff nur 32 Sekunden lang brannte, wodurch 62 der 97 Passagiere nicht im Feuer umkamen und überlebten. Aber auf jeden Fall wird die Anwesenheit einer großen Anzahl von Fahrzeugen, die unter Druck explosives Gas enthalten, auf den Straßen ein neues Maß an Verkehrssicherheit erfordern.

All diese Faktoren, die den weit verbreiteten Einsatz von Wasserstoff einschränken, deuten darauf hin, dass der Übergang zum neuen Kraftstoff nicht sehr schnell erfolgen wird. Der Verkauf des bahnbrechenden Toyota Mirai mit Wasserstoff-Brennstoffzelle, der 2015 begann, hat sich gerade einmal der 3.000er-Marke angenähert – und das in einem riesigen Markt, der nicht nur Japan, sondern auch die USA, die EU und die Vereinigten Arabischen Emirate umfasst. Es ist offensichtlich, dass Wasserstoff als Kraftstoff noch lange Zeit neben herkömmlichen Kohlenwasserstoffen und Lithium-Ionen-Batterien (in Elektrofahrzeugen) existieren wird. Gleichzeitig können sich Wasserstofftechnologien in einigen der vielversprechendsten Nischen, beispielsweise im Bereich elektrischer UAVs, schneller entwickeln. Tatsache ist, dass der Wirkungsgrad einer Wasserstoff-Brennstoffzelle sehr hoch ist, da die bei der Kombination von Wasserstoff mit Sauerstoff freigesetzte Energie direkt in Strom umgewandelt wird, ohne nennenswerte Verluste in Form von Wärme, wie dies bei der Verbrennung von Kraftstoff der Fall wäre im Carnot-Zyklus. Durch die optimale Ausnutzung der Energie des Treibstoffs kann ein mit Brennstoffzellen ausgestattetes UAV viel länger in der Luft bleiben als eine Drohne mit einem vergleichbaren Startgewicht, die jedoch von üblicherweise verwendeten Lithium-Ionen-Batterien angetrieben wird.

Fester Wasserstoff?

In unserem Land sind nicht nur das Institut für Probleme der physikalischen Chemie des Instituts für physikalische Chemie der Russischen Akademie der Wissenschaften und das Zentralinstitut für Luftfahrtmotoren führend bei der Entwicklung von Wasserstoff-Luft-Brennstoffzellen (HAFC) für UAVs Ingenieurwesen CIAM benannt nach. Baranova. Im April 2016 führte VTEC IPCh einen Rekordflug von 3 Stunden und 10 Minuten mit dem NELK-88-Konzept-Oktokopter durch, der gemeinsam von NELK und IPCh RAS hergestellt wurde.

Anordnung von „festen Wasserstoff“-Pellets im Flügel eines UAV

Das Wasserstoffsystem an Bord verfügt über ein sehr gutes HFC und arbeitet effizient, doch mit der Einführung von komprimiertem Flaschenwasserstoff an Bord traten Probleme mit erheblichem Gewicht und großer Größe auf. Darüber hinaus besteht immer noch die Möglichkeit eines Gaslecks, was unsicher ist. Die neuesten ultrastarken Materialien und Technologien haben dieses Problem nicht vollständig gelöst.

Um mehr Wasserstoff an Bord und in einem leichteren Speichersystem zu haben, versuchten sie, auf bei einer Temperatur von -253 °C verflüssigten Wasserstoff umzusteigen, dessen Dichte dreimal höher ist als die Dichte von auf Standarddruck für Ballons komprimiertem Wasserstoff Systeme von 300-350 atm, die die Energieintensität der Systeme erhöhen könnten. Doch Probleme mit dem Dewar-Gefäß, der Wärmedämmung, der Füllung usw. zwangen uns, von dieser Idee abzusehen. Eine Lösung wurde gefunden, als wir uns an feste Metallhydride erinnerten. Im Hydrid ist Wasserstoff so dicht gepackt, dass von einem Austritt keine Rede sein kann. Daher ist „fester“ Wasserstoff ein ernstzunehmendes Argument für die Lösung des Problems der Sicherheit von Mensch und Ausrüstung.

In verschiedenen Hydriden – Natrium, Magnesium, Bor usw. – ist Wasserstoff in unterschiedlichen Gewichtsmengen vorhanden, und der Champion ist hier Ammoniakboran (Borazan) mit einem Wasserstoffgehalt von 20 %. Um das für Hochdruckbrennelemente benötigte Wasserstoffgas zu gewinnen, muss Ammoniakboran vorsichtig auf eine Temperatur von 85–100 °C erhitzt werden, um ein Schmelzen und Schäumen zu verhindern. An Bord eines UAVs ist es kein Problem, eine solche Temperatur zu erreichen: Im Betrieb werden beispielsweise Hochspannungsbrennelemente auf diese Temperatur erhitzt.

Flug auf Tablets

Vor nicht allzu langer Zeit ereigneten sich in dieser Gegend zwei bedeutende Ereignisse. Das erste war Anfang Februar 2016, als das britische Unternehmen Cella Energy zusammen mit der Scottish Association of Marine Sciences SAMS die Feststoffwasserstofftechnologie erfolgreich auf einem Drohnen-Demonstrator auf dem Argyll-Testgelände testete. Laut Plan dauerte der Flug zehn Minuten, das UAV stieg auf eine Höhe von 80 m.

Die zweite Veranstaltung fand Mitte Februar 2016 in Singapur statt, am Vorabend der Eröffnung der dortigen Air Show 2016. Anschließend führte das serienmäßige Mini-UAV Skyblade 360 UAV von HES Energy Systems sechs Stunden lang einen kontrollierten Flug durch flog insgesamt 300 km mit einer Geschwindigkeit von 50-55 km/h. In beiden Fällen verwendeten die Entwickler ähnliche Technologien zur Herstellung von Wasserstoffträgermaterial und zur Herstellung von Wasserstoffgas daraus.

Das Hydridmaterial wurde in Form von Granulat hergestellt, das auf ein bedrucktes Montageband gelegt wurde, was eine gleichmäßige, sorgfältige Erwärmung von Granulat zu Granulat durch eine an Bord befindliche Wärmequelle ermöglichte. Cellas Boran-Ammoniak-Granulat hatte einen quadratischen Querschnitt mit einer Seitenlänge von 1 cm. Sie wurden in eine zylindrische Gasgeneratorkartusche gegeben, in der nach der Freisetzung von Wasserstoffgas der erforderliche Betriebsdruck aufrechterhalten wurde. klein. Die Pellet-in-Cartridge-Technologie ermöglicht eine Skalierung der Treibstoffladung je nach konkreter Mission, was für Flexibilität beim Einsatz der Drohne sorgt.

Nichts wird verloren gehen

Bei der Herstellung von Borazan-Granulat wurden mithilfe der Nanostrukturierungstechnologie Hydrid-Nanopartikel mit einer Größe von 4 bis 6 nm (30-mal kleiner als die Größe eines Sandkorns, wie im Fall von Cella) hergestellt, was zu dem hohen Wert beitrug Ausbeute an Wasserstoff. 1 g strukturiertes Granulat setzt 1 Liter Wasserstoffgas mit einem Wirkungsgrad von über 90–95 % frei.

Aber was tun mit einer gebrauchten Kartusche, in der nach der Extraktion des Wasserstoffs aus dem Hydrid noch viel nützliches Material übrig bleibt? Natürlich wird eine solche Kartusche niemand wegwerfen, und der Rest darin – Polyborazylen – wird durch Sättigung mit Wasserstoff in Gegenwart eines speziellen Katalysators, beispielsweise auf Rutheniumbasis, in den Zustand von Ammoniakboran reduziert. Es gibt bereits eine Regenerationstechnologie, bei der alles in „einem Kessel“ geschieht – direkt in der gebrauchten Kartusche, was den Prozess sicher macht und die Produktionskette vereinfacht.

Bei der Einschätzung der Zukunftsaussichten von Wasserstoff als Energieträger stützen wir uns vor allem auf bestehende Technologien zur Herstellung und Anwendung. Allerdings passiert in diesem Bereich fast jeden Tag etwas Neues (wie die schnelle Ankunft des „festen Wasserstoffs“ zeigt), und vielleicht kommt die Wasserstoffwirtschaft irgendwann in einem ganz anderen Gewand zu uns.

Bisher haben wir die sogenannten primären Energieträger betrachtet, es gibt aber auch einen sekundären Energieträger – Wasserstoff, bei dessen Verbrennung Wasser entsteht, was zu der weit verbreiteten Vorstellung von Wasserstoff als umweltfreundlichem Kraftstoff geführt hat. In Wirklichkeit ist die Situation viel komplizierter. Wasserstoff selbst ist aus ökologischer Sicht tatsächlich relativ sauber. Es ist jedoch zu berücksichtigen, dass bei der Verwendung von Wasserstoff als Kraftstoff für Autos in den Motorzylindern eine sehr hohe Temperatur entsteht, bei der Luftstickstoff zu oxidieren beginnt und daher eine geringe Menge Stickoxide im Abgas vorhanden ist .

Schon bei der Herstellung von Wasserstoff entstehen die größten Umweltprobleme – schließlich fehlt Wasserstoff in reiner Form auf der Erde; er muss aus Wasser oder Kohlenwasserstoffen synthetisiert werden. Daraus folgt, dass zur Umsetzung einer schönen und verlockenden Idee namens „Wasserstoffenergie“ Wasserstoff gewonnen, also Energie aufgewendet werden muss. Darüber hinaus muss es auf wirtschaftlich sinnvolle Weise gewonnen werden, sodass die Kosten des Energieäquivalents dieses Energieträgers den Kosten herkömmlicher Energieträger und des Energieträgers, der zur Herstellung von Wasserstoff verwendet wurde, entsprechen.

Als erste und wichtigste Aufgabe der Wasserstoffenergie wird der Ersatz von Öl, Erdgas und Kohle durch Wasserstoff erklärt. Doch heute kennt die Welt keine Technologie, die allen Anforderungen dieser globalen Aufgabe gerecht wird. Alle heute bekannten Methoden zur Herstellung von Wasserstoff sind alles andere als perfekt: Erstens sind sie energieaufwendig, und zweitens geht die Herstellung von Wasserstoff aus Kohlenwasserstoffen mit der Freisetzung großer Mengen Kohlendioxid und anderer giftiger Stoffe einher. Und wenn nun der Beitrag von Kohlendioxid zum Anstieg der Treibhausgaskonzentration in der Atmosphäre noch relativ gering ist und nur Anlass zur Sorge gibt, dann wird die Umstellung auf Wasserstoffkraftstoff, der beispielsweise aus Methan gewonnen wird, dazu führen eine Verzehnfachung der Kohlendioxidemissionen.

Die Gewinnung von Wasserstoff durch Elektrolyse von Wasser unter Einsatz herkömmlicher Energiequellen muss naturgemäß abgelehnt werden, da dadurch etwas mehr Energie verbraucht wird als bei der Verbrennung von Wasserstoff. Daher wird intensiv an der Entwicklung von Materialien geforscht, die bei Sonneneinstrahlung Wasser spalten. Parallel dazu wird daran gearbeitet, Halbleiterfotozellen zu schaffen, um Sonnenenergie in Strom umzuwandeln, der dann zur Elektrolyse von Wasser verwendet wird. Die Aussichten für diese Studien sind noch unklar, aber wenn sie erfolgreich sind, werden wir über die Entstehung einer neuen Industrie mit allen daraus resultierenden Konsequenzen sprechen. Umweltprobleme bei der Wasserstoffenergie werden auch bei der Entwicklung von Materialien für den Pipelinetransport von Wasserstoff auftreten – er ist explosiv, weist eine hohe Diffusionsmobilität auf (durchdringt leicht herkömmliche Strukturmaterialien), was bedeutet, dass Materialien und Technologien einer neuen Generation erforderlich sein werden, die wahrscheinlich nicht vorhanden sind umweltfreundlich.

Das Problem der Wasserstoffspeicherung ist noch lange nicht gelöst. Das US-Energieministerium hat Anforderungen an ein Material formuliert, das Wasserstoff ansammelt: Es muss bei Raumtemperatur mindestens 5,5 Gew.-% Wasserstoff enthalten, der Prozess der Wasserstoffsorption-Desorption muss bei einer Temperatur von nicht mehr als 120 °C reversibel sein, das System muss sicher sein und mindestens 5000 Entlade-/Ladezyklen lang betriebsbereit bleiben. Heutzutage gibt es kein einziges Material, das diese Anforderungen auch nur annähernd erfüllt. Sorptionsmittel, deren Wasserstoffabsorption auf physikalischer Adsorption beruht, sind aufgrund der Natur des Phänomens nicht in der Lage, diese Anforderungen zu erfüllen, da bei ihnen ein relativ hoher Adsorbatgehalt nur bei niedrigen Temperaturen (77 K) erreichbar ist. Im Gegensatz dazu sind bei Metallhydriden und intermetallischen Verbindungen mit hohem Wasserstoffgehalt hohe Temperaturen für deren Freisetzung und Bindung erforderlich. Dies erschwert nicht nur technische Lösungen bei der Umsetzung der Aufgabe, sondern erhöht auch die Gefahr der Nutzung des Gesamtsystems erheblich.

Auch hier kann man hoffen, dass das Problem der Speicherung und Akkumulation von Wasserstoff im Laufe der Zeit gelöst wird, aber man kann nicht mit der vollständigen Umweltsicherheit der entwickelten Industrietechnologien rechnen.

Die wissenschaftlichen und technischen Probleme der Wasserstoffenergie werden offenbar überwunden sein, obwohl dies nach verschiedenen Prognosen 10 bis 50 Jahre dauern wird, aber die Umweltprobleme werden auf jeden Fall bestehen bleiben. Über die Umweltfreundlichkeit der Wasserstoffenergie muss daher nicht gesprochen werden – Wasserstoffenergie ist nicht umweltfreundlich.

"Elektrische Autos- umweltfreundlicher Transport.“

Um Elektrofahrzeuge rankt sich ein weiterer äußerst hartnäckiger Mythos: Die Umstellung des Straßenverkehrs auf Elektroantrieb soll angeblich für eine saubere Atmosphäre sorgen. Versuchen wir zunächst herauszufinden, was passieren wird, wenn heute ein erheblicher Teil der Verbrennungsmotoren von Automobilen durch Elektromotoren ersetzt wird. Wie Sie wissen, emittieren Elektromotoren keine Emissionen in die Atmosphäre und haben zudem einen hohen Wirkungsgrad – über 90 %. Leider sind Batterien derzeit die einzige Energiequelle für Automobil-Elektromotoren. Sie müssen ständig aufgeladen werden und nutzen daher die Energie, die von bestehenden Kraftwerken erzeugt wird. Aber etwa 80 % des Stroms werden in Wärmekraftwerken erzeugt (Tabelle 1), wobei Öl, Gas oder Kohle als Brennstoffe verwendet werden – umweltschädliche Brennstoffe. Dies bedeutet, dass die Emissionen von Motoren durch ungefähr die gleiche Menge an Emissionen von Kraftwerken ersetzt werden, d. h. es kommt zu einer Verlagerung von Umweltproblemen von einem Bereich in einen anderen.

Nach Angaben der IAEO wird das Energiepotenzial von Kohlenwasserstoff-Rohstoffen derzeit auf 55 10 12 MWh geschätzt, bei einem aktuellen Jahresverbrauch von 3 10 10 MWh. Schätzungen zufolge kann es unter Berücksichtigung des Anstiegs des Kohleverbrauchs noch 200-100 Jahre dauern. 500 Jahre und Gas und Öl – nur für 20-50 Jahre. Sie benötigen dringend Ersatz, der jetzt vorbereitet werden sollte. Einer der vielversprechendsten Energieträger, der Kohlenwasserstoff-Rohstoffe erfolgreich ersetzen und die Menschen viele Jahrhunderte lang in unbegrenzten Mengen mit billiger Energie versorgen kann, ist Wasserstoffkraftstoff.

„Wasserstoff ist ein vielversprechender Kraftstoff für Verbrennungsmotoren … Die Elektrolyse von Wasser zur Herstellung von Wasserstoff ist vielversprechend, aber angesichts der Verfügbarkeit von billigem Strom …“(G.A. Terentyev, V.M. Tyukov, F.V. Smal. Kraftstoffe aus alternativen Rohstoffen. 1989, S. 223).

Die Kosten für die Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse von Wasser unter Verwendung der Energie eines Kernkraftwerks (Wirkungsgrad 27 %) betragen jedoch 1.427–1.732 USD/t. Zum Vergleich: Die durchschnittlichen aktuellen Kosten der Ölförderung werden auf 44 US-Dollar pro Tonne geschätzt. Daher ist Wasserstoff trotz all seiner Vorteile derzeit ein zu teurer Ersatz für herkömmliche Treibstoffe und steht nur für Raketentreibstoffe zur Verfügung. Seine Kosten betragen 1500/44 = 34-mal teurer als bei herkömmlichen Kraftstoffen. Bei der Nutzung der Energie der Niedertemperatur-Kernfusion belaufen sich die Kosten für Wasserstoff auf etwa 4,33 $/t, d. h. seine Kosten werden zehnmal günstiger als die von Benzin. Somit findet das Problem des Ersatzes von Kohlenwasserstoffbrennstoffen durch Wasserstoff seine Lösung in der Nutzung von Erfindungen zur Niedertemperatur-Kernfusion: „Mit einer erfolgreichen Lösung des Problems kontrollierter thermonuklearer Reaktionen stünden der Menschheit praktisch unerschöpfliche Energiequellen zur Verfügung, die allen anderen Quellen überlegen wären. Tatsächlich enthält 1 Liter Wasser etwa 1/30 g Deuterium und sein Heizwert als thermonuklearer Brennstoff entspricht etwa 300 Litern Benzin.

Die Ozeane der Erde enthalten etwa 5? 10 t Deuterium. Beim derzeitigen Energiebedarf könnten die Deuteriumreserven auf der Erde für 20 Milliarden Jahre reichen.“(P.E. Kolpakov. Grundlagen der Kernphysik. - M., 1989, S. 328).

Kernfusionsreaktionen bei niedrigen Temperaturen sind möglich und ermöglichen die Umwandlung eines Atomkerns in einen anderen unter Freisetzung großer Energiemengen. Wenn man beispielsweise den Atomkern von Stickstoff-14 in den Atomkern von Sauerstoff-16 umwandelt, wird eine Energie in der Größenordnung von 23,79 MeV freigesetzt. Die Umwandlung von 1 kg Stickstoff-14 in Sauerstoff geht mit der Freisetzung von 3,9-10 10 kcal Energie einher. Diese Energie reicht aus, um 6.000 Tonnen Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff zu zerlegen.

„Da die Kosten für ein Gramm Deuterium ungefähr den Kosten für ein Gramm Uran-235 entsprechen und seine natürlichen Reserven praktisch unerschöpflich sind, was man von den Reserven an spaltbaren Stoffen nicht sagen kann, ist die Entwicklung von Arbeiten zur Suche nach Wegen weit verbreitet.“ Die Durchführung kontrollierter Kernfusionsreaktionen ist wirtschaftlich gerechtfertigt.“(A.K. Walter, I.I. Zalyubovsky. Kernphysik. - Kharkov, 1991, S. 365).

Wenn man also die Erzeugung von Kernenergie durch Niedertemperatur-Kernfusion mit der Erzeugung von Wasserstoff durch Elektrolyse von Wasser kombiniert, sind die Kosten für Wasserstoff unter gleichen Bedingungen 400-700-mal niedriger als bei der Nutzung von Kernkraftwerksenergie (1 kg Deuterium kann 4-7 mal mehr Energie freisetzen als 1 kg Uran-235). Wo liegen die Kosten für elektrolytischen Wasserstoff bei 1732/400 = = 4,33 Dollar/t.

Somit löst die Erfindung von G. A. Evsyukov das Problem der Bereitstellung von Motortreibstoff und zeigt den Weg, wie mit Hilfe der Niedertemperatur-Kernfusion, die über unbegrenzte Reserven an Kernbrennstoff verfügt, deren Kaloriengehalt millionenfach höher ist als der Kaloriengehalt von Benzin, um zukünftige Generationen über viele Jahrhunderte hinweg mit billigem, umweltfreundlichem Kraftstoff für den Kraftverkehr zu versorgen.

Für die Erzeugung von Kernenergie ist es sinnvoller, nicht realisierte radioaktive Abfälle aus Kernreaktoren, die der Entsorgung unterliegen, beispielsweise Strontium-90, Cäsium-137 usw., als Reagenz zu verwenden. In diesem Fall gleichzeitig mit der Erzeugung von Wasserstoff , wird eine produktive Entsorgung von Atommüll durchgeführt, was sich noch weiter auf die Senkung der Kosten für produzierten Wasserstoff auswirken wird.

Ein weiteres wichtiges Problem, das durch diese Erfindung gelöst wird, ist die Reduzierung der Umweltverschmutzung und die aktive Entsorgung von Atommüll.

Die vorgeschlagene Methode umfasst die folgenden Operationen:

1) Ein Reagenz (Strontium-90) wird in einen Kernreaktor geladen, der für die Kernfusion bei niedriger Temperatur bestimmt ist.
2) einen Kernreaktor für den Betrieb vorbereiten;
3) Elektrolyseure für den Betrieb vorbereiten;
4) Schalten Sie den Kernreaktor und die Elektrolyseure ein.

Während des Betriebs eines Kernreaktors wird das Reagens mit Neutronen bestrahlt, die vom Hauptneutronengenerator erzeugt werden, und es kommt zu der folgenden Kette von Kernreaktionen:

Der Prozess des Einfangens strahlender Neutronen endet hier nicht; er kann viele Male fortgesetzt werden. In diesem Fall wird das Reagens nicht verbraucht und verliert nicht seine Fähigkeit, Neutronen durch Strahlung einzufangen. Der Reaktorzyklus ist abgeschlossen, nachdem 40 langsame Neutronen vom Reaktantenkern (Strontium-90) eingefangen wurden, wodurch dieser in einen stabilen Xenon-130-Kern in Form einer gasförmigen Komponente umgewandelt wird, die aus dem Reaktor gepumpt wird Reaktorkern. Dabei wird eine Energie von etwa 314,3 MeV freigesetzt. Somit setzt 1 kg eines Reagens, das nur aus Strontium-90-Kernen besteht, eine Energie von 20,9-10 26 MeV frei, was der Verbrennung von 7,18 Tausend Tonnen Benzin entspricht. Das ist viermal mehr als die Energie, die 1 kg Uran-235 freisetzen kann.

Energie wird durch den Verbrauch von Neutronen beim Strahlungseinfang und durch Veränderungen der intranuklearen Bindungen zwischen Nukleonen und die Umwandlung von Nukleonen freigesetzt. Im angegebenen Beispiel werden 2 Neutronen verbraucht. Neutronen werden vom Hauptneutronengenerator erzeugt, indem schweres Wasser mit Gammastrahlen oder auf andere Weise bestrahlt wird. Somit werden 2 Deuteronen verbraucht. Das eingefangene Neutron setzt eine Energie in der Größenordnung von 18,68/2 = 9,34 MeV frei. Um ein Deuteron in ein Proton und ein Neutron zu spalten, wird eine Energie von 2,2 MeV aufgewendet, daher gibt jedes reagierte Deuteron eine nützliche Kernbindungsenergie von 9,34-2,2 = 7,14 MeV ab (1 MeV entspricht 2,83 10 "17 kcal) .

Somit kann der Verbrauch von 1 kg Deuterium 8,2 · 10 10 kcal Energie freisetzen, was 4,1-mal mehr ist als 1 kg Uran-235. Die freigesetzte Kernfusionsenergie wird vom Kühlmittel aufgefangen und gelangt in den Wärmeaustauschkreislauf, wo sie mit einem Wirkungsgrad von 27 % in Strom umgewandelt wird.

Der vielversprechendste Weg, Wasserstoff für Energiezwecke zu erzeugen, sind verschiedene Methoden der Wasserzersetzung unter Nutzung der Kernenergie der Niedertemperatur-Kernfusion. Dies gilt insbesondere, da herkömmliche fossile Brennstoffe in Bezug auf Reserven, Preis, Betriebs- und Umweltleistung nicht mit dem durch Elektrolyse gewonnenen Wasserstoff konkurrieren können.

Anlage zur Herstellung umweltfreundlicher chemischer Brennstoffe, bestehend aus einer Einheit zur Elektrolyse von Wasser und zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff, verbunden mit einer elektrischen Energiequelle. Gekennzeichnet durch die Tatsache, dass es mit einer Energieumwandlungseinheit und einer Niedertemperatur-Kernfusionseinheit mit einem Kernreaktor ausgestattet ist, der in der Lage ist, Niedertemperatur-Kernfusionsreaktionen durchzuführen, und mit der Möglichkeit, Atommüll, einschließlich Strontium-90, zu verwenden Energie freisetzende Elemente. Die Anlage umfasst einen Hauptneutronengenerator, der zur Erzeugung von Neutronen durch Bestrahlung von schwerem Wasser mit Gammastrahlen konfiguriert ist, einen Neutronenvervielfacher und einen Start-Neutronengenerator. Die Wasserelektrolyseeinheit ist mit der Energieumwandlungseinheit und der Erzeugung elektrischer Energie verbunden, deren Quelle sie dient.

Die Anlage ist zunächst darauf ausgelegt, Wasserstoff und Sauerstoff durch Elektrolyse von Wasser mit dem billigsten Strom aus Niedertemperatur-Kernfusion zu erzeugen. Eine solche Anlage verfügt über eine eigene unabhängige Energiequelle und erfordert keinen externen Energieverbrauch. Zweitens besteht das Problem, das die Anlage löst, in der Verbesserung der Umweltsituation durch die sinnvolle Nutzung von Atommüll, der entsorgt und vergraben werden muss, sowie durch die Produktion billiger umweltfreundlicher brennbarer Materialien, deren Bedarf im Laufe der Zeit rapide wächst.

Es besteht aus (Abb. 8.1):

1) Niedertemperatur-Kernfusionsanlage;
2) Energieumwandlungs- und Stromerzeugungseinheit;
3) Block zur Elektrolyse von Wasser und Produktion von Wasserstoff und Sauerstoff.

Reis. 8.1.

Niedertemperatur-Kernfusionsanlage in einer dickwandigen Betonkonstruktion untergebracht, die dem Schutz des Bedienpersonals und der Umwelt vor radioaktiver Strahlung im Kern eines Kernreaktors dient. Es handelt sich um einen Kernreaktor, der für die Durchführung von Niedertemperatur-Kernfusionsreaktionen konzipiert ist und mit thermischen Neutronen und einem Graphitmoderator betrieben wird. Kernbrennstoff (Reagens) ist Abfall aus Kernspaltungsreaktoren schwerer Atomkerne, beispielsweise Strontium-90. Besteht aus folgenden Funktionselementen (Abb. 8.2):

- Reagenz 1, deren Platten gleichmäßig über das Arbeitsvolumen des Reaktorkerns verteilt sind;
- Kühlmittel zirkuliert durch dünnwandige Rohre 6, die Kühlmittelrohre befinden sich in unmittelbarer Nähe der Reagenzplatten, destilliertes Wasser oder flüssiges Metall bewegt sich durch die Rohre, kühlt die Reagenzplatten und leitet Wärmeenergie vom Reagenz zum Wärmetauscher 7 ab ( Abb. 8.3);
- Hauptneutronengenerator 3, Hierbei handelt es sich um ein System dünner Röhren, die sich in den Zwischenräumen zwischen den Reagenzplatten befinden. Durch die Röhren zirkuliert schweres Wasser. Durch die Bestrahlung mit Gammastrahlen, die vom Reagenz ausgehen, emittiert schweres Wasser Neutronen, die von den Reagenzkernen eingefangen werden, und es kommt zu einer exothermen Fusionsreaktion;

Reis. 8.2.

1 - Platten des Ausgangsreagenzes (Strontium-90); 2 - Neutronenmoderatorplatten (Graphit); 3 - Haupt-Neutronengenerator für schweres Wasser; 4 - Neutronenvervielfacher an schweren spaltbaren Kernen; 5 - Neutronengenerator starten; b - Rohre, durch die das Kühlmittel zirkuliert
- Neutronenvervielfacher 4, der schwere Atomkerne darstellt, die beim Einfangen von Neutronen in der Lage sind, sich durch Strahlung aus einer größeren Anzahl von Neutronen zu teilen, als eingefangen wurden. Die spaltbaren Elemente des Multiplikators befinden sich zwischen den Röhren des Hauptneutronengenerators und den Reagenzplatten und sorgen dafür, dass ein bestimmtes Leistungsniveau des Reagenz aufrechterhalten oder auf den erforderlichen Wert erhöht wird.
- Neutronenmoderator 2, Dabei handelt es sich um einen Graphitfüller des gesamten Freiraums des Reaktorkerns. Dient dazu, die Geschwindigkeit schneller Neutronen zu verringern und den Wirkungsquerschnitt für den Neutroneneinfang durch Reagenzkerne zu vergrößern;
- Starten des Neutronengenerators 5, bei dem es sich um ein radioaktives Isotop mit langer Halbwertszeit handelt. Es wird zum Zeitpunkt des Einschaltens in spezielle Steckdosen im Kern eingebaut und löst einen anfänglichen Neutronenfluss aus, der ausreicht, um die Fusionsreaktion anzuregen und den Hauptneutronengenerator einzuschalten.

Funktionell besteht der Betrieb des Reaktors darin, dass die Platten des Ausgangsreagenzes mit einem Strom langsamer Neutronen bestrahlt werden, die vom Hauptneutronengenerator emittiert werden. Neutronen werden von schwerem Wasser emittiert, wenn es während der Reaktionen des Einfangens strahlender Neutronen und der Umwandlung von Neutronen in Protonen mit einem Gammastrahlenstrom bestrahlt wird, der vom Ausgangsreagenz ausgeht. Vor der Reaktion durchlaufen die vom Generator erzeugten Neutronen einen Multiplikator und Moderator, wo der Neutronenfluss auf die erforderliche Dichte erhöht und die Neutronengeschwindigkeit auf die erforderliche Energie verlangsamt wird, die dem maximalen Querschnitt für den Strahlungseinfang von Neutronen in a entspricht Kernreaktor durch den Kern des ursprünglichen Reagenzes.

Unter dem Einfluss des Strahlungseinfangs von Neutronen in einem Kernreaktor kommt es in den Reagenzkernen zu einer Niedertemperatur-Kernfusion von Nukleonen, die darin besteht, dass der überschüssige Teil der angesammelten Neutronen in Protonen umgewandelt wird und sich mit dem Rest der eingefangenen verbindet Neutronen bilden Deuterium- oder Heliumkerne, die dann mit dem ursprünglichen Reagenzkern verschmelzen. Durch eine Erhöhung der Bindungsenergie zwischen Nukleonen wird Energie freigesetzt. Bei der Fusionsreaktion werden nur Neutronen verbraucht, die als Baumaterial zur Erhöhung der Kernzusammensetzung dienen, es entstehen jedoch keine neuen Generationen von Neutronen, wie dies bei der Spaltung schwerer Kerne der Fall ist. Sie sind gezwungen, Neutronen mithilfe eines speziellen (Haupt-)Neutronengenerators zu liefern. Ein derzeit verwendeter Neutronengeneratortyp ist ein Generator, der aus einem System schmaler Röhren besteht, die den Reaktorkern durchdringen und mit schwerem Wasser gefüllt sind.

Energie erzeugt durch moderne

Reis. 8.3.

Im Ausgangszustand wird schweres Wasser aus dem Kern entfernt und in einem speziellen Tank gespeichert. Im Betrieb wird schweres Wasser durch Rohre gepumpt, mit einem bei der Fusionsreaktion erzeugten Gammastrahlenstrom bestrahlt und erzeugt neue Generationen von Neutronen, um die Fusionsreaktion fortzusetzen. Neutronen dringen in das Reagenz ein, regen Fusionsreaktionen an und nehmen aktiv an ihnen teil. Die Stärke der freigesetzten Energie wird durch die Änderung der im Kern vorhandenen Menge an schwerem Wasser gesteuert. Um die Leistung zu reduzieren, sollte ein Teil des schweren Wassers aus den Rohren verdrängt werden. In diesem Fall kommt es zu einer Verringerung des Neutronenflusses und einer Verringerung der Kernfusionsereignisse pro Zeiteinheit. Um die Leistung zu steigern, reicht es aus, die Menge an schwerem Wasser im Kern zu erhöhen. Um die Verschwendung von Neutronen zu reduzieren, wird der Kern durch Neutronenreflektoren begrenzt, die als Graphitplatten und Graphitbeschichtung dienen. Die von einer solchen Niedertemperatur-Kernfusionsanlage erzeugte Energie ist 400-700-mal billiger als die von Kernkraftwerken.

ist eine typische Schaltung zur Umwandlung von Kernenergie in elektrische Energie mit einem Wirkungsgrad von etwa 27 %. (Abb. 8.3). Es enthält: 1 - Generator, Wärmetauscher 7, Umwälzpumpen 8, Turbogenerator 9, Kondensator 10, Förderpumpe 11, Service- und Hilfssysteme.

Einheit zur Elektrolyse von Wasser und Produktion von Wasserstoff und Sauerstoff enthält eine Reihe von Elektrolyseuren der vielversprechendsten bekannten Bauarten und neu entwickelten Typen und Bauarten sowie Behälter und Mittel zum Speichern, Komprimieren, Verflüssigen von Gasen und Hydrieren von Metallen.

Die einfachste und am weitesten verbreitete industriell bekannte Methode zur Herstellung von Wasserstoff ist die Elektrolyse von Wasser in alkalischem Medium (25–30 % KOH). Dieser Prozess ist energieintensiv: Um 1 m 3 Wasserstoff und 0,5 m 3 Sauerstoff zu erzeugen, werden etwa 6 kWh Strom benötigt. Um die Kosten für die Herstellung von Wasserstoff zu senken, sollte daher billiger Strom aus Niedertemperatur-Kernfusion verwendet werden.

Dissoziiert Alkali als starker Elektrolyt bereits vor dem Durchleiten von Strom in KOH-Ionen? K + + OH.“ Wasser dissoziiert als schwacher Elektrolyt teilweise in H 2 0 U H + + OH-Ionen.“ Somit enthält die Lösung K + -Ionen; H + ; OH“ (Abb. 8.4).

Reis. 8.4.

Wenn Strom fließt, nähern sich K+- und H+-Ionen der Kathode und OH-Ionen der Anode.“ Wasserstoffionen werden an der Kathode entladen (K+-Ionen sind schwieriger zu entladen).

An der Anode kommt es zum Elektronenverlust durch OH-Ionen.“ Durch die Elektrolyse wird an der Kathode Wasserstoff freigesetzt, und in der Lösung in der Nähe der Kathode bilden OH-Ionen mit K+-Ionen KOH.

An der Anode wird Sauerstoff freigesetzt und in der Lösung in der Nähe der Anode bilden H + -Ionen mit OH-Ionen H 2 0. Beim Rühren des Elektrolyten löst sich das Alkali in Wasser auf, dissoziiert und der Prozess beginnt wieder Produkte der Elektrolyse sind nur Wasserstoff und Sauerstoff, d. h. es findet eine Zersetzung von Wasser durch elektrischen Strom statt.

Die Notwendigkeit, herkömmliche Kraftstoffarten durch vielversprechendere zu ersetzen, wird durch die folgenden bekannten Bestimmungen bestätigt.

Traditionelle, heute intensiv genutzte und der Menschheit von der Natur geschenkte Brennstoffarten sind fossile natürliche organische Substanzen: Öl, Kohle, Erdgas. Trotz hoher Leistung, hoher Energieintensität und relativ geringen Kosten gibt es eine Reihe von Aspekten, die dringend Lösungen erfordern. Die wichtigsten sind:

1. Begrenzte Reserven an natürlichen Brennstoffen, deren Menge stetig abnimmt. Veröffentlichte Schätzungen bestätigen, dass die Ressourcen an mineralischen Brennstoffen begrenzt sind und dass sie bei Beibehaltung des derzeitigen Tempos der Energieentwicklung in den nächsten Jahrzehnten (Öl, brennbare Gase) oder Jahrhunderten (Kohle) erschöpft sein werden.
2. Die Umweltverschmutzung durch die Verwendung herkömmlicher Brennstoffe ist zu groß und schadet lebenden Organismen und Pflanzen. Das seit März 1992 geltende Umweltschutzgesetz hat die Umweltsituation im Land nicht stabilisiert. Darüber hinaus wird es immer schlimmer. Einige Städte befanden sich in einer kritischen Situation, andere in einer katastrophalen Situation. Norilsk wurde in den letzten Jahren als die umweltschädlichste Stadt des Landes anerkannt, wo die Hauptquelle der Umweltverschmutzung das Hüttenwerk ist. Die Atmosphäre der Stadt sowie die Böden und die umliegenden Gewässer sind mit schädlichen Verbindungen übersättigt, darunter Nickel, Kupfer, Selen, Kobalt, Blei und andere Metalle. Auch hier wird die Luftverschmutzung durch hohe Konzentrationen an Schwefeldioxid und Stickoxiden verstärkt. Moskau gehört seit langem zu den schmutzigsten Städten nicht nur in Russland, sondern auf der ganzen Welt. Der Großteil der Schadstoffe in der Atmosphäre stammt aus Autoabgasen, darunter Formaldehyd, Benzopyren und Kohlenmonoxid. Auch Industrieunternehmen, allen voran die Ölraffinerie in Kapotnja, tragen ihren Teil zur Vergiftung der Moskauer Atmosphäre bei. Die Liste der 35 am stärksten verschmutzten Siedlungen unseres Landes umfasst auch St. Petersburg, Wolgograd, Nischni Nowgorod, Tschapaewsk, Nowokuibyschewsk, Tomsk, Nischni Tagil, Lipezk, Magnitogorsk und eine Reihe anderer Städte. Der Gehalt an schädlichen Verunreinigungen in der Luft übersteigt hier die maximal zulässigen Standards um ein Vielfaches, was natürlich das Leben verkürzt und die Gesundheit der Bewohner stark beeinträchtigt. Und auf der UN-Umweltkonferenz in Rio de Janeiro wurde Russland zu einem der ökologisch am stärksten benachteiligten Länder der Welt ernannt.
3. Wahl eines alternativen umweltfreundlichen Kraftstoffs. Um eine herkömmliche Kraftstoffart zu ersetzen, muss aus allen vorhandenen alternativen Kraftstoffen ausgewählt werden, die eine Reihe von Anforderungen besser erfüllen:
- - seine Reserven sollten um ein Vielfaches größer sein als die herkömmlicher Kraftstoffe;
- - Lagerstätten für Treibstoffreserven müssen für deren Massennutzung leicht zugänglich und in der Nähe des Einsatzortes sein;
- - Die Kraftstoffkosten sollten die Kosten herkömmlicher Kraftstoffarten nicht wesentlich übersteigen.
- - Umweltindikatoren müssen die von herkömmlichen Kraftstoffen deutlich übertreffen (ein Auto oder Elektrofahrzeug darf die Umwelt nicht belasten);
- - über hohe technische und betriebliche Eigenschaften verfügen, die denen herkömmlicher Kraftstoffe in nichts nachstehen.

Unter den bekannten alternativen Brennstoffen ist Wasserstoff der am besten geeignete Brennstoff, der durch Elektrolyse von Wasser unter Verwendung der günstigsten Energie der Niedertemperatur-Kernfusion gewonnen wird.

„Wasserstoff ist ein sauberer Energieträger und kann aus erneuerbaren Energiequellen hergestellt werden. Typische Beispiele für den Einsatz neuer Wasserstofftechnologien sind Fahrzeuge mit geringem oder keinem Schadstoffausstoß in die Atmosphäre und Wohngebäude mit autonomer Energieversorgung.“(Magazin „Energy“, 1996, 5, S. 19. „Vodorod-96“).

„Die Elektrolyse von Wasser zur Herstellung von Wasserstoff ist vielversprechend, aber nur, wenn günstiger Strom verfügbar ist. In Norwegen und Ägypten wird mit dieser Methode eine gewisse Menge Wasserstoff produziert; in Frankreich wird daran gearbeitet, Wasserstoff mit verschiedenen Methoden und nachts mit billigem Strom aus Kernkraftwerken herzustellen.“(G. A. Terentyev, V. M. Tyukov, F. V. Smal. Kraftstoffe aus alternativen Rohstoffen. 1989, S. 223).

„Das Interesse an Wasserstoff als Kraftstoff beruht auf seiner hohen Energieleistung, dem Fehlen schädlicher Substanzen in den Verbrennungsprodukten und vor allem auf - praktisch unbegrenzte Rohstoffbasis. Wasserstoff zeichnet sich durch die höchsten Energie- und Massenindikatoren unter den chemischen Kraftstoffen aus.“(ebd., S. 176).

Das beanspruchte Verfahren ermöglicht es, die Kosten für die Elektrolyse von Wasserstoff um das 400- bis 700-fache zu senken, was Wasserstoff neben seinen bekannten Vorteilen auch zum kostengünstigsten aller verfügbaren Arten moderner Kraftstoffe macht.

Einführung

Untersuchungen der Sonne, der Sterne und des interstellaren Raums zeigen, dass das häufigste Element im Universum Wasserstoff ist (im Weltraum macht es in Form von heißem Plasma 70 % der Masse der Sonne und der Sterne aus).

Einigen Berechnungen zufolge verwandeln sich jede Sekunde in den Tiefen der Sonne etwa 564 Millionen Tonnen Wasserstoff durch Kernfusion in 560 Millionen Tonnen Helium und 4 Millionen Tonnen Wasserstoff in starke Strahlung, die in den Weltraum gelangt. Es besteht keine Angst, dass der Sonne bald die Wasserstoffreserven ausgehen werden. Es besteht seit Milliarden von Jahren und der darin enthaltene Wasserstoffvorrat reicht aus, um die gleiche Anzahl von Verbrennungsjahren zu gewährleisten.

Der Mensch lebt in einem Wasserstoff-Helium-Universum.

Daher ist Wasserstoff für uns von sehr großem Interesse.

Der Einfluss und Nutzen von Wasserstoff ist heute sehr groß. Fast alle derzeit bekannten Kraftstoffarten, mit Ausnahme natürlich von Wasserstoff, belasten die Umwelt. In den Städten unseres Landes findet jedes Jahr eine Landschaftsgestaltung statt, aber das reicht offenbar nicht aus. Millionen neuer Automodelle, die derzeit produziert werden, sind mit Kraftstoff gefüllt, der Kohlendioxid (CO 2) und Kohlenmonoxid (CO) in die Atmosphäre abgibt. Das Einatmen solcher Luft und der ständige Aufenthalt in einer solchen Atmosphäre birgt eine sehr große Gefahr für die Gesundheit. Dies verursacht verschiedene Krankheiten, von denen viele praktisch unbehandelbar sind, und noch mehr ist es unmöglich, sie zu behandeln, während man sich weiterhin in einer Atmosphäre befindet, die sozusagen mit Abgasen „infiziert“ ist. Wir wollen gesund sein, und natürlich möchten wir, dass die Generationen, die uns folgen, sich nicht beschweren oder unter ständiger Luftverschmutzung leiden, sondern sich im Gegenteil an das Sprichwort erinnern und ihm vertrauen: „Sonne, Luft und Wasser sind unser Bestes.“ Freunde."

In der Zwischenzeit kann ich nicht sagen, dass sich diese Worte rechtfertigen. Beim Wasser müssen wir generell die Augen verschließen, denn mittlerweile ist, auch wenn wir unsere Stadt konkret betrachten, die Tatsache bekannt, dass aus den Leitungen verunreinigtes Wasser fließt, das wir auf keinen Fall trinken sollten.

Was die Luft betrifft, so steht seit vielen Jahren ein ebenso wichtiges Problem auf der Tagesordnung. Und wenn Sie sich zumindest für eine Sekunde vorstellen, dass alle modernen Motoren mit umweltfreundlichem Kraftstoff betrieben werden, bei dem es sich natürlich um Wasserstoff handelt, dann wird unser Planet den Weg in ein ökologisches Paradies einschlagen. Aber das sind alles Fantasien und Ideen, die zu unserem großen Bedauern nicht so schnell in die Realität umgesetzt werden.

Trotz der Tatsache, dass unsere Welt auf eine Umweltkrise zusteuert, haben es alle Länder nicht eilig, in Panik zu geraten, auch diejenigen, die mit ihrer Industrie die Umwelt stärker verschmutzen (Deutschland, Japan, die USA und leider auch Russland). Notfallmaßnahmen für seine Reinigung.

Egal wie viel wir über die positiven Auswirkungen von Wasserstoff reden, in der Praxis sieht man diese eher selten. Dennoch werden viele Projekte entwickelt, und der Zweck meiner Arbeit bestand nicht nur darin, eine Geschichte über den wunderbarsten Kraftstoff zu erzählen, sondern auch über seine Anwendung. Dieses Thema ist sehr relevant, da mittlerweile nicht nur die Bewohner unseres Landes, sondern der ganzen Welt über das Problem der Ökologie und mögliche Wege zur Lösung dieses Problems besorgt sind.

Wasserstoff auf der Erde

Wasserstoff ist eines der häufigsten Elemente auf der Erde. In der Erdkruste sind von 100 Atomen 17 Wasserstoffatome. Es macht etwa 0,88 % der Erdmasse aus (einschließlich Atmosphäre, Lithosphäre und Hydrosphäre). Wenn wir uns daran erinnern, dass es mehr Wasser auf der Erdoberfläche gibt

1,5∙10 18 m 3 und dass der Massenanteil von Wasserstoff im Wasser 11,19 % beträgt, wird deutlich, dass es auf der Erde unbegrenzt Rohstoffe für die Wasserstoffproduktion gibt. Wasserstoff ist Bestandteil von Erdöl (10,9 – 13,8 %), Holz (6 %), Kohle (Braunkohle – 5,5 %), Erdgas (25,13 %). Wasserstoff kommt in allen tierischen und pflanzlichen Organismen vor. Es kommt auch in vulkanischen Gasen vor. Der Großteil des Wasserstoffs gelangt durch biologische Prozesse in die Atmosphäre. Wenn Milliarden Tonnen Pflanzenreste unter anaeroben Bedingungen zersetzt werden, wird eine erhebliche Menge Wasserstoff in die Luft freigesetzt. Dieser Wasserstoff in der Atmosphäre löst sich schnell auf und diffundiert in die obere Atmosphäre. Aufgrund ihrer geringen Masse haben Wasserstoffmoleküle eine hohe Diffusionsgeschwindigkeit (nahe der zweiten kosmischen Geschwindigkeit) und können beim Eindringen in die oberen Schichten der Atmosphäre in den Weltraum fliegen. Die Wasserstoffkonzentration in den oberen Schichten der Atmosphäre beträgt 1∙10 -4 %.

Was ist Wasserstofftechnologie?

Unter Wasserstofftechnologie versteht man eine Reihe industrieller Methoden und Mittel zur Herstellung, zum Transport und zur Speicherung von Wasserstoff sowie Mittel und Methoden zu seiner sicheren Nutzung auf der Grundlage unerschöpflicher Rohstoff- und Energiequellen.

Was ist der Reiz von Wasserstoff und Wasserstofftechnologie?

Der Übergang von Verkehr, Industrie und Alltag zur Verbrennung von Wasserstoff ist der Weg zu einer radikalen Lösung des Problems des Schutzes des Luftbeckens vor Verschmutzung durch Kohlenstoff-, Stickstoff-, Schwefel- und Kohlenwasserstoffoxide.

Der Übergang zur Wasserstofftechnologie und die Nutzung von Wasser als einziger Rohstoffquelle zur Herstellung von Wasserstoff kann nicht nur den Wasserhaushalt des Planeten, sondern auch den Wasserhaushalt seiner einzelnen Regionen verändern. Somit kann der jährliche Energiebedarf eines so hochindustrialisierten Landes wie Deutschland durch Wasserstoff gedeckt werden, der aus einer Wassermenge gewonnen wird, die 1,5 % des durchschnittlichen Durchflusses des Rheins entspricht (2180 Liter Wasser ergeben hier in Form von 1). H 2). Beachten wir nebenbei, dass vor unseren Augen eine der brillanten Vermutungen des großen Science-Fiction-Autors Jules Verne Wirklichkeit wird, der durch den Mund des Helden des Romans „Die geheimnisvolle Insel“ (Kapitel XVII) erklärt: „ Wasser ist die Kohle zukünftiger Jahrhunderte.“

Aus Wasser gewonnener Wasserstoff ist einer der energiereichsten Energieträger. Immerhin beträgt die Verbrennungswärme von 1 kg H2 (an der niedrigsten Grenze) 120 MJ/kg, während die Verbrennungswärme von Benzin oder dem besten Kohlenwasserstoff-Flugkraftstoff 46–50 MJ/kg beträgt, d. h. 2,5-mal weniger als 1 Tonne Wasserstoff entspricht in seinem Energieäquivalent 4,1, außerdem ist Wasserstoff ein leicht erneuerbarer Kraftstoff.

Es dauert Millionen von Jahren, bis sich fossile Brennstoffe auf unserem Planeten ansammeln, und die Gewinnung von Wasser aus Wasser im Kreislauf der Herstellung und Nutzung von Wasserstoff dauert Tage, Wochen und manchmal Stunden und Minuten.

Doch Wasserstoff hat als Treibstoff und chemischer Rohstoff noch eine Reihe weiterer wertvoller Eigenschaften. Die Vielseitigkeit von Wasserstoff liegt darin, dass er jede Art von Kraftstoff in den unterschiedlichsten Bereichen der Energie, des Verkehrs, der Industrie und im Alltag ersetzen kann. Es ersetzt Benzin in Automotoren, Kerosin in Flugzeugtriebwerken, Acetylen in Schweiß- und Metallschneidprozessen, Erdgas für Haushalts- und andere Zwecke, Methan in Brennstoffzellen, Koks in metallurgischen Prozessen (Direktreduktion von Erzen) und Kohlenwasserstoffe in vielen anderen mikrobiologische Prozesse. Wasserstoff lässt sich problemlos über Rohre transportieren und an Kleinverbraucher verteilen; er kann in beliebiger Menge produziert und gespeichert werden. Gleichzeitig ist Wasserstoff der Rohstoff für eine Reihe wichtiger chemischer Synthesen (Ammoniak, Methanol, Hydrazin) zur Herstellung synthetischer Kohlenwasserstoffe.

Wie und woraus wird derzeit Wasserstoff hergestellt?

Moderne Technologen verfügen über Hunderte technischer Methoden zur Herstellung von Wasserstoff, Kohlenwasserstoffgasen, flüssigen Kohlenwasserstoffen und Wasser. Die Wahl der einen oder anderen Methode wird von wirtschaftlichen Erwägungen und der Verfügbarkeit geeigneter Rohstoffe und Energieressourcen bestimmt. Verschiedene Länder können unterschiedliche Situationen haben. Beispielsweise kann in Ländern, in denen es billigen Überschussstrom aus Wasserkraftwerken gibt, Wasserstoff durch Elektrolyse von Wasser hergestellt werden (Norwegen); Wo es viele feste Brennstoffe gibt und Kohlenwasserstoffe teuer sind, ist es möglich, Wasserstoff durch Vergasung fester Brennstoffe zu gewinnen (China); Wo Öl billig ist, kann Wasserstoff aus flüssigen Kohlenwasserstoffen hergestellt werden (Naher Osten). Allerdings wird der meiste Wasserstoff derzeit aus Kohlenwasserstoffgasen durch die Umwandlung von Methan und seinen Homologen gewonnen (USA, Russland).

Bei der Umwandlung von Methan mit Wasserdampf, Kohlendioxid, Sauerstoff und Kohlenmonoxid mit Wasserdampf laufen folgende katalytische Reaktionen ab. Betrachten wir den Prozess der Wasserstofferzeugung durch Umwandlung von Erdgas (Methan).

Die Wasserstoffproduktion erfolgt in drei Stufen. Die erste Stufe ist die Umwandlung von Methan in einem Rohrofen:

CH 4 + H 2 O = CO + 3H 2 – 206,4 kJ/mol

CH 4 + CO 2 = 2CO + 2H 2 – 248,3 kJ/mol.

Die zweite Stufe ist mit der zusätzlichen Umsetzung von Restmethan der ersten Stufe mit Luftsauerstoff und der Einbringung von Stickstoff in das Gasgemisch verbunden, wenn Wasserstoff zur Ammoniaksynthese verwendet wird. (Wenn reiner Wasserstoff gewonnen wird, kann die zweite Stufe grundsätzlich nicht existieren).

CH 4 + 0,5O 2 = CO + 2H 2 + 35,6 kJ/mol.

Und schließlich ist die dritte Stufe die Umwandlung von Kohlenmonoxid in Wasserdampf:

CO + H 2 O = CO 2 + H 2 + 41,0 kJ/mol.

Da für alle diese Stufen Wasserdampf benötigt wird und für die erste Stufe viel Wärme benötigt wird, läuft der Prozess energietechnisch so ab, dass die Rohröfen von außen durch das in den Öfen verbrannte Methan beheizt werden, und Die Restwärme des Rauchgases wird zur Erzeugung von Wasserdampf genutzt.

Schauen wir uns an, wie dies in einer industriellen Umgebung geschieht (Schema 1). Erdgas, das hauptsächlich Methan enthält, wird vorab von Schwefel, einem Gift für den Umwandlungskatalysator, gereinigt, auf eine Temperatur von 350–370 °C erhitzt und mit Wasserdampf unter einem Druck von 4,15–4,2 MPa im Verhältnis von Dampf vermischt Volumina: Gas = 3,0: 4,0. Der Gasdruck vor dem Rohrofen und das exakte Dampf-Gas-Verhältnis werden durch automatische Regler aufrechterhalten.

Das resultierende Dampf-Gas-Gemisch mit einer Temperatur von 350–370 °C gelangt in den Erhitzer, wo es durch Rauchgase auf 510–525 °C erhitzt wird. Anschließend wird das Dampf-Gas-Gemisch zur ersten Stufe der Methanumwandlung geleitet – in einen Rohrofen Ofen, in dem es gleichmäßig entlang vertikal angeordneter Reaktionsrohre (8) verteilt wird. Die Temperatur des umgewandelten Gases am Ausgang der Reaktionsrohre erreicht 790 – 820 °C. Der Restgehalt an Methan nach dem Rohrofen beträgt 9 – 11 % (Vol.). Die Rohre sind mit Katalysator gefüllt.

Wir leben im 21. Jahrhundert, die Menschheit entwickelt sich, baut Fabriken und führt einen aktiven Lebensstil. Für die volle Entwicklung und Existenz brauchen wir jedoch Energie! Heutzutage ist Öl eine solche Energie. Es wird zur Herstellung von Kraftstoffen für alle Industriezweige verwendet. Wir verwenden es buchstäblich überall: vom Kleinwagen bis zur riesigen Fabrik.

Allerdings ist Öl keine unerschöpfliche Ressource; jedes Jahr schreiten wir seiner völligen Zerstörung entgegen. Wissenschaftler sagen, dass wir uns in einem Stadium befinden, in dem wir nach einem wirksamen Ersatz für Benzin suchen müssen, weil der Preis dafür bereits sehr hoch ist und jedes Jahr immer weniger Öl vorhanden sein wird und die Preise höher sein werden, und das bald auch Das Öl wird zur Neige gehen (und bei der bestehenden Lebensweise der Menschheit wird dies in 60 Jahren passieren), unsere Entwicklung und unsere vollwertige Existenz werden einfach enden.

Jeder versteht, dass wir nach alternativen Kraftstoffen suchen müssen. Doch welcher Ersatz ist der effektivste? Die Antwort ist einfach: Wasserstoff! Dies wird das Benzin ersetzen, das wir gewohnt sind.

Wer hat den Wasserstoffmotor erfunden?

Wie viele Hochtechnologien kam diese Idee aus dem Westen. Der erste Wasserstoffmotor wurde vom amerikanischen Ingenieur und Wissenschaftler Brown entwickelt und gebaut. Das erste Unternehmen, das diesen Motor einsetzte, war die japanische Honda. Doch dieser Autokonzern musste große Anstrengungen unternehmen, um das „Auto der Zukunft“ zum Leben zu erwecken. An der Entwicklung des Autos waren mehrere Jahre lang die besten Ingenieure und Köpfe des Unternehmens beteiligt! Sie alle mussten die Produktion einiger Autos einstellen. Und vor allem weigerten sie sich, an der Formel 1 teilzunehmen, da alle Arbeiter, die an der Entwicklung der Autos beteiligt waren, mit der Entwicklung eines Wasserstoffautos begannen.

Vorteile von Wasserstoff als Kraftstoff

Wasserstoff ist das häufigste Element im Universum, absolut alles in unserem Leben besteht daraus, alle Objekte um uns herum haben mindestens ein kleines Wasserstoffteilchen. Gerade dieser Umstand ist für die Menschheit sehr erfreulich, denn im Gegensatz zu Öl wird Wasserstoff nie zur Neige gehen und wir müssen nicht beim Treibstoff sparen.
Es ist absolut umweltfreundlich! Im Gegensatz zu einem Benzinmotor stößt ein Wasserstoffmotor keine schädlichen Gase aus, die sich negativ auf die Umwelt auswirken würden. Die von einem solchen Aggregat abgegebenen Abgase sind gewöhnliche Abgase.
Der in Motoren verwendete Wasserstoff ist leicht entflammbar und das Auto startet und fährt gut, unabhängig vom Wetter. Das heißt, wir müssen das Auto vor der Fahrt im Winter nicht mehr aufwärmen.
Mit Wasserstoff werden selbst kleine Motoren sehr leistungsstark sein, und um das schnellste Auto zu bauen, muss man kein Aggregat mehr in der Größe eines Panzers bauen.

Natürlich hat dieser Kraftstoff auch Nachteile:

Tatsache ist, dass dieses Material trotz der Tatsache, dass es unbegrenzt und überall verfügbar ist, sehr schwierig abzubauen ist. Obwohl dies kein Problem für die Menschheit ist. Wir haben gelernt, Öl aus dem Ozean zu gewinnen, indem wir seinen Boden bohren, und wir werden auch lernen, Wasserstoff aus der Erde zu gewinnen.
Der zweite Nachteil ist die Unzufriedenheit der Ölmagnaten. Unmittelbar nach Beginn der fortschreitenden Entwicklung dieser Technologie wurden die meisten Projekte abgeschlossen. Gerüchten zufolge ist dies alles darauf zurückzuführen, dass die reichsten Menschen der Welt, wenn Benzin durch Wasserstoff ersetzt wird, kein Einkommen haben und sich dieses nicht leisten können.

Methoden zur Gewinnung von Wasserstoff zur energetischen Nutzung

Wasserstoff ist kein reines Fossil wie Öl und Kohle; man kann ihn nicht einfach ausgraben und nutzen. Damit es in Energie umgewandelt werden kann, muss es gewonnen und etwas Energie zu seiner Verarbeitung aufgewendet werden. Anschließend wird dieses häufigste chemische Element zu Brennstoff.

Die derzeit praktizierte Methode zur Herstellung von Wasserstoffkraftstoff ist die sogenannte „Dampfreformierung“. Um gewöhnlichen Wasserstoff zu Kraftstoff zu verarbeiten, werden Kohlenhydrate verwendet, die aus Wasserstoff und Kohlenstoff bestehen. Bei chemischen Reaktionen wird ab einer bestimmten Temperatur eine große Menge Wasserstoff freigesetzt, der als Brennstoff verwendet werden kann. Dieser Kraftstoff gibt im Betrieb keine Schadstoffe in die Atmosphäre ab, bei seiner Herstellung wird jedoch eine große Menge Kohlendioxid freigesetzt, was sich negativ auf die Umwelt auswirkt. Obwohl diese Methode effektiv ist, sollte sie daher nicht als Grundlage für die Herstellung alternativer Kraftstoffe verwendet werden.

Es gibt Motoren, für die sich auch reiner Wasserstoff eignet; sie verarbeiten dieses Element selbst zu Kraftstoff, allerdings kommt es wie bei der bisherigen Methode auch zu einer enormen Menge an Kohlendioxidemissionen in die Atmosphäre.

Eine sehr effektive Möglichkeit, alternativen Kraftstoff in Form von Wasserstoff herzustellen, ist die Elektrolyse. Durch Einleiten eines elektrischen Stroms wird das Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Diese Methode ist teuer und aufwendig, aber umweltfreundlich. Der einzige Abfall, der bei der Gewinnung und Nutzung von Kraftstoff anfällt, ist Sauerstoff, der sich nur positiv auf die Atmosphäre unseres Planeten auswirken wird.

Und der vielversprechendste und kostengünstigste Weg zur Herstellung von Wasserstoffkraftstoff ist die Verarbeitung von Ammoniak. Durch die notwendige chemische Reaktion zerfällt Ammoniak in Stickstoff und Wasserstoff, wodurch dreimal mehr Wasserstoff als Stickstoff entsteht. Diese Methode ist besser, weil sie etwas billiger und kostengünstiger ist. Darüber hinaus ist Ammoniak einfacher und sicherer zu transportieren, und bei der Ankunft am Lieferort sollte die chemische Reaktion gestartet, Stickstoff freigesetzt und der Kraftstoff fertig sein.

Künstlicher Lärm

Wasserstoffbetriebene Motoren sind praktisch geräuschlos, daher wird in Fahrzeugen, die im Einsatz sind oder in Betrieb genommen werden, sogenannter „künstlicher Autolärm“ eingebaut, um Unfälle auf den Straßen zu verhindern.

Nun, Freunde, wir stehen vor einem großen Übergang von Benzin, das unser gesamtes Ökosystem zerstört, zu Wasserstoff, der es im Gegenteil wiederherstellt!