Цинковая пыль для получения водорода.

Данный метод, основанный на получении чистого цинка, может способствовать более легкому и быстрому переходу на водородную энергетику, что снизит потребность в истощающихся запасах нефти и загрязнение от нее (на фото: крупнейший в мире автоматизированный массив зеркал, расположенный в Израиле [Israeli Weitzman Institute]. Данный массив способен концентрировать солнечное излучение в требуемой точке, что позволяет достигать огромных температур).

крупнейший в мире гелиоконцентратор

Развивающийся энергетический кризис стимулирует поиск замены ископаемого топлива. Наилучшим кандидатом на роль топлива 21-го века является водород. Это связано с тем, что водород существует в природе в огромном количестве (преимущественно как составная часть воды), он не загрязняет воздух, и при его сгорании выделяется наибольшее количество энергии. Однако основными препятствиями, почему водород до сих пор не заменил бензин, являются огромная цена его производства и транспортировки.

Как упоминалось, основным источником при производстве водорода является вода. В настоящее время наиболее распространенным методом здесь является электролиз, при котором молекулы воды расщепляются на свои компоненты (водород и кислород). Сам процесс является достаточно простым, однако он требует значительного количества электроэнергии и потому слишком дорог для получения водорода в больших масштабах.

Разрушение же молекул воды путем нагревания непрактично, так как требует получения температур свыше 2500°C. Между тем, уже давно был открыт способ извлечения кислорода из воды с помощью чистого цинка. Побочным продуктом такой реакции является водород, и, что главное, она идет при значительно более низкой температуре в 350°C.

Цинк является довольно распространенным металлом (четвертым по объемам мирового производства после железа, алюминия и меди), и поэтому он может рассматриваться как естественная альтернатива для получения водорода. Однако проблема состоит в том, что имеющееся в настоящее время промышленное производство цинка из оксида цинка ZnO либо через электролиз, либо через выплавку характеризуется большим энергопотреблением и сопутствующим загрязнением. Поэтому необходим иной способ получения чистого цинка из его оксида.

В 2004 году Европейский Союз и Шведский союз по науке и образованию (Swiss Federal Office of Science and Education) выделили деньги на исследование возможности получения чистого цинка с помощью солнечных печей (работа велась в Швейцарии [мощность печи – 45 кВт], в Германии [75 кВт] и в Израиле [1 МВт]). Потребность в таких больших мощностях связана с необходимостью получения очень высоких температур для протекания процесса, обычно около 1750°C. Путем добавления небольшого количества углерода в виде угля ученые из Израиля смогли снизить температуру реакции до приемлемых 1200°C. В будущем они планируют заменить уголь биомассой, сделав процесс полностью свободным от загрязнения.

Настоящим достижением израильских ученых стало количество производимого цинка – во время тестов на солнечном реакторе Solzinc средний выход составил около 50 кг/час. Весь процесс является довольно эффективным, и может быть легко воспроизведен на других аналогичных установках.

Так, вначале оксид ZnO извлекается и доставляется на солнечную установку, где смешивается с небольшим количеством угля и помещается в солнечную печь, расположенную на вершине высокой башни. Большой массив гелиостатов (зеркал, управляемых компьютером) отражают свет на гиперболическое зеркало, которое и создает высокую температуру в солнечной печи. При достижении 1200°C ZnO разрушается на цинк и кислород, а последний реагирует с углеродом, давая CO в качестве незначительного побочного продукта. После этого получившийся цинк охлаждается для создания тонкой пыли, которая уже может безопасно храниться и транспортироваться. Чтобы с ее помощью получить водород, нужно смешать ее с водой при температуре 350°C. Тогда кислород воды снова приведет к образованию ZnO, а водород будет побочным продуктом реакции.

Описанный процесс имеет много преимуществ над другими существующими методами получения водорода. Первое и основное – он использует возобновимый источник энергии – солнечный свет. Далее, основной материал – оксид цинка – является относительно недорогим и почти полностью возвращается в оборот. Еще одно преимущество – то, что водород может производиться там, где он нужен (например, на местной заправочной станции), а не транспортироваться через всю страну. При этом грузовики, загруженные безопасной цинковой пылью, будут привозить ее на заправку, где из нее уже будут получать водород. Наконец, весь процесс является экологически чистым – особенно после того, как уголь будет заменен биомассой.