Создание технологий водородной энергетики

Введение.

Понятие — «водородная энергетика» сформировалось в середине 70-х г. 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 энергоресурс сберегающие 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.

В этом плане Россия отличается от зарубежных промышленно развитых стран в худшую сторону. Если финансовая поддержка, инвестиции в развитие водородной энергетики со стороны государства ощущается, то активности в этом вопросе со стороны частного бизнеса незаметно. 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 [1].

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.

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 [2].

Свойства водорода как горючего и энергоносителя

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 [3].

Рис. 1. Жизненный цикл водорода

Использование водорода с целью получения электроэнергии

Наряду с технологией получения и хранения водорода другой важнейшей технологией водородной энергетики является технология топливных элементов и батарей топливных элементов.

Топливные элементы 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 г., 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 [4].

Принцип действия топливных элементов различных типов

Рис. 2.

Почему ЭУ с ТЭ?

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 [5].

Заключение

За последнее десятилетие в области водородной энергетики и технологии произошли качественные изменения. Если ранее основное внимание уделялось научным, технологическим и энергетическим аспектам, то в настоящее время на первый план выходят экологические, экономические и политические составляющие проблемы создания межотраслевой инфраструктуры, обеспечивающей широкомасштабное использование водорода.

Зародившаяся на фоне мирового нефтяного кризиса 1970-х годов концепция водородных энергосистем к настоящему времени переросла в динамично развивающееся научно-техническое направление, поддержка которого возведена в ранг приоритетов политики международных сообществ, национальных правительств, руководства коммерческих компаний и общественных организаций.

В то же время следует отметить, что в большинстве работ по конкретным направлениям водородной энергетики, технологии и экономики ощущается недостаток системного подхода, выявления взаимосвязи между этими направлениями и, как следствие, отсутствуют сбалансированные рекомендации стратегического порядка. Одним из немногих исключений являются экономические исследования по учету фактора загрязнения окружающей среды.

Литература:

1.      Б. Н. Кузык, Ю. В. Яковец «Россия: стратегия перехода к водородной энергетике»

2.      http://protown.ru/information/doc/4295.html

3.      Полякова Т. В., с.н.с. Центр глобальных проблем ИМИ

4.      http://elibrary.ru/query_results.asp

5.      О. В. Ковалева, В. В. Ковалев, Г. Г. Дука, М. В. Иванов. Problemele Energeticii Regionale 1(15) 2011