материалов, а также то, что процессы конверсии метана xqponio освоены промышленностью.

Обратная реакция — метанирование — не столь хорошо освоена, как прямая, и здесь предстоит разработать стойкие и эффективные катализаторы, способные работать при температурах до 1000 К при больших объемных скоростях продуктов и высоком содержании СО и СОг на входе в метанатор. В настоящее время в химической промышленности применяются процессы каталитического гидрирования СО и С02 в метан (метанирования) для удаления небольших количеств СО и С02( до 2%) из водорода или азотоводородных смесей, однако используемые для этого катализаторы с высоким содержанием никеля и метанато-ры не пригодны для работы с газовыми смесями, содержащими более 2,5°/о СО и С02 [10].

В установках метанирования для выделения теплоты содержание окислов углерода на входе достигает 30% и более, что приводит к необходимости разработки специально предназначенных для этих систем аппаратов и катализаторов. В лабораторных установках эти процессы реализованы, испытания отечественных промышленных ката-

214

лизаторов, разработанных Государственным институтом азотной промышленности в смесях с содержанием СО до 20%, показали техническую возможность реализации этих процессов и устройств. В ФРГ в ядерном центре в г. Юлихе создана пилотная установка «Адам-1—/Ева-1» для отработки в едином замкнутом цикле режимов работ риформе-ра и метанатора [138] (рис. 7.9). Технико-экономический анализ возможности использования таких систем для

Рис. 7.9 Пилотная установка «Адам-1 — Ева-1» в Ядерном, исследовательском центре ФРГ (г. Юлих) для исследования хемотерми-

ческого транспорта энергии [137]

дальнего транспорта теплоты (в радиусе около 250 км) от АЭС с ВТГР, выполненный в [135, 10], показывает, что атомные станции дальнего теплоснабжения с такими ХТС могут быть конкурентоспособными с ТЭЦ и районными котельными на газомазутном топливе при стоимости газомазутного топлива от 30 до 70 руб-т-1 в пересчете на условное топливо в зависимости от числа часов использования и тепловой мощности. Системы дальнего транспорта

15* 215

й аккумулирования теплоты с использованием ХТС могут применяться не только для дальнего теплоснабжения, но и для производства на месте потребления пиковой электроэнергии, например в паротурбинном цикле. Исследования отечественных [135, 137] и зарубежных [138] авторов указывают на перспективность использования таких систем для аккумулирования и дальнего транспорта теплоты.

Следует отметить, что в некоторых случаях, особенно При использовании в качестве первичного источника энергии угля, может оказаться целесообразной разомкнутая схема дальнего транспорта теплоты и энергоносителя потребителю. В этом случае полученная в процессе переработки угля смесь СО и водорода по трубам доставляется к потребителю теплоты, где в метанаторе происходит процесс метанирования с выделением теплоты и получением метана, который может быть использован на месте для производства энергии или направлен потребителю. При таком использовании ХТС на месте потребления вытесняется мазутное топливо и отсутствует трубопровод для обратного транспорта метана, что в ряде случаев может оказаться существенным.

Хемотермические аккумуляторы теплоты могут применяться для создания маневренных и пиковых установок на базе ВТГР для выработки электроэнергии, а также в энергетических установках с использованием других источников энергии, в том числе и характеризующихся большой неравномерностью мощности источника (например, солнечных электростанций). Атомные маневренные установки с ВТГР и регенерируемым энергоносителем по имеющимся оценкам [135] оказываются достаточно экономичными и эффективными. В целом перспективы внедрения в близком будущем систем дальнего транспорта теплоты с использованием процессов и аппаратов водородной энергетики вначале от угольных источников энергии, а затем и от ВТЯР достаточно благоприятны.

Прочие области применения водорода в энергетике

В настоящее время существует довольно большое число работ, в которых предлагается еще ряд новых возможных областей применения синтетического водорода в энергетике. Эти области ие могут по масштабам потребления в достаточно близкой перспективе (до конца нашего века) приблизиться к обсуждавшимся выше потребителям. Некоторые из иих кратко рассмотрены ниже.

Автономные энергетические системы. Сочетание АЭС или другого автономного источника энергии с производством водорода из воды позволяет создать в труднодоступных районах, ие имеющих собственных топливных ресурсов автономные поселения (или системы поселений), имеющие связь с «большой землей» с наперед заданной периодичио-

216

стью, полиостью обеспеченные электроэнергией и топливом (моторным и для бытового потребления). Ввиду трудности и большой стоимости доставки больших количеств топлива в такие районы применение в качестве топлива водорода, производимого из воды иа месте, может оказаться там экономически оправданным задолго до того, как это станет целесообразным на «большой земле». В качестве примера можно указать на принципиальную возможность создания в труднодоступных районах предприятий по разработке рудных месторождений я переработке руды с использованием электроэнергии и водорода, производимых на месте.

Создание таких систем требует разработки многих вопросов технологии производства и потребления водорода. Техиико-экоиомический анализ целесообразности создания автономных энергетических систем должен проводиться специально для каждого конкретного случая.

Применение водорода для бытового потребления. В ряде публикаций предлагается использовать водород в быту в качестве топлива, а в некоторых случаях также и для производства электроэнергии.

Опыт использования бытового газа, богатого водородом, имеется. Разрабатываются каталитические горелки для использования водорода в качестве бытового топлива и каталитические панели для водородных систем отопления (139, 140]. Генерирование электроэнергии для бытовых целей можно осуществить с помощью топливных водородио-воздушных элементов. Водородопровод может стать единственной магистралью, обеспечивающей энергопотребление в быту [119]. Некоторые авторы утверждают, что водород может легко взять иа себя всю бытовую нагрузку, включая и ту ее часть, которая покрывается сейчас с помощью электричества. Следует, однако, отметить, что использование водорода в быту как топлива наталкивается на ряд трудностей. Горение водорода отличается рядом особенностей, в частности высокой скоростью горения, широким диапазоном концентрации воспламеняющихся и взрывоопасных смесей, низкой излучательной способностью пламени и т. д., затрудняющих его использование в быту.

В настоящее время во многих лабораториях разрабатываются устройства для обеспечения бытового потребления водорода, однако не следует ожидать, что они в скором времени найдут широкое применение, так как водород является (и останется в будущем) довольно дорогим топливом.

7.3. Использование водорода в химии и других отраслях народного хозяйства

Как было отмечено в гл. 1, крупнейшими потребителями водорода в перспективе останутся химическая промышленность (производство аммиака и метанола), нефтеперерабатывающая промышленность и металлургия. Переход этих отраслей на водород, производимый за счет энергии АЭС и угля, связан с изменением технологии производства, поэтому для оценки целесообразности широкого использования водорода, получаемого из воды, в той или иной отрасли сравнение следует проводить по изменению затрат на конечную продукцию (аммиак, метанол и т. д.), а не по стоимости водорода.

Рассмотрим в качестве примера оценки эффективности замещения природного газа электролитическим водородом в

217

химической промышленности в процессах производства

аммиака и метанола.

Прн традиционном способе производства на 1 ? аммиака расходуется 980 м3 природного газа, нз которых 56% используется как сырье, а 44% ¦— как топливо.

Рассмотрим вопрос о целесообразности замещения природного газа товарным водородом для установки производительностью 1000 тХ Хдень ??3. Изменение технологии, связанное с использованием товарного водорода, состоит в исключении секции производства синтез-газа из природного газа (состав синтез-газа: 74% Н2, 24,7% ?2. 1% СН4, 0,3% Аг) и замене ее секцией производства синтез-газа путем разделения воздуха и смешения получаемого азота и аргона с товарным водородом (состав синтез-газа: 74,8% Н2, 24,9% ?2, 0,3% Аг).

Структура затрат на производство 1000 ? ??3 при том и другом способе производства приведена ниже для установки производительностью 1000 ? ??3 в день по данным Американского института технологии газа (в ценах 1975 г.)

А. Традиционный способ производства

1. Затраты электроэнергии и топлива в пересчете на условное топливо: в секции производства синтез-газа 468 ? топлива (природного газа), 70 тыс. кВт-ч электроэнергии; в секции синтеза аммиака 72 ? топлива (природного газа), 30 тыс. кВт-ч электроэнергии.-

2. Затраты сырья на 1000 ? ??3 (в пересчете на условное топливо): 720 ? природного газа (0,72 ? на 1 ? ??3).

3. Капитальные затраты: в секции производства сиитез-газа 25-106 долл. США, в секции синтеза аммиака 20-10е долл. США. Суммарные капитальные затраты: 45-Ю6 долл. США.

Б. Производство с использованием товарного водорода

1. Затраты электроэнергии и топлива в пересчете на условное топливо: в секции разделения воздуха—120 тыс. кВт-ч электроэнергии; в секции синтеза аммиака 72 ? топлива, 30 тыс. кВт-ч электроэнергии.

2. Затраты сырья на 1000 ? ??3 (в пересчете на условное топливо): 720 ? товарного водорода (0,72 ? на 1 ? ??3).

3. Капитальные затраты: в секции разделения воздуха 5-106 долл. США, в секции синтеза аммиака 20-10* долл. США. Суммарные капитальные затраты 25-Ю6 долл. США.

Расчетные затраты на производство 1. ? ??3 определяются по формуле _

з=0,25%д + СтоплДтопл+СэлОэл4-СсДс, (7.2)

где /Суд — удельные капитальные затраты, долл. США на 1 ? ??3 в год; 0,25 — коэффициент, учитывающий нормативный коэффициент эффективности к