Про водород и зелёную энергетику

В моём глубоком детстве «зелёными» звали многочисленные банды типа махновцев, антоновцев и прочих потерявших всякий контроль, сплотившийся в банды народ, озверевший от мировой и гражданской войны, голода и тифа с испанкой.

Чуть позднее – это уже 1990-е годы, под зелёным флагом нам полезла всякая нечисть с сурами из Корана на знамёнах и шайтаном вместо души.

Теперь на наши границы и в наши умы запускают зелёную, как бриллиантовая зелень, энергетику. На одном из знамён этого нашествия начертан ВОДОРОД. С чего бы это? Рассмотрим по пунктам, мы же с вами не звонкий отряд гуманитариев, дай Бог им здоровья, в стороне от инженерных троп, а расчётливые горные инженеры-геоэкологи.

В солнечном ядре идут термоядерные реакции превращения водорода в гелий.

[https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b4/The_Sun_by_the_Atmospheric_Imaging_Assembly_of_NASA%27s_Solar_Dynamics_Observatory_-_20100819.jpg?uselang=ru]

 

Доказательство существования энергетического цикла, построенного на водороде, мы каждый день видим над головой – это Солнце. В солнечном ядре идут термоядерные реакции превращения водорода в гелий. Каждую секунду в ядре Солнца около 4 миллионов тонн вещества превращается в лучистую энергию, в результате чего генерируется солнечное излучение и поток солнечных нейтрино.

Мы даже достигли понимания, как именно происходит термоядерная реакция и способны её запустить, например, в виде подрыва термоядерного боезаряда. Мы с конца 1950-х годов питаем надежды научится управлять термоядерной энергией. Это даст практически неисчерпаемый, в нашем понимании, источник энергии. В начале 1950-х задачу по управляемому термоядерному синтезу в Советском Союзе сформулировал и предложил для неё первичное конструктивное решение советский физик Олег Лаврентьев.

Но, близок локоть, да не укусишь. Перспектива освоения технологии управляемого термоядерного синтеза, как и много лет до того, остаётся перспективой.

Токамак — тороидальная установка для магнитного удержания плазмы

[https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/44/U.S._Department_of_Energy_-_Science_-_425_003_001_%289786811206%29.jpg?uselang=ru]

 

Для удержания плазмы, с целью достижения условий необходимых для протекания управляемого термоядерного синтеза, необходимо создание мощного магнитного поля. Для этого советские инженеры и учёные создали Токамак, то есть тороидальную камеру с магнитными катушками.

«Предложение об использовании управляемого термоядерного синтеза для промышленных целей и конкретная схема с использованием термоизоляции высокотемпературной плазмы электрическим полем были впервые сформулированы советским физиком О.А. Лаврентьевым в работе середины 1950 года. Эта работа послужила катализатором советских исследований по проблеме управляемого термоядерного синтеза. А.Д. Сахаров и И.Е. Тамм в 1951 году предложили модифицировать схему, предложив теоретическую основу термоядерного реактора, где плазма имела бы форму тора и удерживалась магнитным полем. Одновременно эта же идея была предложена американскими учёными, но «забыта» до 1970-х годов.

 

 

Термин «токамак» был придуман в 1957 году Игорем Николаевичем Головиным, учеником академика Курчатова. Первоначально он звучал как «токамаг» — сокращение от слов «тороидальная камера магнитная», но Н.А. Явлинский, автор первой тороидальной системы, предложил заменить «-маг» на «-мак» для благозвучия. Позже это название было заимствовано многими языками.

Первый токамак был построен в 1954 году, и долгое время токамаки существовали только в СССР. Лишь после 1968 года, когда на токамаке T-3, построенном в Институте атомной энергии им. И.В. Курчатова под руководством академика Л.А. Арцимовича, была достигнута электронная температура плазмы 1 кэВ (что соответствует 11,6 млн °C), и английские учёные из лаборатории в Кулхэме (Nicol Peacock и др.) со своей аппаратурой приехали в СССР, произвели измерения на Т-3 и подтвердили этот факт, в который поначалу отказывались верить, в мире начался настоящий бум токамаков. Начиная с 1973 программу исследований физики плазмы на токамаках возглавил Борис Борисович Кадомцев.

В настоящее время токамак считается наиболее перспективным устройством для осуществления управляемого термоядерного синтеза» [https://ru.wikipedia.org/].

Международное бюро мер и весов. 12bis Grande Rue, F-92310 Sèvres

[https://ru.wikipedia.org/]

Во избежание конфуза и полной уверенности, что мы говорим на одном языке, в одних единицах измерений, напомню, что мы находимся в системе измерения СИ, то есть

Международной системе единиц СИ (фр. Système international d’unités, SI) — системе единиц физических величин, современный вариант метрической системы. Она принята Генеральной конференцией по мерам и весам (CGPM) и является базовой для всех измерений, как в Российской Империи (одна из пяти стран-основателей системы, 1875 г), бывшем СССР, так и нынешней РФ. ГОСТ 8.417—2002 предписывает обязательное использование единиц СИ. В нём перечислены единицы физических величин, разрешённые к применению, приведены их международные и русские обозначения и установлены правила их использования. Согласно этой системе величина энергии, механической работы, количества теплоты измеряется в джоуль (Дж); joule (J). В энергетике принято измерять температуру горения вещества в Мегаджоулях (МДж) — единица измерения работы, энергии и количества теплоты, кратная джоулю. 1 мегаджоуль [МДж] = 1000 килоджоуль [кДж].

 

 

О ВОДОРОДЕ И ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ.

СРАВНИВАЕМ С ПРИРОДНЫМ ГАЗОМ (МЕТАНОМ). ТОЛЬКО ФАКТЫ.

 

1. Удельная теплота сгорания водорода составляет примерно 140 МДж/кг (верхняя) или 120 МДж/кг (нижняя), что в несколько раз превышает удельную теплоту сгорания углеводородных топлив, например, природного газа, основную часть которого, от 70 до 98 %, составляет метан (CH₄). Удельная теплота сгорания метана — около 50 МДж/кг. Итак, 140 против 50 МДж/кг. Впечатляет.

 

2. Углекислый газ. Он же диоксид углерода, он же двуокись углерода (CO₂.) не так давно объявленный «врагом человечества».

При сгорании 1 молекула метана при взаимодействии с 2 молекулами кислорода образует 1 молекулу двуокиси углерода и 2 молекулы воды. В процессе реакции (лабораторный стенд) выделяется тепловая энергия, равная 891 кДж. При сжигании водорода получается чистая вода.

Итак, зловредный углекислый газ при сгорании водорода не образуется, а при сжигании природного газа, пусть мало, но образуется.

 

3. Добыча (где взять?)

Природный газ залегает в недрах Земли на глубине от тысячи метров до 7-8 километров и находится в микроскопических пустотах. Природный газ залегает под давлением значительно большим, чем атмосферное, иногда он появляется на поверхности без посторонней помощи. Нормальное атмосферное давление принято считать равным 760 мм ртутного столба, или 101 килопаскалей (кПа), против давления в пласте, например, 80 мегапаскаль (МПа), то есть 80000 кПа. Себестоимость добычи природного газа в РФ - $13 за 1000 м³. 1 м³ природного газа (метан) 0,71 кг.

Водород практически не встречается на Земле в чистом виде и должен извлекаться из других соединений с помощью различных химических методов, например:

- паровая конверсия метана и природного газа (себестоимость процесса $2–5 за килограмм водорода.);

- газификация угля ($2–2,5);

- электролиз воды ($6–7);

- пиролиз метана;

- частичное окисление;

- биотехнологии ($5–7).

Установка производства водорода методом паровой конверсии и её принципиальная схема: 1 – печь риформинга; 2 – реактор гидрообессеривания; 3 – адсорберы; 4 – реактор предриформинга; 5 – реактор конверсии СО; 6 – блок короткоцикловой адсорбции (КЦА) [https://pronpz.ru/ustanovki/steam-reformer-unit.html]

То есть, для того, чтобы получить водород надо потратить природное топливо. И деньги.

Итак, для добычи природного газа достаточно найти месторождение, обустроить, подключить к системе газоснабжения. Для производства (!) водорода, надо приобрести природное топливо (природный газ, уголь, нефть, сланец, излучающие элементы) и запустить технологический процесс. Себестоимость добычи и производства в пользу природного газа.

 

4. Сжижение газа. Для удобства хранения, транспортировки, использования.

Сжиженный природный газ (СПГ) — природный газ (CH₄), искусственно сжиженный путём охлаждения до минус 160°C. Температура кипения метана, минус 161,6°C. Сжиженный водород. Температура кипения водорода, минус 252,9°C. Каждый отрицательный градус температуры – существенные энергетические и финансовые затраты.

Итак, сжижение природного газа существенно дешевле сжижения водорода.

 

5. Поставка газа в м³ (трубопроводный газ) и эффективность его использования.

Один м³ метана даст примерно 35 МДж или 9,4 квт/час тепловой энергии. При КПД электростанции 60% это 5,6 квт/час электрической энергии.

При сгорании одного м³ водорода (90 грамм) выделяется ~10,8 МДж или 3 квт/час тепловой энергии.

Итак, кубометр метана содержит энергии в 3 раз больше, чем в энергии водорода. Таким образом, трубопроводное потребление водорода в м³, должно быть в 3 раз больше, чем метана и через трубу водорода придётся прокачать втрое больше, а значит и затраты на транспорт будут выше.

Газовые трубы большого диаметра [https://infrapipes.com/]

6. Технологии доставки. Трубопроводный транспорт требует или увеличения диаметра трубы в 1,7 раза (спасибо за поправку Tiangun), или троекратного увеличения давления. То есть полной замены трубопроводной инфраструктуры везде: как в сетях высокого, так и низкого давления.

Итак, комментировать сложно. Это ближе к формуле Интернационала: «Весь мир насилья мы разрушим до основанья, а затем: Мы наш, мы новый мир …». До основания, обычно получается неплохо, а вот затем, так себе.

 

7. Сжигание метана в атмосферном воздухе приводит к массовому образованию оксидов азота (NOx).

Процесс сгорания водорода описывается формулой 2H₂ + O₂ = 2H₂O + E. Однако, при сжигании водорода используют не чистый кислород, а атмосферный воздух. Атмосферный воздух состоит: из азота на 78%, кислорода на 21%, 1% приходится на другие газы, включая СО_2. При температуре горения более 600^оС и при базовой 1500^оС  начинается реакция азота и кислорода: N₂ + O₂  2NO . Тепловой эффект реакции −180,9 кДж. Оксид азота не имеет запаха, но при вдыхании может связываться с гемоглобином подобно угарному газу, переводя его в форму не способную переносить кислород. Например, при комнатной температуре и атмосферном давлении происходит окисление NO кислородом воздуха: 2NО + O₂  2NO₂ .

Оксиды азота — неорганические бинарные соединения азота с кислородом. Пять классических оксидов азота: закиси азота N₂O, окиси азота NO, оксида азота(III) N₂O₃, диоксида азота NO₂ и оксида азота(V) N₂O_5. Так «парниковая активность» закиси азота в 298 раз выше, чем у углекислого газа.

Кислотные дожди

[https://zen.yandex.ru/media/m1rznan1y/chto-esli-poidet-kislotnyi-dojd-5d...

Выбросы NOx считаются одной из основных причин образования фотохимического смога. Соединяясь с парами воды в атмосфере, они образуют азотную кислоту и, вместе с оксидами серы, являются причиной образования кислотных дождей.

Попытка, потратив дополнительные средства, обеспечить горение водорода в кислороде, снизит проблему образования оксидов азота. Однако температура горения водород/кислородной смеси от 2000°C до 2500°C. Температура плавления стали: 1450°C —1520°C. Жаропрочные стали до 1700°C.

Температура плавления тугоплавких металлов (ºC): Вольфрам – 3410; Тантал - около 3000; Ванадий – 1900; Ниобий – 2415; Цирконий – 1855; Рений – 3180; Молибден - Около 2600.

Итак, мы заменили относительно привычный углекислый газ на токсичный набор оксидов азота.

НА ЭТОМ СЧИТАЮ СРАВНЕНИЕ ПРИРОДНОГО ГАЗА, МЕТАНА И ВОДОРОДА, КАК ОСНОВЫ ЭНЕРГЕТИКИ БУДУЩЕГО – ИСЧЕРПАННЫМ. ЧТО НЕ ОТМЕНЯЕТ ЕГО ПРОИЗВОДСТВО (!) ТАМ, ГДЕ ОН НЕОБХОДИМ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ.