Водородная энергетика

Широкое использование водорода в качестве источника энергии будет способствовать сохранению чистоты окружающей среды, ведь в процессе его сгорания остается лишь водяной пар.
В Америке это национальное направление, в его рамках предусмотрено создание высокотемпературных реакторов.

В России главным энтузиастом водородной энергетики стали академики Анатолий Коротеев и Николай Пономарев-Степной. Уже созданы мегаваттные сборки на таких элементах, хотя стоят они пока дорого.
Безопасность — одна из проблем водородной энергетики, как и дороговизна, поскольку для получения водорода необходимо предварительно потратить энергию. Пока стоимость 1 кВт установленной мощности в водородной энергетике составляет 4—5 тыс. долларов. Это в 10 раз дороже, чем на тепловых станциях, и в 5 раз дороже, чем на АЭС. Одна из возможностей — производство водорода на АЭС в ночное время, когда потребление электроэнергии падает, а снизить мощность АЭС по техническим причинам трудно. Впрочем, водородная энергетика уже становится реальностью в космосе — на американских «Шаттлах», на российских орбитальных станциях. Параметры наших установок, сделанных в РКК «Энергия», не уступают американским.
Существует два главных направления производства водорода: традиционное, с помощью обычных процессов реформинга натурального газа или реформинга угля и получение водорода из воды, с помощью электролиза.
Основным устройством для использования водорода будут топливные элементы, в которых происходит процесс, обратный электролизу. Они экологически стерильны, коэффициент их полезного действия вместе с тепловыми насосами превышает 80%. Распространение источников энергии, основанных на топливных элементах мощностью 15—200 кВт, создаст основу развития так называемой распределенной системы производства электроэнергии, когда производитель энергии является и ее потребителем.
Большие энергетические компании мира уже выделяют средства для разработки топливных элементов, систем получения водорода с целью создания микроэлектростанций для индивидуальных потребителей электроэнергии.
В Институте теплофизики по контрактам ведутся работы над топливными элементами с протонными мембранами, которые работают на воде, и над элекролизерами с протонными мембранами. Кроме этого, ученые-теплофизики создали демонстрационный стенд с высокотемпературным электролитом из расплава солей. Проводится успешная работа по твердооксидным топливным элементам.
В Новосибирске производятся тепловые насосы и может быть очень быстро освоена комбинация «топливный элемент—тепловой насос». Генерация водорода на 100% экологически чиста, если ориентироваться на использование вторичных энергоресурсов.
Переход в «водородную» эру потребует решения фундаментальных проблем теплофизики, электрохимии, гидромеханики, катализа, материаловедения и т. п.
Россия располагает не только значительным научно-техническим потенциалом в области водородной энергетики, но и необходимым ресурсным потенциалом металлов, в первую очередь металлов платиновой группы и особенно палладия, необходимых для создания топливных элементов. Нужны и мосты между фундаментальной наукой и промышленностью, тем более что российские предприниматели уже чувствуют направленность научно-технического прогресса.
В 2003 г. подписано соглашение о сотрудничестве между Российской академией наук и ОАО «Горно-металлургическая компания “Норильский никель”» в области водородной энергетики и топливных элементов. Это одно из немногих пока соглашений, гарантирующих инвестиции частного капитала в стратегически важное научное направление, где потенциальные возможности страны позволяют ей уже в ближайшие годы занять лидирующее положение в мире.
На первом этапе, чтобы программа начала работать, в нее необходимо ежегодно вкладывать 20-40 млн долларов. Высокие технологии водородной энергетики уже в ближайшие 10 лет станут основой развития всей мировой экономики. Инвестиции направят в лаборатории, где научные исследования будут находить практическое подтверждение.
Цивилизация стоит на пороге энергетического кризиса. Быстрое сокращение запасов нефти и газа принуждает человечество заняться поисками экологически чистых источников энергии. Специалисты склоняются к тому, что мир спасет водород — практически неиссякаемый возобновляемый источник энергии. Когда водород станет основным энергоносителем, сложится принципиально новая водородная энергетика. И это станет научно-техническим прорывом, сравнимым по социально-экономическим последствиям с тем революционным воздействием на цивилизацию, которое в свое время оказали электричество, двигатель внутреннего сгорания, химия и нефтехимия, информатика и связь.
Энергетический КПД водородных топливных элементов значительно выше, чем у традиционных энергоустановок, и может достигать 90%. Преобразование тепла в работу в этих элементах не происходит: в электрохимическом источнике тока энергия топлива превращается в электроэнергию, минуя идущие с большими потерями процессы горения. Ячейка водородного топливного эле-
мента состоит из пористых анода и катода, разделенных полимерной мембраной, в которой содержатся платиновые металлы. Испытания прототипа автомобиля с водородным двигателем показали, что 1 кг водорода по калорийности эквивалентен примерно 4,5 л бензина. Энергетические установки и электрохимические генераторы на основе топливных элементов могут применяться также в бытовых электронных устройствах (компьютерах, мобильных телефонах, видеокамерах).
Россия — крупнейший в мире производитель палладия: на ее предприятиях сосредоточено около 50% мирового производства. И этот металл значительно выгоднее не продавать за рубеж в качестве сырья, а превращать в наукоемкую продукцию. Около 20 институтов РАН в доперестроечные годы достигли значительных успехов в области водородной энергетики. Ежегодные инвестиции в размере нескольких десятков миллионов долларов позволят возродить научный потенциал страны.
На базе того, что в России уже разработано в течение первых трех лет, будут получены первые коммерческие результаты. Палладий, который на Западе используется при производстве автомобильных катализаторов, — это металл будущего, который станет основой водородных технологий.
В мире сейчас около тысячи компаний работают в области водородной энергетики, создают автомобили, мини-электростанции, компактные системы для питания компьютеров, телефонов.
Очень выгодно создать серию энергетических установок от 1 до 30—40 кВт. Это обеспечит и автономную энергетику, и автомобили, и системы питания. Водородная энергетика существует пока в теории, но она еще неконкурентоспособна. Стоимость 1 кВт водородной энергии пока достигает 3 тыс. долларов, а для экономической эффективности ее нужно снизить до 100—200 долларов. Для этого и необходимы серьезные исследования.
Президент Буш поставил перед Америкой цель: к 2020 г. перевести все автомобили на новые двигатели. На эту задачу из бюджета выделяется около 3 млрд долларов, но в 304 раза больше вкладывают частные инвесторы. Водородная энергетика экологически безопасна: автомобили на таких двигателях практически не дают выбросов, поскольку отходы — водяной пар. В Японии премьер-министр уже пользуется таким автомобилем, хотя стоит он очень дорого. Взять такое авто в прокат на месяц — 5 тыс. долларов.
Наш ВАЗ на салонах уже два раза показывал автомобили с водородным двигателем, разработанным на Урале. Этот завод когда-то делал автономные водородные системы для «Бурана». Но пока не решены две принципиальные проблемы — срок службы и цена. Эти проблемы при финансовой поддержке «Норильского никеля» и должна решить наука. Интерес большого бизнеса к науке крайне важен.
Две крупнейшие корпорации — автомобильная «General Motors» и химическая «Dow Chemical Со.» — достигли соглашения о совместной работе в области водородной энергетики. «GM» поставит «Dow» 500 силовых установок на топливных элементах, которые будут размещены на производственном комплексе площадью 30 кв.

миль в Техасе. Сумма контракта не разглашается, но в совместном заявлении говорится, что она в 15 раз превышает любую из известных сделок, касающихся топливных элементов.
Испытания совместного электрохозяйства автомобильный и химический гиганты завершат в 2005 г. Его суммарная мощность составит 35 МВт, чего хватит для полного энергетического обеспечения 25 тыс. односемейных домов в течение года. Обсуждая заключительный вариант соглашения, руководители компаний смотрят гораздо дальше техасского полигона и обсуждают возможность использования топливных элементов для выработки электроэнергии на других предприятиях «Dow» в США и Европе (50 тыс. сотрудников корпорации работают в 170 странах мира).
В 2004 г. президент Европейской комиссии Романо Проди запустил Европейскую технологическую платформу по водороду и топливным элементам. Под платформой понимают механизм, с помощью которого можно объединить заинтересованных участников из всех секторов общества: исследователей, промышленников, политиков, для того чтобы выработать единое представление о долгосрочных перспективах того или иного проекта и создать условия для создания активной и состоятельной стратегии, а также плана действий по ее выполнению.
Европа экспортирует половину нужной ей нефти, а через четверть века эта доля вырастет до 70%. Такое положение крайне неустойчиво. Необходимо преодолеть эту тенденцию, считает Романо Проди.
Нужно двигаться в направлении сильно интегрированной водородной экономики, основанной на возобновляемых источниках энергии. А для превращения этого представления в реальность Европе требуется больше исследований, практических разработок, демонстрационных проектов, а также правила и стандарты, которые соответствуют будущей водородной экономике. Такие усилия будут успешными только в случае, если ресурсы отдельных стран и Европы в целом, финансы общественного и частного секторов объединятся и будут подчинены единой организующей силе. Вот почему запущена программа европейского партнерства в области водородной энергетики.
Эта инициатива, которую Европейская комиссия начала в 2004 г. под эгидой президента Романо Проди, вице-президента и комиссара по энергии и транспорту Лойолы де Паласио и комиссара по исследованиям Филиппа Бюскена, имеет своих предшественников. Еще в 1988—1992 гг. Европейский союз выделил финансирование в размере 8 млн евро на разработку топливных элементов. В 1999— 2002 гг. объем финансирования вырос уже до 150 млн евро. Нынешняя, Шестая рамочная программа Евросоюза предусматривает до 2006 г. израсходовать на исследования по водородной энергетике 300 млн евро. И это далеко не все. В ноябре 2003 г. для ускорения восстановления экономики стран — членов Евросоюза после недавнего кризиса Еврокомиссия запустила европейскую инициативу роста. В ней есть программа быстрого старта, по которой выполняются проекты, направленные на развитие инфраструктуры, общественных сетей и знаний. В рамках этой программы предусмотрен десятилетний период развития исследований, связанных с производством и использованием водорода, причем полный объем финансирования этой деятельности из частных и общественных источников запланирован на уровне 2,8 млрд евро. Немного ранее, в июне 2003 г., было сделано совместное заявление Евросоюза и США о глобальном сотрудничестве по ускорению развития водородной энергетики.
Отдельные страны Евросоюза давно ведут собственные исследования по альтернативной энергетике. Однако до сих пор эти исследования фрагментарны и зачастую дублируют друг друга. Когда европейские комиссары это осознали, они создали группу экспертов высшего уровня, которая занялась созданием механизмов координации действий разных стран. Именно результатом их анализа и стала нынешняя Европейская технологическая платформа по водороду и топливным элементам. Перед ней стоит несколько целей. Во-первых, принятие политических решений, которые будут благоприятствовать развитию водородных технологий в энергетике и на транспорте. Во-вторых, существенное увеличение финансирования фундаментальных и прикладных научных работ по водородной тематике. В-третьих, создание системы демонстрации преимуществ водородной энергетики и пропаганды успешности пилотных проектов в этой области. В-четвертых, работа с предпринимателями, чтобы приблизить финансирующие организации к разработчикам технологий. В-пятых, организация всеевропейской программы образования, которая позволит включать результаты новейших исследований в программу средней школы. И в- шестых, создание центра по пропаганде всех этих инициатив.
К чему же стремятся европейцы в результате такой грандиозной деятельности? Об этом сказано в прогнозе, который выработала группа экспертов на одной из своих конференций. График внедрения водородной энергетики на Европейском континенте получился весьма жесткий. Согласно плану уже к 2010 г. должно быть начато серийное производство автомобилей либо на чистом водороде, либо получающих его непосредственно на борту. Тогда же намечено появление водородных заправок в отдельных местностях. К 2020 г. появятся дешевые высокотемпературные топливные элементы. А водородные автомобили станут конкурентоспособными. Местные сети распределения водорода начнут объединяться, а существенную долю этого газа станут получать из возобновляемых ресурсов вроде разложения воды или биогаза солнечным электричеством. В 2030 г. появятся устройства длительного хранения водорода, водород окажется предпочтительным топливом для автомобилей, а значительную часть электроэнергии станут производить непосредственно на месте ее потребления: домашними топливными элементами. В 2040-м водородная энергетика станет доминировать, а при получении водорода не будет выделяться углекислый газ, то есть водород не будут производить из ископаемых углеводородов. К 2050 г. появятся водородные самолеты.
Еще 140 лет назад, в период угольной эры в энергетики, Ж. Верн в одном из своих романов писал, что вода будет углем будущего. Один из героев книги утверждал, что вода начнет применяться как топливо. Водород и кислород, которые содержатся в ней, будут вместе или поодиночке источниками тепла и света, и эти газы по своей производительности во много раз превзойдут уголь.
Пророчества писателя сбываются. Скоро может завершиться эра углеводородной энергетики и наступит водородная эра, возник даже термин — «водородная экономика». Связано это с будущим дефицитом запасов нефти, угля, природного газа. При существующей динамике роста населения и увеличения таких стран, как Китай и Индия, потребления электроэнергии, дефицит углесодержащих топлив будет огромен уже к 2030 г.
Необходимость уже сейчас задуматься о скором сокращении возможностей Земли в обеспечении нас топливом — не единственная причина перехода к водороду как к стратегическому топливу.
«Декарбонизация» энергетики диктуется также озабоченностью человечества потеплением Земли и экологическими последствиями выбросов углекислого газа, окислов азота, серы. Япония в 1993 г. выделила 2 млрд долларов на разработку водородного топлива, США, Канада уже сейчас сделали водородные программы приоритетными. И нынешние разработки ученых уже закладываются в долгосрочные экономические планы.
Так, по прогнозам многих специалистов, уже к 2050 г. треть производимой энергии должна быть покрыта водородом как источником топлива.
Основная цель разработки водородных технологий в мире — снижение зависимости от существующих энергоносителей, нефти и газа, т. е. как раз того, что сейчас служит ядром нашей экономики. Если через 15 лет новая экономика не снизит потребление нефти и газа, то страну ждет «депрессионная модель». Видимо, России действительно ничего другого не остается, как внимательно приглядываться к инициативам соседей, делать из этих наблюдений правильные выводы и принимать адекватные меры.

<< | >>

↑

Источник: Новиков Ю. В.. Экология, окружающая среда и человек: Учеб, пособие для вузов, средних школ и колледжей. 2005

Еще по теме Водородная энергетика:

- Детская психология - Общая экология - Природопользование - Социальная экология - Экологический мониторинг - Экология города и региона - Экология человека -