О связи водородной и ядерной энергетики

Ядерные энергетические устройства большой мощности имеют один принципиальный недостаток (помимо прочих): они хорошо работают, когда энергоотбор стабилен, т.е. не подвергается ни суточным, ни сезонным колебаниям. Поскольку доля ядерной энергетики будет увеличиваться, а в перспективе планируется создание термоядерных реакторов, то возникает проблема утилизации избыточной электроэнергии в так называемые «провальные» часы. Последняя может быть сохранена и накоплена в виде энергоизбыточных веществ, в качестве которых наиболее привлекательным представляется водород, полученный электролизом воды. Однако ни в криогенном (жидком) состоянии, ни в сжатом состоянии длительное хранение водорода не представляется перспективным. Жидкий водород при 20 К имеет плотность всего 71 г/л, а сжатый водород при 290 К и 250 атм – 17,4 г/л. Кроме того хорошо известно, что водород взрывоопасен, а также легко диффундирует сквозь металлы.

Но в качестве потенциального источника водорода можно рассматривать аммиак. Реакция

Н₂ + О₂ → Н₂О

даёт величину энергии Гиббса ΔG⁰₃₀₀ = - 231 кДж, ΔG⁰₁₀₀₀ = - 200 кДж. Окисление аммиака в расчёте на 1 моль Н₂О по реакции

NH₃ + О₂ → N₂ + Н₂О

даёт ΔG⁰₃₀₀ = - 218 кДж, ΔG⁰₁₀₀₀ = - 232 кДж, т. е. по энергетике эти вещества вполне сравнимы. Давление пара жидкого аммиака при комнатной температуре составляет примерно 10 атм, плотность 610 г/л. Так как в молекуле NH₃ содержится 17,6% водорода по массе, то в 1 литре жидкого аммиака содержится 107 г водорода.

Таким образом, представляется перспективным электроэнергию, полученную в «провальные» часы, передавать на заводы синтеза аммиака, где и проводить электролиз воды. Электролитический водород весьма чист и может быть направлен на синтез аммиака без дополнительной обработки.

Для получения электроэнергии аммиак выгоднее всего использовать в качестве горючего в высокотемпературном топливном элементе. Здесь следует отметить, что при 1000 К теоретический КПД превращения равен 110%. Электролиз воды также стоит вести при высокой температуре, и электоролизёр может быть создан по той же самой технологии, что и топливный элемент.

Неизбежное повышение цен на углеводородное сырьё, которое в настоящее время используется для получения водорода на предприятиях по фиксации атмосферного азота, заставляет предположить, что электролизный водород, полученный по предлагаемой схеме, станет конкурентноспособным в недалёком будущем. Кроме того, в топливном элементе можно провести реакцию окисления аммиака до оксида азота при подборе материала анода с соответствующими каталитическими свойствами:

2 NH₃ +2О₂ → 2 NO + 3H₂O

с одновременным получением целевого продукта (NO) и электроэнергии. Теоретически при 1000 К на 1 моль NO можно получить 271 кДж энергии, на
1 моль 181 кДж электроэнергии.

Несколько менее ясно применение аммиака в качестве горючего в двигателях внутреннего сгорания. Теплоты сгорания в расчёте на 1 г составляют:

NH₃ – 22,5 кДж, С₂Н₅ОН – 29,7 кДж, СН₃ОН – 22,7 кДж,

Н₂ – 121 кДж, СН₄ – 55,6 кДж, С₈Н₁₈ – 48 кДж.

и хотя теплота сгорания аммиака сравнима с теплотами сгорания спиртов, характер горения может измениться, поэтому, вероятно, потребуется приспособление двигателя внутреннего сгорания (ДВС) специально для этого топлива. Но главным преимуществом аммиака как автомобильного топлива является отсутствие в продуктах сгорания парниковых газов: оксидов углерода и остатков углеводородов.

Заметим, что 450ºС аммиак диссоциирует на 99,5 %, поэтому в отходящих газах ДВС присутствие аммиака маловероятно.

Кроме того, сравнение пределов воспламенения смесей паров горючее – воздух (объёмн.%)

Аммиак 15 – 28

Водород 4 – 75

Метан 5 – 15 природный газ

Метанол 6 – 35

Этанол 3 – 19

н-Октан 1 – 6,5 бензин

Пропан 2,1 – 9,5 сжиженный газ

Бутан 1,8 – 9,1 сжиженный газ

позволяет сделать вывод, что должна наблюдаться очень высокая утечка аммиака по сравнению с другими горючими до возникновения нештатной ситуации, тем более, что нет нужды аммиак одорировать. Поэтому, возможно, что как горючее аммиак не будет иметь конкурентов.

Однако в связи высоким пределом воспламенения аммиака его использование в качестве горючего в ДВС, возможно потребует для поджига рабочей смеси специальных мер.

Из выше сказанного следует, что осуществление такой схемы использования энергии расщепляющихся материалов позволит использовать эту энергию и для транспорта.