книги / Стратегия устойчивого развития

ГЛАВА 18. ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

Переходотиндустриального кпостиндустриальному технологическому способу производстваприводиткпринципиальноновомууровнюэнергопотребленияитребует реализации новых подходов к повышению энергоэффективности. В этих условиях через 30–50 лет, когда замена углеводородной энергетики на любые виды неядерной энергетики не представляется реалистичной, выход из создавшейся ситуации угрозы глобального энергодефицита представляется путем перехода на водород как основной энергоноситель. Это позволит создать принципиально новую водородную энергетику, которая явится научно-техническим прорывом и станет по своему значению и социально-экономическим последствиям сопоставимой с такими революционными воздействиями на цивилизацию, которые оказали электричество, двигатель внутреннего сгорания, химия и нефтехимия, информатика и связь.

Весь ход истории развития общества свидетельствует о том, что оно находится на пороге новой энергетической эры – эры водородной энергетики. Если нефть

игаз завоевали энергетический рынок в промышленно развитых странах примерно за полвека, то в нынешних условиях, при резком обострении энергетических и экологических проблем, смена главного энергоносителя цивилизации на водородный, по всей вероятности, займет гораздо меньше времени. Сроки и закономерности перехода будут определяться конкретными обстоятельствами каждой страны, каждого региона: запасами ископаемых топлив, экономически доступными ресурсами других энергоисточников, темпами роста энергопотребностей, уровнем науки и техники. Однако такой переход неизбежен.

Анализ создавшегося в последние десятилетия на планете положения с обеспеченностью энергоисточниками позволяет сделать два основных вывода. Первый – на Земле достаточно первичных энергетических источников, способных обеспечить все возрастающие энергетические потребности на необозримый срок: энергия Солнца, ядерная, термоядерная, геотермальная энергия, энергия Мирового океана и др. Второй – проблема не в первичных энергоисточниках, которых на планете достаточно, а в том, как преобразовать их в энергию, пригодную для технически возможной

иэкономически доступной транспортировки без значительных потерь от мест получения к конечному потребителю и отвечающую все возрастающим требованиям к ее качеству при использовании в промышленности, транспорте, сельском хозяйстве, жилищно-коммунальном секторе.

Вэтом отношении водород может рассматриваться как наиболее близкое к идеальному топливо, отвечающее основным требованиям:

– ресурсы сырья для его производства экономически и географически доступны

ипрактически неисчерпаемы;

–он обладает высокой теплотворной способностью (120 Дж тепловой энергии на 1 т Н2 – у бензина всего 47 Дж);

–водород и продукты его сгорания нетоксичны, при его сгорании не образуются парниковые газы;

232

–водородуниверсаленприиспользовании,удобенприхранении,транспортировке, отпуске конечным потребителям через традиционные распределительные системы;

–по своим свойствам водород как топливо близок к легко транспортируемым

иуниверсальным, используемым у большинства потребителей, углеводородным энергоносителям – нефти и газу.

Эти особые свойства водорода как топлива позволяют ему занять особое место среди энергоносителей, и в случае его использования как основного источника энергии человечество может перейти в новую эпоху своего развития – водородную экономику, которая позволит решить ряд глобальных проблем, в том числе и избавиться от нарастающей угрозы глобального потепления.

История использования водорода как топлива насчитывает более 150 лет. В 1820 году В. Сесил предложил использовать водород для привода в движение машин, а в 1841 году был выдан патент на двигатель, работающий на смеси водорода

икислорода (Великобритания).

ВГермании Х. Тейтман построил двигатель, работающий на смеси воздуха и водорода (1852). В 30-х годах XX века использовались водородные двигатели на дирижаблях фирмы «Цеппелин», в Лондоне Р. Эррен разработал и практически осуществил перевод нескольких типов автомобильных двигателей на водород, в том числе

идизельных, установленных на автобусах.

Благодаря работам ученых России (школа Н.Н. Семенова), Германии, Англии, США к началу Второй мировой войны были созданы научные и технические основы использования водорода как топлива, в том числе и в автомобильных двигателях внутреннего сгорания.

В70-х годах XX века начался новый активный этап в развитии водородной энергетики. В 1974 году была образована Международная ассоциация водородной энергетики(МАВЭ), кудавошелиСССР. ВэтотжепериодвРоссиибылразработан энерготехнологический вариант водородной концепции «Атомно-водородная энергетика

итехнология», одобренный на государственном уровне.

В70–80-х годах XX века в России была практически полностью сформирована концепция водородной энергетики (ВЭ), включавшая ряд основных положений:

–производство водорода из воды с использованием невозобновляемых (уголь, природный газ, атомная итермоядерная энергия идр.) ивозобновляемых источников энергии (солнце, ветер, энергия морских приливов, биомасса и др.);

–транспортировка и хранение водорода;

–использование водорода в промышленности, транспорте (наземном, воздушном, водном и подводном, космическом) и в быту;

–проблемы надежности водородной техники и безопасность водородных энергетических систем и проблема материалов (водородостойкие конструкционные материалы, функциональные материалы – катализаторы, мембраны, материалы – накопители водорода).

Вконце XX века в России были созданы и испытаны опытные образцы легковых

игрузовых автомобилей, работающих на водороде и бензоводородных смесях.

233

Вэтот же период в России были созданы системы хранения водорода на борту транспортных средств – металлогидридные, газобаллонные, криогенные.

Вбольшинстве развитых зарубежных стран в 80-х годах XX века стало развиваться водородное движение. В Японии, Германии, США к началу XXI века были разработаны крупные проекты по развитию ВЭ на среднесрочные и более отдаленные перспективные периоды до 2020, 2050, 2070 годов.

Особых успехов добились в США, где идет становление водородной энергетики.

ПопрогнозамэкспертовСША, спроснанефтьнавнутреннемрынкеэтойстраны должен увеличиться к 2025 году примерно на 50 %. Одновременно возрастет зависимостьотимпорта: есливнастоящеевремязасчетпокупаемойзарубежомнефтиудовлетворяется 55 % внутренних потребностей американской экономики, то к 2025 году этот показатель превысит 68 %.

Серьезное беспокойство по этому поводу заставляет правительство США ежегодно направлять на реализацию программ в области водородной энергетики около 300 млндолларов. В2003 годупрезидентСШАД. Бушпровозгласил«Инициативувобласти водородного топлива», задача которой заключается в ускорении необходимых исследованийиразработокпосозданиюидемонстрациивозможностейновыхтехнологий. Программа предусматривает выделение в течение пяти лет (2004–2008 годы) на работы в области водородной энергетики в общей сложности 1,2 млрд долларов, из которых 720 млн предназначено на проведение научных исследований и разработок. Президентская инициатива призвана способствовать принятию частным сектором решений о коммерциализации и выводу на рынок технологий водородного топлива к 2015 году и получению ощутимых результатов по замещению нефти и ослаблению вредного воздействия на окружающую среду после 2030 года. В рамках этой инициативы поставлена, в частности, цель оказать американской промышленности помощь в разработке к 2015 году практичных, отвечающих критерию «стоимость – эффективность» технологий для автомобильной промышленности.

В США в 2002 году была разработана национальная программа перехода к водородной экономике, получившая название National Hydrogen Energy Technology Roadmap, где определены необходимые для этого меры по проведению научных исследований, разработокидемонстраций, обеспечениюпараллельногоразвитиянорм, правилистандартов, позволяющихинтегрироватьновыетехнологиивкоммерческие энергетические системы, и осуществлению программ обучения руководителей местных органов власти, от которых в конечном итоге зависит судьба новых технологий.

В феврале 2004 года Министерство энергетики США опубликовало интегрированный план проведения НИОКР и демонстраций в области водородной энергетики (Hydrogen Posture Plan), который охватывает проблемы производства водорода, формирования необходимой инфраструктуры (включая доставку и хранение водорода) и производства топливных элементов для стационарных и транспортных приложений.

234

Этот план предполагает полный переход к водородной энергетике к 2030–2040 годам в четыре основных этапа. Этап I (Technology Development Phase) предусматривает проведение исследований и отработку технологий с учетом требований потребителей и реализацию деловых кейсов, способствующих принятию решений о коммерциализации. Этап II (Initial Market Penetration Phase) связан с началом коммерциализации переносных и стационарных энергетических систем или транспортных средств и началом инвестирования в формирование инфраструктуры при политической поддержке со стороны правительства. НаэтапеIII(InfrastructureInvestmentPhase)водородныеэнергетическиеитранспортные системы становятся коммерчески доступными. Кроме того, реализуется ряд коммерческих инфраструктурных проектов. В ходе этапа IV (Fully Developed Market and Infrastructure Phase) водородные энергетические и транспортные системы становятся коммерчески доступными во всех регионах страны, сформирована национальная инфраструктура водородной энергетики.

Всилу высокой неопределенности с получением необходимых результатов на стадии НИОКР этап принятия решения о коммерциализации новых технологий предшествует этапу инвестирования в развитие инфраструктуры.

Всоответствии с планом Министерства энергетики федеральное правительство будет играть ключевую роль в освоении новых технологий в краткосрочной перспективе, покаонинаходятсявстадииразработкиидемонстрациинаотносительноузких рынках. В среднесрочной перспективе федеральное правительство возьмет на себя функции по ранней адаптации новых технологий и выработке политики, которая будет способствовать развитию возможностей промышленности по обеспечению поставокнарынокзначительныхобъемовводородноготоплива. Рольпромышленности

восвоении новых водородных технологий на более поздних этапах начнет постепенно становиться доминирующей.

По оценке Министерства энергетики, для построения водородной энергетики

вСША необходимо достижение следующих ключевых ориентиров:

–создать системы хранения водорода для автомобиля, вес которых не превышает 9 % от общего веса, а запасы топлива обеспечивают без перезаправки пробег не менее 300 миль;

–производить водород из природного газа или жидкого топлива по цене 1,5 доллара за галлон в бензиновом эквиваленте;

–создать автомобильные топливные элементы на основе полимерных электролитныхмембран, которыебудутвырабатыватьэнергиюпоудельнойцене30–45 долларов на киловатт и гарантировать 5000 ч работы без дополнительного обслуживания;

–создать не дающих выбросов углерода предприятия по производству водорода из угля по себестоимости 0,80 доллара и цене поставки 1,8 доллара за галлон в бензиновом эквиваленте;

–разработать технологии доставки водорода по цене 1 доллар за галлон в бензиновом эквиваленте.

235

Запериодс2002 по2004 годысебестоимостьтопливныхэлементовуменьшилась на38 %.Дляобеспеченияконкурентоспособноститопливныхэлементовсдвигателями внутреннего сгорания необходимо снизить этот показатель еще в четыре раза.

Для обеспечения скорейшего получения необходимых результатов в США ведется работа по формированию двух партнерств Министерства энергетики с промышленностью: Freedom CAR по созданию автомобилей на водородном топливе и SECA (Solid State Energy Conversion Alliance) по созданию твердоокисных (solid oxide) топливных элементов.

Существенный импульс развитию водородной энергетики в России и странах НАТО придали высокие темпы гонки вооружений и освоения космоса, во время которой достигнуты значительные успехи в использовании водорода как топлива для ракетных носителей, подводных лодок и в авиации.

Водороднаяэнергетиканасовременномэтаперазвитияивближайшие20–30 лет становитсясерьезнымконкурентомуглеводороднымэнергоносителям. Особенноэто очевидно при сравнении объектов водородной энергетики с тепловым электростанциями (ТЭС).

Традиционные ТЭС характеризуются низким КПД (около 40 % на органическом топливе), большим количеством загрязняющих веществ в выбросах, значительными потерями при транспортировке электричества на большие расстояния, отчуждением больших земельных территорий под линии высоковольтных электропередач, отсутствиемвозможностинакопленияихраненияэлектроэнергииприпериодическомсниженииспросаупотребителейэнергиинижеоптимальныхнагрузок. Этихнедостатков лишена водородная энергетика. Водород является экологически чистым видом топлива, при сжигании которого образуется вода без загрязнения окружающей среды, типичного для сжигания углеводородного топлива (углекислый газ, окись и двуокись углерода, сернистый газ, зола, углеводороды, органические перекиси, соли тяжелых металлов и т. д.). Водород обладает более высокой теплотворной способностью по сравнению с бензином.

Водород можно транспортировать по трубопроводам, как природный газ, что дешевле, чем передача электроэнергии на расстояния более 100 км по подземному кабелю или воздушной линии электропередачи.

Водород можно получать из угля, нефти, природного газа или путем электролиза воды.

Большинство исследователей считают, что одним из наиболее перспективных методов является получение водорода из воды.

Для получения водорода из воды пригоден в принципе любой метод, позволяющий с помощью внешней энергии разорвать валентную связь Н–О–Н. К этим методам относятся: электролитическое расщепление (электролиз), воздействие высокотемпературного тепла (термолиз), воздействие излучения (фотолиз и радиолиз). В качестве первичных энергетических источников для реализации любого из них рассматривают прежде всего ядерную (деление или синтез) и солнечную энергии.

236

Дляпрямоготермическогоразложенияводытолькозасчеттепла, какпоказывают простейшиетермодинамическиерасчеты, требуетсяподдерживатьтемпературуоколо 3500°C.Веститакойпроцесспрактическинереально.Поэтомувсеисследованиявэтом направлении сводятся к поиску методов терморазложения воды при технологически приемлемых температурах – не более 1000 °C. Теперь уже совершенно очевидно, что добиться желаемого можно, лишь пожертвовав простотой системы. А один из возможных непростых путей – вести процесс через промежуточные реакции: связывания воды, отщепления водорода и кислорода, регенерации реагентов, т. е. получать водород с помощью термохимического цикла (ТХЦ). В таком цикле все компоненты системы, за исключением воды, полностью регенерируются за счет потребляемого тепла, а максимальная температура процесса тем ниже, чем больше промежуточныхстадий.Несмотрянамножествоинтересныхлабораторныхразработок, которые обещают в будущем большие выгоды, в настоящее время в промышленных масштабах используются более простые методы, например двухстадийный термо-, электрохимический сернокислотный цикл получения водорода:

SO2 + 2 H2 O→ H2 SO4+H2

(электролиз);

H2 SO4→ H2 O + SO2 + Ѕ О2

(термолиз).

Расходэлектроэнергиисоставляетздесьлишь15 % необходимогодляэлектролиза воды с использованием современных электролизеров. В таком цикле сочетаются простота электролитического и высокий КПД термохимического способов. Возможно, уже в недалеком будущем сернокислотный метод составит конкуренцию конверсионным процессам получения водорода на основе органического топлива.

Внастоящее время трудно оценить, какой из методов получения водорода окажется в обозримом будущем экономически и экологически приемлемым для энергетики. Носовершенноочевидно, чтополучениетопливаизводы, причемвдостаточно широких масштабах, – дело не столь уж отдаленное.

Внастоящее время в мире производят более 20 млн т водорода в год и потребляют его в основном как химическое, а не энергетическое сырье, для производства аммиака и удобрений, удаления серы из газообразного топлива, для гидрогенизации угля и других видов топлива. Водород открывает новые перспективы и в металлургии. Он может служить не только источником тепла, но и как вещество, заменяющее уголь и кокс в процессе восстановления железа. При этом исключается выброс вредных газов, вырабатываемых металлургическими предприятиями.

Использование водорода в качестве топлива (как заменителя природного газа) возможно на различных установках и приборах конечного применения: водонагревателях, отопительных печах, в двигателях внутреннего сгорания, тепловых электростанциях, ракетно-космической технике.

237

Массовое применение водорода вместо природного газа или других видов углеводородного топлива сдерживается в силу рада барьеров: экономических, технических и социальных.

Экономические барьеры определяются относительно высокой стоимостью получения водорода из нефти, угля и природного газа на современных технологических установках. Энергия, получаемая из такого водорода, стоит дороже в несколько раз, чем от эквивалентного количества углеводородного топлива. Так, по сравнению со сжиганием бензина, водород обходится в 3,5 раза дороже.

Получение водорода путем электролиза воды требует большого количества электроэнергии. Расходы электричества могут быть снижены путем внедрения современных методов: электролиза воды термолитическим методом с применением катализаторов, полупроницаемых мембран, высокотемпературного электролиза водяного пара. Это позволит получать водород по цене ниже электрического тока, расходуемого на электролиз. Окончательная цена водорода для потребителя при этом будет более приемлемой по сравнению с ценой на электроэнергию, так как расходы на его транспортировку и распределение будут меньше. Экономические барьеры будут преодолены благодаря техническому прогрессу в методах получения водорода. В долгосрочной перспективе водород будет обходиться дешевле природного газа и электричества.

Технические барьеры на пути водородной энергетики успешно преодолеваются уже в настоящее время за счет внедрения экономичной производительной аппаратуры (термогальванические электролизеры, плазмотроны, мембранные технологии)

испособов хранения водорода не только в хранилищах и емкостях в газообразном

исжиженном состоянии, но и в виде синтезированных соединений, например гидридов металлов.

Социальные барьеры на пути широкого использования водорода вместо других энергоносителей вызваны предубеждением широких слоев населения и потребителей против якобы повышенной взрывоопасности водорода и его смесей с воздухом по сравнению с другими видами топлива. Эти барьеры успешно преодолеваются путем проведения разъяснительной работы и повышения экологической грамотности населения. Растущие объемы потребления водорода в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания в ряде европейских стран (городские автобусы в Голландии, ФРГ) свидетельствуют о преодолимости социальных барьеров.

Исландия провозгласила себя одной из первых стран, переходящих на водородную энергетику. По прогнозам специалистов, основанным на результатах анализа существующей практики, за водородной энергетикой в среднесрочной и особенно в долгосрочной перспективе – большое будущее.

Вхождение в жизнь водородной энергетики повлечет за собой серьезные структурные изменения в мировой экономике в целом. Изменятся правила игры в экономических отношениях между производителями энергоносителей, компаниями, обеспечивающими их транспорт и хранение, конечными потребителями.

238

Несмотря на очевидные экологические преимущества водородной энергетики по сравнению с традиционной углеводородной и ядерной, имеются и недостатки при глобальном использовании водорода как основного энергоносителя в виде угроз климату планеты.

Опираясь на результаты компьютерного моделирования, исследователи Калифорнийскоготехнологическогоинститута(США) утверждают, чтомассовыйпереход на водород в качестве топлива для автомобильных и других двигателей может способствоватьдеградацииозоновогослоя, особеннонадполюсами, атакженекоторому охлаждению атмосферы.

Вжурнале«Science» группаамериканскихученыхопубликоваларезультатысвоих исследований. Она утверждает, что быстрое расширение «водородной» индустрии может обернуться весьма ощутимыми климатическими изменениями и ростом озоновых дыр.

Исследователи утверждают, что в случае полной замены водородом всех других используемых ныне видов топлива значительные его количества будут попадать

ватмосферу из-за утечки из труб, топливных терминалов, заводов и различных двигателей. Предположительно, ежегодно таким образом может теряться от 10 до 20 % производимого водорода – около 60 млн т. Выделение такого количества газа может привести к утроению количества водорода, поступающего в атмосферу (кроме искусственных существуют также природные источники водорода).

Благодаря своей легкости водород быстро поднимается в верхние слои атмосферы и, достигнув стратосферы, взаимодействует с кислородом, образуя воду. Современное содержание водорода в стратосфере составляет 0,5 объема на 1 млн объемов воздуха, и увеличение его количества приведет к образованию большего количества водяного пара. Как сообщает Трейси Тромп (Tracey Tromp), согласно результатам компьютерного моделирования, предполагаемое увлажнение стратосферы повлечет снижение ее температуры приблизительно на 0,5 °С. Понижение температуры будет особенно заметно в области полюсов, где образуется большинство водяного пара, и проявится, в частности, в более позднем приходе весны.

Описанное явление, по утверждению авторов, будет способствовать нарушению процессов образования озона и увеличению озоновых дыр над полюсами – на 8 % над Северным и на 7 % над Южным.

Известно, что сокращение выбросов хлорфторуглеводородов (ХФУ) большинством развитых стран должно обеспечить некоторое восстановление озонового слоя приблизительно за 50 лет. С учетом этого представляется важным, насколько скоро водородная промышленность приобретет значительные масштабы: через 20 лет, когда атмосферная концентрация ХФУ будет еще достаточно высокой, или к середине столетия, когда их содержание будет значительно ниже. Тем не менее, и это отмечают сами исследователи, прогнозы относительно опасности выбросов водорода

ватмосферу весьма и весьма относительны. Цикл водорода остается исследованным не до конца, а поскольку недостаточно полно изучена схема процессов круговорота водорода в природе, пока не представляется возможным делать более конкретные

239