Понятие водородной энергетики

1. Понятие водородной энергетики. Её сущность, производство и основные направления

1. Водородная энергетика — развивающаяся отрасль энергетики, направление выработки и потребления энергии человечеством, основанное на использовании водорода в качестве средства для аккумулирования, транспортировки и потребления энергии людьми, транспортной инфраструктурой и различными производственными направлениями. Водород выбран как наиболее распространенный элемент на поверхности земли и в космосе, теплота сгорания водорода наиболее высока, а продуктом сгорания в кислороде является вода (которая вновь вводится в оборот водородной энергетики). Водородная энергетика относится к нетрадиционным видам энергетики.

В настоящее время существует множество методов промышленного производства водорода.

1. Паровая конверсия природного газа / метана:

В настоящее время данным способом производится примерно половина всего водорода. Водяной пар при  температуре 700° −1000° Цельсия  смешивается с метаном под  давлением в присутствии катализатора.

2. Газификация угля:

Старейший способ получения  водорода. Уголь нагревают при  температуре 800°-1300° Цельсия без  доступа воздуха. Первый газогенератор  был построен в Великобритании в 40-х годах XIX века. США предполагают построить электростанцию по проекту FutureGen, которая будет работать на продуктах газификации угля. Впервые  о планах подобного строительства  заявил еще о 2003 году министр энергетики США Спенсер Абрахам. Мощность станции  должна составить 275 МВт. Электричество  будут вырабатывать топливные элементы, используя в качестве горючего водород, получающийся в процессе газификации  угля.

3. Из атомной энергии:

Использование атомной энергии  для производства водорода возможно в различных процессах: химических, электролиз воды, высокотемпературный  электролиз. Ведутся работы по созданию атомных электростанций следующего поколения. Исследовательская лаборатория INEEL (Idaho National Engineering Environmental Laboratory) (США) прогнозирует, что один энергоблок атомной электростанции следующего поколения будет производить  ежедневно водород, эквивалентный 750000 литров бензина.

7. Электролиз воды:

H2O+энергия = 2H2+O2. Обратная  реакция происходит в топливном  элементе.

8. Водород из биомассы:

Водород из биомассы получается термохимическим, или биохимическим  способом. При термохимическом методе биомассу нагревают без доступа  кислорода до температуры 500°-800° (для  отходов древесины), что намного  ниже температуры процесса газификации  угля. В результате процесса выделяется H2, CO и CH4. Современные установки производят электричество из биомассы с КПД  более 30 %.

В биохимическом процессе водород вырабатывают различные  бактерии, например, Rodobacter speriodes.

Снижение цены водорода возможно при строительстве инфраструктуры по доставке и хранению водорода. В  США действует 750 километров, а в  Европе 1500 километров водородных трубопроводных систем. Трубопроводы действуют при  давлении 10-20 бар, изготовлены из стальных труб диаметром 25-30 см. Старейший водородный трубопровод действует в районе германского Рура. 210 километров трубопровода соединяют 18 производителей и потребителей водорода. Трубопровод действует  более 50 лет без аварий. Самый  длинный трубопровод длиной 400 километров проложен между Францией и Бельгией.

После небольших изменений  водород может передаваться по существующим газопроводам природного газа.

Водород в настоящее время, в основном, применяется в технологических  процессах производства бензина, и  для производства аммиака. США ежегодно производят около 11 миллионов тонн водорода, что достаточно для годового потребления примерно 35-40 миллионов  автомобилей.

Департамент Энергетики США (DoE) прогнозирует, что стоимость  водорода сравняется со стоимостью бензина  к 2015 году.

Малые стационарные приложения

Производство электрической  и тепловой энергии в топливных  элементах мощностью от 0,75 кВт. до 10 кВт.

Домашние энергетические станции имеют мощность 0,75 кВт. — 1 кВт., и предназначены для производства электроэнергии в течении 8 часов  в сутки, и производства тепла  и горячей воды 24 часа в сутки. 5 кВт. установки предназначаются  для нескольких коттеджей. Они зачастую предназначаются только для производства электроэнергии.

Популярность малых домашних комбинированных (электричество + тепло) установок связана с тем, что  они имеют высокий КПД, малые  выбросы СО2, легко могут быть встроены в существующую инфраструктуру. Такая энергетическая установка  занимает размер не больше домашнего  бойлера, может работать на природном  газе.

В 2005 году во всём мире было установлено более 900 новых малых  стационарных водородных энергетических установок (На 30 % больше, чем в 2004 году). За 2006 год во всём мире установлено  около 1500 новых малых энергетических станций. В конце 2006 года во всём мире эксплуатировалось около 5000 малых  стационарных водородных электростанций. В 2007 году во всём мире будет установлено  примерно 3000 новых стационарных установок мощностью до 10 кВт.

Доминируют две технологии: PEM (протон-обменная) и SOFC (твёрдо-оксидная). Около 75 % установок в 2005 году были изготовлены  по PEM технологии, около 25 % — SOFC.

Большая часть домашних станций  разработана для применения природного газа, пропана, очень немногие могут  работать с сжиженным нефтяным газом (LPG). Многие производители работают с керосином. Установки, работающие на керосине, начнут появляться в 2008 году.

2. Сейчас много говорят о развитии водородной энергетики (на Западе популярен термин «водородная экономика»). С ней связывают возможности уменьшить антропогенное воздействие на парниковый эффект, хотя научные доказательства происходящего глобального изменения климата, как результата антропогенного воздействия, отсутствуют. Тем ни менее, необходимо рассмотреть и такую проблему как усиление глобального парникового эффекта в результате антропогенного воздействия при массовом производстве и применении водорода, и влияние этого воздействия на защитный озоновый слой Земли.

По данным многих учёных, из 33,2 оС повышения  температуры в приземном слое атмосферы из-за парникового эффекта  только 7,2 оС обусловлено действием  углекислого газа, а 26оС – парами воды. Также известно, что при  сжигании углеводородного горючего, как и водородного, окислитель - атмосферный  кислород расходуется не только на образование углекислого газа, но и паров воды, создающих дополнительный парниковый эффект в приземном слое атмосферы.

То есть, даже с позиций сторонников  антропогенного происхождения глобального  потепления, рассматривать и квотировать  следует не только антропогенные  выбросы углекислого газа, но и  антропогенные выбросы водяного пара, иначе говоря, необходимо квотировать  суммарное антропогенное потребление  атмосферного кислорода. При таком  подходе в парниковом эффекте  будут учтены и выбросы «парникового»  углекислого газа и выбросы «парникового»  водяного пара.

Основным устройством для использования  водорода предполагаются топливные  элементы, в которых происходит процесс, обратный электролизу. Распространение  источников энергии, основанных на топливных  элементах мощностью 15-200 кВт создаст  основу для развития так называемой распределённой системы производства электроэнергии, когда производитель  энергии является и её потребителем. Тем самым можно будет избавиться от многокилометровых электрических  сетей и гигантских электростанций. Комбинация же «топливный элемент - тепловой насос» весьма перспективна для отопительного  теплоснабжения будущего.

Сегодня существует три основных способа  производства водорода, не связанные  напрямую с неизбежными значительными  выбросами двуокиси углерода, и так  оценённые за килограмм произведенного водорода в докладе US National Academy of Engineering:

- воздействие на природный газ  с помощью пара, что позволяет  связывать содержащийся в нём  углерод для последующего хранения, себестоимость $1,72;

- воздействие пара и кислорода  на угольный порошок, что опять  же позволяет связывать углерод  - $1,45;

- электролиз воды - $3,93.

Первые два способа, т.е. реформинг  природного газа и угля, требуют  для дальнейшего применения водорода потреблять из атмосферы кислорода  и, тем самым, делают атмосферное  природопользование в энергетике неизбежным. Поэтому такие технологии являются экологически неприемлемыми.

Электролиз воды, в том числе  с использованием протонных мембран  для электролизёров нового типа, позволяет  извлекать главное недостающее  звено водородной энергетики будущего - молекулярный кислород с последующим  его возвращением в природную  среду.

Запасы молекулярного водорода в Земле практически неисчерпаемы. Минеральная концепция происхождения  нефти и газа, исходящая из космогонической  истории углеводородов, говорит  о практической неисчерпаемости  мантийного молекулярного водорода, входящего и в состав природного газа.

В октябре 1989 года совещание в Геологическом  институте РАН, заслушав доклад доктора  геолого-минералогических наук В.Н. Ларина, постановило: «Рекомендовать сверхглубокое  бурение (до 10-12 км) в области современного рифтогенеза… Предложить в качестве объекта

Тункинскую впадину». По мнению геологов в области так называемого  Байкальского рифтогенеза (Тункинская впадина), где земная кора тоньше, кремний-магний-железистые слои, насыщенные водородом, залегают на глубинах всего 4-6 км. На этой глубине  электромагнитное зондирование выявило  огромную зону с аномально высокой  проводимостью. Поэтому предлагалось осуществить глубокое бурение с  целью оценить и проверить  наличие экологически чистого энергоресурса  для получения газообразного  водорода (см. “Водородное горючее  из вулканической преисподней”. –  “Промышленные ведомости № 24, декабрь 2003 г.).

По мнению автора теории В.Н. Ларина срединные океанские хребты активно  «газят» водородом. В Исландии водород  в некоторых местах вырывается из-под  земли просто со свистом, ещё одна из зон близкого залегания слоёв  металлогидратов – в Израиле, ещё одна – штат Невада в США. То есть, по мнению геологов, в атмосферу  Земли непрерывно выделяется огромное количество газообразного водорода без всякого антропогенного вмешательства. Поэтому, по нашему мнению, роль потерь при промышленном производстве водорода, его хранении и транспортировке  нуждается в количественном сопоставлении  с ролью его природного выделения, в том числе и в воздействии  на озоновый слой.

Молекулярный же кислород имеет  сугубо биогенное происхождение. В  результате эволюционных динамических процессов в биосфере Земли были сформированы определенные условия (в  том числе и поддержание определённого  количества молекулярного кислорода  в атмосфере Земли) для саморегуляции, называемое гомеостазом, постоянство  которых во времени требуется  для нормального функционирования совокупности всех живых организмов, составляющих сегодняшнюю биосферу.

То есть необходимо, в том числе, сбалансированное производство растениями атмосферного кислорода и его  потребления природой, животными  и человеком. При увеличении добычи и сжигания органического топлива  до 20 млрд. тонн условного топлива  в год, в том числе и водорода, промышленное потребление кислорода  из атмосферы составит примерно 50 млрд. тонн, что в совокупности с естественным потреблением превысит нижнюю границу  его воспроизводства в природе. Во многих промышленно развитых странах  эта граница давно уже пройдена.

Группа учёных из Duquesne University (США) во главе с химиком Шахед Ханом  получила на основе диоксида титана, обогащённого углеродом, катализатор, который поглощает  фотоны солнечных лучей и раскалывает  молекулы воды с выделением газообразного  водорода и кислорода. Преимущества этого катализатора –стабильность  при продолжительном контакте с  солнечным светом и, кроме того, он достаточно дёшев.

Катализатор преобразует 8,5% солнечного света (ультрафиолетовую, фиолетовую, голубую и зелёную часть водимого спектра) в водород и кислород. Но до промышленного внедрения фотохимического  разложения воды на водород и кислород ещё достаточно далеко. Аналогичными проблемами в России занимается Институт химической физики РАН. Однако из-за низкой плотности потока солнечной радиации такая технология, как и сельскохозяйственное производство даже в наиболее развитых странах, является малорентабельной, а  точнее. просто убыточной.

Дешёвое же массовое производство водорода электролизерами требует значительного  снижения их сегодняшней стоимости. При нынешней цене они должны работать непрерывно. Поэтому досужие размышления  о якобы эффективности использования  для производства водорода электролизерами  электроэнергии АЭС при их недогрузке лишены всякого экономического смысла.

Исследовательские подразделения GE Global Research (США) предприняли попытку снизить  стоимость электролизёров, выполнив их корпуса из пластмассы, стойкой  к щелочной среде электролита, а  массу металла, применённого в электродах, снизить за счёт напыления из катализатора на основе никеля. После чего цена производства водорода была снижена до $3 за килограмм. Однако и этого для конкурентоспособности  явно недостаточно.

Американские исследователи Ричард Дайвер и Джим Миллер из Sandia National Laboratories придумали ещё один способ получения  водорода - без электролизной обработки  воды. Новый генератор водорода состоит  из колец противоположного вращения, скомпонованных из активных элементов  – нанокомпозитного ферритного состава  с двуокисью циркония.

После подачи водяного пара эти кольца отбирают из него кислород путём химической реакции, а освобождённый водород  откачивается в специальные баллоны. Затем за счёт тепловой обработки  колец освобождается кислород. Однако говорить об экономической целесообразности внедрения этого метода так же ещё рано, как и многих других, хотя этими проблемами, в том числе  в рамках Мировой ассоциации водородной энергетики, созданной ещё в 1974 году, занимаются много лет.

Производство водорода на базе атомных  станций и электролизёров сегодня  является пока единственным технически реализуемым и экологически приемлемым способом создания массовой водородной энергетики. Испытанные технологии ядерной  энергетики способны производить огромные количества электроэнергии. Хотя при  этом всё ещё нужно преодолевать страх общества перед катастрофами и продолжать поиск возможностей безопасной ликвидации радиоактивных  отходов. Производимые же водород и  кислород из воды при ее естественном круговороте в природе после  их использования должны возвращаться в природный цикл циркуляции воды.

При этом тепло, генерируемое в активных зонах реакторов, для его сброса во внеземное пространство без парообразования  потребует специальных мер (если это тепло действительно оказывает  влияние на глобальный климат). При  массовом замещении органического  топлива водородным обязательно  потребуется переход на сухие  градирни для отвода сбросного тепла  АЭС.

В рамках европейской исследовательской  программы Raphael французские учёные и конструкторы работают уже над  созданием атомного реактора четвёртого поколения - реактора VHTR с температурой теплоносителя 950 0C. В таких устройствах  вода при добавлении серной кислоты, йода и соединений брома разлагается  на составные части - водород и  кислород. Этот реактор будет способен вырабатывать до 2 млн. кубометров водорода в сутки.

Дальше всех в создании реактора четвёртого поколения продвинулись США. До 2010 года они намерены построить  для выработки водорода в Айдахо-Фолс демонстрационный ядерный реактор, который будет охлаждаться жидким натрием и свинцом. Совместно  с компанией Ceramatec рассматривается  возможность применить для гелиевых реакторов тончайшие керамические пластины, предотвращающие повторную  рекомбинацию кислорода и водорода после высокотемпературного электролиза.

Также следует сказать, что ещё в 1996 году США приняли закон Hydrogen Future Act. В его рамках объявлялась «Водородная программа», цель которой – переход экономики США в течение двадцати лет на водород как основной энергоноситель.

3. В наше время не вызывает сомнений факт, что дальнейшее развитие современной энергетики и транспорта чревато для человечества крупномасштабным экологическим кризисом. Запасы ископаемого топлива стремительно сокращаются, что вынуждает индустриально развитые страны расширять сеть атомных энергоустановок со всем ворохом сопутствующих проблем. Ведь это и опасность эксплуатации, и утилизация радиоактивных отходов, и негативное отношение населения…

Прекрасно понимая это, ученые и практики многих стран все громче говорят о необходимости ускоренного  поиска альтернативных нетрадиционных источников энергии. И один из них - водород, запасы которого в водах  Мирового океана неисчерпаемы. Неоспоримыми достоинствами этого топлива  являются относительная экологическая  безопасность использования, приемлемость для тепловых двигателей без существенного  изменения их конструкции, высокая  калорийность, возможность долговременного  хранения, транспортировки по существующей транспортной сети, нетоксичность. 
В свободном состоянии и при нормальных условиях водород - бесцветный газ без запаха. Относительно воздуха имеет плотность 1/14. Поскольку водород химически чрезвычайно активен, он редко присутствует как несвязанный элемент. Обычно существует в комбинации с другими элементами, например, с кислородом в воде, углеродом в метане и в органических соединениях.  
Охлажденный до жидкого состояния водород занимает 1/700 объема газообразного состояния. При соединении с кислородом имеет самое высокое содержание энергии на единицу массы: 120,7 ГДж/т. Это - одна из причин, почему жидкий водород используется как топливо для ракет и энергетики космического корабля, для которой малая молекулярная масса и высокое удельное энергосодержание водорода имеют первостепенное значение.  
При сжигании в чистом кислороде единственные продукты - высокотемпературное тепло и вода. Таким образом, при использовании водорода не образуются парниковые газы и даже не нарушается круговорот воды в природе.  
Однако до сегодняшнего дня непреодоленной проблемой остается неэкономичность его промышленного производства. 
Более 600 фирм, компаний, концернов, университетских лабораторий и общественных научно-технических объединений Западной Европы, США, Австралии, Канады и Японии усиленно работают над удешевлением водорода. Например, в Германии реализуется программа «Водородная инициатива». Только земельное правительство Баварии ежегодно выделяет на исследования в области водородной энергетики 50 млн. евро. А первая в мире страна, отказавшаяся от использования ископаемых энергоносителей и решившая перейти на водородную энергетику, - Исландия. 
Не остаются в стороне от этой научной проблемы и белорусские ученые. Ведь ее успешное решение революционным образом изменит всю мировую экономику и оздоровит окружающую среду. Да и надо ли говорить, как важно это направление для нашей страны, столь небогатой энергоносителями - за исключением, разве что воды - неисчерпаемого кладезя водорода?  
Первые исследования по получению водорода и кислорода из воды на основе использования энергии ядерных реакторов в тогда еще советской Белоруссии были организованы академиком АН БССР А.К.Красиным в 1971-1972 гг. в лаборатории водородной энергетики ИЯЭ АН БССР. В 1977 г. эта лаборатория вошла в состав Института тепло- и массообмена им. А.В.Лыкова. Тогда совместно с учеными Белорусского технологического института им. С.М.Кирова (ныне БГТУ) были разработаны и осуществлены в лабораторном масштабе термоэлектрохимические циклы реакций, позволяющие получать водород и кислород из воды с существенно меньшей затратой энергоресурсов, чем при прямом электролизе воды. 
Интерес к исследованиям в этой области уже в те годы был настолько велик, что, например, снятый на киностудии «Беларусьфильм» научно-популярный фильм «Топливо будущего» с успехом шел в кинотеатрах по всему Советскому Союзу и неоднократно демонстрировался на всесоюзном телевидении. 
Пять лет назад в ИТМО было создано отделение водородной энергетики в составе одноименной лаборатории и отделов металлогидридных систем и высокотемпературных топливных элементов-электролизеров. С той поры в Беларуси начинаются системные работы в рамках Государственной программы «Водород». Основная их цель - организация широкомасштабных прикладных исследований, объединение усилий и имеющихся ресурсов для создания научных основ практического применения водорода, проектирование и производство прототипов и опытных образцов энергетических установок, соответствующих мировому уровню.  
В институте создан ряд демонстрационных установок, реализующих новые высокоэффективные технологии получения и использования водорода из метана, природных газов с помощью плазменно-мембранной технологии. Благодаря этому появилась возможность продемонстрировать использование местных и возобновляемых энергоресурсов (щепы, быстрорастущей древесины) для автономных энергоисточников. Кроме того, разрабатываются отечественные конструкции топливных элементов для прямого преобразования химической энергии в электрическую, создаются системы связанного хранения водорода в металлогидридных аккумуляторах. 
Для научно-исследовательских целей в лаборатории водородной энергетики также установлено оборудование, позволяющее работать в наномасштабах, проводить исследования на спектральном уровне.  
По мнению заведующего лабораторией и отделением водородной энергетики ИТМО Сергея ФИЛАТОВА, развитие этого направления сейчас наиболее актуально для Беларуси, особенно в связи с продолжающимся ростом цен на традиционный для нашей экономики энергоноситель - природный газ. В ближайшей перспективе актуально создание водородоаккумулирующих энергоустановок, систем генерации синтез-газа (с содержанием водорода от 30 до 80%) из местных и возобновляемых энергоносителей и биомассы. 
Самое масштабное производство водорода в Беларуси налажено на Мозырском нефтеперерабатывающем заводе. Действующая там установка предназначена для обеспечения подпиточным водородом проектируемых установок изомеризации и гидрообессеривания (т.е. катализируемого химического процесса, широко применяемого в промышленности для удаления серы) из бензина каталитического крекинга и дизельного топлива. Моторные топлива «облагораживаются» в соответствии с требованиями стандартов Евросоюза. Немало водорода потребляют и предприятия белорусской энергосистемы, эксплуатирующие около двух десятков электролизных установок. 
Использование водорода на том же Мозырском НПЗ обеспечивает наиболее высокую среди аналогичных предприятий в странах бывшего СССР степень переработки нефти. 
Неплохие перспективы и у создания отечественного производства эндогазовых установок (с содержанием водорода до 40%) для предприятий Минпрома, использующих метод частичного окисления метана для обеспечения специальных технологических процессов.  
В рамках Государственной программы «Водород» предполагается разработать отечественные нанокатализаторы для топливных элементов, прототипы генератора водородосодержащего синтез-газа и электрогазогенератора для выработки водородно-кислородных газовых смесей, гелиоконцентратора и фотоэлектрохимических элементов для получения водорода электролизом воды.  
Производство отечественных щелочных и высокотемпературных электролизеров, которые разрабатываются в рамках Госпрограммы, относится к числу быстро окупаемых технологий. Их создание позволило бы обеспечить внутрибелорусские потребности (6-10 установок электролиза в год для ТЭЦ и предприятий пищепрома) и предлагать отечественные разработки на международном рынке.  
Однако до сих пор в Беларуси не существует специального предприятия, ориентированного на выпуск оборудования для реализации водородных технологий. Приходится закупать системы и установки для производства, хранения и использования этого газа за границей. Хотя возможности и стремление создавать собственную продукцию - и тем самым поддерживать белорусскую промышленность - у наших ученых есть. И они, имея в виду перспективность водородных технологий и потенциальную возможность сокращения за счет их использования потребления газа, считают целесообразной организацию в стране нового импортозамещающего производства с экспортным потенциалом.

ВВЕДЕНИЕ 

В своей работе я решила рассказать о современном состоянии водородной энергетики в мире, о том, что происходит в этой области исследований в республике Беларусь, какие имеются возможности и на что мы можем рассчитывать.

С 1900 по 2000 г. потребление  энергии в мире увеличилось почти  в 15 раз - с 21 до 320 экоДж (1 экоДж = 27 х 10⁶ м³ нефти). В качестве первичных источников используются нефтепродукты (34.9%), уголь (23.5%), природный газ (21.1%), ядерное топливо (6.8%) и возобновляемые источники - ветер, солнце, гидро- и биотопливо (13.7%). Это привело к тому, что за 50 лет выбросы углекислого газа в атмосферу возросли в 4.5 раза и сегодня составляют 20 х 10¹² м³/год. Это тот самый углекислый газ, ради которого существует Киотский протокол и который, как уверяют многие ученые, вызывает парниковый эффект. Вообще энергетика, основанная на ископаемом топливе, создает очень много экологических проблем. Возникает дилемма: без энергии нельзя сохранить нашу цивилизацию, однако существующие методы производства энергии и высокие темпы роста ее потребления приводят к разрушению окружающей среды. Естественно, что одна из основных задач современной энергетики - поиски путей преодоления экологических проблем.

Вторая и, наверное, главная  проблема состоит в том, что существующие источники энергии ограничены. Считается, что нефти и газа хватит не более  чем на 100 лет, угля - примерно на 400 лет, ядерного топлива - на 1000 лет с лишним. Для того чтобы иметь топливо, когда на Земле будут исчерпаны  запасы нефти и газа, и решить экологические проблемы, необходимо переходить к новым источникам энергии  и иметь "чистую энергетику". И  наша главная надежда - на водородную энергетику: использование водорода как основного энергоносителя и  топливных элементов как генераторов  электроэнергии. Одновременно резко  сократится потребление ископаемых топлив, потому что водород можно  получать из воды, разлагая ее на водород  и кислород. Энергию для этого  будут давать ядерная энергетика и возобновляемые источники.

Переход на водородную энергетику означает крупномасштабное производство водорода, его хранение, распределение (в частности, транспортировку) и  использование для выработки  энергии с помощью топливных  элементов. Водород находит применение и в других областях, таких как  металлургия, органический синтез, химическая и пищевая промышленность, транспорт  и т.д. (рис. 1). Судя по современным  темпам и масштабам развития водородной энергетики на нашей планете, мировая  цивилизация в ближайшее время  должна перейти к водородной экономике. Фактически задача состоит в том, чтобы создать топливные элементы и использовать водород для получения  электрической энергии. Именно топливным  элементам я уделю основное внимание.