Аннотация. В данной статье рассматриваются в сравнении методы получения водорода как топлива для водородных топливных элементов двигателей общественного транспорта крупного города и положительное воздействие их внедрения в экологическом и социальном аспектах, а также необходимость административной деятельности по недопущению загрязнения городской атмосферы.
Ключевые слова: Водородная энергетика, экология крупных городов, автомобильные выбросы, получение водорода, водородные топливные элементы, чистый город.
В последние годы резко вырос мировой интерес к использованию водорода в качестве нового вида топлива, который мог бы прийти на смену углеводородным типам топлива для двигателей внутреннего сгорания (далее – ДВС). В период 2017-2020 гг. значительно выросло и количество статей по поиску и анализу актуальности способов получения водорода. Такое внимание к водороду связано с нестабильными ценами на нефть и ограниченностью ее запасов. Перспективность водородной энергетики основывается на отсутствии выбросов опасных для города веществ. В атмосферу уходит только вода как продукт реакции водорода и кислорода.
Государство и промышленные компании реализует в последние годы идеи не только решения последствий проблемы использования ДВС, но и новые методы недопущения загрязнения городской атмосферы благодаря промышленному получению водорода.
Экологическая острота исследуемой проблемы связана с тем, что каждый город включает в себя элементы природной среды: парковые зоны, скверы, аллеи, бульвары, зоны водных объектов – территории, подверженные влиянию загазованного воздуха.
Деревья, высаженные в пределах города для очищения воздуха, не справляются с нагрузкой и быстро погибают, что служит индикатором загазованности городской среды. В качестве примера можно привести широко распространенный в озеленении тополь черный (Populus nigra) [6]. В Москве эти деревья первыми начинают зеленеть и первыми же, буквально через месяц или два после распускания почек, теряют листву. Причина этого явления заключается в том, что устьица на листовых пластинках тополя являются фильтрами городского воздуха. Способствуя проникновению к внутренним тканям листа углекислого газа для фотосинтеза, устьица забиваются пылью и сажей, перестают выполнять свои функции [5].
Замена дизельных двигателей городского транспорта на двигатели, потребляющие водород, незамедлительно улучшит качество воздуха, особенно в мегаполисах, где использование общественного транспорта максимально.
Целью данной работы является сопоставительное изучение основных методов промышленного получения водорода и выбор наиболее перспективного для работы двигателей общественного транспорта.
В связи с заявленной целью можно выделить следующие задачи:
1. Отобрать и провести анализ методов производства водорода.
2. Дать оценку перспективности внедрения сравниваемых методов.
3. Рассмотреть социальные, психологические и экологические последствия внедрения водородных топливных элементов.
Основные методы получения водорода
На нашей планете водород в связанном состоянии составляет 1% по количеству атомов в земной коре и 17% от всех атомов в гидросфере и биосфере Земли. Однако тот факт, что в свободном состоянии этот элемент не может быть найден, ставит перед нами проблему поиска наиболее рационального метода для его получения.
Паровая конверсия метана
Суть метода паровой конверсии метана заключается в пропускании природного газа сквозь перегретый водяной пар с получением водорода в смеси c угарным газом (синтез-газ) [1]. В химической промышленности происходит полная конверсия метана, при которой полученный угарный газ пропускается вместе с водяным паром при очень высоких температурах с образованием водорода и углекислого газа. На сегодняшний день это основной метод получения водорода. Стоит отметить, что он отличается простотой, а цена такого водорода невелика по причине многотоннажности производства.
Но при этом в атмосферу выбрасывается огромное количество диоксида углерода, который является парниковым газом. Из-за активных выбросов углекислого газа на производстве, строительство предприятия вблизи города для обеспечения водородом общественного транспорта не представляется возможной.
Пропускание паров воды над раскаленным коксом
Данный метод основан на реакции паров воды с коксующимся углем при повышенной температуре с образованием водорода и угарного газа. Этот метод получил распространение в странах, не богатых на газовые месторождения.
По этой причине предложено использовать в качестве источника углерода коксующийся уголь, если на территории государства находятся месторождения такового.
Метод можно назвать грязным и дешевым, так как при реакции выделяется токсичный для человека угарный газ, а дешевизна метода объясняется простотой его исполнения.
Метод определенно недопустимо использовать для получения водорода как топлива городского общественного транспорта из-за вредности производства [4].
Электролиз водных растворов солей щелочных металлов или их гидроксидов
Этот метод основан на пропускании через водный раствор поваренной соли электрического тока. В ходе так называемой реакции электролиза образуются водород, щелочь и галоген. Преимущество метода заключается в том, что водород и галоген не надо разделять: на катоде будет образовываться водород, а на аноде – галоген [7].
Метод может быть усовершенствован, если поставить полимерную электрическую мембрану, что позволит отказаться от использования солей щелочных металлов и их гидроксидов. Итоговая реакция будет включать в себя прямой электролиз воды с получением чистого водорода и кислорода.
Недостаток метода заключается в том, что процесс электролиза требует большого количества электрической энергии. Решение этой проблемы может быть найдено в использовании избыточной электроэнергии атомных электростанций, однако такой источник энергии могут позволить себе лишь некоторые развитые страны.
При наличии рядом с мегаполисом нескольких блоков атомной электростанции с избытком электроэнергии, например, от пониженного потребления электричества летом или ночью, возможно строительство промышленного комплекса по производству чистого водорода в пределах городской агломерации. В этом случае доставка водородного топлива будет наиболее простой и эффективной.
Метод каталитического разложения простейших углеводородов
Главным для нас продуктом каждого рассмотренного метода является водород. Как видно из предыдущих пунктов, каждый метод имеет свой недостаток, связанный с лишними выбросами в атмосферу или недоступностью крупных источников электрической энергии. Поэтому уже несколько десятилетий разрабатывается метод каталитического разложения углеводородов с использованием различных катализаторов [3].
Суть метода проста: через слой катализатора пропускается углеводород, чаще всего метан, и нагревается. В ходе каталитической реакции происходит разложение углеводорода на простые вещества: углерод и водород. Метод отличается простотой химической реакции и аппаратурного оформления.
Единственный вопрос, который пока остается открытым, – это выбор наиболее подходящего катализатора. Основными требованиями к катализатору являются малая цена, доступность и продолжительный срок службы. Научные поиски в этом направлении пока не закончены, ежегодно публикуются тысячи статей на тему исследований все новых и новых составов катализаторов.
Наиболее интересными являются идеи применения в качестве катализатора активированного угля или железной руды. Ежегодно выдаются сотни патентов на все более эффективные каталитические установки и новые методики получения катализаторов.
Данный метод является перспективным, поскольку при создании лучшего катализатора промышленное производство водорода станет в разы дешевле, эффективнее и экологически безопаснее, чем все разобранные выше методы.
Проблема загрязненности воздуха продуктами неполного сгорания углеводородного топлива имеет не только экологическую, но и социальную важность, поскольку выбросы напрямую влияют на качество жизни городского населения. Эти выбросы вызывают усталость, повышают утомляемость человека, приводят к снижению трудоспособности и, как следствие, сказываются на здоровье населения и приводят к убыткам экономики.
Первым с этой проблемой столкнулся Китай: использование угольных котельных в черте городов привело к появлению красного уровня опасности в зоне проживания и работы населения. Врачи рекомендовали во избежание отравлений не дышать полной грудью. С подобными трудностями приходится справляться и другим городам мира, например, Токио или Лос-Анджелесу. Опасность существенно повышается летом, когда воздух становится сухим, а избыток инсоляции приводит к образованию фотохимического смога.
Пагубного влияния всех этих выбросов можно избежать, начав использовать вместо двигателей внутреннего сгорания водородные топливные элементы, использующие чистый водород.
При реакции его с кислородом выделяется та же энергия, что и при сжигании углеводородного топлива, но вот продуктами сгорания становятся не угарный и углекислый газ с водой, а только лишь вода.
Постепенная замена двигателей внутреннего сгорания на водородные топливные элементы в значительной степени улучшит экологическую обстановку во всех крупных мегаполисах за счет резкого снижения выбросов в атмосферу.
Advantages of introducing hydrogen production technology by pyrolysis of simplest hydrocarbons for public transport
Kozlov M.A.,
bachelor of the Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow
Annotation. This article is devoted to the comparison of the methods of hydrogen production as the fuel for hydrogen fuel cells for public transport engines of the big city, and to positive environmental and social impact of their introduction, as well as to the necessity of administrative activities on prevention of the urban atmosphere pollution.
Keywords: Hydrogen energy, ecology of big cities, automobile emissions, hydrogen production, hydrogen fuel cells, clean city
- Крылов О.В. Углекислотная конверсия метана в синтез газ. Российский Химический Журнал «Катализ на пути в XXI век». Том XLIV (2000). №1. Выпуск 1. С. 1-3.
- Полякова Т.В. Состояние и перспективы развития водородной энергетики // Вестник МГИМО, 2012. С. 156-160.
- Alves L., Pereira V., Lagateira T., Mendes A. Catalytic methane decomposition to boost the energy transition: Scientific and technological advancements. In: Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2020. (дата обращения: 20.12.2020)..
- Junjie Li, Wanjing Cheng. Comparative life cycle energy consumption, carbon emissions and economic costs of hydrogen production from coke oven gas and coal gasification. International Journal of Hydrogen Energy. 2020. (дата обращения: 20.12.2020).
- Karaicheva M.A., Avdonina M.Yu. The charm of Moscow courtyards and students extracurricular activities. In: The Modern Paradigm of Scientific Knowledge: Actuality and Perspectives: Proceedings of the Seventh International Multidisciplinary Scientific and Practical Conference in Foreign Languages “The Modern Paradigm of Scientific Knowledge: Actuality and Perspectives». Moscow, April 2, 2019. Moscow, Eds. Yazyki Narodov Mira, 2019. Page: 169-174.
- Nikitin S., Avdonina M., Bartoli F. Roma botanica. In: People. Science. Innovations in the New Millennium : Moscow, November 23-25, 2015. Moscow, Eds. PFUR, 2015. Part 1. Page: 512-521.
- Ping Yu, Hao Jiang, Ren Peng, Hongze Ma, Ruheng Zheng, Jin Z. Zhang, Gerardine G. Botte. Novel Pd–Cr electrocatalyst with low Pd content for coal electrolysis for hydrogen production. Journal of Power Sources. 2020. (дата обращения: 20.12.2020).
- Krylov O.V. Carbonic acid conversion of methane to synthesis gas. Russian Chemical Journal. Vol XLIV (2000) №1. Catalysis on the way to the XXI century. Issue 1. Page: 1-3.
- Polyakova T.V. State and prospects of development of hydrogen energy // Vestnik MGIMO, 2012. Page: 156-160.
- Alves L., Pereira V., Lagateira T., Mendes A. Catalytic methane decomposition to boost the energy transition: Scientific and technological advancements. In: Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2020. (date of the address: 20.12.2020).
- Junjie Li, Wanjing Cheng. Comparative life cycle energy consumption, carbon emissions and economic costs of hydrogen production from coke oven gas and coal gasification. International Journal of Hydrogen Energy. 2020. (date of the address: 20.12.2020).
- Karaicheva M.A., Avdonina M.Yu. The charm of Moscow courtyards and students extracurricular activities. In: The Modern Paradigm of Scientific Knowledge: Actuality and Perspectives: Proceedings of the Seventh International Multidisciplinary Scientific and Practical Conference in Foreign Languages “The Modern Paradigm of Scientific Knowledge: Actuality and Perspectives». Moscow, April 2, 2019. Moscow, Eds. Yazyki Narodov Mira, 2019. Page: 169-174.
- Nikitin S., Avdonina M., Bartoli F. Roma botanica. In: People. Science. Innovations in the New Millennium: Moscow, November 23-25, 2015. Moscow, Eds. PFUR, 2015. Part 1. Page: 512-521.
- Ping Yu, Hao Jiang, Ren Peng, Hongze Ma, Ruheng Zheng, Jin Z. Zhang, Gerardine G. Botte. Novel Pd–Cr electrocatalyst with low Pd content for coal electrolysis for hydrogen production. Journal of Power Sources. 2020. (date of the address: 20.12.2020).