"ქიმიის უწყებანი" ტომი:4, ნომერი:2, 18-21 გვ.

საწვავი ელემენტები და ეკოლოგიური პრობლემები. II ნაწილი: წყალბადი, როგორც მომავლის საწვავი

ნოდარ დუმბაძე

საქართველოს აგრარული უნივერსიტეტის მოწვეული ლექტორი

რეზიუმე: ნაშრომის მიზანია, ეკოლოგიურ ჭრილში განიხილოს საწვავი ელემენტები, რომლებიც სადღეისოდ ელექტროენერგიის ერთ-ერთ ყველაზე პერსპექტიულ და ეკოლოგიურად უსაფრთხო ალტერნატიულ წყაროდ განიხილებიან. აქ წარმოდგენილია ნაშრომის მეორე ნაწილი, რომელშიც დახასიათებულია გარემოსადმი უვნებლობის თვალსაზრისით ყველაზე მიმზიდველი საწვავი — წყალბადი. კერძოდ, განხილულია წყალბადის ეკონომიკასთან (hydrogen economy) დაკავშირებული საკითხები; ასევე, მოცემულია ინფორმაცია წყალბადის ტრანსპორტირებასა და შენახვასთან არსებულ პრობლემებზე; განხილულია წყალბადის, როგორც მომავლის საწვავის პოტენციალი.

საკვანძო სიტყვები: საწვავი ელემენტი, წყალბადი, ენერგიის ალტერნატიული წყაროები

წყალბადი

წყალბადის მსოფლიო წარმოებიდან, 48 % მიიღება მეთანის ორთქლის რეფორმინგის (steam methane reforming) გზით, 30 % — ნედლი ნავთობის გადამუშავებით, 18 % — ქვანახშირის გადამუშავებით და 3 % — როგორც ქლორტუტოვანი პროცესის (chloralkali process) თანაპროდუქტი.

მეთანის ორთქლის რეფორმინგი ერთ-ერთი ყველაზე გავრცელებული პროცესია. ამ პროცესის ეფექტურობა დამოკიდებულია თანაპროდუქტის სახით წარმოქმნილი ორთქლის ეფექტურ გამოყენებაზე. ბოლო დროს ყურადღებას იქცევს განახლებადი პირველადი ენერგომატარებლების გამოყენებით, წყლის ელექტროლიზის მეშვეობით წყალბადის მიღების პროცესი. თუმცა, უნდა გავითვალისწინოთ განახლებადი ენერგიის წყაროების პოტენციალი, რადგან ისინი ალტერნატიულად შესაძლოა გამოყენებულ იქნენ სტაცინარულ სითბოენერგეტიკაში. ასე რომ, ენერგიის განახლებადი წყაროების გამოყენების თითოეული ვარიანტი უნდა შეფასდეს ღირებულების, ეკოეფექტურობისა და შენახვის თვალსაზრისით.

 

წყალბადის ეკონომიკა

წყალბადი, ისევე როგორც ელექტროენერგია, არის არა ენერგეტიკული რესურსი, არამედ ენერგომატარებელი. წყალი „შეიცავს“ დიდი რაოდენობით წყალბადს, თუმცა მის გამოსაყოფად უფრო მეტი ენერგიაა საჭირო, ვიდრე იძლევა თვითონ წყალბადი. ეს ბუნების ფუნდამენტური კანონია, რომლის შეცვლაც არ ძალუძს არცერთ კვლევას. წყალბადი შესაძლოა მიღებულ იქნას წიაღისეული საწვავიდან ან წყლის ელექტროლიზის შედეგად. წიაღისეული საწვავიდან წყალბადის მიღება ენერგეტიკულადაც და ეკოლოგიური თვალსაზრისითაც წამგებიანია, ვინაიდან ის გაზრდიდა ენერგიის იმპორტსა და გლობალური დათბობის პოტენციალს. თუ წყალბადი იქნებოდა მიღებული წყლის ელექტროლიზის შედეგად მზის ან ბირთვული ენერგიის დახმარებით, მაშინ მისი ფასი იქნებოდა საკმაოდ მაღალი. გარდა ამისა, ელექტროენერგიის პირდაპირი გამოყენება ორჯერ უფრო იაფი იქნებოდა, ვიდრე წყალბადის მარშრუტის გზით.

ნახ. 1. წყალბადის გამოყენების სფეროები

წყალბადის ტრანსპორტირება დიდ მანძილზე უფრო მარტივი და ეფექტურია, ვიდრე ბუნებრივი აირისა. წყალბადის მილსადენებით ტრანსპორტირებაზე დაკარგული ენერგია დამოკიდებულია კონსტრუქციასა და ფასზე. შემოთავაზებულ იქნა გამოეყენებინათ უკვე არსებული მილსადენები, რომლებიც ბუნებრივი აირისთვისაა განკუთვნილი, თუმცა რჩება რამდენიმე სერიოზული კითხვა, თუ რამდენადაა დაზღვეული და უსაფრთხო ამ გზით ტრანსპორტირება, როდესაც არსებობს სარქველებიდან წყალბადის გაჟონვის პოტენციური რისკი. წყალბადის შემთხვევაში გვჭირდება მოცულობის გასამმაგება, რათა მივიღოთ იგივე ენერგია, რაც ბუნებრივი აირის შემთხვევაში. აქედან გამომდინარე, საჭირო იქნებოდა ტრანსპორტირების სიჩქარის გასამმაგება, რაც ხდის წყალბადის ტრანსპორტს უფრო ნაკლებად ეფექტურს ბუნებრივ აირთან და ელექტროენერგიასთან შედარებით. მეთანისა და ელექტროენერგიის ტრანსპორტირების დანაკარგები დიდ მანძილზე შეადგენს 5-7 %-ს. წყალბადისათვის იგივე მილსადენების გამოყენებამ დანაკარგი შესაძლოა გაზარდოს დაახლოებით 20 %-მდე; ამიტომ საეჭვოა, რომ ჩვენ შევძლოთ ამ მილსადენების გამოყენება წყალბადის ტრანსპორტირების მიზნით. წყალბადს სჭირდება მილსადენების სრულიად განსხვავებული სპეციფიკაცია. გარდა ამისა, ამას დასჭირდებოდა შედარებით დიდი და მსხვილი კომპრესორების დაყენება.

 

წყალბადთან დაკავშირებული უსაფრთხოების საკითხები

უსაფრთხოებასთან დაკავშირებული კითხვები პირველ რიგში ეხება აირადი წყალბადის აალებადობასა და ფეთქებადსაშიშობას, ვინაიდან ნებისმიერი ინციდენტი, რომელიც დაკავშირებულია თხევადი წყალბადის გარემოზე ზეგავლენასთან, გულისხმობს მის გადასვლას აირად მდგომარეობაში. ასევე, არსებობს შანსი მილსადენებსა და საწარმოო აღჭურვილობებში წყალბადის გაჟონვისა, რაც ხანძრის აღმოჩენისა და ჩაქრობის მხრივ დამატებით პრობლემებს აჩენს. წყალბადი ჰაერზე ალდება ძალიან დაბალი კონცენტრაციების დროსაც კი და აალება შესაძლოა გამოწვეული იყოს ისეთი მარტივი და ჩვეულებრივი მოვლენით, როგორიცაა ნაპერწკალი; ეს პოტენციური პრობლემები ძალიან ზედმიწევნით უნდა იქნას გამოკვლეული. კიდევ ერთი ფაქტორი, რომელიც გათვალისწინებული უნდა იყოს აირადი წყალბადის მუნიციპალურ ენერგეტიკულ დანადგარებში მილსადენებით ტრანსპორტირებისას, არის ეფექტურობა, რომლითაც ენერგია უნდა ტრანსპორტირდეს მისი წარმოების ადგილიდან მოხმარების ადგილამდე. ელექტროენერგიის მიწოდება მსხვილი ელექტროსადგურებიდან მაღალი ძაბვის მქონე ხაზების გამოყენებით იწვევს გარკვეულ ენერგიის დანაკარგს, რაც ზრდის მის ფასს.

ვინაიდან წყალბადი ჰაერზე 14-ჯერ მსუბუქია, თუ აირი გამოდის დამცავი გარსიდან, ის დაუყოვნებლივ იფანტება ატმოსფეროში ყოველგვარი ზედმეტი ტოქსიკური შედეგების გარეშე. განვითარებული ტექნოლოგიების მეშვეობით, შემთხვევითი გამოთავისუფლების ალბათობა, კიდევ უფრო მცირეა. მეტალთა ჰიდრიდები გამორიცხავენ წყალბადის უკონტროლო გამოთავისუფლებას, იმდენად რამდენადაც საჭიროა მეტალთა ჰიდრიდებზე სითბური ენერგიით ზემოქმედება, რათა გამოათავისუფლონ წყალბადი. ზოგიერთ შემთხვევაში, მეტალთა ჰიდრიდებს შეუძლიათ უფრო მეტი წყალბადის „შენახვა“, ვიდრე იგივე მოცულობის თხევადი წყალბადია. წყალბადის შენახვის ახალი მეთოდი ექსპერიმენტული მასალის გამოყენებით, როგორიცაა გააქტიურებული ნახშირი, აჩვენებს პერსპექტიულობას დიდი მოცულობის წყალბადის მცირე მოცულობაში შენახვის მხრივ. ეს ბევრად ეფექტურია, ვიდრე მეტალთა ჰიდრიდები, ვინაიდან აქტივირებული ნახშირის მოცემულ ფართობს შეუძლია უსაფრთხოდ შეინახოს 2.4-ჯერ მეტი წყალბადი, ვიდრე იმავე მოცულობის კომპრესირებული აირი, შენახული 3000 psi-ზე.

 

წყალბადის შენახვა

წყალბადის შენახვა გათხევადების გზით (არსებობს დანადგარი, რომელშიც აირი იწნეხება და თხევადდება შენახვის მიზნით ხოლო შემდეგ ისევ აირად გარდაიქმნება ტრანსპორტირების მიზნით) საკმაოდ ძვირია (ელექტროობასთან შედარებით) და აქვს ეფექტურობის დიდი დანაკარგი. თუ ამაში შევიყვანთ წყალბადის ელექტროობიდან წარმოების ეფექტურობას, მაშინ ის უფრო ხარჯიანი და ნაკლებ ეფექტური გახდება. წყალბადის შენახვას აქვს ერთი უპირატესობა — ის იწონის ბევრად ნაკლებს, რაც ავტომობილებისათვის საკმაოდ მნიშვნელოვანი ფაქტორია. წყალბადის ელექტროენერგიიდან მიღების გზის (დაწნეხვის ჩათვლით) მქკ პრაქტიკაში დღეს შეადგენს დაახლოებით 55 %-ს.

 

წყალბადი, როგორც საწვავი

წყალბადი წარმოადგენს ყველაზე მიმზიდველ საწვავს საწვავი ელემენტებისათვის, რომელსაც აქვს არაჩვეულებრივი ელექტროქიმიური რეაქციისუნარიანობა და ქმნის სათანადო სიმძლავრეს ავტომობილის მუშაობისათვის, ასევე, უზრუნველყოფს პოლუტანტების ნულოვან ემისიას. ისტორიულად, ენერგიის გამოყენების ტენდენცია ისე დალაგდა, რომ გადავიდა მეტი ნახშირბადის შემცველი საწვავიდან ნაკლები ნახშირბადის შემცველობის მქონე საწვავზე. წიაღისეული საწვავი ატმოსფეროში გამოყოფს განსხვავებული რაოდენობის ნახშირორჟანგს: ქვანახშირი (ნახშირბადის ყველაზე მეტი შემცველობა), შემდეგ ნავთობი და, ბოლოს, ბუნებრივი აირი — სითბურ ერთეულზე ნახშირორჟანგის ყველაზე მცირე ემისიის მქონე. წყალბადი, ცხადია, წვისას არ გამოყოფს ნახშირორჟანგს. წყალბადი ყველაზე გავრცელებულია ელემენტია სამყაროში, თუმცა ძირითადად ნაერთების სახით გვხვდება, როგორებიცაა წყალი და წიაღისეული საწვავი, მაგ.: მეთანი, ანუ ბუნებრივი აირი. ასე რომ, წყალბადი მიღებულ უნდა იქნას ან წიაღისეული საწვავისგან, ან წყლისგან, სანამ მას საწვავად გამოიყენებენ. წყალბადის ძირითადი ნაწილი იწარმოება მეთანის ორთქლის რეფორმინგით, რომელიც არის ბევრად უფრო ენერგოეფექტური, მსხვილმასშტაბიანი წარმოების მეთოდი. ამ რეაქციის თანაპროდუქტს წარმოადგენს ნახშირორჟანგი.

წყლის ელექტროლიზის დროს წარმოიქმნება წყალბადი და ჟანგბადი. ელექტროობა, რომელიც აუცილებელია წყლის ელექტროლიზისათვის, მიღებულ უნდა იქნას ან წიაღისეული საწვავის წვის შედეგად, ან განახლებადი წყაროებიდან, როგორებიცაა მაგ.: წყლის ენერგია, მზის ენერგია ან ქარის ენერგია. გრძელვადიან პერსპექტივაში, წყალბადის წარმოება შეიძლება დაფუძნებული იყოს ფოტობიოლოგიურ ან ფოტოქიმიურ მეთოდებზე.

მიუხედავად იმისა, რომ უკვე არსებობს წყალბადის წარმოების, განაწილებისა და შენახვის ინფრასტრუქტურა, ის შეზღუდულია. წყალბადის საწვავის ავტომობილებში და სხვა საყოფაცხოვრებო დანადგარებში გამოყენებას დასჭირდება გაფართოებული სისტემა. წყალბადის წარმოების/განაწილების/შენახვის ერთიანი სისტემა შეიძლება არ ერგებოდეს საწვავი ელემენტების განსხვავებული მიზნებით გამოყენებას, თუმცა, სრულიად შესაძლებელია, რომ სამომავლო მოთხოვნების დასაკმაყოფილებლად შესაძლებელი იყოს ტექნოლოგიების კომბინაციის გამოყენება.

ამ ეტაპზე სისტემის ყველა კომპონენტი ხელმისაწვდომია, თუმცა დიდი მნიშვნელობა აქვს წყალბადის საწვავის დოზირებასა და ეფექტურ მიწოდებას. თუ წყალბადი გახდებოდა ხელმისაწვდომი ფასის მხრივ, ეს შეამცირებდა საწვავ ელემენტებზე მომუშავე სატრანსპორტო საშუალებების სირთულესა და ფასს, რაც ტექნოლოგიის წარმატებას შეუწყობდა ხელს. მეცნიერთა გარკვეული ნაწილი თვლის, რომ წყალბადის საწვავი არ არის უსაფრთხო, თუმცა ყველა სახის საწვავი რაღაც მხრივ საფრთხის შემცველია, თუნდაც ბენზინი. წყალბადზე მომუშავე ტრანსპორტი და დამხმარე ინფრასტრუქტურა შესაძლოა იყოს ისევე სწორად და უსაფრთხოდ დაპროექტებული, როგორც დღეს არსებული ბენზინზე მომუშავე სისტემები.

 

წყალბადის ენერგიის პოტენციალი

წყალბადის ენერგია და საწვავად გამოყენება უფრო და უფრო დიდ ყურადღებას იქცევს მისი გარემოსადმი უვნებლობის თვალსაზრისით. ფაქტობრივად, ბევრი სამეცნიერო ჯგუფი წინასწარმეტყველებს მომავალში წყალბადის ეკონომიკას, რომელიც წყალბადს გამოიყენებს ელექტროსადგურების მეშვეობით ელექტროენერგიის წარმოებისათვის, საწვავის ელექტროტრანსპორტისათვისა და საყოფაცხოვრებო (გათბობა, საკვების მომზადება) მიზნებისათვის. ბოლო 30 წლის განმავლობაში აქტიური სამეცნიერო-კვლევითი სამუშაოები ჩატარდა წყალბადის წარმოების, მიწოდებისა და გამოყენების გაუმჯობესების თვალსაზრისით.

წყალბადი განიხილება. როგორც გრძელვადიანი „ენერგეტიკული გამოსავალი“ შემდეგი მიზეზების გამო:

• ის პოტენციურად წარმოადგენს ენერგიის ულევ წყაროს;
• ის შესაძლოა მიღებულ იქნას ბევრი პირველადი ენერგეტიკული წყაროებიდან;
• ის მარტივად გარდაიქმნება ელექტროობად ბევრად მაღალი ეფექტურობით, ვიდრე წვის პროცესები;
• ის არ აბინძურებს გარემოს და არატოქსიკურია;
• განახლებადი ენერგორესურსებით წარმოებისას ის ხდება უნივერსალური, მაღალენერგეტიკული, გარემოზე მინიმალური ზემოქმედების მქონე საწვავი;
• შეუძლია ამუშავოს საწვავი ელემენტები, რომლებიც გამოირჩევიან მაღალი ეფექტურობითა და სანდოობით.

წყალბადის ენერგიის გამოყენების ნაკლოვან მხარედ ითვლება ფასი, ვინაიდან წყალბადის წარმოება და გამოყენება რჩება ძვირად ენერგიის სხვა ალტერნატიულ წყაროებთან შედარებით. თუმცა, ბოლო წლების მნიშვნელოვანი პროგრესი და ტექნოლოგიური მიღწევები როგორც წარმოებაში, ასევე წყალბადის გამოყენებაში, ხდიან წყალბადის ენერგიის გამოყენებას სავსებით გონივრულ ალტერნატივად.

ლიტერატურა

 

1. Shinnar, R. (2003). The hydrogen economy, fuel cells, and electric cars. Technology in society, 25(4), 455-476.
2. Crabtree, G. W., Dresselhaus, M. S., & Buchanan, M. V. (2004). The hydrogen economy. Physics today, 57(12), 39-44.
3. Marbán, G., & Valdés-Solís, T. (2007). Towards the hydrogen economy?. International Journal of Hydrogen Energy, 32(12), 1625-1637.
4. Molkov, V. (2012). Fundamentals of hydrogen safety engineering.  com ISBN, 978-87.
5. Buttner, W. J., Post, M. B., Burgess, R., & Rivkin, C. (2011). An overview of hydrogen safety sensors and requirements. International Journal of Hydrogen Energy, 36(3), 2462-2470.
6. Edwards, P. P., Kuznetsov, V. L., & David, W. I. F. (2007). Hydrogen energy. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 365(1853), 1043-1056.

 

გამოქვეყნებულია: 20-12-2020