Водородная и биоэнергетика

Водородная энергетика – получение водорода как энергоносителя с помощью термохимических и электролитических методов, а также биологических процессов. Теплотворная способность водорода (Н) как перспективного энергоносителя в 3 раза выше, чем углеводородного топлива. Водород – экологически чистое топливо, в отличие от традиционных видов природного топлива, не содержащее ни серы, ни пыли, ни тяжелых металлов.

При сжигании водород превращается в водяной пар. Единственным вредным соединением в этих условиях могут стать окислы азота, которые образуются из-за окисления атмосферного азота при особо высоких температурах горения.

Это негативное явление удается сравнительно легко локализовать некоторыми катализаторами. Водород пригоден для использования в качестве не только горючего, но и универсального аккумулятора энергии, которую можно транспортировать и применять в различных отраслях энергетики. Для получения водорода используются различные способы разложения воды: электрохимический, термохимический, фотоэлектрохимический. Более перспективны химические реакции с применением катализаторов и последующим разложением образующихся продуктов, в частности, получение водорода из сероводорода, содержащегося в морской воде. В этом отношении Черное море является рекордсменом по содержанию сероводорода, им заражено 90% объема воды, и этот объем постоянно возрастает.

Водород можно транспортировать самым недорогим способом – по трубопроводам. Специалисты подчеркивают, что современная относительно безопасная инфраструктура использования природного газа может быть легко приспособлена под водород. В настоящее время перспективы атомной энергетики связываются с освоением управляемого термоядерного синтеза. Это надолго обеспечит удовлетворение потребностей человечества в энергии. Например, из дейтерия, содержащейся в одном литре морской воды может быть получено столько же энергии, сколько из 300 литров бензина (В.П. Ковшов [и др.], 1996). При этом, поскольку продуктом термоядерных реакций является стабильный, химически инертный гелий, почти исключается химическое или радиационное загрязнение .

По прогнозам специалистов, к 2020 г. потребление водорода в качестве экологически чистого топлива возрастет в 12–17 раз.

Биоэнергетика. Биоэнергетика основана на получении биомассы, которая непосредственно или после соответствующей переработки используется в качестве топлива. На биомассу – древесину и органические отходы – приходится около 14% полного потребления энергии в мире. Биомасса – обычное бытовое топливо во многих развивающихся странах.

В основе всех вариантов энергетического использования биомассы лежит явление фотосинтеза, так как под воздействием солнечной энергии все фотосинтезирующие организмы включаются в планетарный круговорот углерода. Поэтому получение энергии в результате использования биомассы практически не зависит от того, где добывается биомасса: на суше или в воде. Например, в настоящее время в ряде стран выращивают растения специально для производства электроэнергии. Особенно привлекательным является выращивание на океанических фермах быстрорастущих водорослей, которые способны давать в год до 200 т сухой биомассы с гектара.

Выделяют три способа получения тепловой энергии с помощью биомассы:

• непосредственное сжигание;

• брожение биомассы – использование растений, деревьев, водорослей, произрастающих в естественных условиях, или быстрорастущих видов, выращиваемых в искусственных условиях, то есть использование возобновляемых ресурсов, недостаток этого вида топлива – потребность его в больших объемах;

• использование теплоты, выделяемой при брожении органических отходов (навоз, помет, опилки и т.д.), которую можно употреблять для обогрева парников, теплиц и других объектов;

• извлечение биогаза или спирта; биологический газ в основном получают из отходов растениеводства и животноводства, хотя он и не является высококачественным энергоносителем, но с успехом может быть использован в небольших фермерских хозяйствах.

Биогаз, получаемый из органического сырья в ходе биометаногенеза (разложения) сложных органических субстратов различной природы, при участии смешанной микробной ассоциации представляет собой смесь из 65–75 % метан и 20–35 % углекислого газа, а также незначительного количества сероводорода, азота и водорода. Теплотворная способность биогаза зависит от соотношения метана и углекислого газа и составляет 5–7ккал/м³ при выходе на 300–600 м³ на 1 т органических отходов (рис. 5.18).

Рис. 5.18. Общий внешний вид биологической установки

для получения биогаза

1 м³ биогаза в среднем эквивалентен по энергии 0,7 м³ природного газа; 4 кВт/ч электроэнергии – 0,6 л керосина, 1,5 кг угля.

Во многих тропических странах сооружены заводы, где из растительных отходов извлекают спирт. Добавляя его в бензин, можно экономить нефть, уменьшить токсичность выхлопных газов.

Изучаются и необычные источники растительного топлива, например, маслосемена рапса и пресноводная одноклеточная водоросль батриококк, которая на 85 % состоит из жира, их переработка дает возможность получения авиационного и дизельного топлива, а также некоторых тяжелых масел. Широкое распространение получили электростанции (США, Дания), на которых сжигаются твердые бытовые отходы городов, а также электростанции, работающие на биогазе (Италия).

О перспективах использования альтернативных источников электроэнергии дают некоторое представление данные (табл. 5.36).

Таблица 5.36. Перспективы использования возобновляемых источников

Например, из 1 т сухого навоза или помета можно получить 450–660 м³ биогаза, что по теплотворной способности эквивалентно 321–428 кг условного топлива; остатки процесса брожения представляют собой высококачественное органическое удобрение.

Доля всех нетрадиционных возобновляемых источников в мире измеряется десятыми долями процента. В наиболее оптимистических прогнозах речь шла об увеличении этой доли до 6–8 % к 2020 году.