Игорь Ландграф
Схема предоставлена автором
Понятие «водородная энергетика» сформировалось в середине 70-х годов XX столетия. Водородную энергетику можно определить как научно-техническое направление, охватывающее проблемы получения, хранения, транспортировки и использования водорода. По мере развития этого направления становились все более очевидными экологические и энергоресурсосберегающие преимущества водородных технологий в различных областях экономики. Успехи в развитии ряда водородных технологий (в первую очередь таких, как топливные элементы и системы хранения и получения водорода) продемонстрировали, что использование водорода приводит к качественно новым показателям в работе установок и систем, а выполненные технико-экономические исследования показали, что хотя водород является вторичным энергоносителем, его применение во многих случаях экономически оправдано и эффективно.
Работы в области водородной энергетики в большинстве промышленно развитых стран относятся к приоритетным направлениям развития науки и техники и находят все большую финансовую поддержку как со стороны государства, так и со стороны частного капитала.
Забытые инновации
В этом плане Россия отличается от зарубежных промышленно развитых стран в худшую сторону. Если финансовая поддержка, инвестиции в развитие водородной энергетики со стороны государства ощущаются, то активности в этом вопросе со стороны частного бизнеса не заметно. Широко разрекламированная в 2004 году «Норильским никелем» комплексная программа «Водородная энергетика и топливные элементы», к сожалению, не дала сколько-нибудь значительного импульса к развитию водородной энергетики в России и в 2008 году была свернута. Следует отметить, что технологии водородной энергетики в большинстве стран Евросоюза, в США, Японии, а также в России включены в перечень критических технологий, от уровня которых зависит безопасность страны.
Результаты разработок последних лет, обостряющиеся энергетические и экологические проблемы определяют основные направления развития нового рынка водородных технологий и использования водорода в качестве экологически чистого энергоносителя в ближайшей перспективе и общие для всех стран направления НИОКР.
Обширная сфера применения водорода
В настоящее время уже сформировался и нашел широкое распространение термин «водородная экономика». Под этим понимается экономика, построенная путем полной замены углеводородного топлива, получаемого из невозобновляемых ископаемых источников энергии, водородным топливом, позволяющим уменьшить выброс парниковых газов в окружающую среду.
Наблюдаемое в мире в последние десятилетия резкое увеличение интереса к водороду как к горючему и энергоносителю определяется следующими его основными особенностями:
– во-первых, запасы водорода практически не ограничены;
– во-вторых, водород – универсальный вид энергоресурса, он может использоваться в качестве горючего для производства электричества в рабочих циклах различного типа и в качестве энергоносителя для транспортировки в газообразном, жидком и связанном состояниях;
– в-третьих, при помощи водорода возможна аккумуляция энергии;
– в-четвертых, среди прочих видов органического топлива водород отличается наибольшей теплотворной способностью на единицу массы и наименьшим отрицательным воздействием на окружающую среду. Водород имеется повсюду в мире, правда, в природе он не встречается в чистом виде. Его необходимо извлекать или из углеводорода, или из воды. Вместе с тем запасы водорода, связанного в органическом веществе и в воде, практически неисчерпаемы. Энергосодержание 1 г водорода эквивалентно энергосодержанию около 3 г бензина. При использовании водорода в топливных элементах вследствие высокого КПД топливного элемента (в 1,5–3 раза больше, чем у двигателя внутреннего сгорания) эффективность водорода как топлива оказывается еще выше (примерно в 4–10 раз). Вместе с тем при переходе на водородное топливо неизбежно появление новых технических проблем, поскольку водород представляет собой искусственный энергоноситель, который должен быть получен из существующих в природе веществ. В водородной экономике водород, подобно любому другому коммерческому продукту, проходит несколько стадий между получением и использованием. После получения он должен быть упакован путем сжатия или сжижения, транспортирован наземными или морскими транспортными средствами и сохранен в системах хранения до передачи потребителю. Жизненный цикл водорода заканчивается после его полного использования потребителем. Водород может быть получен различными путями с использованием широкого диапазона технологий. Некоторые из них применяют установившиеся промышленные процессы, тогда как другие находятся еще на лабораторной стадии. Способы производства водорода можно разделить на электрохимические, химические и физические, хотя последние следует скорее отнести ко второй стадии химического способа.
Интерес представляют уже апробированные технологии, а именно:
1. Получение водорода из углеводородных соединений – конверсия природного газа, метанола, дизельного топлива, бензина и пр.; газификация угля.
Самым оптимальным из них по затратам представляется способ, заключающийся в выделении водорода из природного газа с помощью пара.
2. Получение водорода из воды
2.1. Электролиз – разложение воды с образованием газообразного водорода и кислорода при пропускании через воду электрического тока
2.2. Разложение воды гидрореагирующими металлами – алюминием, магнием, железом
3. Получение водорода из гидридов и боргидридов металлов
Наиболее практически приемлемый – боргидрид натрия, но исходный продукт и продукты реакции крайне токсичны.
Водород, произведенный из природного газа, обходится в несколько раз дешевле электролизного водорода. Поэтому основным способом получения водорода в России в настоящее время является метод каталитической конверсии природного газа с водяным паром.
В 80-х годах прошлого века общий объем производства водорода в СССР составлял около 3 млн т в год, из них доля электролитического водорода составляла около 300 тыс. т, то есть около 10%. Подобная структура производства водорода сохранилась и в настоящее время. Другие способы получения водорода:
– с использованием ядерной энергии;
– с использованием возобновляемых источников энергии, например электролизом воды за счет энергии солнца, ветра, гидроэнергии; за счет переработки биомассы;
– как побочный продукт некоторых производств, например при электрохимическом получении хлора.
Создание компактных, надежных и недорогих систем хранения и транспортировки водорода является одной из ключевых проблем развития водородной энергетики. Сложность этой задачи определяется тем, что в свободном состоянии водород – самый легкий и один из самых низкокипящих газов. Достаточно сказать, что в жидком и твердом состояниях водород более чем на порядок легче воды и на порядок легче бензина.
 |
| Путь преодоления энергетического кризиса специалисты видят в развитии малой распределенной энергетики. Схема из презентации автора |
Наиболее известный способ хранения, а также транспортировки водорода – это газобаллонный в сжатом состоянии. По своим массогабаритным характеристикам и по взрывопожаробезопасности он не полностью удовлетворяет условиям эксплуатации в наземном транспорте и в морских условиях. Взрывопожароопасным является и еще один известный вариант хранения и транспортировки водорода – в криогенном виде. Несмотря на то что этот вариант хранения широко применяется в космической технике, он имеет существенные недостатки, не позволяющие применять его в иных транспортных и тем более в стационарных энергоустановках. Следует упомянуть еще один способ транспортировки водорода – трубопроводный. С точки зрения безопасности наиболее предпочтительный способ хранения и транспортировки водорода – связанное хранение. Перспективность такого способа определяется следующими особенностями:
– накоплением водорода в составе гидридов, используемых как промежуточный продукт при транспортировке и хранении;
– генерацией водорода непосредственно в месте его потребления;
– использованием принципа аккумулятора с возможностью многократной зарядки и разрядки без замены сорбентов;
– возможностью практически неограниченного во времени бездренажного хранения водорода;
– относительно низкими давлением и температурой в процессе эксплуатации.
Относительными недостатками этого способа являются большая удельная масса системы хранения и высокая стоимость.
Наряду с технологией получения и хранения водорода другой важнейшей технологией водородной энергетики является технология топливных элементов и батарей топливных элементов.
Вариант топливных элементов
Топливные элементы (ТЭ) относятся к химическим источникам тока.
Топливный элемент – электрохимическое устройство, подобное гальваническому элементу, но отличающееся от него тем, что вещества для электрохимической реакции подаются в него извне – в отличие от ограниченного количества энергии, запасенного в гальваническом элементе или аккумуляторе.
Топливные элементы осуществляют превращение химической энергии топлива в электричество, минуя малоэффективные, идущие с большими потерями процессы горения.
Топливный элемент в результате высокоэффективного «холодного горения» топлива непосредственно вырабатывает электроэнергию.
Хотя открытие топливного элемента англичанином У. Гровом произошло сравнительно давно, в 1838 году, их интенсивное развитие началось всего несколько десятилетий тому назад, особенно после создания твердополимерного электролита.
Топливные элементы являются ключевым звеном в энергоустановках, работающих на водородном топливе. Топливные элементы не являются конечным рыночным продуктом. Во-первых, мощность единичного ТЭ довольно мала, во-вторых, ТЭ не могут функционировать без соответствующей инфраструктуры.
ТЭ конструктивно оформляются в батареи топливных элементов (БТЭ), которые представляют собой сборку параллельно-последовательно соединенных топливных элементов для набора напряжения, тока и мощности, оснащенную устройствами подачи топлива и окислителя, отвода продуктов реакции (вода) и теплоты.
Следующий уровень – электрохимический генератор (ЭХГ). Это энергоблок, состоящий из батарей топливных элементов, систем хранения и подачи топлива и окислителя, отвода продуктов реакции и теплоты.
Электрохимическая энергоустановка на топливных элементах (ЭУ с ТЭ) – это установка, предназначенная для выработки электрической энергии (и теплоты), включающая в себя ЭХГ, устройства для преобразования напряжения и тока (например, инвертор) и систему утилизации теплоты, генерируемой в ТЭ, например, для теплофикации (низкопотенциальная теплота) или получения электрической энергии (высокопотенциальная теплота) в паровой или газовой турбине (в концевом цикле). Актуальность широкого внедрения ЭУ с ТЭ в экономику связана прежде всего с истощением запасов топлива и ухудшением экологической ситуации.
В этом смысле энергетические установки на топливных элементах вне конкуренции. Их коэффициент полезного действия по электричеству может достигать 70% (комбинированные высокотемпературные ЭУ), а количество вредных выбросов на несколько порядков ниже, чем у энергоустановок машинного типа. Именно это явилось причиной и движущей силой интенсивного развития в последние годы водородной энергетики во всем мире.
Итак, основными преимуществами ЭУ с ТЭ по экономическим и потребительским качествам являются: значительно меньшие выбросы вредных веществ в окружающую среду; значительно меньшие показатели уровня шума и вибрации; эффективное использование топлива и высокий КПД; низкие затраты на эксплуатацию (не требуются замена масла, присутствие оператора); плавные вольтамперные характеристики, высокая маневренность и эффективность во всем диапазоне нагрузок. В развитых и развивающихся странах Европы, Азии и Америки действуют национальные программы развития водородной энергетики и началось внедрение ЭУ с ТЭ в различные отрасли хозяйства при поддержке государства. Так, в Японии по национальной программе NEDO с 2005 года установлено более 2 тыс. энергоустановок с ТЭ для домашнего использования, суммарная наработка которых составила 4,87 млн кВт-ч. В США при поддержке государства только одной компанией UTC Power установлено 278 стационарных электростанций PureCell(TM) 200, которые наработали суммарно более 1 млрд кВт-ч. Интенсивные исследования и опытные работы по созданию энергоустановок судового назначения с использованием топливных элементов ведутся в Финляндии, Норвегии и Швеции.
Для всего промышленно развитого мира водородная энергетика и ЭУ с ТЭ давно уже не экзотика, а одно из самых перспективных научно-технических направлений развития экономики и один из самых перспективных и желанных инновационных продуктов, стремительно завоевывающий рынки малой, рассредоточенной, автономной энергетики, уже нашедший применение в стационарной и транспортной энергетике, занимающей обширную область от портативных источников тока мощностью в десятки и сотни ватт до достаточно крупных энергоустановок, мощность которых составляет несколько мегаватт.
Пути решений для России
Совершенно очевидно, что Россия должна войти в число разработчиков и поставщиков новой высокотехнологичной продукции, поскольку именно это предопределит путь инновационного развития отечественной энергетики. Основные причины, препятствовавшие развитию в России в начале XXI века водородной энергетики и топливным элементов, состояли в следующем:
– отсутствие национальной программы по разработке, производству ТЭ и энергетических установок на их основе;
– отсутствие целевого государственного финансирования фундаментальных, прикладных исследований и разработок в области ТЭ;
– неразвитость и неготовность промышленной базы для производства ТЭ и энергетических установок на их базе;
– неготовность частного бизнеса по-настоящему субсидировать фундаментальные и прикладные исследования;
– отсутствие четкой и ясной государственной политики и реальной поддержки работ по экологически чистым ресурсо- и энергосберегающим технологиям.
Они были сформулированы руководством «Норильского никеля» и, к сожалению, во многом актуальны и для сегодняшнего дня. Будущее развития энергетической отрасли в России все чаще связывают с малой и альтернативной энергетикой. Необходимость перехода на автономные источники питания обусловлена развитием отечественной экономики, что вполне закономерно приводит к увеличению потребления электрической и тепловой энергии в промышленно развитых регионах России. Кроме того, есть необходимость в пересмотре устаревших программ энергетического обеспечения целого ряда регионов, в первую очередь Крайнего Севера, которые просто не имеют альтернативы малой энергетике, так как около 60% территории России не подключено к централизованной энергетической системе, при этом здесь проживает более 20% наших граждан.
Этим определяется потребность в высокоэффективных и экологически чистых ЭУ с ТЭ, работающих в непосредственной близости от жилья или производств.
Дефицит электрической и тепловой энергии в первую очередь затрагивает производство. Возрастающие тарифы на электроэнергию и тепло «ударяют по карману» не только владельцев предприятий, но и простых потребителей. Существует повышенная аварийность, так как большая часть энергооборудования устарела и требует замены. Путь преодоления энергетического кризиса специалисты видят в развитии малой распределенной энергетики (МРЭ). Проблема будет стоять не столь остро, если часть инфраструктуры районов и отдельные предприятия оснастить автономными энергоустановками, мини-электростанциями мощностью от 0,1 до 50 МВт. Децентрализованные формы обеспечения энергией поселков и малых городов как составная часть МРЭ – вполне реальная перспектива в условиях назревшего энергетического кризиса и гарант защиты от перебоев в централизованной электросети.
1. Энергоустановки на топливных элементах в России найдут самое широкое применение в большинстве отраслей экономики страны.
2. Отечественный рынок ЭУ с ТЭ практически неисчерпаем, и уже на сегодняшний день его ожидаемая емкость составляет десятки миллиардов евро. Однако реальное наполнение российского рынка отечественной продукцией возможно только при активной поддержке разработчиков изделий водородной энергетики и топливных элементов как со стороны государства, так и со стороны частного капитала уже на стадии НИОКР. В противном случае российский рынок ЭУ с ТЭ будет в самое ближайшее время «оккупирован» зарубежными поставщиками.
3. Для стимулирования развития отечественных водородной энергетики и ЭУ с ТЭ, негосударственных компаний к инвестированию в указанную область необходимо внесение соответствующих изменений в законодательство страны. Тут примером может быть законодательство США и стран ЕС.
Статья подготовлена на базе доклада, прочитанного в Ганновере в 2013 году.
