3 ТОПЛИВО ИЗ ОТХОДОВ В Эстонии, как и везде в странах ЕС

3 ТОПЛИВО ИЗ ОТХОДОВ
В Эстонии, как и везде в странах ЕС, энергетическое использование отходов –
часть политики обращения с
отходами, которую регламентируют
соответствующие евродирективы. С точки зрения иерархии приоритетов политики
отходов в ЕС следует, прежде всего, уменьшить образование отходов, затем как
можно больше направлять их в повторное использование и, в-третьих – удалять
(как возможность – сжигание).
В соответствии с несколькими важными директивами Европейской комиссии и ЕП:
- директива по сжиганию отходов 2000/76/EÜ,
- директива по утилизации транспорта 2000/53/EÜ,
- директива по утилизации электроники 2002/96/ EÜ,
- директива по упаковке 94/62/ EÜ,
и распространением их на законодательство и правовые акты ЭР у Эстонии
возникли большие обязательства по вторичному использованию отходов.
Вторичным использованием отходов также является сжигание отходов с целью
выработки энергии.
И во многих странах отходы сжигают в специальных установках. Например, в
Швеции сжигается 50% всех отходов, в США – 15%, в Финляндии – 10%. А в
Германии – напротив, сжигание отходов запрещено.
Без энергетического использования отходов у Эстонии нет возможности
выполнить свои обязательства перед Евросоюзом.
Топливо из отходов (RDF – refuse-derived fuel, jäätmekütus) – топливо,
изготовленное из отходов, которое имеет точный состав и плотность, а по
структуре является кусковитым.
Для производства топлива из отходов отходы необходимо сортировать, годные для
сжигания фракции нужно подготовить (измельчить), а также спрессовать до
необходимой величины кусков (гранул). Как выглядит топливо из отходов, смотри
на следующем рисунке:
Рис.
3.1.
Гранулированное
топливо из отходов:
Qta= 6,82MWh/t,
Wt= 5,4%,
Ak= 5,7%,
Ck=58,2%,
Hk=8,36%,
Nk = 0,23%,
Sk = 0, 18%
1
Топливо из отходов возможно сжигать совместно с обычным топливом
(древесными опилками, торфом) или подавать как дополнительное топливо в
клинкерную печь обжига цемента.
Вообще, в Законе об отходах нет определения топлива из отходов. В
постановлении правительства ЭР «Перечень отходов, в том числе опасных
отходов» коды отходов 19 12 10, что означает горючие отходы или топливо из
мусора.
Горючими отходами считают следующие отходы:
- из бытовых отходов (20 03 01) отсортированные горючие отходы (19 12 10);
- строительный и в связи со сносом, образующийся мусор, упаковочный мусор,
текстильные и другие находимые горючие отходы, за исключением отходов
деревообработки;
- отходы механической обработки, например, не перечисленные в перечне отходы
сортировки, прессования, гранулирования (19 12 10).
Требования Постановления по сжиганию отходов не применяются при сжигании
следующих видов отходов (сжигают как обычное топливо):
- растительные отходы сельского хозяйства и лесного хозяйства;
растительные отходы пищевой промышленности, если при переработке
образующуюся тепловая энергия используется;
- отходы растительных волокон производства целлюлозы и бумаги, в случае если
их сжигают в месте образования и с использованием образующегося тепла;
- древесные отходы, если он не содержат опасных веществ.
На основании закона об отходах с 1.января 2008 года действует запрет для всех
свалок на прием и складирование несортированных бытовых отходов.
В составе складируемых на свалках бытовых отходов не должно быть
биологически разлагающихся отходов:
1. более 45 массовых % с 16. июля 2010 года,
2. более 30 массовых % с 16. июля 2013 года,
3. более 20 массовых % с 16. июля 2020 года.
Таким образом, большую часть отходов следует устранять, не складируя их на
свалках. Вместо складирования для устранения отходов следует всерьёз
рассматривать возможности их сжигания.
Существующие установки (оборудование) по сжиганию мусора следует привести в
соответствие с требованиями сжигания (строительство станций (заводов) по
2
сжиганию отходов и по совместному сжиганию с отходами, соблюдать требования
по использованию заводов и их закрытию).
3.1 Отходы как топливо
Сжигание отходов требует подробных знаний о составе и свойствах отходов.
Используя отходы как топливо, необходимо знать теплотворную способность
отходов, влажность, зольность, свойства золы, содержание вредных веществ (хлор,
сера), размер кусочков или гранул, содержание летучих, а также для проведения
расчетов – элементарный состав, т.е. те же самые величины как при использовании
обычного топлива.
Т.к. отходы – это смесь различных материалов, то и свойства отходов
определяются свойствами отдельных компонентов и их количественным
содержанием в смеси.
Поскольку отходы – по составу с гетерогенным и меняющимся содержанием смесь,
то для пробы следует отбирать материалы в большом количестве, анализ которых
связан с большими затратами. В случае топлива из отходов провести анализ в
лабораторных условиях весьма затруднительно, так, например, гомогенную со
средним составом размолотую пробу в количестве 1 грамма довольно сложно
получить.
Нашел применение метод определения свойств топлива из отходов, который
состоит в определении свойств компонентов и их количественной оценке.
Метод предпочитают по причине получения результата с меньшими затратами,
поскольку свойства компонентов отходов определены ранее или известны из
литературы.
Типичный состав бытовых отходов в Великобритании (в конце ХХ столетия):
Компонент
% содержание (по массе)
Бумага
Пластик
Стекло
Металлы
Пищевые/садовые отходы
Текстиль
Другое
33,0
7,0
10,0
8,0
20,0
4,0
18,0
Нижняя теплотворная
способность товарной
массы MJ/kg
16,9
32,7
9,0
15,6
10,6
Состав бытовых отходов в Эстонии, в % (по данным АS Vaania):
3
Компонент
Органически
разлагающийся
Бумага и картон
Стекло
Металл
Пластик
Древесина
Устойчивые
отходы
Композитные
материалы
Текстиль
Опасные отходы
Таллинн*
Пярну
Рапла
Аравете
Кийу
Лоо
Среднее
41,5
32,1
38,2
48,2
56
40,2
42,3
23,8
2,4
5,4
19,1
2,1
14,1
5,6
6,7
2,6
8,2
24,6
1,6
11,8
5,5
1,2
24,6
3,6
0,1
10,4
3,6
19,5
0
0,7
4,12
11,9
40,9
1,6
2,1
5,7
1,3
25,3
2,7
3,9
11,6
3,3
1,0
28,6
10,6
5,3
3,1
4,9
6,7
4,0
0,6
2,1
0
5,3
1,2
3,1
0
0,6
4,1
2,1
1
3,4
0,9
0,1
0
0
1,1
0
0,2
0,2
Среднее
содержание
горючих отходов
в бытовых
отходах

41,1%
- по Таллинну приведены данные, полученные в ходе исследований, проведенных в
четырех частях города.
В настоящее время одним из важных компонентов в отходах являются поливинилхлориды
или PVC-пластмассы, содержание которого в отходах постоянно повышается.
Теплотворная способность PVC-пластмасс составляет 29,6 МДж/кг и близка к
теплотворной способности каменного угля. Это и является причиной увеличения
теплотворной способности отходов. При горении PVC-пластика помимо обычного состава
в уходящих газах образуются водородхлориды, которые связываются известью в
установках очистки дымовых газов.
Элементарный состав, влажность и золосодержание бытовых отходов:
Показатель
Влажность W
Золосодержание A
Углерод С
Водород Н2
Кислород О2
Азот N2
Сера S
Содержание в %
31,0
26,9
21,5
3,0
16,9
0,5
0,2
3.2 Технические условия сжигания
В ЭР регулирует сжигание отходов Постановление № 66 министра окружающей
среды от 4.июня 2004 года «Требования к строительству, использованию и
закрытию заводов по сжиганию и совместному сжиганию отходов» (RTL,
21.06.2004, 83, 1316). Требования постановления действуют как для больших, так и
для маленьких заводов по сжиганию. Единственное исключение, где эти
4
требования не применяются, – это опытные заводы, которые перерабатывают
менее 50 тонн отходов в год. Для обеспечения безопасности для окружающей
среды необходимо оборудовать установки по сжиганию отходов большим
количеством измерительных средств и средствами автоматики, что ведет к
значительному увеличению инвестиций в случае малых установок сжигания
отходов.
Требования по сжиганию отходов не применяют для сжигания тех видов отходов,
которые сжигают как обычное топливо и не представляют дополнительной
угрозы для окружающей среды.
Здесь не рассматривается проблематика сжигания опасных и жидких отходов, а
только вопросы сжигания обычных отходов.
Завод по сжиганию обычных отходов должен отвечать определенным
техническим условиям:
1. На заводе следует достичь такой степени сжигания, чтобы в образовавшихся
после сжигания шлаке и золе содержание органического углерода (ТОС)
было бы менее 3% или потери тепла составляли бы менее 5% от сухой
массы вещества.
2. Температура газов горения после последней подачи воздуха для горения
должна подниматься минимум до 850 0С и держаться таковой не менее 2
секунд.
3. Каждая установка сжигания отходов на заводе должна быть оборудована
хотя бы одной вспомогательной горелкой, которая должна поддерживать
требуемую температуру газов горения. При необходимости такого
поддержания температуры горелка должна включаться автоматически.
Вспомогательную горелку следует использовать при пуске и останове
установки сжигания отходов. Для питания вспомогательной горелки следует
использовать топливо, выбросы которого при сжигании ниже, чем у
сжигаемых отходов, например, сжиженный газ или природный газ или
масла с таким же уровнем выбросов.
4. На заводе должна быть автоматизированная система подачи отходов,
которая предотвращает подачу отходов в топку автоматически, если
температура газов горения в топке ниже 850 0С или если требуемыми и
производимыми измерениями будет установлено превышение предельного
значения какого-либо из выбросов (СО2, SO2, NOx) из-за нарушения режима
или работы самой установки сжигания.
5. Завод должен предотвращать попадание таких выбросов в атмосферу,
которые могут быть причиной значительного загрязнения атмосферного
воздуха вблизи поверхности земли. Выбросы должны осуществляться через
дымовую трубу достаточной высоты.
Постановление по сжиганию отходов предусматривает некоторое
исключение при сжигании т.н. «чистых» отходов». А именно: в части
выдерживания температуры газов горения (850 0С) и времени поддержания
таковой не менее 2 секунд, если сжигают отходы одного вида и если
5
эксплуатирующее установку предприятие докажет, что сжигание отходов
при другой температуре (отличающейся от требуемой) и уменьшение
времени поддержания температуры не увеличивает негативного влияния на
окружающую среду.
Определенным
и
неизменным
является
требование
максимального
использования выделяющегося в процессе сжигания отходов теплоты,
независимо от того, является ли причиной сжигания только необходимость
утилизации отходов.
Теплоту от сжигания отходов можно использовать для производства тепла и
электроэнергии.
В уходящих газах завода сжигания отходов содержание загрязняющих веществ не
может превышать установленные предельные значения. Это возможно обеспечить
только при наличии установки по очистке дымовых газов.
В установках по очистке дымовых газов обычно используют и воду. Количество
сточных вод, поступающих в приемник, следует максимально ограничить, при
этом содержание загрязняющих компонентов в сточных водах не должно
превышать установленные предельные значения для установок по сжиганию
отходов. Для снижения концентрации или предельных значений сточные воды
нельзя разбавлять.
Принадлежащие заводу по сжиганию отходов места для временного хранения
отходов сами не должны быть источниками загрязнения окружающей среды. Завод
должен быть оборудован большими водосборниками осадков, обеспечивающими
нужды подпитки вследствие утечек и тушения пожара.
При эксплуатации установки по сжиганию отходов неизбежно возникают отходы,
которые называют остатками, чтобы отличать их от первоначальных отходов.
Количество и опасность остатков следует снижать на столько, на сколько это
возможно. Если возможно, остатки следует использовать повторно в оборотной
системе.
При сжигании отходов образуются остатки:
- в топке – зола и шлак, и летучая зола,
- сухой продукт очистки дымовых газов,
- осадок при очистке сточных вод,
- использованный активированный уголь и др..
Очень важной частью для обеспечения безопасной для окружающей среды работы
установки является необходимое квалифицированное
и качественное
оборудование её измерительными средствами и постоянный контроль за их
надлежащей работой. При эксплуатации установки сжигания следует использовать
такие методы измерения, которые позволяют следить за параметрами сжигания,
условиями, за массовым содержанием компонентов в дымовых газах и сточных
водах.
В уходящих в атмосферу дымовых газах постоянно измеряется:
- содержание оксида азота NO,
- окиси углерода CO,
6
- суммарного количества твердых частиц,
- общее содержание органического углерода (ТОС),
- хлористого водорода HCl,
- фтороводорода HF,
- двуокиси серы SO2.
Постоянно измеряется температура дымовых газов (горения) в топке, содержание
кислорода O2 в уходящих газах, давление P и температура T (пара или горячей
воды).
По меньшей мере, два раза в год следует в уходящих газах определять наличие
тяжелых металлов, диоксинов и фуранов С4Н4О.
В месте выхода сточных вод следует постоянно определять рН, температуру,
расход, 1 раз в сутки определяется содержание взвесей
в усредненной
пропорционально расходу пробе и содержание Hg, Cd, Tl, As, Pb, Cr, Cu, Ni, Zn.
Точный порядок проведения измерений установлен в постановлении по сжиганию
отходов.
3.3 Установки по сжиганию отходов
http://www.oschatz.com/thermische-verwertung.html?&L=3
Современная установка по сжиганию отходов производит энергию (тепло и
электроэнергию) с высоким к.п.д., гарантируя эффективную очистку дымовых
газов, обеспечивая значительное уменьшение объемов отходов, преобразуя их в
инертную золу, которая минимально загрязняет окружающую среду.
Установки по сжиганию отходов можно классифицировать по:
1.
мощности,
2.
виду сжигаемых отходов ( необработанные отходы, топливо из отходов),
3.
по способу сжигания отходов.
При так называемом массовом (объемном) сжигании используют различного типа
слоевые топки (с неподвижной решеткой колосниковой решеткой, наклонной
решеткой, движущейся решеткой), где горение кокса происходит на решетке, а
горение летучих – в объеме топки. Правильное соотношение вторичного и
первичного воздуха обеспечивает полное сгорание как кокса на решетке, так и
летучих в объеме топки, а также сбор и удаление инертной золы в зольный бункер.
Производительность типовых установок составляет 10 ... 50 т/час сжигаемых
отходов.
Отходы сжигают также в специально сконструированных поворотных клинкерных
печах, в различных двухступенчатых установках сжигания. Существуют печи для
сжигания жидких и газообразных отходов.
Для сжигания отходов в камерных топках используют также и вихревые топки.
7
В химической промышленности и энергетике для сжигания отходов широко
распространены топки с кипящим слоем.
3.4 Подготовка отходов к сжиганию
В зависимости от необходимости предварительной подготовки отходов, их степени
сортировки и предварительной обработки, можно рассматривать отходы как
топливо, исходя из двух аспектов:
1. отходы сжигают необработанными и несортированными,
2. отходы сжигают в виде изготовленного из отходов топлива, т.е.
сортированными (на заводе по сортировке или – на площадке вблизи
установки сжигания), предварительно обработанными (сушка, прессовка
или брикетирование, дробление, размол и др.).
Первый способ сжигания называют в литературе как массовый или объемный,
потому что в этом случае всю массу (объем) отходов в первоначальном виде, без
обработки подают в топку установки сжигания. Только очень большие негорючие
компоненты, такие как домашняя техника или массивные предметы, отделяются от
общей массы отходов. Машины по сбору отходов сгружают в бункер по приему
отходов, непосредственно находящийся на территории. Мостовой кран,
снабженный
захватным
механизмом
(грейфером)
доставляет
мусор
непосредственно в загрузочный бункер. Гидравлические питатели направляют
сжигаемые отходы на механическую колосниковую решетку. Когда горючая масса
догорит, зола направляется в зольный бункер, из которого она идет на обработку
или прямо на захоронение (складирование).
Второй способ сжигания использует уже заранее подготовленное топливо из
отходов. Отходы сортируются, отделяются те, которые можно
продать,
использовать как материал. Сортированные отходы в соответствии с
необходимостью сушат, прессуют, измельчают, перемалывают.
Топливо из отходов подают в систему топливоподачи и затем питателями подают
в топку на цепную подвижную решетку, в поворотную печь или в топку с кипящим
слоем и т.д.. В слоевых топках сжигают топливо из отходов частично на решетке в
слое, а частично в объеме топки (летучие). Хорошо измельченное топливо из
отходов можно сжигать и в больших энергетических котлах в кипящем слое,
смешивая с твердым энергетическим топливом.
3.5 Сжигание отходов
Эффективным способом уменьшения твердых отходов является их сжигание.
В настоящее время для этого используют современные специально
спроектированные установки сжигания, оснащенные оборудованием очистки
8
дымовых газов, золоудаления. Теплоту, выделяющуюся в процессе сжигания,
используют для выработки тепла и электроэнергии.
Типичный процесс сжигания состоит из следующих этапов:
- хранение, подготовка отходов до подачи в топку установки сжигания;
- сжигание в топке с образованием газов горения, летучей и золы в топке, а также
загрязнением поверхностей нагрева самой установки;
- теплообмен в котле, в результате чего температура газов горения уменьшается,
вырабатывается пар или горячая вода;
- очистка уходящих газов от вредных примесей;
- золоудаление;
- удаление очищенных уходящих газов дымососом через дымовую трубу.
Если отходы сыпучие, то при сжигании их объем может уменьшиться до 90%.
Остающаяся в результате сжигания зола в общем случае – инертная, содержит
негорючие компоненты, стекло, металлы и др. В дымовых газах помимо газовых
компонентов содержатся и твердые частицы летучей золы, которые необходимо
перед выбросом в атмосферу удалить.
Очистка дымовых газов
Оборудование установки очистки дымовых газов состоит из циклонов,
мультициклонов, скрубберов, мешочных фильтров и электрофильтров. Золу
складируют на свалках. Если зола не содержит токсичных веществ, то её можно
использовать как наполнитель в дорожном строительстве.
Отделение из дымовых газов серы, азота, соединений хлора происходит в
специальных установках. Для удаления серы используют методы как мокрого, так
и сухого скруббирования.
Рис.3.2 Типовое оборудование мокрого и сухого
скруббирования.
В воздушных или жидких фильтрахскрубберах газообразные продукты сгорания
пропускаются
через
водный
раствор
извести,
в
результате
образуется
нерастворимый осадок сульфата кальция.
Этот, так называемый мокрый метод,
позволяет удалить до 95% SO2, но является
дорогостоящим,
так
как
снижение
температуры дымовых газов и понижение
тяги требует дополнительных затрат энергии
на их подогрев, кроме того, существует
проблема утилизации гипса CaSO4.
9
Суть мокро-сухого метода заключается в абсорбции в скруббере полного
испарения известковой суспензии с температурой газов выше 160ºС. Степень
очистки от SO2 – 85%.
Суть сухого метода во вдувании известняка в зону высоких температур
котлоагрегатов. Сухие технологии сероочистки представляют особый интерес с
вводом тонко размолотого известняка в топочную камеру и газоходы котла.
Однако практические результаты в промышленных условиях дают степень очистки
не более 30-35%, что, возможно, обусловлено неудачным технологическим
исполнением.
К сухим способам очистки можно отнести:
1. сухой аддитивный метод (хемосорбция), при котором щелочно-земельные
соединения (в основном известняк) непосредственно вдуваются в топку или
подаются туда вместе с топливом. метод имеет относительно низкую
эффективность, процессы "Bergbau Frschung", Германия; "HOKCO", США и др.
2. хемосорбция SO2 с применением окиси меди (метод «УОП-Шель»);
3. каталитическое окисление SO2 в SO3, с получением в результате процесса серной
кислоты, процесс "WSA", разработанный фирмой "Haldor Topse" Дания;
4. адсорбция SO2 с применением активированного угля или кокса, с получением
конечного продукта разбавленной серной кислоты или гипса;
5. радиационно-химическая очистка дымовых газов от окислов серы и азота
(радиолиз), разрабатывается фирмой «Штейнмюллер», Германия, также и в России,
СО РАН («Институт Ядерной Физики»). Поток дымовых газов после ввода в него
аммиака облучается пучком ускоренных электронов. Конечным продуктом
является сульфат и нитрат аммония.
Мировой промышленный опыт показывает, что наиболее распространенными
являются технологии, основанные на связывании диоксида серы соединениями
щелочноземельных элементов, т.е. абсорбция SO2 с помощью щелочно-земельных
соединений, таких как: Ca(OH)2, CaCO3, Mg(OH)2, в первую очередь кальция
(известняковые технологии со степенью связывания диоксида серы до 95-97
%).
При небольшой степени сероочистки (50-60%) применяют разбрызгивание
реагента в форкамере электрофильтра или используют скрубберы Вентури (или
другие мокрые золоуловители).
По лабораторным исследованиям использование CaCO3 и MgCO3 для сухой
десульфурации должно теоретически обеспечить 100% очистку.
10
Рис.3.3 Установка по сжиганию отходов массовым (объемным) методом.
1 – зона разгрузки, 2 – приемник отходов, 3, 4 – мостовой кран с захватывающим
механизмом (грейфером), 5 – загрузочный бункер, 6 – питатель, 7 – движущаяся
наклонная колосниковая решетка, 8, 9 – шлакоудаление, 10 – дутьевой вентилятор
первичного воздуха, 11 – воздушный направляющий аппарат, 12 – дутьевой
вентилятор вторичного воздуха, 13 – подача вторичного воздуха/ инжектирование
газов горения (рециркуляция), 14 – дутьевой вентилятор рециркуляции, 15 –
вспомогательная воздухоподача, 16 – трехступенчатый пароперегреватель, 17 электростатический фильтр-осадитель, 18 – каталитический фильтр (катализатор),
19 – внешний экономайзер, 20 – фракционный разделитель, 21 – мешочный фильтр,
22 – мокрый скруббер, 23 – дымосос, 24 – измерение выбросов в уходящих газах,
25 – дымовая труба.
Строительство установки по сжиганию отходов объемным методом начато АО
Эести Энергия на территории ТЭЦ Иру.
https://www.energia.ee/c/document_library/get_file?uuid=81bb177d-b9ff-4274-a8af917e8c81bff8&groupId=10187
Срок завершения строительства – 2013 год. Установочная мощность: тепловая – 50
МW, электрическая - 17 МW. Cтроитель-подрядчик - французская фирма CNIM
(www.cnim.com)
Выработка биогаза из биологически разлагающихся отходов в Эстонии
происходит на свалке в Паэскюла, который потом сжигается в двух энергетических
комбиустановках AS TERTS (производство э/энергии – 12 500 МWh в год,
т/энергии – 10 000 МWh (отапливают 2000 квартир)); на Таллиннской станции
очистки сточных вод и на Сааремаа на свиноферме в волости Вальяала на AS Saare
11
Economics.
ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
Под водородной энергетикой понимается



аккумулирование энергии путем производства водорода,
использование водорода как энергоносителя при передаче энергии,
потребление водорода как топлива в топливных элементах и в других
преобразователях для получения электрической или механической энергии
и/или тепла.
Предполагают, что в таком комплексном виде водородная энергетика может начать
развиваться после того, когда будут разработаны технически и экономически более
эффективные способы выделения водорода из его химических соединений (прежде
всего из воды).
Идея водородной энергетики основывается на превосходных свойствах водорода
как энергоносителя и топлива – на большой теплоте сгорания (рис. 9.6.1), малой
плотности (рис. 9.6.2) и, как результат, низких расходах передачи, отнесенных на
единицу энергии (рис. 9.6.3).
142
H2
50
CH4
Каменный уголь
29
Рис. 9.6.1. Теплота сгорания водорода и, для сравнения, метана и каменного
угля (MJ/kg)
H2
0,090
0,72
CH4
1,29
Воздух
Рис. 9.6.2. Плотность водорода и, для сравнения, метана и воздуха (kg/m3)
H2
31
CH4
30
200
Электроэнергия
12
Рис. 9.6.3. Приблизительные расходы трубопроводной передачи водорода и,
для сравнения, метана и (по линиям электропередачи) электроэнергии в
больших количествах на 100 km (€/MJ)
В настоящее время в мире потребляется около 50 Mt водорода в год (с увеличением
около 10 % за год). Приблизительно половина этого количества используется для
производства аммиака, а другая половина – при обработке нефти (при
каталитическом крекинге) для получения легких видов моторного топлива.
До сих пор водород производится преимущественно из другого топлива – 48 % из
природного газа, 30 % из нефти и 18 % при реакции угля с водой. В настоящее
время доля электролиза воды в производстве водорода составляет только 4 %.
Стоимость водорода на мировом рынке относительно высока – приблизительно
2,70 доллара за килограмм (рис. 9.6.4), однако по стоимости на единицу
энергосодержания его можно считать вполне конкурентоспособным по сравнению
с некоторыми другими видами топлива (рис. 9.6.5).
2,70
H2
Бензин
0,90
Этанол
0,70
Природный газ
0,14
Каменный уголь
0,075
Горючий сланец
0,01
Рис. 9.6.4. Сравнение стоимости водорода со стоимостью других видов
топлива (по массе, $/kg)
H2
Бензин
19
Этанол
16
21
Природный газ
3,4
Каменный уголь
2,8
Горючий сланец
1,0
Рис. 9.6.5. Сравнение стоимости водорода со стоимостью других видов
топлива (по теплоте сгорания, $/GJ)
13
Данные, приведенные на рис. 9.6.4 и 9.6.5, основываются на стоимости топлива в
2005 году. Быстрый рост стоимости нефтепродуктов приводит к повышению
конкурентоспособности водорода относительно бензина.
Для более широкого применения водорода в энергетике необходимо найти более
эффективные способы его производства. Такими способами в будущем могут
оказаться горячий электролиз воды и термическое разложение воды в
специальных высокотемпературных ядерных реакторах (при температуре от
850 оС до 1000 oC). Предполагают, что в таких случаях стоимость водорода может
снизиться приблизительно в два раза. Исследуются и возможности
каталитического разложения воды под воздействием
солнечного излучения. Если такие технологические процессы удастся реализовать
в промышленном масштабе, то производство водорода может переноситься



на гидравлические и солнечные электростанции, находящиеся далеко от
центров потребления электроэнергии,
на ветряные электростанции в качестве одного из способов аккумулирования
энергии,
на атомные электростанции с ядерными реакторами, которые могут
использоваться для получения как электроэнергии, так и водорода (такая
электростанция могла бы, например, вырабатывать днем электроэнергию, а
ночью водород).
Так как передача водорода в больших количествах может оказаться намного
дешевле, чем передача электроэнергии, то в будущем вместо электрических сетей
высокого и сверхвысокого напряжения могут появиться трубопроводные сети
водорода (рис. 9.6.6).
14
ГЭС
СЭС
H2 O
АЭС
H2 O
H2 O
Э
Э
H2
O2
H2
O2
H2
O2
Трубопроводная сеть
А
O2
H2 O
Тепло
Батарея топливных элементов
Электроэнергия
Рис. 9.6.6. Принцип устройства водородной энергетической системы. АЭС
атомная, ГЭС
гидравлическая, СЭС
солнечная электростанция,
А аккумулятор (хранилище) водорода, Э электролизное устройство
Расход энергии для электролиза воды составляет приблизительно 200 MJ/kg. Так
как теплота сгорания получаемого водорода равна 142 MJ/kg, то кпд элекролиза
может считаться равным приблизительно 70 %. Если водород используется в
топливных элементах с кпд, например, 60 %, то результирующий кпд
преобразования электроэнергии в химическую энергию водорода и обратно в
электрическую составляет приблизительно 40 %, что обычно считается
приемлемым.
Для аккумулирования водорода могут использоваться
 сжатие при давлении от 5 MPa до 10 MPa,
 сжижение при температуре около –250 oC,
 металлические гидриды (например, MgH2 ), из которых водород легко
выделяется при нагреве.
15
Наиболее простым следует считать аккумулирование в виде сжатого газа,
наименьший объем аккумулирующего устройства достигается при сжижении
водорода, наиболее безопасным (но и наиболее дорогим) является применение
металлических гидридов.
В 2004 году исследовательская группа Горной академии Фрейберга (Freiberg,
Германия) под руководством Герта Вольфа (Gert Wolf) разработала новый способ
аккумулирования водорода – в виде ацана бора BNH6 . Это соединение разлагается
при нагреве более 100 oC, освобождая две молекулы H2 . Выделяющееся при этой
реакции тепло обеспечивает непрерывность процесса разложения. Продукты
разложения не представляют собой опасности для окружающей среды. По
предварительным оценкам, электромобиль с запасом ацана бора от 40 kg до 50 kg
мог бы проехать около 500 km, что вполне сравнимо с обычными автомобилями.
16