Основы проектирования метано-водородной энергетики и водородных энергохимических комплексов

А. И. Агафонов, Р. А. Агафонов, В. И. Чернецов






        ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МЕТАНО-ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ И ВОДОРОДНЫХ ЭНЕРГОХИМИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ










Допущено УМО вузов России по образованию в области энергетики и электротехники в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки «Электроэнергетика» специальности «Водородная энергетика»















Москва Вологда
« Инфра-Инженерия» 2023

УДК 620.92
ББК 31.15 А23



Рецензенты:
заведующий кафедрой общей химической технологии и катализа Санкт-Петербургского государственного технологического института (технологического университета) профессор, д. х. н. Е. А. Власов; д. т. н., профессор кафедры приборостроения ПГУ Т. И. Мурашкина




     Агафонов, А. И.
А23        Основы проектирования метано-водородной энергетики и водород-
      ных энергохимических комплексов : учебное пособие / А. И. Агафонов, Р. А. Агафонов, В. И. Чернецов. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 364 с. : ил., табл.
            ISBN 978-5-9729-1426-5

            Рассматриваются проблемы и перспективы развития водородной энергетики, дано обоснование задержки развития и внедрения атомно-водородного и солнечноводородного направлений и перспектив их развития, обоснован выбор метановодородного направления развития водородной энергетики. Дано обоснование возобновляемости запасов нефти и газа как основы развития метано-водородной энергетики, определена её сырьевая база на длительный период. Приведены основные направления повышения энергоэффективности и экологии метано-водородной энергетики. Даны основы химической кинетики, катализа, адсорбции и десорбции, активированного комплекса, термоэлектронной эмиссии на поверхности катализатора, химической технологии.
            Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки «Электроэнергетика» специальности «Водородная энергетика».


УДК 620.92
ББК 31.15










ISBN 978-5-9729-1426-5

     © Агафонов А. И., Агафонов Р. А., Чернецов В. И., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

        ОГЛАВЛЕНИЕ


ПРЕДИСЛОВИЕ....................................................8
1. СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ОСНОВНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ И ВЫБОР НАИБОЛЕЕ ПЕРСПЕКТИВНОГО НАПРАВЛЕНИЯ...........................18
1.1. Энергоресурсы мировой энергетики и проблемы экологической безопасности..................................................18
1.2. О причинах появления и задержки развития концепции водородной энергетики....................................................22
1.3. Состояние работ в России в области водородной энергетики.24
1.4. Общие сведения о физико-химических свойствах водорода с учётом его применения в энергетике...................................26
1.5. Анализ перспектив развития атомно-водородного и солнечно-водородного направлений водородной энергетики......28
1.6. Обоснование выбора метано-водородного направления водородной энергетики в XXI веке как наименее затратного, наиболее эффективного, широко применяемого в промышленности и поэтому быстро реализуемого направления...................................................29
1.7. Анализ способов производства водорода и выбор наиболее эффективного, быстро внедряемого и в значительной мере возобновляемого способа производства водорода для энергетики.................32
Литература к главе 1.........................................34

2. СПОСОБЫ ПРОИЗВОДСТВА ВОДОРОДА В ХИМИЧЕСКОЙ, НЕФТЕХИМИЧЕСКОЙ, НЕФТЕПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕЙ, МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
И ПЕРСПЕКТИВЫ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ В ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ....................................................36
2.1. Общая характеристика способов производства водорода......36
2.2. Физические методы извлечения водорода из водородосодержащих газов.........................................................36
2.3. Электрохимический способ получения водорода..............37
2.4. Термическое разложение углеводородов.....................40
2.5. Биологические способы получения водорода.................41
2.6. Промышленные методы производства водорода, структура потребления и основные направления повышения их эффективности.43
2.7. Общие представления о процессе паровой каталитической конверсии природного газа (метана) и жидких углеводородов....45
2.8. Технико-экономическое и экологическое обоснование выбора способа производства водорода для энергетики.........................47
Литература к главе 2.........................................50


3

3. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМ РАЗВИТИЯ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ...................52
3.1. Анализ проблем применения водорода в энергетике.............52
3.2. Проблема «лучистой энергии» при сжигании водорода...........53
3.3. Анализ проблемы взрывоопасности, пожароопасности применения водорода в энергетике и обоснование необходимости
«водородного всеобуча»...........................................54
3.4. О проблеме выбора сырьевой базы водородной энергетики и источника энергии для получения водорода.......................55
Литература к главе 3.............................................57

4. АНАЛИЗ СПОСОБОВ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ ВОДОРОДА....................59
4.1. О проблемах хранения, транспортирования и аккумулирования водорода.........................................................59
4.2. Способ хранения водорода в баллонах под давлением...........59
4.3. Способ хранения водорода в криогенном состоянии в баллонах....60
4.4. Способ хранения водорода в интерметаллических аккумуляторах.61
4.5. Перспективный способ хранения водорода в химических соединениях......................................................62
Литература к главе 4.............................................62

5. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ПРАКТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМОСТИ ЗАПАСОВ НЕФТИ И ПРИРОДНОГО ГАЗА. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕСУРСНОЙ БАЗЫ МЕТАНО-ВОДОРОДНОЙ
ЭНЕРГЕТИКИ.......................................................63
5.1. Анализ современного состояния проблем происхождения нефти и природного газа..................................................63
5.2. Сравнительный анализ органической и неорганической («минеральной») концепций нефтегазообразования.....................63
5.3. Научная концепция нефтегазообразования д. г.-м. н. В. Ларина..65
5.4. Научная концепция Р. А. Исмагилова и М. Ф. Фархутдинова.....67
5.5. Научная концепция по энергетике осадочных процессов
П. П. Тимофеева, А. В. Щербакова, В. А. Ильина.....................67
5.6. Открытие академика Якутского филиала CO АН СССР Н. В. Черского об активном участии в процессах непрерывного нефтегазообразования упругих волн сейсмотектонических процессов как из органических, так и из неорганических веществ с экспериментальным подтверждением.71
5.7. Практические подтверждения возобновляемости запасов нефти
и природного газа................................................73
5.8. О проблемах образования и добычи природного газообразного водорода из скоплений водорода в недрах Земли в результате её дегазации........................................................75
5.9. Определение сырьевой базы метано-водородной энергетики......78
Литература к главе 5.............................................79


4

6. О РОЛИ И ОСНОВАХ ХИМИЧЕСКОЙ НАУКИ, ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ: КИНЕТИКИ И ТЕРМОДИНАМИКИ, КАТАЛИЗА, ЭНЕРГИИ ХИМИЧЕСКОЙ СВЯЗИ И ЕЁ АКТИВАЦИИ, АДСОРБЦИИ И ДЕСОРБЦИИ В РАЗВИТИИ МЕТАНО-ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ.....................................................83
6.1. О роли химической науки и химической технологии в развитии современной цивилизации........................................83
6.2. Понятие о химической технологии, о разработке экономичных способов крупномасштабного производства и потребления водорода, объединяющего энергетику и химическую технологию...............87
6.3. Основные законы химии.....................................89
6.4. Общие представления о химической кинетике и термодинамике.97
6.5. Химическая связь в веществах............................99
6.6. Активация молекул и проблемы реакционной способности...116
6.7. Основы катализа........................................119
6.8. Основные стадии и кинетические особенности гетерогенно-каталитических процессов........................124
6.9. Каталитические свойства переходных металлов периодической системы для катализаторов...................................139
6.10. Активированный комплекс, поверхность металлов, термоэлектронная и фотоэлектронная эмиссия..................144
Литература к главе 6........................................150

7. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ПРАКТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ В ЭНЕРГЕТИКЕ ВОДОРОДА, ПОЛУЧЕННОГО СПОСОБОМ ПАРОВОЙ
КАТАЛИТИЧЕСКОЙ КОНВЕРСИИ ПРИРОДНОГО ГАЗА.......................152
7.1. Особенности обоснования энергоэффективности ПКК природного газа в водород для энергетики ...................152
7.2. Сравнительный анализ термодинамических, термохимических, каталитических и энергетических процессов как при термической диссоциации природного газа и воды, так и при ПКК природного газа в водород для энергетики....................................153
7.3. Анализ энергетической схемы, связывающей теплоты образования веществ, энергии связи, энергий сгорания, диссоциации на атомы, их синтеза в простые вещества, сложные соединения...........156
7.4. Сравнительный анализ теплоты окисления природного молекулярного углерода (угля, графита, алмаза) и теплоты окисления атома углерода молекулы метана (CH4) с атомом кислорода молекулы воды при ПКК природного газа.............................................158
7.5. Обоснование и расчёт энергоэффективности применения в энергетике водорода, полученного способом ПКК природного газа..........162

5

7.6. О применении водородного пароперегрева как способа повышения энергоэффективности, экологии и электрического КПД при сжигании водорода в кислороде.................................................166
Литература к главе 7.................................................169

8. ОБ ОСНОВНЫХ НАПРАВЛЕНИЯХ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ, ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ, ЭКОЛОГИИ, РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИИ, СНИЖЕНИИ КАПИТАЛЬНЫХ ЗАТРАТ
ПРИ СОЗДАНИИ ВОДОРОДНЫХ ЭНЕРГОСИСТЕМ И ВОДОРОДНЫХ ЭНЕРГОХИМИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ..................171
8.1. Анализ технических способов повышения КПД ПКК природного газа, ресурсосбережения, экологии при проведении ПКК природного газа.......171
8.2. Обоснование применения технологии разделения воздуха на кислород и азот как при ПКК природного газа в водород, так и при применении водорода в энергетике, производстве химической продукции.............175
8.3. О роли химической технологии в повышении эффективности производства водорода для энергетики.................................179
8.4. О разработке новых способов повышения КПД, экологической чистоты при производстве водорода способом ПКК природного газа....182
8.5. О разработке и применении комплексной, высокоэффективной, экологически чистой и безотходной технологии производства водорода способом ПКК природного газа и его применение в энергетике, в производстве химической продукции, чистого пара (воды).............189
Литература к главе 8......................................204

9. ПРОМЫШЛЕННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ВОДОРОДА СПОСОБОМ ПАРОВОЙ КАТАЛИТИЧЕСКОЙ КОНВЕРСИИ
ПРИРОДНОГО ГАЗА КАК ОСНОВА ПРОЕКТИРОВАНИЯ МЕТАНО-ВОДОРОДНЫХ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ
ЭЛЕКТРОТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ И ВОДОРОДНЫХ ЭНЕРГОХИМИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ...............................211
9.1. Состояние работ в области производства водорода способом ПКК природного газа в химической, нефтехимической
и нефтеперерабатывающей промышленности и металлургии......211
9.2. Подготовка сырья к каталитической конверсии..........212
9.3. Производство водорода и синтез-газа способом паровой каталитической конверсии природного газа .................213
9.4. Основное технологическое оборудование производства водорода. Химические реакторы..................................................225
9.5. Основные правила эксплуатации установок производства водорода 239
9.6. Основные правила аварийной остановки производства...............262
9.7. Контроль производства и автоматическое управление производством.267
9.8. Техника безопасности при производстве и использовании водорода..269
Литература к главе 9......................................282


6

10. О ПРОЕКТЕ СОЗДАНИЯ ДЕМОНСТРАЦИОННЫХ ОБРАЗЦОВ МЕТАНО-ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ И ВОДОРОДНЫХ ЭНЕРГОХИМИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ ПО БЕЗОТХОДНОЙ ТЕХНОЛОГИИ И ПОЛНОЙ УТИЛИЗАЦИИ ВРЕДНЫХ
ВЫБРОСОВ.............................................284
10.1. Научно-техническая и практическая база создания демонстрационных образцов водородной энергетики......286
10.2. Назначение и цели создания демонстрационных образцов
(дем. обр.)..........................................286
Литература к главе 10................................290

11. ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ, ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ
И СОЦИАЛЬНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ПРОЕКТА СОЗДАНИЯ
И ВНЕДРЕНИЯ МЕТАНО-ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
И МЕТАНО-ВОДОРОДНЫХ ЭНЕРГОХИМИЧЕСКИХ
КОМПЛЕКСОВ...........................................296
11.1. Научные результаты прикладных исследований в области создания метано-водородной энергетики и водородных энергохимических
комплексов...........................................296
11.2. Основные технико-экономические, экологические и интеллектуальные показатели проекта создания и крайние сроки внедрения
метано-водородной энергетики...............................323
11.3. Основные этапы после завершения работ по созданию демонстрационных образцов метано-водородной энергетики, их изготовления, проведения испытаний и получения положительных результатов испытаний .350
Литература к главе 11................................353

7

        ПРЕДИСЛОВИЕ


          Автору книги «Проблемыразвития, химии — прорыв в будущее», главному редактору сборника «Атомно-водородная энергетика и технология» (1978-1988 гг.), зам. председателя Комиссии АН СССР по водородной энергетике, одному из представителей «водороднойромантики 1978-1988 гг.» академику АН СССР Легасову Валерию Алексеевичу посвящается

     Книга является первым учебным пособием по основам проектирования водородной энергетики для студентов вузов и научных работников. Работа над книгой проводилась с учётом следующих факторов и проблем в мировой энергетике и энергетике России.
     Сегодня весь мир, включая и нашу страну, столкнулся с серьёзными энергетическими вызовами, связанными с быстрым ростом населения планеты, с ускорением экономического роста развивающихся стран, крайне неравномерным распределением энергетических ресурсов и транспортных путей их доставки, значительной экологической нагрузкой на окружающую среду, глобализацией и рядом других факторов. Всё это остро ставит вопрос об энергетической и экологической безопасности современного мира.
     Для России ситуация усугубляется известными проблемами переходного периода и тем обстоятельством, что Россия, являясь самой холодной страной мира, тратит четверть своих энергоресурсов на простой обогрев.
     В настоящее время перед Российской Федерацией остро стоит проблема активации инновационного развития в целях повышения конкурентоспособности государства в мировой экономике и повышения уровня жизни граждан страны. Энергетика, как научно-техническая основа современной цивилизации, напрямую определяет уровень, масштабы и темпы социальноэкономического развития стран современного мира. Построить мощную современную экономику могут только энергетически развитые страны, сумевшие построить у себя современный высокоэффективный, экологически чистый, энергетический комплекс. При этом экономический рост должен обязательно сопровождаться ускоренным, опережающим ростом энергетики, опирающейся на новейшие достижения науки и техники и от которой напрямую зависят его темп, структура, устойчивость, энергосбережение, энергоэффективность, энергетическая и экологическая безопасность.
     В настоящее время энергетика России и, в первую очередь, электроэнергетика исчерпала свои внутренние ресурсы и требует качественно новой стратегии: ускоренного развития экологически чистой, высокоэффективной энергетики, кардинального повышения технического уровня и надёжности систем электротеплоснабжения, повышения показателей энергоэффективности, энергосбережения, ресурсосбережение и экологии. Критическое состояние энергетики России вызвано изношенностью оборудования до 70 %, низкой эффек

8

тивностью оборудования в электроэнергетике (электрический КПД на ТЭЦ России составляет всего 28-38 %) и низким коэффициентом использования топлива (в 3-4 раза ниже зарубежных показателей).
     Именно по этой причине научная работа по водородной энергетике актуальна и принципиально важна не только для инновационного развития энергетики России, но и для подготовки научных и технических кадров. Важность развития водородной энергетики будущего, подчёркивается в выступлениях Президента, Председателя Правительства России, в материалах РАН, на российских и международных конференциях, в проекте Национальной программы развития водородной энергетики России до 2050 г. В настоящее время водородная энергетика и водородная экономика получили высшее международное признание как перспективные направления для решения глобальных энергоэкологических проблем и развития глобальной энергетики в XXI веке.
     Стремительное развитие науки и техники, нацеленных на разработку энергетических систем с использованием водорода в качестве альтернативного энергоносителя, лежит в основе возрастающего интереса к промышленному освоению и внедрению систем электротеплоснабжения, работающих на водородном топливе. Конкретные технические программы по созданию водородных энергоносителей во многом зависят от решения проблем реализации эффективных способов производства водорода. Поэтому поиск новых технологий и способов для более эффективного производства водорода в больших объёмах для повышения как энергетических, так и экологических показателей является одной из актуальных задач развития водородной энергетики.
     Отличительной особенностью предлагаемой книги по водородной энергетике является то, что в ней обобщён многолетний опыт работы и сотрудничества учёных и специалистов г. Пензы:
     -       со специалистами химических предприятий по производству и использованию в больших объёмах водорода по утверждённому технологическому регламенту с соблюдением всех норм и правил безопасности, например специалистами Новомосковского азотного комбината, Новокуйбышевского завода по переработке нефти, завода в г. Стерлитамак республики Башкортостан и ряда других;
     -       с учёными и специалистами Государственного института азотной промышленности (ГИАП) г. Москва по вопросу проектирования реакторов паровой каталитической конверсии (ПКК) природного газа, по характеристикам и номенклатуре разработанных и применяемых ими катализаторов;
     -       с учёными Института катализа CO РАН г. Новосибирска, кафедрой катализа технологического института (технического университета) г. С.-Петербурга, лаборатории «квантовой электроники» университета телекоммуникаций им. проф. Бонч-Бруевича, г. С.-Петербург (2005-2007 гг.) по водородным мембранам;
     -       с учёными ООО «Наука» г. Салават республики Башкортостан при выполнении ими НИР ОАО «НИИВТ» г. Пензы по определению затрат и эффек

9

тивности применения в энергетике водорода, полученного способом ПКК природного газа;
     -      специалистами ряда теплоэлектроцентралей, например:
       - ТЭЦ-1 г. Пензы при проведении предпроектных работ по внедрению на одном из котлов ТЭЦ-1 производительностью 170 т пара, давлением 100 атмосфер, температурой 520-540 °C и расходом природного газа в 17000 м³/час технологии производства и сжигания вместо природного газа синтез-газа (ЗН2 + CO) или водорода (4H2) c ожидаемой экономией 10^20 % природного газа;
       - на малых ТЭЦ мощностью 12 и 24 МВт OAO «МОЭК» Правительства г. Москвы путём перевода их также на технологию производства и сжигания синтез-газа или водорода. Проект в форме доклада обсуждался на расширенном НТС ОАО «МОЭК» с привлечением ведущих экспертов из ведущих научных организаций;
       - со специалистами ОАО «Иркутск-Энерго» по вопросу внедрения технологию сжигания попутного (выбрасываемого в атмосферу) водорода для выработки технологического пара на предприятии «Саянскхимпласт» под Иркутском;
     -       со специалистами заводов цементной промышленности, работающих на природном газе путём перевода их на новое высококалорийное и более экологичное топливо - водород;
     -       с представителями зарубежных фирм: по реакторам ПКК природного газа (Foster Wheeler), по немецким водородным горелкам и системам автоматики (Siemens).
     В результате активного сотрудничества и обсуждения актуальных вопросов и проблем развития водородной энергетики авторами были выполнены прикладные исследования, которые позволили определить причины длительной задержки внедрения водородной энергетики и обосновать выбор наиболее перспективного, наименее затратного, быстро реализуемого, более эффективного и экологически чистого направления развития водородной энергетики.
     Так получилось, что концепция необходимости развития водородной энергетики появилась одновременно с широко пропагандируемой концепцией очень скорого истощения запасов нефти (в ближайшие 40 лет) во время первого нефтяного энергетического кризиса в начале 70-х годов XX столетия в западных странах (во многом спровоцированного и политического). В то время на волне популярности и подъёма атомной энергетики определились в научных кругах два наиболее перспективных направления развития водородной энергетики: атомно-водородной и солнечно-водородной энергетики с исключением ископаемых топлив. Применение же метано-водородного направления считалось неперспективным и до настоящего времени практическое её применение не рассматривается. По указанным направлениям производства водорода (атомно-водородному и солнечному) предлагался электролиз воды, считая, что со временем значительные затраты на производство водорода могут выравнены с учётом роста цен на ископаемые топлива.

10

      Следует отметить, что энергетика земной цивилизации, по крайней мере, на протяжении последних 100 лет перемещает свои потребности от угля через нефтепродукты к газу. Процесс этот оправдан как с экономической, так и с экологической точки зрения. Если продолжить (экстраполировать) эту тенденцию в будущее, то можно прийти к экологически идеальному энергоносителю - водороду и таким образом, углерод полностью будет вытеснен из энергетических циклов.
      Анализ результатов работ в области водородной энергетики показывает, что практического внедрения водорода в энергетику в данный момент во всём мире нет. В этой связи возникает вопрос: почему до сих пор не реализована «водородная энергетика»?
      Как известно, водород не является первичным энергоносителем, и вести речь о широкомасштабном применении водорода в энергетику по атомноводородному и солнечно-водородному направлениям, принятых мировой научной общественностью за базовые и как наиболее перспективные направлении, можно лишь при очень дешёвой и экологически чистой генерации электроэнергии. Только при этом условии можно наладить экономически оправданное массовое производство водорода, разлагая воду электролизом. Таким образом, суть проблемы при их применении заключается в дешёвом и экологически чистом производстве электроэнергии.
      В последнее время на роль универсальной технологии в мире всё чаще выдвигаются технологии, базирующиеся на возобновляемых источниках энергии (ВИЭ):
      - ветроэнергетика;
      - геотермальная энергетика;
      - приливная энергетика;
      - гидроэнергетика;
      - солнечная энергетика;
      - биоэнергетика.
      За каждым из этих направлений стоят свои сторонники, выдвигающие своё направление в качестве приоритетного. Однако все перечисленные направления производства электроэнергии обладают своими недостатками и на роль универсального не годятся. Многие из них отличаются локальностью проявления, другие же не столь экологически чисты. Основное препятствие более широкому внедрению ВИЭ является высокая стоимость и отсутствие отработанных технологий.
      Рассмотрим перспективу развития атомно-водородной энергетики. Следует отметить, что общество после «чернобыльского синдрома похоже привыкает к неизбежности существования ядерного энергопроизводства. Известно, что у любых ядерных реакторов деления существует проблема захоронения отходов и нет 100-процентной гарантии от разгерметизации, от радиоактивного загрязнения продуктов реакции, что, с учётом высоких диффузионных свойств водорода, его высоких взрыво- и пожароопасных характеристик при

11

мощности возгорания в 0,011 мВт практически делает невозможным созданием атомно-водородных энергетических комплексов.
     Вместе с реакциями деления давно известны реакции термоядерного синтеза, протекающие с ещё большим энерговыделением. Кроме того, исходным сырьём для термоядерного реагента - дейтерия является обычная вода. Конечный продукт термоядерного синтеза - гелий (радиационно-пассивный и химически инертный элемент). В этом процессе нет выбросов парниковых газов, в связи с чем здесь мы имеем мощный, достаточно чистый и безопасный источник энергии, практически неисчерпаемой ресурсной базой. К сожалению, пока, с учётом анализа научно-технической литературы, перспектив скорого появления промышленных образцов реакторов термоядерного синтеза (например, в ближайшие 50-80 лет) не предвидится.
     Более подробно состояние и перспективы развития атомно-водородной, солнечно-водородной энергетики изложено в главе 1. Большое внимание в книге уделено метано-водородному направлению развития водородной энергетики, как самому перспективном, малозатратному, экологически чистому, высокоэффективному, быстро внедряемому среди всех известных направлений и, самое главное, в значительной мере возобновляемому.
     Авторы отмечают, что в общей технологической цепочке структуры водородной энергетики важное место занимают вопросы хранения и транспортирования водорода, которые по общемировой концепции определяют всю инфраструктуру водородной энергетики будущего. В отличие от солнечно-атомно-водородной энергетики, где энергетическая система носит чаще всего централизованный характер, что и определяет необходимость накопления, хранения и транспортирования водорода потребителю. Метано-водородная энергетика, как правило, децентрализована, что позволяет совмещать производство водорода и энергии и тем самым значительно сократить или даже исключить стадию доставки водорода, которая при любых способах доставки водорода требует специальной инфраструктуры и значительных затрат энергии (например, хранение и доставка водорода под высоким давлением, в криогенном состоянии или в металлогидридных аккумуляторах). Приведённые способы хранения и доставки водорода малоэффективны из-за низкой плотности водорода, небезопасны в эксплуатации.
     Авторы считают, что применение метано-водородного направления для производства водорода и его применения в энергетике позволяет оптимизировать всю систему водородной энергетики:
     -       доставку водорода в наиболее эффективной форме - в химическом составе метана, учитывая то обстоятельство, что в метане водород относится к углероду, как 4:1;
     -  доставку сырья - природного газа - по трубопроводу или в виде СПГ;
     -       производство водорода способом ПКК природного газа и его применение сразу на месте производства.
     Особенно перспективно применение метано-водородного направления для России, так как она обладает огромным ресурсом для крупномасштабного

12

производства водорода способом ПКК природного газа, запасы которого в России составляют более 32 % от мировых.
     Коллективом учёных и специалистов в содружестве с ведущими институтами РАН, университетами России, энергетическими предприятиями практически завершены научные и прикладные исследования по созданию энергоэффективных, экологически чистых, патентозащищённых метано-водородных энергетических установок.
     При проведении исследований использовался широкий перечень научных и справочных работ по водороду, его свойствам, по способам получения, хранения, транспортирования и применения, по теории химической связи, энергии разрыва связи, по теории катализа, химической технологии, технологической безопасности производства водорода.
     В представленном учебном пособии дано обоснование и выполнен анализ следующих вопросов и проблем:
     -       Выбора наименее затратного, наиболее эффективного в больших масштабах широко применяемого в промышленности и поэтому быстро реализуемого для развития водородной энергетики метано-водородного направления.
     -       Выбора наиболее дешёвого из всех известных в настоящее время способов производства водорода, широко применяемого в промышленности (химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей и металлургической), во многом возобновляемого способа паровой каталитической конверсии (ПКК) природного газа в водород для водородной энергетики.
     -       Возобновляемости запасов нефти и газа на базе новых научных концепций и открытий, отмечены огромные запасы газовых гидратов в зонах вечной мерзлоты и три четверти площади дна мировых океанов, необходимость внедрения перспективной технологии газофикации всех видов твёрдых видов топлива (от угля до ТБО).
     -       Затратность способа ПКК природного газа в водород в промышленности и эффективность его применения в энергетике.
     -  Анализ проблем развития водородной энергетики:
       - проблема «лучистой энергии» при сгорании водорода;
       - проблема взрывоопасности и пожароопасности, исходя из уникальных свойств водорода, необходимости «водородного всеобуча» и широкой практики применения водорода в течение более 100 лет, в том числе и в энергетике для охлаждения обмоток мощных генераторов электрической энергии.
     -       Анализ термодинамических, термохимических (без катализатора), каталитических и энергетических процессов проведения ПКК природного газа в водород на базе теории химической связи, катализа, активированного комплекса, адсорбции, десорбции, термоэлектронной эмиссии электронов при температуре 700-1200 °C на поверхности катализатора с учётом энергии разрыва и энергии образования новых химических связей окислительно-восстановительных реакций, законов термодинамики и закона сохранения энергии доказывает энергоэффективность способа ПКК природного газа в водород для энергетики.

13

     В работе впервые предложена энергетическая схема диссоциации сложных молекул, синтеза простых молекул, атомов, их сгорания, которая позволила обосновать энергоэффективность ПКК природного газа в водород для энергетики путём определения и учёта химической энергии окисления атомов углерода молекулы метана (CH4) с атомом кислорода молекулы воды значительной величины (по сравнению с энергией окисления атомов молекул природного углерода) и химической энергии окисления окиси углерода (CO) с атомом кислорода молекулы воды на второй стадии конверсии также значительной величины.
     В книге приведены как известные технические способы повышения энергоэффективности ПКК природного газа в водород, так и запатентованные авторами работы способы повышения КПД ПКК природного газа в водород для энергетики как за счёт утилизации дымовых газов для наружного обогрева реактора ПКК, так и за счёт использования более высококалорийного синтез-газа (CO + ЗН2) или водорода для наружного обогрева реактора ПКК после его запуска.
     Важное преимущество водорода как энергоносителя заключается в том, что в результате его сгорания в кислороде образуется водяной пар - рабочее тело современных паротурбинных установок на ТЭЦ. Потому внедрение водорода на первом этапе метано-водородного направления может быть связано с усовершенствованием существующих энергосистем, а не с коренной перестройкой, как, например, в случае применения атомно-водородного направления. Кроме того, являясь основной компонентой природных углеводородных топлив, водород в качестве химического сырья уже значительно вытесняет нефть и газ из многих областей химической технологии. Например, при сочетании водорода с углеродом (углём) и его оксидами (CO и CO2) принципиально возможна замена природного газа и нефти почти во всех химических производствах, где они применяются как химическое сырьё. Это тем более необходимо там, где в настоящее время в цикле производства конечной продукции нефть и газ используются для производства такого универсального химического реагента, как водород: для производства аммиака, метанола, в процессах гидрокрекинга и гидроочистки в нефтепереработке, при получении металлов прямым восстановлением в металлургии.
     Переход в энергетике на применение экологически чистого высококалорийного водородного топлива, полученного широко применяемым в промышленности способом ПКК природного газа в значительной степени объединяет энергетику и химическую технологию промышленности, что позволяет в единой технологической системе одновременно производить как электрическую и тепловую энергию, так и осуществлять энергоснабжение автомобильного и авиационного транспорта, организовать производство синтетических углеводородов, пластмасс, удобрений и другой химической продукции, а также производство чистой воды, дефицит и стоимость которой в мире угрожающе возрастает, что делает в целом предлагаемое метано-водородное направление

14

развития водородной энергетики весьма рентабельным и быстро внедряемым в ближайшие 10-15 лет.
     С учётом того, что ресурсы такого универсального высококалорийного энергоносителя, высокодиффузионного окислителя и восстановителя, как водород, неограничены и возобновляемы, то при использовании метановодородной технологии как для эффективного производства экологически чистой электроэнергии и тепла, так и для производства многих видов химической продукции, дефицитной чистой воды, полностью снимаются энергетические, экологические и сырьевые проблемы в XXI веке. Далее на базе метановодородной энергетики представляется возможность постепенно и последовательно исследовать и развивать солнечно-водородное и атомно-водородное направления к концу XXI века на более высоком научно-техническом уровне.
     В работе широко используются существующие в химической промышленности общие принципы разработки химико-технологических процессов, вопросы рационального и комплексного использования сырья, создания безотходных технологических процессов. Значительный интерес представляют вопросы производства водорода: подготовки сырья, характеристик основного оборудования для производства водорода, аппаратурного оформления, процессов очистки газов.
     Рассмотрены также вопросы пуска, вывода на технологический режим, основных правил безопасного ведения процесса ПКК природного газа, пассивации и реактивации катализаторов в процессе эксплуатации, основных правил остановки производства, автоматического управления, техники безопасности и охраны труда.
     Рассмотренные вопросы химической технологии и эксплуатации установок по производству водорода позволяют более грамотно подойти к составлению технического задания на разработку эскизной документации для демонстрационных образцов водородных энергетических установок на базе промышленной метано-водородной технологии, определить требования к параметрам оборудования ПКК природного газа в водород на конкретные входные (объёмы подаваемого газа и перегретого пара в реакторы), выходные параметры реактора ПКК с учётом заданной выходной мощности энергоустановки.
     Особенно перспективно применение предложенного авторами способа создания водородного энергохимического комплекса и устройства для его реализации, в результате внедрения которого достигаются:
     -       За счёт применения технологии сжигания водорода в кислороде, полученного в результате разделения воздуха на кислород и азот, обеспечивается возможность полученный чистый пар использовать как для работы высоконадёжных паровых турбин (до 200 тыс. часов наработки на отказ) для получения электрической и тепловой энергии, так и для обеспечения чистым перегретым паром работы реакторов ПКК природного газа, конверсии окиси углерода (2-я стадия), конверсии части двуокиси углерода в электролизёре для получения метана или метанола и двойного объёма кислорода на различных катализаторах для работы реактора ПКК. При этом можно одновременно часть водо

15