Перспективы водородной энергетики
Идея
использовать водород в энергетике не нова. Еще в 80-е годы прошлого столетия
были разработаны двигатели на водородном топливе. Сегодня в США, странах ЕС,
Японии и Китае приняты и реализуются национальные и международные программы по
разработке элементов водородной энергетики, в том числе на возобновляемых
источниках энергии. Экологический и энергетический кризисы могут сделать
развитие водородной энергетики приоритетным направлением мировой экономики.
Топливный элемент
Лучшим горючим для топливных элементов считается
водород, на практике же используются и иные его виды: природный газ, спирты
(метанол, этанол), продукты газификации угля, переработки сточных вод и
биомассы. Для обеспечения процесса получения электроэнергии одновременно с топливом
на топливный элемент подается окислитель — кислород, как правило, из
атмосферного воздуха. В топливных элементах преобразование
энергии водорода в другой ее вид (электрическую) происходит без процесса
горения и вредных выбросов, присущих традиционным источникам энергии,
использующим углеводородное топливо. Выброс в топливных элементах —
обыкновенная вода.
Впервые идею использовать топливные элементы в
большой энергетике сформулировал немецкий ученый Освальд в 1894 году. В 30-е
годы прошлого века немецкий исследователь Бауэр создал лабораторный прототип
топливного элемента с твердым электролитом для прямого анодного окисления угля.
Одновременно разрабатывались кислородно-водородные топливные элементы.
Общемировое признание получили результаты исследований советского ученого Оганеса Давтяна. После
опубликования в 1947г. его монографии «Проблема непосредственного превращения
химической энергии топлива в электрическую» страны — технологические лидеры
активизировали работу по созданию топливных элементов и энергоустановок на их
основе.
В 1958 г. в Англии Ф.Бэкон
создал первую кислородно-водородную установку мощностью 5 кВт. В США с 1955 г. К.Кордеш разрабатывал низкотемпературные
кислородно-водородные топливные элементы, в которых использовались угольные электроды
с платиновыми катализаторами. В Германии Э. Юст
работал над неплатиновыми катализаторами.
В 60-е годы были созданы демонстрационные и
рекламные образцы топливных элементов. Разработки подобных водородных
технологий проводили большинство развитых стран, в первую очередь США, Канада,
Япония, а также Советский Союз — признанный технологический лидер в этой сфере
в 60—70-е годы. В Соединенных Штатах работы в этом направлении связаны в
основном с космосом. В космических аппаратах «Джемини»,
«Аполлон», «Шаттл» впервые применялось водородные щелочные топливные элементы
(AFC). Однако в конце 60-х годов объем разработок и исследований по топливным
элементам в США и Канаде существенно сократился.
Всплеск интереса к ним был отмечен лишь в 80-е
годы. А в 90-е развитые страны активизировали работы по исследованиям,
разработкам и созданию стационарных электрических станций большой мощности на
базе топливных элементов. Эти исследования сделали экономически целесообразным
использование в стационарных, передвижных и портативных энергоустановках
водородных топливных элементов.
Сегодня развитые страны осуществляют разработку
ряда видов топливных элементов. Основные из них следующие:
— AFC — щелочной топливный элемент;
— PAFC — фосфорнокислый топливный элемент;
— PEFC, или PEMFC — твердополимерный
топливный элемент или топливный элемент на протоннообменной
мембране;
— DAFC, или DMFC — прямой алкогольный топливный
элемент или прямой метанольный топливный элемент;
— MCFC — расплавкарбонатный
топливный элемент;
— SOFC — твердооксидный
топливный элемент.
Начало водородного бума
В США еще в 1996 г. законом о водородном будущем
была предусмотрена всеобъемлющая национальная энергетическая стратегия,
разработанная министерством энергетики. Закон устанавливал, что базовыми
элементами в разработках технологий водородной энергетики должны быть топливные
элементы, а также принимал многолетний план проведения НИОКР, предложенный минэнергетики. Частью национальной энергетической стратегии
стала Водородная программа, цель которой — переход экономики США в течение
двадцати лет на водород как основной энергоноситель. В частности, должны быть
созданы и внедрены экономически приемлемые ключевые водородные технологии и
продукты: топливные элементы, высокоэффективные технологии хранения водорода,
небольшие реформеры (устройства, предназначенные для
получения водорода из углеводородов) для распределенных систем производства
водорода. Эти технологии требуют поддержки индустриальных
лидеров-разработчиков. Консолидация корпораций обеспечит создание отраслевого
пула производителей энергетических систем. Рост активности в области водородной
энергетики откроет рынки для технологий возобновляемой энергетики, например для
ветро-
и солнечной энергетики, для решения проблем аккумуляции энергии.
Министерство энергетики США реализует также
программу Vision XXI, направленную на разработку
технологий, необходимых для ультрачистых электростанций XXI века и для
подготовки перехода на водородную энергетику. Она предусматривает использование
таких видов топлива, как уголь, природный газ, биомасса и муниципальные сточные
воды, других видов жидкого топлива. В рамках программы действуют проекты
создания электростанций на базе топливных элементов, технологий газификации
угля, получения высокопрочных материалов, сепарации водорода, теплообмена и
других технологий. Созданы и устанавливаются электростанции на основе расплавкарбонатных топливных элементов (MCFC) с КПД около
85%, работающие на природном газе. Показатель стоимости одного киловатта
установленной мощности этих электростанций оценен в $1200. К 2010г.
предполагается снижение этого показателя до $400 (для энергоустановок на базе
дизельных генераторов показатель стоимости киловатта установленной мощности
оценен в $800 — $1500). Гавайи реализуют собственную водородную программу и
намереваются в будущем экспортировать водород и водородные энергоносители —
стать «тихоокеанским Кувейтом». В 2001 г. был принят закон Hydrogen
Future Act of 2001, которым определены объемы финансирования
дальнейшего проведения НИОКР и реализации программ в области водородной
энергетики — $350 млн. в 2002 — 2006 гг. За три года федеральное правительство
США израсходовало на эти цели $210 млн.
Другие страны тоже занимаются строительством
«водородного будущего». Китай, к примеру, осуществляет интенсивное внедрение
водородных топливных элементов, электростанций и энергоустановок на основе
топливных элементов в национальные электроэнергетические системы. В ближайшие
три года КНР намеревается инвестировать в водородные технологии около $40 млн.
Показателем высокого уровня конкурентоспособности в водородной энергетике
является тот факт, что Китаю принадлежит около 25% зарегистрированных в мире
патентов в области топливных элементов. Один из проектов связан с применением
водородных топливных элементов в автомобилестроении. К 2008 г. предполагается
вывести на дороги Китая автотранспорт на топливных элементах китайского
производства.
В Японии согласно результатам анализа,
проведенного Токийским исследовательским институтом системных технологий,
продвижение «чистых» энергетических технологий должно вызвать экономический
рост и привести к созданию до 2010 г. 180 тыс. рабочих мест.
Европейская комиссия в 2002 г. одобрила план
действий и директивы, устанавливающие налоговые льготы для тех, кто ускоряет
внедрение и использование на транспорте альтернативных видов топлива,
определив, что произведенное сельским хозяйством биотопливо
имеет огромный потенциал как на ближайшее время, так и
в среднесрочной перспективе. План действий содержит стратегию достижения 20%
замены использования углеводородных видов топлива на транспорте к 2020 г.
Еще в 2000 г. Еврокомиссия выделила компании DaimlerChrysler EUR18,5млн. на финансирование проекта CUTE,
предусматривающего, что в начале 2006 г. на маршрутах
в девяти городах Европы — Амстердаме, Барселоне, Гамбурге, Лондоне,
Люксембурге, Мадриде, Порту, Стокгольме и Штутгарте — будут курсировать
автобусы на топливных элементах. Предусмотрена и пробная эксплуатация автобусов
на топливных элементах, а также оценка надежности и безопасности
функционирования водородной заправочной инфраструктуры в городских условиях.
Норвегия, Италия, Франция, Швейцария,
Великобритания, Германия реализуют национальные проекты в области водородной
энергетики. Ожидается, что к 2010 г. около 10% новых автомобилей на дорогах
Великобритании будут работать на топливных элементах. В Германии предусмотрена
государственная поддержка, в том числе законодательная и финансовая, тех, кто
вводит в эксплуатацию электростанции на топливных элементах для постепенного
сокращения эмиссий диоксида углерода по 23 млн. т ежегодно до 2010г. Страна —
лидер в «водородном» автомобилестроении и технологиях создания систем
водородных заправочных станций, в том числе с применением возобновляемых
источников энергии для получения водорода электролизом из воды. Источник: Adaptive.com.ua
|