28 и 29 октября. Проблемы экологии в контексте цифровой трансформации общества... Архитектура. Инженерия. Цифровизация. Экология» пройдет в...


ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА


В. Накоряков, академик,
Ж. Розенберг, заместитель генерального директора
РАО «Норильский никель»


Человечество уже привыкло к тому, что более 85 процентов энергии в мире обеспечивается углеродосодержащими топливами, по 7 процентов — ядерной и гидроэнергетикой, 1 процент — за счет использования солнечной и геотермальной энергетики и энергии ветра. При этом углеродосодержащее топливо на 40 процентов обеспечивается нефтью, 32 процента — углем, 23 процента — природным газом. Однако сейчас, в результате тщательных анализов и продолжительных дискуссий, начинает преобладать мнение о том, что углеродная энергетика уже себя изжила и наступает эпоха водородной энергетики. Говорят даже и о «водородной экономике».

Соединенные Штаты Америки с населением 5 процентов от мирового потребляют 25 процентов мировой энергии. При достижении 95-ю процентами населения Земли уровня потребления энергии, достигнутого сегодня в США, будут использованы все углеродосодержащие топлива, и человечество окажется на пороге практической гибели в результате неизбежной и необратимой гибели природы.

Водородная революция стала необходимой, и американцы поняли это раньше всех в мире.

Еще в 1874 году в период угольной эры в энергетике Ж. Верн в своем романе «Путешествие на воздушном шаре» заявил о том, что вода будет «углем» будущего. «Я думаю, — говорил один из героев книги, — что вода будет применяться как топливо». Водород и кислород, которые содержатся в ней, будут вместе или по одиночке источниками тепла и света, и эти газы по своей производительности во много раз превосходят уголь. Это было предсказано 120 лет тому назад и удивительно, что сейчас все хором начали говорить о конце эры углеводородной энергетики и наступлении эры водородной энергетики, и возник термин «водородная экономика». Связано это с давно обсуждаемым многими учеными и экономистами будущим дефицитом запаса нефти, угля и природного газа. При существующей динамике роста населения и переходе таких стран, как Китай и Индия на увеличивающееся потребление электроэнергии, дефицит углеродосодержащих топлив будет огромен уже к 2030 году.

Кэмпбел и Лафери в 1988 г. в «Сайнтифик америкен» опубликовали анализ продуктивности 18000 месторождений по всему миру и пришли к выводу о начале падения производства нефти в мире в 2015 году. Оптимисты устанавливают другой срок — 2020 год. Не лучше обстоят дела с газом и углем.

Необходимость уже сейчас задуматься о скором сокращении возможностей Земли в обеспечении нас топливом — не единственная причина перехода к водороду как стратегическому топливу.

«Декарбонизация» энергетики диктуется также озабоченностью человечества потеплением Земли и экологическими следствиями выбросов углекислого газа, окислов азота, серы. Выступая на открытии водородной заправочной станции в Гамбурге, мэр города сказал: «Улицы в будущем будут тихими. Только шум шин и ветер будут сопровождать проходящие автомобили. Города будут чистыми, так как эмиссия будет по существу нулевой. Пешеходы не будут зажимать носы, а гости города будут по нему гулять, а не прятаться в кафе».

Сейчас в мире производится 400 миллиардов кубических метров водорода — это по энергетике соответствует 10 процентам производства нефти. В основном этот водород идет в химическую и пищевую промышленность. Интерес к водороду как к топливу обострился в 1990 году в связи с осознанием опасности СО2 эмиссии. Япония в 1993 году выделила 2 миллиарда долларов; США, Канада уже сейчас сделали экстраводородные программы приоритетными.

По прогнозам многих специалистов, к 2050 году треть производимой энергии должна быть покрыта водородом как источником топлива. Президент нефтяной компании «Шелл» Филл Ваттс заявил о подготовке к концу «углеводородной эры»; уголь, нефть, газ, заявил он, должны уступить дорогу новой энергетике, основанной на водороде. Он сообщил о том, что фирма «Шелл» вкладывает миллиард долларов в развитие методов генерации и использования водорода. Фирмы «Дженерал Моторс», «Дженерал Электрик», «Форд», «Сименс» уже вкладывают миллиарды долларов в работы по переводу автомобилей на водородное топливо.

Решение проблем водородной энергетики упирается в две задачи: производство водорода и его использование в качестве топлива. В производстве водорода сейчас два главных направления: традиционное — получение водорода с помощью обычных процессов реформинга натурального газа или реформинга угля с последующим транспортом водорода и использование его в разной форме; и второе направление — получение водорода из воды с помощью электролиза. Естественно, при электролизе для получения водорода необходима электроэнергия. Ветер, солнце, геотермальное тепло могут обеспечить электроэнергией производство необходимого количества водорода в мире с помощью обычного электролиза. При таких методах получения водорода минимизируется использование углеродосодержащего сырья, но главный вопрос — о методе использования водорода в энергетике.

Нет сомнения, что основным устройством для использования водорода будут топливные элементы. В топливном элементе происходит процесс, обратный электролизу. При электролизе в водном растворе к электродам подводится электрический ток, и на электродах выделяется кислород и водород в зависимости от полярности этого электрода. В топливных элементах к электродам подводится кислород и водород и генерируется электрический ток и водяной пар. Такие машины уже разработаны и задача сейчас — в повышении эффективности использования этих методов в комплексе с получением электроэнергии за счет возобновляемых ресурсов. Топливные элементы экологически стерильны, коэффициент полезного действия вместе с тепловыми насосами превышает 80 процентов. Распространение источников энергии, основанных на топливных элементах мощностью 15-200 кВт, создаст основу развития распределенной системы производства электроэнергии, когда производитель энергии является и потребителем. Предполагается, что каждый автомобиль будет в свободное от эксплуатации время вырабатывать электроэнергию. Агрегация индивидуальных производителей в систему произойдет в результате сети типа Интернет и в значительной мере на основе сети Интернет. Уже организуются ассоциации распределенных производителей энергии на основе топливных элементов, производителей водорода и его использования. Задача этих структур — разработка идеологии взаимодействия распределенных систем с уже существующими иерархическими мощными структурами. Системы распределенного производства энергии функционируют в Нью-Джерси, Калифорнии и других штатах США. Такой же процесс происходит во всех развитых странах. Водород и новые, основанные на топливных элементах, генераторы электроэнергии в комбинации с телекоммуникационными и компьютерными сетями откроют новую экономическую эру.

Большие энергетические компании мира уже выделяют средства для разработки топливных элементов, систем получения водорода с целью создания поля микроэлектростанций для потребителей электроэнергии.

Мировой бум по работам в области топливных элементов, методов получения водорода электролизом и использование вторичных энергоресурсов обошел, к сожалению, Россию. Работы по топливным элементам проводились интенсивно до перестройки во многих организациях. Топливные элементы разрабатывались для использования в космических аппаратах, для подводных лодок, в оборонной промышленности. К сожалению, применением топливных элементов в автомобильной промышленности в России не занимались и отставание здесь фантастическое. В академических институтах работа была сосредоточена, в основном, в Институте высокотемпературной электрохимии в Екатеринбурге (над высокотемпературными топливными элементами) и в Институте им. И. В. Курчатова в Москве. Сейчас наши успехи в этой области весьма скромны, мы отстали в мире снова на много-много лет. Российская академия наук и Сибирское отделение РАН имеют все возможности включиться в программу по водородной энергетике по направлениям катализа, разработке топливных элементов, использованию вторичных энергоресурсов для производства водорода. Институт катализа уже участвует в этом, организовывал конференцию по топливной энергетике, но его работы уходят за рамки просто топливных элементов. Создание катализаторов для водородной энергетики и для электролизеров нового типа для самих топливных элементов — в этом роль Института катализа может быть очень велика. В Институте теплофизики ведутся работы по контрактам над топливными элементами с протонными мембранами, которые работают на воде, и над электролизерами с протонными мембранами. Кроме этого, в Институте теплофизики действует демонстрационный стенд с высокотемпературным электролитом из расплава солей. Проводится успешная работа по твердооксидным топливным элементам. Учитывая, что в Новосибирске производятся тепловые насосы, возможно очень быстро освоить комбинацию: топливный элемент — тепловой насос. Генерация водорода на 100 процентов экологически чиста, если ориентироваться на использование вторичных энергоресурсов. Потенциал для этого в Сибири огромен, и заключается он в большом успехе ученых Сибирского отделения, в том числе в разработке полупроводниковых материалов для солнечной энергетики, в работах по использованию геотермального тепла Земли, в получении электрической энергии на станциях с низкотемпературными теплоносителями. Первая фреоновая станция 25 лет назад была построена Институтом теплофизики на Камчатке (Паратунка) и в книге Павезе «Зодчие XX века» отмечалась как одно из крупнейших инженерных достижений столетия. Используя опыт Паратунской станции, конструкторы из Харькова, когда-то проектировавшие часть комплекса, организовали фирму «Арманд» в Израиле. Сейчас эта фирма делает турбины на озонобезопасных фреонах. У нас имеется редкий шанс на основе сохранившегося инженерного опыта создать фреоновый стенд для генерации водорода с использованием результатов Сибирского отделения по разработке топливных элементов и электролизеров. Такая работа была бы перспективна для создания индустрии подобных машин. К тому же, мы имеем опыт по эксплуатации низкотемпературных турбин, которые могут использоваться для производства водорода. В этом убеждает опыт получения водорода с помощью турбин на аммиаке в Исландии.

Имеется много разработок и предложений по организации производства водорода с использованием ядерной энергии. Они основаны на двух методах: термохимического процесса и высокотемпературного электролиза. Над этим начинают работать в России и работают в Соединенных Штатах Америки.

Однако над всем миром висит тень Чернобыля, и нам лично этот путь не кажется привлекательным.

Энергия во всех формах лежит в основе жизни общества. Переход в «водородную» эру потребует решения фундаментальных проблем теплофизики, электрохимии, гидромеханики, катализа, материаловедения и т.п.

Россия сегодня 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. Однако ранее действовавшие мосты между фундаментальной наукой и промышленностью, в том числе бюрократические в виде ЦК КПСС, Госплана, ГКНТ и т.д., разрушены, а новые или не созданы вовсе, или как некоторые созданные, например, Минпромнауки России, слишком медленно ориентируются в свете глобальных задач человечества.

Пример с водородной энергетикой демонстрирует, что априорная расстановка приоритетов — вещь сомнительная.

В приоритетных направлениях Российской академии наук это направление практически не представлено.

Однако приятно отметить, что российские предприниматели чувствуют направленность научно-технического прогресса. Поэтому считаем, что на данном этапе локомотивом решения этой и сопряженных с ней проблем должен выступить крупный бизнес. Разработку топливных элементов много лет спонсирует известный предприниматель Л. С. Черной. Первые шаги в этом направлении делает «Норильский никель», заключивший с рядом научно-исследовательских организаций РАН соответствующие договоры.

стр. 8
http://www-sbras.ict.nsc.ru/HBC/2003/n46/f07.html