Наноматериалы для энергетики

ЛЕКЦИЯ № 5 
Наноматериалы для энергетики

Традиционные и альтернативные источники энергии

Главное, что нужно для жизни, – это энергия. Только энергия, получаемая из окружающей среды, позволяет живым системам противостоять росту энтропии и стремлению природы привести все в состояние равновесия, наступление которого предсказывает второй закон термодинамики. Основной внешний источник энергии Земли – солнечное излучение. Каждый год Земля получает от Солнца 6•1024 Дж, т.е. около 1000 Дж в секунду на 1 м2 поверхности. Чуть больше половины этой энергии поглощается, остальная отражается атмосферой и поверхностью (рис. 1).

Рис. 1. Годовой энергетический баланс солнечной энергии,  поступающей на Землю (1 ккал 4000 Дж) (из статьи [1])

Все человечество за год производит около 5•1020 Дж энергии (данные 2006 г.). Современная энергетика имеет ярко выраженный топливный характер и более чем на 90 % базируется на окислении каменного угля, нефти и газа, а также продуктов их переработки. Энергия химических связей молекул топлива в результате реакций окисления преобразуется в теплоту и работу. Количественные меры теплоты и работы описывает термодинамика химических реакций.

Согласно первому закону термодинамики, существуют две формы передачи энергии: упорядоченная, связанная с изменением внешних параметров – работа, и неупорядоченная, приводящая к изменению только температуры – теплота. Теплота (Q), которая выделяется или поглощается в химической реакции, протекающей при постоянном давлении, равна по абсолютной величине изменению энтальпии реакции:

Q = –

H.

Здесь теплота считается положительной, если она выделяется в окружающую среду. Пользуясь законом Гесса, теплоту реакции можно выразить через энергии образующихся и разрываемых связей:

–

H = Eобр – Eразр.

При сгорании органических соединений образуются CO2 и H2O, которые характеризуются большими энергиями связей: E(C=O) = 743 кДж/моль, E(O–H) = 463 кДж/моль, поэтому органические вещества очень теплотворны – удельная теплота сгорания углеводородов составляет около 50 кДж/г.

Часть теплоты химических реакций может быть превращена в работу (W). Предельное значение этой части устанавливает второй закон термодинамики, из которого следует, что максимальная работа, которая может быть получена за счет химической реакции*, равна убыли энергии Гиббса реакции:

Wmax = –

G,

где G = H – TS, T – абсолютная температура, S – энтропия. Из этого соотношения следует, что работа может совершаться только за счет самопроизвольных реакций, у которых G < 0.

При переработке природного топлива часть энергии сгорания используется непосредственно в форме теплоты, например для обогрева жилых помещений, а другая часть – для производства работы в форме энергии механического движения (автотранспорт) и электроэнергии (рис. 2).

Рис. 2. Производство электрического тока  за счет энергии химических реакций

Например, в реакции полного сгорания метана

CH4 (г.) + 2O2 (г.) = CO2 (г.) + 2H2O (г.)

изменение энтальпии составляет H = –802 кДж/моль, а энергии Гиббса – G = –801 кДж/моль, поэтому почти вся теплота этой реакции может быть превращена в работу. Устройства, позволяющие превратить энергию химической реакции в работу, называют топливными элементами, о них мы расскажем подробнее в следующем разделе.

Традиционные источники энергии невозобновляемы, их запасы постепенно иссякают: одних хватит на сотни, а других – всего на несколько десятков лет. Потребности же человечества в энергии растут в геометрической прогрессии, поэтому в начале нового тысячелетия на самом высоком политическом уровне прозвучало предложение о разработке программы энергетического обеспечения устойчивого развития человечества и экологического оздоровления Земли. Один из наиболее перспективных путей реализации данной программы – водородная энергетика.

Получение энергии из водорода основано на реакции его окисления кислородом до воды:

H2 (г.) + 1/2O2 (г.) = H2O (ж).

Изменение энтальпии в этой реакции составляет H = –286 кДж/моль, а изменение энергии Гиббса –  G = –237 кДж/моль. Это означает, что при сгорании 1 моль, или 2 г, водорода выделяется 286 кДж теплоты, из которых 237 кДж (т.е. 83 %, или пять шестых) могут быть превращены в полезную работу, в частности электрическую. Остальные 49 кДж/моль (или больше, поскольку КПД любых устройств не достигает 100 %) рассеиваются в виде теплоты.

Водород как источник энергии обладает многими преимуществами перед углеводородным сырьем. Во-первых, на Земле этого элемента очень много. Пятнадцать из каждых 100 атомов в земной коре – это водород. Только в Мировом океане содержится около 100 тысяч миллиардов (1014) тонн водорода. А ведь есть еще нефть, природный газ и биомасса. Во-вторых, водород – самое энергоемкое топливо. Удельная теплота его сгорания составляет 143 кДж/г, тогда как для углеводородов она в 3 раза меньше. Кроме того, водород можно считать экологически чистым топливом, т.к. продукт его переработки – чистая вода. Даже при смешанном питании автомобильных двигателей водородом и бензином выбросы оксидов азота и углерода, а также несгоревших углеводородов снижаются в несколько раз.

Однако наряду с достоинствами у водорода много и недостатков. Во-первых, для получения энергии необходим водород в свободном состоянии. Водорода на Земле много, но в виде простого вещества он практически отсутствует. Это связано с его физическими и химическими свойствами. Водород – самый легкий из всех газов, поэтому сила его притяжения к Земле – наименьшая, а скорость движения – наибольшая, и за время существования Земли весь водород улетучился в космическое пространство. Кроме того, в состав воздуха входят только те газы, которые не реагируют с кислородом, а водород легко взаимодействует с ним при поджигании.

Таким образом, водород надо получать, а это требует больших затрат энергии. В настоящее время основной способ получения водорода (85 % от мирового производства) базируется на паровой конверсии метана – основной части природного газа (рис. 3):

CH4 + H2O = CO + 3H2,

CO + H2O = CO2 + H2.

Главный недостаток этого способа – образование побочного продукта – углекислого газа.

Другие методы выделения H2 – это паровая конверсия угля, электролиз воды и водных растворов, пиролиз биомассы (см. рис. 3). При нагревании биомассы (отходы древесины) без доступа кислорода до температуры 500–800 °С выделяются H2, CO и CH4.

Рис. 3. Источники мирового производства водорода (из статьи [2])

Самой распространенной технологией получения водорода в будущем станет электролиз воды, хотя в настоящее время из-за высокой стоимости электроэнергии доля этого метода в мировом производстве водорода не превышает 5 %. Другие перспективные методы получения водорода – биохимическое расщепление воды с использованием специально выведенных водорослей и микроорганизмов и фотокаталитическое разложение воды (фотолиз) с использованием солнечной энергии. Последний метод выглядит наиболее многообещающим и может в будущем послужить основой солнечно-водородной энергетики (рис. 4), хотя в настоящий момент эффективность использования человечеством солнечной энергии является очень низкой. Про фотокатализ мы расскажем в следующей лекции.

Рис. 4. Идеальная схема солнечно-водородной энергетики (из статьи [1])

Другой недостаток водорода – его взрывоопасность. Смеси водорода с воздухом взрываются в широких пределах концентраций. Однако высокая скорость диффузии H2 препятствует созданию его высоких концентраций, поэтому в реальных условиях водород не так взрывоопасен, как природный газ. Наконец, водород трудно перевести в жидкое состояние, поскольку температура его кипения очень низка, а при высоких давлениях он «просачивается» через стенки баллона или газопровода. Поэтому использовать применительно к водороду существующую инфраструктуру транспортировки природного газа можно только после соответствующей доработки, стоимость которой оценивается в триллионы долларов.

Таким образом, для создания водородных технологий необходимо разработать эффективные, экономически выгодные и безопасные способы: а) производства водорода; б) его транспортировки и хранения; в) окисления водорода для получения энергии.

Непосредственная реакция между водородом и кислородом используется для получения энергии только в космонавтике, где жидкий водород служит топливом для ракетных двигателей, а жидкий кислород – окислителем. Для автомобильных двигателей внутреннего сгорания такой метод себя не оправдывает, т.к. при горении водорода развивается слишком высокая температура, при которой компоненты воздуха интенсивно реагируют между собой с образованием токсичных оксидов азота.

Наноматериалы в топливных элементах

При гораздо более умеренных температурах происходит окисление водорода в топливных элементах – так называют устройства, в которых энергия окислительно-восстановительных реакций превращается в электрическую энергию. В топливном элементе реакции окисления и восстановления происходят на разных электродах – катоде и аноде – и разделены в пространстве. Между электродами находится электролит – как правило, раствор щелочи или кислоты. КПД топливных элементов – наибольший среди различных устройств, производящих электроэнергию (рис. 5); для лучших образцов он может достигать 90 %.

Рис. 5. Зависимость КПД производства электроэнергии  от мощности для энергоустановок различных типов

Разработано много типов водородных топливных элементов, которые отличаются друг от друга типом электролита, рабочей температурой, мощностью и коэффициентом полезного действия. Основные типы топливных элементов и их свойства перечислены в таблице.

Таблица

Основные типы топливных элементов (ТЭ) и их характеристики

Щелочной ТЭ	Электролит – концентрированный раствор KOH (85 % в высокотемпературных ячейках и 35–50 % при более низких температурах (< 120 °C)). Этот ТЭ использовался в космических аппаратах «Буран» и «Шаттл». Требует чистого кислорода, поэтому электроэнергия – дорогая, в земных условиях используется редко. Типичный КПД – 60 %
ТЭ с протонопроводящей мембраной	Электролит – твердая полимерная мембрана, проводящая ионы H+. Высокая плотность тока, небольшие массы, объем и стоимость. Низкая рабочая температура (ниже 100 °С). Эти ТЭ идеальны для транспортных приложений и небольших стационарных источников тока. Доля – 5 % от общей мощности ТЭ
Фосфорнокислый ТЭ	Электролит – 100 % фосфорная кислота, содержащаяся в матрице из карбида кремния. Эти ТЭ первыми нашли коммерческое применение: резервные источники энергии в больницах, аэропортах. КПД: от 40 до 85 %. Доля – 75 %
Карбонатный ТЭ	Электролит – смесь карбонатов натрия и калия, содержащаяся в керамической матрице LiAlO2. Рабочая температура – от 600 до 700 °С, катализатор – никель. КПД – от 60 до 80 %. На сегодняшний день в США и Японии существует множество демонстрационных мини-установок, использующих эти ТЭ, мощностью до 1,8 МВт. Доля – 16 %
Твердооксидный ТЭ	Электролит – керамический материал, проводящий ионы О2–, обычно это – ZrO2, легированный Y2O3. Рабочая температура – от 650 до 1000 °С. КПД – 60 %. Пригодны для использования в крупномасштабных источниках тока. Доля – 4 %

Конструкцию этих устройств рассмотрим на примере одного из современных типов – топливного элемента с протонопроводящей мембраной (рис. 6). В нем используются пористые электроды с нанесенным катализатором (мелкодисперсные платиновые металлы), а в роли электролита выступает твердая полимерная мембрана, которая в водном растворе пропускает протоны, но не проводит электрического тока. На аноде катализатор ускоряет превращение молекулярного водорода в ионы водорода (Н+) и электроны. Ионы Н+ проникают через мембрану к катоду, где при участии катализатора реагируют с кислородом воздуха и превращаются в воду. Свободные электроны поступают во внешнюю цепь. Суммарная химическая реакция:

H2 + 1/2O2 = H2O.

В сравнении с другими источниками тока, эти топливные элементы дают большую мощность на единицу массы, они компактны, легки и работают при низкой температуре, около 80 оС. Благодаря этим качествам они считаются наиболее перспективными источниками энергии, способными заменить автомобильные двигатели внутреннего сгорания.

Рис. 6. Устройство твердополимерного топливного элемента

Щелочные топливные элементы применяют в автономных энергосистемах в космонавтике и в военно-морском флоте. Их основной недостаток – необходимость использования в качестве окислителя не воздуха, а чистого кислорода ввиду того, что присутствие СО2 в реагирующих газах недопустимо.

В твердооксидных топливных элементах роль проводника электричества выполняют ионы кислорода O2–. Электролитом служит тонкий слой керамического материала, проводящего ионы O2–. Керамика представляет собой наноструктурированный композит на основе металлического никеля и оксида циркония, легированного оксидом иттрия (Ni – ZrO2 (Y2O3)). В композите ZrO2 (Y2O3) служит для транспорта ионов O2–, а металлический Ni необходим для отвода электронов и, в некоторой степени, для атомизации молекулярного водорода. Он также должен находиться в высокодисперсной форме для увеличения реакционной поверхности. Композит представляет собой пористый материал, который содержит упаковку ажурных горизонтальных трубок из диоксида циркония с внутренним диаметром и толщиной стенок 3–5 нм, свободно пропускающих газообразный водород и начиненных нанокластерами металлического никеля.

При работе элемента на катоде молекулы кислорода присоединяют электроны, восстанавливаясь в ионы, которые проходят через композит и участвуют в окислении молекулярного водорода до воды:

1/2O2 + 2e = O2– – восстановление (катод);

H2 + O2– – 2e = H2O – окисление (анод).