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
|