СПб : Гидрометеоиздат, 2005. – 155 с.
2.Беличенко Ю.П. Замкнутые системы водообеспечения химических производств [Текст] / Ю.П. Беличенко, Л.С. Горбеев, Ю.А. Комиссаров. – М.: Химия, 1996. – 272 с.
3.Бельчинская Л.И. Снижение содержания формальдегида в сточных водах мебельных и деревообрабатывающих производств [Текст] / Л.И. Бельчинская, О.А. Ткачева, В.К. Бартенев // Модификация древесины: Тез. докл. Всесоюзн. конф. – Минск, 1990. – С. 80.
4.Ткачева О.А. Разработка клеевой композиции с пониженным содержанием свободного формальдегида для склеивания и облицовывания древесины, обезвреживание и утилизация сточных вод [Текст] /Диссерт. … канд. техн. наук. – Воронеж, 2000. – 153 с.
5.Холодкевич С.В. Перспективные методы обезвреживания органических загрязнений воды [Текст] / С.В. Холодкевич, Г.Г. Юшина, Е.С. Апостолова // Экологическая химия.
–М., 1996. – 5(2). – С. 75-103.
6.Бельчинская Л.И. Способ очистки сточных вод, содержащих формальдегидные
смолы [Текст] / Л.И. Бельчинская, Н.И. Послухаев, Ю.И. Тарасевич, О.А. Ткачева. – Патент на изобретение № 2060953 МКИ3 СО2F1/28 (РФ), бюл. № 15 от 28.05.1996.
7.Бельчинская Л.И. Адсорбционно-химический способ очистки сточных вод деревообрабатывающих производств от формальдегида [Текст] / Л.И. Бельчинская, О.А. Ткачева. – // Ресурсосберегающие технологии и охрана окружающей среды: тез. докл. Российской межотраслевой научно-практ. конф. – СПб., 1993. – С. 8-11.
8.Беспамятнов Г.П. Предельно-допустимые концентрации химических веществ в окружающей среде [Текст]: справочник / Г.П. Беспамятнов, Ю.А. Кротов. – Л.: Химия, 1985. – 528 с.
9.Бельчинская Л.И. Сорбционно-химическая очистка и утилизация формальдегидсодержащих сточных вод [Текст] / Л.И. Бельчинская, О.А. Ткачева. – Zbornik referatov //Vybrane Prozesy pri Chemickom Sprakovani Dreva: zbornik referatov. - Zvolen, Slovak Republik, 26 June 1996. - P. 134-135.
1ФГКВОУ ВПО «Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-
воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж) 2ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени
Г.Ф.Морозова»
O.A. Tkacheva1, L.I. Belchinskaya2, O.Yu. Strel’nikova1
LOW-WASTE TECHNOLOGIES AT WOODWORKING ENTERPRISES
A technological solution which allows to reduce the concentration of toxic free formaldehyde in materials, wastewater and solid waste of furniture enterprises is proposed, as well as to implement a closed water supply system for technological operations in which urea-formaldehyde resin is used
Key words: urea-formaldehyde resin, formaldehyde, activated clay adsorbent, waste water, neutralization and utilization of waste, closed water supply system, low-waste technology, ecological and economic effect
1Federal State Official Military Educational Institution of Higher Professional Education Military Educational Research Centre of Air Force «Air Force Academy named after professor
N.E. Zhukovsky and Yu.A. Gagarin» (Voronezh)
2Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov»
161
СЕКЦИЯ 4. ВОПРОСЫ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ПРИМЕНЕНИИ ФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ, СПЕЦИАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ
УДК 621.311:658.26
В.И. Рышков, О.А. Сидоркин, Д. С. Копин
ВОДОРОДНОЕ ТОПЛИВО – ОДИН ИЗ ПУТЕЙ РЕШЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ БУДУЩЕЙ МИРОВОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
Приводятся разнообразные способы получения водорода, анализируются достоинства и недостатки водородного топлива, проблемы технического и экологического характера, возникающие при его использовании, приводятся возможные пути их разрешения, показываются перспективы развития, приводится принцип действия и основные характеристики первой в мире водородной электростанции
Ключевые слова: возобновляемая энергия, экологическая безопасность, производство водорода, водородное топливо, высокопотенциальная энергия, термодинамические параметры, оптические концентраторы, тепловые насосы, электролиз, водородная электростанция, парниковый эффект, выбросы углекислого газа, электроэнергия, водородная энергетика
Еще в конце XX века стало очевидно, что экономика, базирующаяся на ископаемом органическом топливе, учитывая истощение его запасов, а также негативное воздействие сжигаемого топлива на окружающую среду, должна уступить место другой экономике, на базе возобновляемых энергоресурсов, более эффективных и экологически чистых.
Анализируя различные варианты построения такой экономики, специалисты большинства стран мира сходятся на том, что ее основой станет водородная энергетика, которая в своем классическом виде строится по простой схеме: вода + энергия = водород + кислород = энергия + вода. Причем такая безуглеродная энергетика должна использовать возобновляемые виды энергии, такие как солнечная, ветровая, частично атомная. Водород же по такой схеме является вторичным энергоносителем и накопителем энергии, пригодным для хранения и передачи на расстояние [1].
Следует отметить, что некоторые учѐные считают решение энергетических проблем за счѐт водородного топлива тупиковым и опасным путем развития энергетики. Поскольку, освобождаясь от загрязнения среды обитания продуктами горения углеводородного топлива, человечество приобретает достаточно мощный, взрывоопасный и непредсказуемый продукт - водород, который может послужить источником глобальной катастрофы.
Однако сегодня стало совершенно очевидным, что дальнейшее интенсивное развитие современной энергетики и транспорта ведет человечество к крупномасштабному экологическому кризису. Учитывая эту тревожную тенденцию, многие ученые и практики определенно высказываются в пользу ускоренного поиска альтернативных нетрадиционных источников энергии. Не случайно их взоры обращаются к водороду, запасы которого в водах Мирового океана неисчерпаемы. К тому же неоспоримыми достоинствами этого топлива являются относительная экологическая безопасность его использования, приемлемость для тепловых двигателей без существенного изменения их конструкции, высокая калорийность, возможность долговременного хранения, транспортировки по существующей транспортной сети, нетоксичность.
Выбор водорода в качестве энергоносителя обусловлен рядом его преимуществ, главными из которых являются: экологическая безопасность водорода, поскольку продуктом его сгорания является вода; исключительно высокая энтальпия, равная - 143,06 МДж/кг (для обычного углеводородного топлива - 29,3 МДж/кг); высокая теплопроводность водорода, а также его низкая вязкость, что очень важно при его транспортировке по трубопроводам.
Очевидно, что водородная энергетика должна включать в себя: получение водорода из воды и другого природного сырья; хранение водорода в газообразном и сжиженном состояниях или в виде искусственно полученных химических соединений, например гидридов интерметаллических соединений; а также транспортировку водорода к потребителю с неболь-
162
шими потерями. Запасы водородного сырья для водородной энергетики неограниченны, если в качестве исходного соединения для получения водорода рассматривать воду (содержание воды в гидросфере 1,39∙1018т), что способствует возможности многостороннего использования водорода [1].
Водород может быть использован в качестве топлива во многих химических и металлургических процессах, в авиации, в транспорте и в виде добавок к моторным топливам. А поскольку в настоящее время основную массу энергоносителей потребляет транспорт (к примеру, в США до 80 %), то он сегодня является и основным загрязнителем окружающей среды. Поэтому различные пути развития водородной энергетики целесообразно применять также и на транспорте. И работы в этом направлении ведутся довольно активно.
Однако существенной и до сих пор непреодоленной проблемой остается неэкономичность его промышленного производства. Сегодня более 600 фирм, компаний, концернов, университетских лабораторий и общественных научно-технических объединений Западной Европы, США, Австралии, Канады и Японии усиленно работают над удешевлением производства водорода. Успешное решение этой важнейшей задачи революционным образом изменит всю мировую экономику и оздоровит окружающую среду.
Существует целый ряд традиционных способов разложения воды на водород и кислород: химический, термохимический, электролиз [2]. Однако все они обладают одним и тем же крупным недостатком - в технологическом процессе получения водорода используется высокопотенциальная энергия, на получение которой в свою очередь затрачивается дефицитное ископаемое топливо (уголь, природный газ, нефтепродукты) или электроэнергия, вырабатываемая на электростанциях. Естественно, такое производство водорода для водородной энергетики всегда будет оставаться экономически невыгодным, неэкономичным и экологически опасным, а, следовательно, бесперспективным.
Вместе с тем наша планета в буквальном смысле слова купается в потоке тепловой энергии, поступающей от Солнца, из земных недр и от хозяйственной деятельности человека. Вся проблема сводится лишь к тому, как использовать этот неиссякаемый источник низкопотенциального тепла в технологиях промышленного производства водорода. При этом встает вопрос об эффективных способах преобразования низкопотенциальной энергии до необходимых для промышленного производства водорода из воды термодинамических параметров [1, 2]. Традиционно он решается применением оптических концентраторов инфракрасного излучения Солнца (собирающие линзы, зеркала) или использованием тепловых насосов, обычно, когда термический потенциал весьма незначителен, например, в случае отбора тепла из окружающей воздушной или водной среды.
Первое из названных технических решений очень сильно зависит от климатических и масштабных факторов, нестабильно во времени, поэтому не нашло широкого применения.
Второе решение меньше подвержено влиянию этих факторов, но не обеспечивает достаточно высокой степени концентрации (обычно не более 7-10 раз), что на практике не позволяет сконцентрированное таким способом рассеянное тепло непосредственно использовать в процессе разложения воды.
На первый взгляд, перспективное направление развития энергетики практически просто неосуществимо. Однако такая возможность существует. Решение проблемы становится очевидным, если процесс электролиза водного раствора электролита и последующее сжигание полученного водорода и кислорода рассматривать как единый замкнутый термодинамический цикл теплового насоса.
Как известно причина расточительной затраты электроэнергии при классическом электролизе кроется в том, что она используется на преодоление сил гидратных связей ионов с молекулами воды и компенсацию эндотермического эффекта реакции ее разложения. Поэтому для обеспечения восстановления ионов на соответствующих электродах необходимо приложить большее напряжение, чем в случае, когда бы это физическое явление отсутствовало.
163
По этой и другим причинам затраты электроэнергии на выработку одного кубометра водорода с учетом перенапряжения при традиционном электролизе в промышленных условиях составляют 18-21,6 МДж, а общий расход энергии (с учетом производства самой электроэнергии) превышает 50 МДж, что делает водород недопустимо дорогим [2]. Следует отметить, что для нужд водородной энергетики в будущем предполагается усовершенствовать традиционные методы получения водорода и разработать новые, используя в основном солнечную и ядерную энергию [3].
Один из таких методов получения водорода – каталитической конверсии природного газа заключается в том, что процесс проводят в кипящем слое катализатора, а тепло подводят от высокотемпературного ядерного газоохлаждаемого реактора. Применение этого метода позволит более чем в 10 раз увеличить объемную скорость процесса, снизить температуру в химическом реакторе на 150 °С и уменьшить затраты на производство водорода на 20-25 %.
Другой вариант получения водорода - водно-щелочной электролиз под давлением с использованием дешевой электроэнергии, вырабатываемой в ночное время электростанцией. Полученный таким способом водород может направляться на нужды промышленности либо использоваться как топливо на электростанции для выработки дополнительной электроэнергии в дневное время.
Еще одним перспективным методом получения водорода является электролиз воды с использованием в качестве электролита расплава щѐлочи, твердого полимера, или керамики на основе двуокиси циркония, ZrO2. Такой метод требует затрат электроэнергии на 30-40 % меньше, чем традиционные. Использование твѐрдых электролитов позволяет значительно сократить расстояние между электродами в ячейке (до 250 мкм), в результате чего в несколько раз повышается плотность тока без увеличения напряжения на ячейке электролизѐра. При этом кпд электролизѐра может достигать 90 %, а расход электроэнергии на получение 1 м3 Н2 составит 2,5 - 3,5 кВт∙ч (по обычному способу 5,1-5,6 кВт∙ч).
Перспективно также получение и использование энергии водорода химическими способами. По одному из них смесь водорода с монооксидом углерода (СО), полученная на первой ступени каталитической конверсии метана (СН4), передается к потребителю по трубопроводу и поступает в аппарат - метанатор, в котором осуществляется обратная экзотермическая реакция. В результате ее образуется метан и вода. Выделяемое при этом тепло может быть использовано для бытового и промышленного теплоснабжения, а парогазовая смесь возвращается обратно в цикл для конверсии метана.
Исследуются также и фотохимические методы получения водорода с использованием солнечной энергии. Например, осуществлением фотоэлектролиза воды. Метод будет представлять практический интерес, если его КПД достигнет 10-12 % (пока же он - около 3 %).
Другим интересным способом получения водорода является биофотолиз воды, который основан на том, что некоторые микроорганизмы и микроводоросли, поглощающие солнечную энергию, способны разлагать воду с выделением водорода. Однако КПД такой трансформации солнечной энергии этими микроорганизмами очень низок – примерно 8 %.
Следует отметить, что все перспективные для водородной энергетики методы получения водорода, способы его хранения и транспортировки, ныне находятся на стадии опытных разработок и лабораторных исследований, которые ведутся во многих странах мира. Например, в Италии построена не имеющая пока аналогов в мире водородная электростанция мощностью 16 МВт, сырьѐм для которой служат отходы от нефтеперерабатывающих заводов. Она располагается в Порто-Маргера, промышленном пригороде Венеции. Еѐ строительство осуществила одна из крупнейших энергетических компаний в мире - «Enel» [4].
Углекислый газ, который получается как один из побочных продуктов при переработке нефти, является источником энергии для водородной электростанции. Таким образом, решается сразу две задачи: борьба с парниковым эффектом, причина которого в первую очередь из-за больших выбросов углекислого газа в атмосферу, а также использование отходов для получения полезной энергии.
164
Принцип работы водородной электростанции заключается в получении горячего воздуха и пара при сжигании водорода. Полученный пар приводит в движение турбогенераторы, которые вырабатывают электроэнергию.
Мощность водородного завода составляет 12МВт плюс 4МВт, который вырабатывает при повторном использовании горячего пара от существующей угольной электростанции. Производимой электроэнергии 60 млн. кВт·ч хватает для электропитания 20000 домов, что дает возможность избежать выбросов более чем 17000 м3 углекислого газа в атмосферу от традиционной электростанции такой же мощности. Эта электростанция только первый проект под эгидой Водородного Парка (Hydrogen Park), консорциума, сформированного в 2003 году в Италии. В него входят Индустральный союз Италии, а также Министерство защиты окружающей среды. Консорциум стремится продвинуть водородные технологии в транспортировку и получение электричества.
Таким образом, основой новой мировой энергетики, основанной на базе более эффективных и экологически чистых возобновляемых энергоресурсов, с успехом может стать водородная энергетика, для которой запасы водорода в водах Мирового океана неисчерпаемы. Однако на сегодняшний день для производства водорода требуется больше энергии, чем возможно получить при его использовании, поэтому пока считать его источником энергии нельзя. Он является лишь средством хранения и доставки энергии.
Литература
1.Основы водородной энергетики / Под ред. В.А. Мошникова и Е.И. Терукова. - СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «Лэти», 2010. - 288 с.
2.Основы современной энергетики / Под общ. ред. чл.-корр. РАН Е.В. Аметистова. В 2-х томах // Том 1 под ред. проф. А. Д. Трухния. - М: Издательский дом МЭИ, 2008. – 368 с.
3.Водородная энергетика. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.o8ode.ru /article/energy/energy.htm
4.Первая водородная электростанция в мире. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://tehstudent.net/publ/novye_tekhnologii/pervaja_vodorodnaja_ehlektrostancija_v_mire/2-1-0- 299
ФГКВОУ ВПО «Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военновоздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина»» (г. Воронеж)
V.I. Ryshkov, O.A. Sidorkin, D.S. Kopin
HYDROGEN FUEL - ONE OF THE WAYS TO SOLVE ENERGY PROBLEMS OF FUTURE WORLD ENERGY
Various methods of hydrogen production are presented, the advantages and disadvantages of hydrogen fuel are analyzed, the problems of technical and ecological nature arising from its use, possible ways for their solution are given, the development prospects are shown, the operating principle and the main characteristics of the world's first hydrogen power station
Key words: renewable energy, ecological safety, hydrogen production, hydrogen fuel, high-potential energy, thermodynamic parameters, optical concentrators, heat pumps, electrolysis, hydrogen power station, greenhouse effect, carbon dioxide emissions, electricity, hydrogen energy
Federal State Official Military Educational Institution of Higher Professional Education «Military Educational Research Centre of Air Force «Air Force Academy named after professor
N.E. Zhukovsky and Yu.A. Gagarin»» (Voronezh)
165