Энергетическое завтра

А.Л.Дмитриев, гл. науч. сотр., д.т.н., ФГУП "РНЦ "Прикладная химия", Санкт-Петербург

Cегодня начинается третий бум водородной энергетики, когда она становится центром внимания всех энергетических программ мира. Около половины всей энергии, вырабатываемой сегодня в мире (учитывая транспортную составляющую), производится за счет использования углеводородных энергоносителей,  и в первую очередь – нефтепродуктов, запасы которых не безграничны. По оценкам экспертов, их хватит еще на тридцать, максимум – сто лет.

Второй глобальной проблемой современной энергетики является ухудшение окружающей среды, вызванное в частности, огромными выбросами токсичных продуктов сгорания и парниковых газов (в основном диоксида углерода).  В крупных городах в качестве основного энергоносителя используется природный газ (82%), 14% – моторное топливо. Основные экологические проблемы создает использование моторного топлива (49%). Для города с численностью населения в 1 млн. человек ущерб от выделения выхлопных газов в окружающую среду оценивается в 25,5 млн. долл. Потребление кислорода при сжигании углеводородов в 15 раз превосходит его поступление обратно в атмосферу. Транспорта все больше, а растений все меньше. И они уже не справляются с восстановлением этого дисбаланса.

В связи с этим в различных странах, в зависимости от  природных условий и научно-технического потенциала, в качестве альтернативы ископаемым энергоносителям рассматривается применение возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Например, в странах  Европейского союза планируется к 2020 году снижение выбросов парниковых газов  на 20% по сравнению с 1990 годом за счет выработки электроэнергии от ВИЭ (в основном ветровой, солнечной,  биомассы), а  к   2050 году   доля ВИЭ в выработке электроэнергии в ЕС должна составить  60-80% .  Вводятся более жесткие стандарты на бензин (евро-3, евро-4), ограничивающие вредные выбросы в атмосферу.       В США большие усилия сосредоточены на программах разработки новых моторных топлив и, в частности,  по замене  бензина этанолом, который должен поставляться из Колумбии.

Однако в глобальном масштабе указанные проблемы могут быть решены только на основе использования ВИЭ и водорода в качестве энергоносителя. Водородная энергетика (экономика) должна решить две основные проблемы углеродной энергетики: восполнение убывающих запасов ископаемых энергоносителей за счет использования воды  в качестве  неограниченной  сырьевой  базы  для получения нового энергоносителя - водорода и экологическую проблему, т.к.  продуктами сгорания или окисления водорода являются пары воды.

Впервые о водородной энергетике всерьез заговорили в 1970-х гг., во время первого нефтяного кризиса, связанного с Арабо-Израильской войной и решением ОПЕК сократить нефтедобычу и почти вдвое увеличить цены на нефть. Сокращение поставок ближневосточной нефти заставило развитые страны серьезно задуматься о развитии альтернативных источников энергии.

В основу концепции водородной энергетики положены три составляющие:

• получение водорода из воды с использованием возобновляемых источников энергии (в будущем  - солнечной и термоядерной энергий);

• создание эффективных, надежных и безопасных водородсодержащих материалов, способных достаточно долго хранить водород и выделять его при необходимости в энергосистему;

• создание систем для транспортировки, хранения и использования водорода в промышленности, на транспорте, в быту.

Какие проблемы решает водородная энергетика?

В настоящее время первоочередным является применение водорода в автотранспорте. Причем для этого могут быть использованы  как существующие двигатели внутреннего сгорания (ДВС), так и более эффективные и энергично развиваемые электрохимические генераторы (ЭХГ) на топливных элементах (ТЭ). Благодаря прямому преобразованию в ТЭ химической энергии топлива в электрическую, электрический КПД в ЭХГ может достигать 45-50%, а  с учетом получаемого тепла до 85%.  Продолжительность работы такой энергоустановки (ЭУ), в отличие от электроаккумулятора, определяется лишь запасом топлива (см. Табл. 1).

Таблица 1.Сравнительные параметры энергоустановок

Параметры

ДВС

Аккумулятор свинцовый

ТЭ

КПД, %

34-36

60-75

45 (85)

Nуд., Вт/кг

150-170

30-40

60-200

Q, Втч/кг

105 – 106

20-80

>105


Практически все крупные автомобильные фирмы мира проводят работы в этом направлении. Президентом США провозглашена программа создания автомобиля с «нулевой» токсичностью. В Японии поступают на рынок так называемые «гибриды», в которых в городской черте движение осуществляется благодаря аккумуляторной батареи, которая будет замещаться ЭХГ, работающем на водороде с воздухом. Однако для широкой коммерцилизации рынка ЭХГ необходимо снижение их стоимости  до 100 -500долл./кВт (при современной стоимости в несколько тысяч долларов).

Рассматривается  применение стационарных водородных энергоустановок для получения электроэнергии и тепла на отдельных предприятиях, в отелях, жилых домах, больницах   и других объектах. Это будет  способствовать децентрализация большой энергетики, замене  ими городских ТЭС, АЭС Для выработки электроэнергии  могут использоваться как паротурбинные установки, так и ЭХГ на топливных элементах. Децентрализация позволит  не только более сбалансировано обеспечивать энергией потребителей, но и избавиться от многих бед, связанных с протяженными энергосетями.

Одной из проблем большой энергетики является суточная неравномерность потребления электроэнергии. Водород – единственный универсальный энергоноситель, который может аккумулировать  и конвертировать электроэнергию в больших объемах. Поэтому сглаживание графика пиковых нагрузок может быть достигнуто с помощью водородных блоков, устанавливаемых на крупных ТЭС, АЭС. Затраты в сотни миллионов долларов на строительство специальных гидроаккумулирующих электростанций могут быть направлены на модернизацию и повышение эффективности работы действующих энергообъектов.

Применение водородных блоков на установках ВИЭ позволяет накапливать электроэнергию в периоды отсутствия ветра, солнца или других возобновляемых источников электроэнергии.

Разработка   миниатюрных ТЭ для электронной аппаратуры,  должна заменить собой менее эффективные существующие литиевые элементы, батарейки  и др. Это направление получило название «портативная» водородная энергетика. В качестве источника  водорода при этом рассматривается применение  химических соединений (например, амминборатов), наноструктур, спиртов и др.

Что препятствует широкому применению водородной энергетики сегодня?

Камнем преткновения является практически  отсутствие в природе запасов свободного водорода. Задачей водородной энергетики является получение водорода из воды. Перевод хотя бы части автотранспорта на водород потребует огромных энергетических затрат, что на сегодняшний день не выполнимо. Поэтому в настоящее время рассматриваются более дешевые методы получения водорода.Высока и стоимость капитальных затрат на создание  инфраструктуры для производства, хранения, транспортировки и применения водорода в различных энергосистемах.

торой проблемой  является  хранение водорода на борту транспортного средства. Экономически оправданным является использование водорода в транспортных системах при следующих параметрах: при плотности не менее 45 кг/м3 с массовым содержанием в баке  6-7%. В настоящее время указанные проблемы решаются разработкой специальных конструкционных материалов для создания облегченных и прочных баллонов и поиском обратимых абсорбентов водорода, отвечающих требованиям конкретных технических задач.

Еще одной важной проблемой, над решением которой работают многочисленные зарубежные и отечественные фирмы, является разработка надежных и дешевых ТЭ, отвечающих требованиям по мощности и ресурсу.

На сегодняшний день существуют пока лишь опытные и экспериментальные образцы транспортных и энергетических систем (не считая ракетной техники), использующих в качестве топлива водород. Например, опытные автомобили фирмы BMW имеют криогенные баки с запасом водорода, обеспечивающего пробег без дозаправки в 320 км. Существуют опытные автомобили и заправочные станции в Германии и США. Значительные успехи в разработке опытных образцов ЭХГ и водородных баков достигнуты в Японии. В нашей стране экспериментальные исследования с  автомобилями и  ДВС, работающими на водороде, проводились еще в 1980-е годы в Институте проблем машиностроения  в Харькове. В настоящее время  над водородным автомобилем работают (в порядке частной инициативы) на фирме ОАО «Автоваз», в ГНЦ РФ ФГУП «Центральном научно-исследовательском автомобильном и автомоторном институте «НАМИ» и др.

Производство водорода

Десятки лет водород в больших количествах производится как сырье для химической промышленности. Химики получают водород из природного газа для производства  аммиака, метанола и других продуктов  последующей химической переработки. Полученный таким образом водород имеет большое количество (до15%) примесей, что делает его непригодным для непосредственного применения в ТЭ или сжижения..

Поэтому требуется его дополнительная очистка  до содержания основного элемента 99,999%. Затраты на очистку чуть ли не в несколько раз превосходят расходы на его получение.

Универсальна и экологически безопасна технология получения водорода путем электролиза воды. Но это производство требует большого количества электроэнергии и поэтому должно быть приурочено к месту ее производства, т.е. к гидро- и атомным электростанциям. С каждым годом добыча традиционных углеводородов становится все дороже и через два–три десятка лет эти затраты сравняются с расходами на электролизные технологии. К тому же совершенствуются и сами электролизеры.

Интенсивное развитие ЭХГ на водородных топливных элементах и необеспеченность их  электролитическим водородом стимулировало разработку компактных реакторов (риформингов), в которых производится наработка водорода из углеводородного сырья (например, природного газа ) с его последующей очисткой и использованием в ЭХГ. Указанные  риформинги предполагается использовать не только в стационарных энергоустановках, но и на транспортных системах. Рассматриваются и другие методы получения водорода для относительно небольших энергоустановок (мощностью 10-300 кВт), например, взаимодействием некоторых металлов или их гидридов  с водой.

Транспортировка и хранение водорода

В стационарных хранилищах водород хранится в газгольдерах под небольшим избыточным давлением, в стальных сосудах под давлением 150-350 бар. или в сжиженном виде (при температуре –253°С). Проблема возникает при использовании водорода на транспортном средстве. Выше уже отмечались экономически оправданные требования к таким системам хранения. Сегодня на базе многослойных металлопластиковых композитных материалов созданы баллоны, рассчитанные на давление до 350 бар. с удельным значением массы к объему 18-20 кг/м3. Разрабатываются баллоны для давлений 700 бар. с  объемной плотностью  до 30кг/м3 и  содержанием водорода свыше 6% масс.   Это позволяет увеличить протяженность  пробега автомобиля без заправки до 350км.

При больших объемах лучшие показатели дает хранение водорода в сжиженном виде. В свое время, при выполнении космического проекта «Энергия-Буран», криогенная инфраструктура в нашей стране была достаточно хорошо развита и налажена. Были разработаны промышленные криогенные резервуары для транспорта. Для автозаправочных станций и небольших по объему баков потребуется создание криогенных технологий на более высоком техническом уровне.

Третьим способом является хранение водорода в связанном состоянии,  в металлогидридных и интерметаллидных  соединениях  (ИМС).

Гидридные аккумуляторы основаны на способности водорода образовывать с металлами нестойкие соединения – гидриды, которые под воздействием температуры распадаются с десорбцией  водорода. Из ИМС  наиболее изучены соединения LaNi5 и ТiFе.  Практическое использование их ограничено низкой массовой  долей  содержащегося водорода  (1,4...1,7%) и высокой стоимостью (соответственно 50 и 25 долл./кг).

Состояние с разработкой топливных элементов

ТЭ со щелочным электролитом. Более дешевыми в изготовлении являются ТЭ со щелочным электролитом. Именно с их применения в 1960-е годы  в ракетно-космической технике и начались работы по широкому практическому использованию ЭХГ. Так в США щелочные ТЭ успешно использовались для программы Аполлон (высадка человека на Луну). В настоящее время они стоят на космических кораблях «Шаттлах». В нашей стране ЭХГ  типа «Фотон» мощностью 36 кВт на щелочных ТЭ был разработан в 1970-е годы Уральским химическим комбинатом по программе «Энергия-Буран». В этот же период в НПО «Квант» был разработан ЭХГ мощностью 280 кВт   для экспериментальной подводной лодки по проекту «Катран».  В щелочных ТЭ  в качестве окислителя применяется кислород для исключения  реакции щелочи с диоксидом углерода, содержащегося в воздухе.

Топливные элементы с твердым полимерным электролитом (ТПЭ). В автотранспорте рассматривается применение в основном ТЭ с ТПЭ, в которых роль  электролита выполняют  фторированные и перфторированные мембраны, обладающие относительно низким сопротивлением, высокой механической прочностью и наибольшей химической стойкостью. Стоимость такой мембраны очень высока. Например мембрана Nafion фирмы Дюпон стоит более 700 долл. за 1 м2. Другой дорогостоящей составляющей на ТЭ является использование в качестве электрокатализаторов платиновой черни. Поэтому мировые фирмы (Dow Chemical, Du Pount, Ballard Power Systems, Asachi Glass Co.; в России:  РНЦ “Курчатовский институт”, ЦНИИ СЭТ, Уральский химический комбинат, “Центр Келдыша” и др.) работают над снижением стоимости полимерной мембраны и уменьшением расхода платины.

В энергетике рассматривается применение и других типов ТЭ,   фосфорнокислотных (Tokyo Gas, Fuji Electric и др.), расплавкарбонатных (MTU и др.), твердооксидных (Westinghouse Electric Corporation и др.), позволяющих в несколько раз повысить температуру на электродах, а следовательно и КПД установок (до 60-70% выработки электроэнергии, а при комбинировании с газовой турбиной  - до 80%).). В основном это крупные стационарные энергоустановки с мощностью ЭХГ  от нескольких сот киловатт до 1 МВт и выше.

В фосфорнокислотных топливных элементах (рабочая температура 150–2200С) в качестве электролита используется фосфорная кислота. ТЭ этого типа с ресурсом более 40 тыс. часов разрабатывались в Японии, Европе и США для стационарного энергоснабжения.

Расплавкарбонатные топливные элементы с ресурсом 20 тыс. часов и рабочей температурой 600–8000С начали разрабатываться еще в 1940-е гг. Их производством сегодня занимаются такие компании, как «Fuel Cell Energy» (США) и «Motoren und Turbinen Union» (Германия). У нас разработкой этого типа ТЭ занимаются в ИВЭХ УрО РАН в Екатеринбурге и РФЯЦ ВНИИЭФ в Сарове.

Твердооксидные топливные элементы первоначально разрабатывались для стационарного применения. Компанией «Siemens Westinghouse Power Corporation» были разработаны мощные энергоустановки (до 250 кВт). Сейчас ведутся эксперименты по созданию энергоустановок небольшой мощности для использования в городском автотранспорте.

Отечественные организации ИВЭХ Уро РАН, РФЯЦ ВНИИТФ (г.Снежинск), ГНЦ РФ ФЭИ (г.Обнинск) также ведут разработку твердо-оксидных топливных элементов.

Для очистки водородсодержащего газа от примесей используются катализаторы на основе металлов платиновой группы, поэтому системы очистки повышают стоимость водородного энергоносителя. Разработкой неплатиновых катализаторов на основе сплавов платины, а также комплексных соединений, занимаются ФГУП « РНЦ «Курчатовский институт», Институт электрохимии РАН им. А.Н.Фрумкина, химфак МГУ.

Таким образом интенсивное развитие ТЭ привело к интенсификации работ по водородной энергетике в целом. Прогнозируется, что потенциальный рынок ТЭ на транспорте к 2020 году будет соответствовать суммарной мощности 57000 МВт. Наша страна, в связи с отсутствием требуемого финансирования, по данным разработкам отстает примерно на 10 лет.

Впервые явление протекания электрического тока за счет химической реакции окисления было открыто более 160 лет назад У. Грувом. С тех пор мировое научно-техническое сообщество сделало определенные шаги в развитии этого направления. А уже сегодня можно сказать, что начинается третий бум водородной энергетики, когда она становится центром внимания всех энергетических программ мира.

Огромный импульс развитию водородных технологий был положен в 1960-е годы в США и в нашей стране, когда стало ясно, что без использования водородного топлива невозможно вывести полезную нагрузку,  необходимую для высадки человека на Луну. Именно в эти годы впервые были разработаны технологии по производству  больших количеств жидкого водорода, его хранения, транспортировки, безопасного обращения с  газообразным и жидким водородом. Были разработаны ракетные водородные двигатели и ЭХГ на топливных элементах. В нашей стране основная часть работ с  водородом проводилась в Ленинграде в ФГУП «Прикладная химия» (бывшем ГИПХ). В дальнейшем указанные работы были продолжены по программе РКС «Энергия-Буран»,  по применению жидкого водорода в ЭХГ экспериментальной подводной лодки, в проверке эксплуатационных характеристик  водорода  в экспериментальном самолете ТУ-155.В настоящее время работы проводятся по созданию бортовой установки непрерывного получения водорода путем взаимодействия активных металлов с водой.

Водородная энергетика удовлетворяет всем важнейшим требованиям, предъявляемым к энерготехнологиям – экологической чистоты, высокой эффективности и децентрализованности. В США финансирование проблемы форсированного развития альтернативной энергетики из правительственных источников и от частных компаний исчисляется миллиардами долларов в год. Оставшиеся 20–30 лет «углеводородных каникул» надо использовать на создание развитой инфраструктуры для перевода в первую очередь мирового автомобильного парка на водородное топливо, которая включает: производство водорода в промышленных масштабах с высокой степенью чистоты (99, 999%), его сжижение для транспортирования к хранилищам и местам заправки, разработку автомобильных, железнодорожных  и других транспортных средств и хранилищ, либо его производство непосредственно на месте заправки, создание сети заправочных станций.

Реализовать столь капиталоемкую программу невозможно без активной государственной поддержки. Приоритетными мерами здесь являются законодательное и нормативное обеспечение, организация и стимулирование исследований новых технологий, создание принципиально нового   оборудования. Пока позволяют углеводородные ресурсы и время, необходимо разумно использовать шанс для технологической революции в энергетике.

назад

Материалы из архива

9.2009 АЭС – не игрушка

Владислав Егоров, депутат Законодательного собрания Нижегородской области: - Есть ли у российского правительства силы, энергия, воля для того, чтобы еще и создавать что-то новое, наукоемкое, технологичное и обеспечивать при этом безопасность граждан? У меня очень большие сомнения, что российская власть обладает сегодня этими качествами. Поняв это, граждане вправе не доверять ей в этом вопросе, поскольку при том развале научной и технологичной системы, который мы сегодня наблюдаем, нет никаких гарантий безопасности эксплуатации атомной станции.

11.2009 Щит будущих поколений

Евгений Трифонов, gazeta.ruОдин из главных вопросов оборонной политики России – разумно ли ядерное разоружение страны в условиях появления все новых и новых ядерных держав. Чуть более полумесяца остается до 5 декабря, когда Россия и США должны представить согласованный Договор по стратегическим наступательным вооружениям, но сблизить позиции двух стран пока не удается. Вашингтон желает сохранить жесткий контроль над российскими мобильными межконтинентальными баллистическими ракетами «Тополь», с чем не согласны в Москве.

5.2007 Атомная тройня

Дмитрий Кудряшов "РБК daily"Росатом выведет клонов «Атомстройэкспорта»Хотя структура «Атомэнергопрома» (АЭП) еще не определена, у чиновников уже появилось понимание, что в новый холдинг должно входить сразу несколько компаний, способных заниматься возведением новых АЭС под ключ. Такие структуры могут возникнуть на базе проектных НИИ в Москве, Санкт-Петербурге и Нижнем Новгороде, после акционирования они могут быть усилены инжиниринговыми, монтажными и строительными активами.