10 Апреля 2018

Водородная энергетика в наше время: особенности, преимущества и перспективы

Опубликовал К.В. Кулик

         Поиски дешёвого, доступного, а главное, экологически безопасного источника энергии уже достаточно долгое время осуществляются специалистами в области энергетики. Он должен быть неисчерпаемым и доступным для того, чтобы замещать традиционные энергоресурсы, снижая их долю потребления. При этом себестоимость такого вещества не должна превышать цену всё тех же традиционных сырьевых источников, как природный газ, нефть и уголь. Почему так? Потому что в случае дороговизны или эквивалентной стоимости такого сырья экономически невыгодно внедрять что-то новое, тратить на специальное оборудование большие средства, а потом ждать, когда это всё окупится, если можно продолжать закупать традиционные для энергетики ресурсы по такой же цене, а то и дешевле.

         Ситуацию на планете нельзя назвать стабильной и точно прогнозируемой. Всему виной не только глобальные экологические проблемы, обостряющиеся с каждым годом всё сильнее. Прежде всего, нестабильность вносят политические аспекты взаимоотношений между странами, а также войны, в том числе и за ресурсы. Поэтому зависимость от традиционных энергоресурсов во многом порождает не только экологические и экономические проблемы, но и невыгодные зависимости там, где вполне можно было их избежать, если бы совершился переход на альтернативные энергоносители.

         Таким широкоиспользуемым энергоресурсом вполне может стать водород. Он уже местами конкурирует с электричеством. Его запасы безграничны и обладают возобновляемостью, ведь помимо воды, источниками такого сырья могут быть и растения, и биомасса, и отходы.

       Водород и его преимущества перед другими видами топлива

         Водород практически не встречается в чистом виде. Поэтому для добычи этого вещества используют водородосодержащие соединения, которые с помощью температурного воздействия «отпускают» его из своего состава. Различают промышленные и лабораторные способы получения водорода. Последние используют различные окислительные процессы, производимые с металлами.

         Промышленный же способ получения водородной энергии таков, что при совместном сгорании вещества с кислородом образуется вода и выделяется некоторое количество теплоты. Такое горение не образует вредных для окружающей среды выбросов, в том числе диоксида углерода. При сгорании его с доступом кислорода снова образуется вода, вводимая заново в оборот. Это делает такой источник энергии самовозобновляемым, а отсутствие вредных веществ – экологичным и безопасным для окружающей среды. Использование такого типа топлива снижает токсичность выбросов, продуцируемых традиционными видами энергетического сырья. Она снижается как минимум в 4 раза.

         Самым старым в мире считается способ получения водорода при помощи процесса газификации угля. Для этого он нагревается до диапазона температур от 800 до 1300 градусов Цельсия. Обязательным условием протекание данного процесса является отсутствие воздуха. В 2003 году правительством США было инициировано запуск проекта Future Gen, который использует именно этот принцип получения водорода. Целью этого проекта стал максимальный захват диоксида углерода СО2 – около 90%, что составит до 2 млн. тонн его в год. Планировалось забирать и 100% этого вещества, а проектная мощность должна была составить 275 МВт. В 2008 году Future Gen был приостановлен из-за своей дороговизны, однако вскоре был возобновлён – спустя фактически год. Планируется снабжать полученным водородом турбины электростанций для выработки электричества, также часть его направлять для использования в качестве топлива автомобилей. Запасы вещества планируется закачивать в подземные хранилища.

         Процесс метановой конверсии производится в больших трубчатых печах, к стенкам которых подводится необходимое для начала процесса тепло. В её процессе расщепляются метан и водяной пар на отдельные составляющие – водород и диоксид углерода.

         В наше время водород в основном применяется в производстве бензина и аммиака, метанола, пластмасс, мыла, также в некоторых видах сварки.

         Теплота сгорания водорода является самой высокой и составляет около 120 ГДж на одну тонну вещества. Нефть и природный газ являются углеводородами, однако при их сгорании образуется теплота на 30-40% меньше той, которую выделяет водород.

         По сравнению с бензином водород в качестве топлива эффективен на 200% больше. Его КПД для двигателя внутреннего сгорания составит величину от 50 до 70% превышающую такой же показатель бензинового двигателя. Расход топлива при этом будет ниже существенно, и это уменьшение составит до 40% в соотношении с используемым безводородным топливом. При этом идёт постепенное уравнивание стоимости бензина с водородом. Также, водород можно получить из биомассы, и это осуществляется несколькими путями – термохимическим или биохимическим способами.

         В Японии, США, ряде других развитых стран уже ведётся перевод многих отраслей производства и транспортной инфраструктуры на водород. Тем убедительней будущее этого топлива в связи с тем, что ныне ведущие автомобилестроительные компании разрабатывают и внедряют новые технологии для работы двигателей, которые используют водород. Их можно увидеть практически на любой выставке достижений автомобилестроения. У водорода есть также и далеко идущие перспективы в области ракетостроения.

         Следует отметить, что вплоть до сегодняшнего дня пока что не существует единой экономически выгодной технологии получения энергии водорода. Распространённым способом водорода в промышленности является следующий: под давлением идёт смешивание метана и водяного пара. Для протекания этого процесса используется катализатор. Таким способом пользуются для выделения более чем половины всего используемого на текущий момент водорода. Нельзя сказать, что данный способ является безопасным и полностью не вредит окружающей среде, поэтому рядом исследовательских центров ведутся глубокие изучения механизма данного процесса с точки зрения экономической эффективности и безопасности производства вещества.

         Технологии получения водорода есть к чему стремиться и меняться. На данном этапе развития энергетики все современные способы получения водорода при помощи топлива являются переходным этапом. Целью является переход на более передовые с точки зрения прогресса способы, менее затратные финансово, и более практичные во всеобщем применении.

         Использование водорода в качестве источника энергии и его характеристики

         Двигатели, работающие на топливе, производимом из водорода, были разработаны в США в 80х годах. Запасы собственных ресурсов в Соединённых Штатах не так велики, и поэтому ими постоянно ведутся исследования альтернативной энергетики, равно как и в Европе. Внимание многих специалистов привлекло именно использование водорода благодаря ряду характеристик этого вещества.

         Водород – бесцветный газ без вкуса и запаха, легче воздуха в 15 раз. В природе ввиду своей большой химической активности обычно встречается в виде соединений, таких, как например вода, метан, соли и кислоты различных веществ. Теплота его сгорания весьма высока – порядка 2800 градусов Цельсия. Благодаря чрезвычайно высокой скорости движения своих элементарных частиц это вещество быстро растворяется даже в металлах. Для промышленности очень ценно ещё одно свойство этого газа – он является хорошим восстановителем. Развитие всех областей промышленности повышает потребность в нём всё больше и больше, ведь он участвует в таких основополагающих процессах химической промышленности как производство аммиака, гидрокрекинга и гидроочистки целевых продуктов от серы в нефтехимической отрасли. Он необходим в производстве метилового спирта и гидрогенизации жиров. Высокая температура горения водорода нашла применение в металлургии для того, чтобы сваривать тугоплавкие металлы. Для этого он комбинируется в паре с электрической дугой. Также он нашёл своё применение в системах охлаждения сложных электрических установок.

         Различают три изотопа водорода: протий, дейтерий, а также нестабильный тритий, являющийся радиоактивным и используемый в производстве плутония. Имеет высокое содержание энергии в соединении с О2, заключённое в единице массы, которая при этом составляет сравнительно малую величину. Это имеет огромное значение для аэрокосмической промышленности – высокая энергетическая ценность наряду с небольшим объёмом и весом топлива здесь ценится особенно. Водород имеет небольшую вязкость, что значительно облегчает его транспортировку в трубопроводах, а также его закачку в хранилища. Теплопроводность этого газа сопоставима с теплопроводностью металлов. Этот элемент является наиболее распространённым во Вселенной – доля его содержания  составляет порядка 92%, именно он формирует межзвёздное вещество. Свечение звёзд образуется в процессе сгорания этого вещества в их составе. Солнце состоит, по крайней мере, наполовину из водорода. Поэтому когда мы говорим о жизни на нашей планете, ею мы обязаны прежде всего той энергии, которую выделяет светило при сгорании именно этого вещества. Стоит ли говорить, что водород связан с кислородом в самом привычном для нас виде – как вода, без которой также невозможно всё живое.  

          Развитие технологии получения водородной энергии заинтересовало и ряд других стран мира, ресурсозависимых от ОРЕС (Организации стран экспортёров нефти) и прочих мировых лидеров газо- и нефтедобывающей промышленности. Экологичность этого вида топлива и безопасность для окружающей среды привлекательна и для стран, не имеющих проблем с добычей и производством нефти и природного газа, как например России.

         Европейские программы энергетической независимости предусматривают локальные установки для выработки энергии или домашние электростанции. Мощность такой установки составляет до 5 кВт, что означает полное обеспечение нужд пользователя такой сети без необходимости утилизации остаточной энергии. Также достоинством такой системы является отсутствие потерь на пути к пользователю, что происходит тогда, когда электричество преодолевает километры по линиям электропередач, пока наконец попадает к потребителю.

         Это решает множество проблем, которые существуют в текущих энергосистемах, например, проведение ЛЭП в труднодоступные регионы не потребуется, если там будут повсеместно установлены такие локальные сети, использующие водород в качестве топлива. Это позволит стать таким областям независимыми от централизованного энергоснабжения, что повышает надёжность получения электричества пользователями.

         Основная проблема, тормозящая всеобщий переход на водородную энергию заключается в её высокой себестоимости. Поэтому главные направления исследований посвящены именно этому вопросу. Основания заниматься вкладами именно в эту отрасль альтернативной энергетики очень весомы, потому что водород как топливо универсален и чист, а также более доступен.

         Попытки использования водорода в энергетике предпринимались в начале 30х годов в Канаде на одной из гидроэлектростанций, однако спустя десятилетие от них было решено отказаться и перейти на использование природного газа. В основном специалисты вели разработки, направленные на внесение конструктивных изменений в двигатели внутреннего сгорания, чтобы они могли использовать в качестве топлива водород. Во время войны такие исследования только увеличили свою динамику. Этому послужила практическая ценность водорода в качестве топлива для подводных лодок, а также применимость его в далеко не мирных целях – в создании оружия.

         Период особой заинтересованности в топливе, которое могло бы заменить нефть, припал на времена нового энергетического кризиса – 70-80е годы. В этих годах была создана Международная ассоциация по водородной энергетике. Однако заинтересованность в развитии этой технологии снова резко упала с удешевлением привычных энергоресурсов.

         Если подвести итоги – всякий раз когда человечество испытывает острую нужду в топливе, которое было бы дешёвым, эффективным и энергетически ценным, интерес к альтернативной энергетике возрастает и эта область исследований получает финансирование. Когда нефть и газ дешевеют, заинтересованность в развитии вновь затухает до лучших времён. Однако для разработки и внедрения технологии, которая будет постепенно вытеснять привычные теплоэлектростанции, виды топлива и опасные для окружающей среды вещества в производстве необходимо стабильно и осознанно её развивать.

          В производстве водорода существует одна особенность – его вырабатывают зачастую для своих собственных потребностей, и только около 5% всего объёма этого вещества выводится на продажу и интенсивна в Западной Европе. Он не продаётся так, как все привычные энергоресурсы, и цены на него зависят от чистоты газа и партии, которая закупается. Торговля ведётся в тех местах, где построены и оборудованы специальные магистрали.

     Водород и его получение при помощи альтернативных источников энергии

  • Энергия солнца. Как уже говорилось ранее, Солнце выделяет огромное количество теплоты при сгорании водорода. Солнечный свет, преломляясь в атмосфере, теряет часть той энергии, которая, выражаясь более простым языком, была заключена в его лучах, однако доносит до поверхности Земли достаточное её количество, чтобы использовать в качестве возобновляемого альтернативного ресурса. При использовании параболической тарелки  можно добиться диапазона температур достигающих 2730 градусов. При этой температуре происходит распад на водород и кислород с выделением большого количества тепла обычной молекулы воды. Однако, для того, чтобы вырабатывать такую энергию потребуется большой объём воды. Это решаемо, если использовать морские ресурсы. Однако минусом такой системы является её нестабильность – если солнце скрывается за тучами более чем на полчаса, процесс останавливается.
  • Энергия ветра. В США на протяжении десятка лет ведутся разработки по добыче водорода из ветра. Для этого построена экспериментальная установка с ветрогенератором, и ведутся постоянные наблюдения для проведения дальнейших расчётов и сбора статистических данных. Ветрогенератор производит энергию, необходимую для получения водорода, таким образом, процесс может длиться постоянно.
  • Путём получения из биомассы. Выделяется водород термохимическим методом – при нагревании до высоких температур, достигающих порога в 800 градусов. Однако эта процедура обходится дорого – до 7 долларов за килограмм вещества. Также используется биохимический метод, когда водород выделяют с помощью бактерий.
  • Путём получения из отходов. При сбраживании и горении мусора также выделяется водород, который легко захватить и использовать, например, для работы автотранспорта, работающем на этом виде топлива.

   Интересные факты о водороде

  1. Существует ещё один способ выделения водорода – с использованием «тяжёлой воды», которая используется в тяжеловодных реакторах и атомной энергетике. Её структура отличается от привычной для нас воды тем, что состоит из атомов изотопа водорода – дейтерия. Она не является токсичной или радиоактивной, однако при больших количествах введения в живой организм может вызвать половую дисфункцию. Если выпить стакан воды из реактора, вред для организма будет несущественным. Тяжёлая вода используется как замедлитель нейтронов в реакторах.
  2. Водород – самое лёгкое вещество. Благодаря этому свойству его использовали при заправке дирижаблей Zeppelin, однако разгерметизация дирижабля Гинденбурга с последующим взрывом при соприкосновении газа с воздухом вынудила отказаться от использования водорода в этом качестве.
  3. Автомобили, работающие на водородном топливе, не выделяют в процессе работы вредных для окружающей среды выхлопных газов и составляют большую конкуренцию для электромобилей, популярность которых в современном мире растёт.
  4. Воду, которая является побочным продуктом производства энергии из водорода, употребляют в пищу космонавты, поскольку она является практически идеально чистой.
  5. Если наполнить вместо привычного гелия воздушный шар водородом, его скорость составит 85 км/час.
  6. Для сжижения водорода необходимо достичь температуры в -252,78 градуса Цельсия, что достигается при сильном давлении. 
  7. 88,6% всех атомов во Вселенной – это водород.
  8. Название водорода – «гидроген» – было предложено химиком Лавуазье и, в переводе с греческого, означает - «порождающий воду». По аналогии с греческим языком в русскоязычной среде был принят термин «водород».
  9. Японскими учёными был установлен тот факт, что  водород имеет большое значение для поддержания молодости в человеческом организме, поскольку его действие происходит на молекулярном клеточном уровне. Он насыщает клетки организма, удерживая их стенки и структуру в тонусе, обеспечивая их эластичность, а значит, стойкость к износу и старению и является антиоксидантом.
  10. Водород является одной из пищевых добавок, а точнее второстепенным элементом в производстве, и зарегистрирован под кодом Е949.
  11. Наряду с другими газами водород использовался людьми для освещения издревле.
  12. Вырабатываемый в цикле солнечных электростанций и ветрогенераторов избыток энергии может быть использован в производстве водорода
  13. В килограмме водорода заключается в несколько раз больше энергии, чем в таком же количестве бензина и эквивалентен 3,8 л этого топлива.
  14. Преимущества двигателя, работающего на водородном топливе, включают в себя и одну конструктивную особенность – они масштабируются. Это значит, что в отличие от двигателей электромобилей их можно применить и в габаритном транспорте.
  15. Топливные баки для водорода в транспорте являются пуленепробиваемыми и их конструкция более устойчива для коллизий, чем сама машина.
  16. Гидроген является единицей отсчёта Периодической системы Менделеева.
  17. Для того чтобы водород стал твёрдым веществом, его необходимо сжать при огромном давлении, достичь которого может только сверхмощная установка, конструкция которой позволяет его выдержать. Такое вещество называется металлическим водородом.
  18. Из-за своей потенциальной взрывоопасности при вступлении в контакт с воздухом водород нельзя назвать действительно безопасным для человека газом. Также им невозможно дышать.

       Перспективы развития водородной энергетики

         На сегодняшний день водородная энергетика развивается по двум основным направлениям - разработка эффективных методов добычи водорода, которые могут стать широкоиспользуемыми, однако при этом будут максимально дешёвыми и экологично безопасными для окружающей среды; при этом должна быть широко распространена и развита инфраструктурная сеть, позволяющая дешево и оперативно транспортировать. перекачивать и сохранять добываемый водород. Это значит, что добиться подобных результатов в условиях сложившихся мировых тенденций можно только комплексно, объединив усилия. Поэтому многие ведущие европейские страны уже объединяют усилия в поисках новых технологий и методов, которые совершат прорыв в данной области. В этом плане особенно выделяется Западная Европа, которая, как говорилось ранее, ведёт активные поиски на данном направлении. Именно в этой части Европы имеются развитые трубопроводные магистральные системы, позволяющие доправлять полученный водород от поставщика к птребителю. Исследования также на уменьшение загрязнения окружающей среды особенно актуальны в последние десятилетия. Однако нельзя абсоллютно точно перечислить все имеющиеся на сегодняшний день в Западной Европе разработки, которые ведутся в данных направлениях, ведь пока что отсутствует общая полная база данных, которая включала бы все наработки водородной области энергетики. 

         Помимо исследований, также ведутся различные программы, направленность которых - популяризация и поощрение развития водородной энергетики. ни ведутся по определённому, чёткому плану, согласованному между странами, которые принимают участие в этих проектах. Одной из самых известных является программа "Энергия, окружающая среда и устойчивое развитие". В её состав входят не только мероприятия, а и многие проекты, финансируемые правительством и крупными инвесторами.

         Среди них стоит отметить проекты, направленность которых - на исследования техники, которая может работать на водороде, сбор статистических данных и обработка их для последующей систематизации, изучение законодательных стандартов стран и подведение их под общую базу для использования водородной энергетики, разработки новых концептов техники, которая уже работает на водородосодержащих топливных элементах. 
Флагманов исследования и внедрения водородной энергетики в Европе несколько - это Австрия, Германия, Италия и Исландия, ставшая первой страной, практически полностью отказавшейся от ископаемых ресурсов в пользу водорода. В этой стране существует программа, нацеленная к 2030 году полностью исключить загрязнение воздуха.

         Можно подсуммировать, что успех внедрения водородной программы и развития этого вида энергетики в целом зависит от уровня международного сотрудничества и комплексных мероприятий, направленных на популяризацию и применение новых технологий. Пока что этот уровень не является достаточно высоким. Однако в перспективе заинтересованность в переходе на этот вид энергетического топлива будет только развиваться, ведь он имеет для этого все возможные предпосылки и преимущества перед традиционными видами топлива, особенно если будет разрешён вопрос о снижении себестоимости его добычи.