Перспективы развития водородной энергетики. Проблемы экономики, экологии
С водородной энергетикой (экономикой) связаны надежды на глобальное переустройство мировой экономики, к переходу от ископаемых углеводородных энергоносителей к водороду, что открывает возможность использования в качестве неограниченной сырьевой базы водные ресурсы, а продуктами сгорания водорода являются пары воды.
Энергетика – основа развития человеческой цивилизации. В настоящее время суммарное потребление энергии в мире составляет около 460 млн. ТДж в год и продолжает расти. Основными видами первичных энергоресурсов являются нефть, природный газ, уголь. В меньшей степени для получения электроэнергии используются также гидроэнергетика и уран. Ресурсы ископаемых энергоносителей, в первую очередь нефти, ограничены. Кроме того, использование углеродных энергоносителей является причиной нарастающего экологического кризиса, в том числе глобальных климатических изменений.
Отрицательные экологические последствия использования нефтяных топлив на транспорте в первую очередь заметны в крупных промышленных и культурных центрах. Например, для города с населением примерно 1 млн. человек на долю автотранспорта приходится примерно 70% от суммарного количества (несколько сот тонн в сутки) экологически вредных, в том числе токсичных выбросов, суммарный ущерб от которых составляет в год десятки миллионов долларов, хотя в общем энергетическом балансе города на моторное топливо приходится не более 20 %.
С водородной энергетикой (экономикой) связаны надежды на глобальное переустройство мировой экономики, к переходу от ископаемых углеводородных энергоносителей к водороду, что открывает возможность использования в качестве неограниченной сырьевой базы водные ресурсы, а продуктами сгорания водорода являются пары воды. В отдаленном будущем для получения электролитического водорода предполагается использовать в основном термоядерную, солнечную и другие возобновляемые источники энергии (ВИЭ).
Однако в настоящее время широкомасштабное производство водорода из воды ограничивается отсутствием необходимых свободных и дешевых энергетических мощностей. Например, для замены во всех странах моторного топлива водородом потребовалось бы 20 – 30 тыс. млрд. кВт.ч электроэнергии, в то время как мировая выработка ее составляет примерно 15 тыс. млрд. кВт.ч.
Тем не менее для улучшения экологической обстановки в городе уже в настоящее время необходимо и можно изыскать энергетические ресурсы для получения водорода.
Сюда можно отнести использование избыточных мощностей электрогенерирующих станций в ночные часы и выходные дни, когда спадает потребность в электроэнергии. Например, только на Ленинградской АЭС потенциал неиспользованной электроэнергии составляют порядка 400 млн. кВт.ч, в год ( в целом же по стране – примерно 20 млрд. кВт.ч, что на порядок превышает экономию электроэнергии с переходом на летнее время). Использование указанных мощностей дало бы возможность получать около 5000 т. жидкого электролитического водорода в год и обеспечить водородом около 3900 единиц автотранспорта ( в первую очередь грузового и автобусного ). Водород эффективен и в качестве присадки к моторному топливу. Например, 5 – 8 %вес. водорода на 70 %снижает токсичность выхлопа ДВС и повышает его экономичность. В этом случае количество автотранспорта, использующего то же количество водорода, увеличивается до 12 тыс. единиц. Экономические затраты на создание водородной инфраструктуры окупятся в течение нескольких лет за счет экономии бензина и снижения экологического ущерба.
Экономически оправданным и целесообразным являлось бы использование энергетических резервов, получаемых за счет снижения удельной энергоемкости экономики (примерно на 3,5 относительных % в год). Предварительная оценка показывает, что вполне реальной представляется задача постепенного перевода автотранспорта на водород, примерно в количестве 10 тыс. единиц к 2010 г. и 20 тыс. – к 2020 г. Для выработки электролитического водорода и его последующего сжижения потребуется около 1млрд. кВт.ч электроэнергии (при существующей технике электролиза и сжижения), что составляет соответственно 0,1 и 0,2% от объема потребляемой в стране в настоящее время электроэнергии. Стоимость капитальных затрат на водородную инфраструктуру (мощностью 12775 т водорода в год) составит примерно 95,7млн. долл.
При окупаемости в течении 5 лет (учитывается стоимость неиспользованного бензина (в ценах 2005 г.) и отсутствие экологического ущерба за счет токсичности выхлопа ДВС ) и – 3,3 года (учитывается отсутствие ущерба окружающей среде, наносимого в целом использованием нефти).
Развитие водородных технологий необходимо тесно увязывать с развитием в целом с ТЭК страны, экологической ситуацией, сложившейся в конкретном регионе, а также с Решением по Киотскому протоколу. Однако отставание в развитие водородных технологий от уровня передовых стран может привести к потере передовых позиций страны в энергетике и экономике.
Как наиболее реальными и экономически подтвержденными можно представить следующие основные этапы перехода к водородной экономике.
1 этап – 2010 г. Замена на автотранспорте нефтяных моторных топлив на природный газ в том числе – на сжиженный (СПГ), инфраструктура которого близка жидководородной.
2 этап – 2012 г. Наряду с применением в качестве моторного топлива СПГ, использование водорода в качестве добавки (5 – 8% ) к основному моторному топливу в ДВС или в электрохимических генераторах гибридных двигателей.
3 этап – 2020 г. Получение водорода с частичным использованием ВИЭ (по прогнозу их доля в производстве электроэнергии в мире возрастет до 18 – 20%) и переработанного угля.
4 этап – 2050 г. Перевод всех видов энергетики и транспорта на водород, производимый преимущественно от ВИЭ (к этому периоду их доля в выработке электроэнергии в мире составит примерно 40%), термоядерной энергии и угля.
Актуальность скорейшего перехода к водородным проектам позволила бы накопить опыт практической работы по созданию и освоению водородных технологий (производству, накоплению, транспортировки, созданию заправочных станций и др.), разработке необходимых для их безопасной эксплуатации кодов и стандартов, начать подготовку квалифицированных специалистов, повысить уровень доверия городского населения по отношению к водородному топливу. В конечном счете уровень освоения водородных технологий по прогнозам специалистов будет в будущем определять энергетическую и экономическую безопасность страны.