В статье рассмотрена актуальность использования водорода как альтернативного вида топлива. Приведены неоспоримые преимущества нового топлива, во-первых, в том, что при любом выделении энергии с использованием водорода (топливная ячейка, обычное отопление, двигатель внутреннего сгорания) имеем благоприятное соотношение энергия / масса. То есть, сделан вывод о том, что водород — очень энергоёмкое топливо. Также показано, что водород, с точки зрения сохранения окружающей среды, является идеальным топливом.
Ключевые слова: водород, топливо, экология, энергетика, энергия.
Что будет, когда иссякнут запасы нефти, угля и газа? Сегодня специалисты прогнозируют, что в недалеком будущем традиционные виды топлива может заменить экологически чистый и неисчерпаемый водород. Поэтому для многих стран мира исследования по водородной энергетике становятся приоритетными направлениями развития науки. Они обеспечиваются финансированием как со стороны государства, так и со стороны бизнес-структур. Понятно, что основная цель разработки водородных технологий — снижение зависимости от традиционных энергоносителей, а главное — уменьшение токсических выбросов в атмосферу от сжигания углеводородов.
Уровень загрязнения атмосферы сегодня достиг критического значения. Значительная часть выбросов приходится на транспортные средства.
Нынешние автомобили способствуют появлению смога, загрязнению атмосферы, кислотным дождям, парниковому эффекту. Поэтому уменьшение выбросов является весьма актуальной проблемой, решить которую можно.
Лучшим способом уменьшения выбросов является использование экологически чистого топлива [1, с. 65]. Поэтому необходимо перевести автомобили на альтернативные виды топлива и использовать электродвигатели. Перевод автомобильного транспорта на альтернативное топливо, в частности, водород, даёт принципиально новый подход к экономии сырьевых ресурсов, а также будет способствовать устранению токсичных выбросов.
Но главная проблема состоит в том, что при промышленном производстве топлива на основе водорода возникает ряд трудностей. Для расщепления воды на водород и кислород используются платиносодержащие катализаторы, которые слишком дороги для того, чтобы рассматривать их с точки зрения удовлетворения всех энергетических потребностей человечества. Получение водорода методом электролиза неэффективно с энергетической точки зрения, количество затраченной на это энергии значительно превышает количество энергии, содержащейся в водороде. Процесс получения водорода из ископаемых видов топлива производит большое количество углекислого газа, выбрасываемого в атмосферу, что сводит на нет весь «зелёный» потенциал от дальнейшего использования водорода в качестве топлива. Однако водород очень рано сбрасывать со счетов благодаря тому, что множество групп учёных и исследователей ведут поиски новых эффективных методов получения водорода.
Интерес к исследованиям, посвящённым проблемам применения водорода в качестве альтернативного топлива, в последние годы стремительно возрастает в ведущих мировых научных центрах. Множество исследований было проведено в исследовательских центрах Германии. Широко известны работы, проводимые в Японии, где исследуется применение газообразного и жидкого водорода, а также присадок этого горючего к топливно-воздушной смеси [11, 12, 14]. Аналогичные исследования были проведены в Норвегии, Польше, Франции, Австралии, Индии и т. д.
Существенный вклад в развитие направления по применению водорода внесли известные российские учёные: В. А. Вагнер, В. А. Звонов, Ю. В. Галышев, Н. А. Иващенко, А. А. Капустинин и другие.
Целью данной работы является ознакомление с возможностями использования водорода, как альтернативного источника энергии.
Итак, основные причины, которые диктуют необходимость скорейшего перехода к альтернативным источникам энергии, следущие:
- экологические: традиционные энергогенерирующие технологии пагубно влияют на окружающую среду, дальнейшее их использование неизбежно приводит к катастрофическим изменениям климата;
- экономические: себестоимость энергии альтернативных источников гораздо ниже, чем той, которая производится по традиционным энергогенерирующим технологиям;
- социальные: численность и плотность населения постоянно растут, поэтому всё труднее находить места для сооружения атомных, тепловых электростанций, ГЭС, на которых производство энергии было бы рентабельным и безопасным не только для людей, но и для природной среды. Социальные потребности общества только в топливе в 40 раз превышают биологические потребности населения в питании и являются более высокими, чем ежегодная аккумуляция энергии в биомассе, а это требует кардинального изменения энергетической политики государства;
- эволюционно-исторические: из-за ограниченности топливных ресурсов на планете и нарастания катастрофических изменений в биосфере традиционная энергетика зашла в тупик, для дальнейшего эволюционного развития человеческого сообщества необходим постепенный переход на альтернативные источники энергии;
- политические: та страна, которая первой в полной степени освоит альтернативную энергетику, может претендовать на мировое первенство и фактически диктовать цены на топливные ресурсы и технологии.
Международная энергетическая ассоциация (ЕА) прогнозирует, что к 2030 году мировое производство биотоплива увеличится до 150 млн.т. энергетического эквивалента нефти. Ежегодные темпы прироста производства составят 7–9 %. В результате к 2030 году доля биотоплива в общем объёме топлива в транспортной сфере мира достигнет 4–6 % [7, с. 31].
Однако наиболее перспективным энергоносителем является жидкий водород, который обладает самым высоким энергосодержанием из известных видов топлив.
Директор Парижского музея науки Пилатр де Розье в середине 18 века решился на рискованный эксперимент: вдохнул водород, чтобы узнать, как он действует на организм. Ничего не почувствовав, решил вдохнуть пламя свечи. Раздался взрыв — исследователь чудом остался жив. В лёгких водород смешался с остатками воздуха и стал взрывоопасным. Сегодня учёные уверяют: уже научились укрощать водород, мир — на пороге эры водородной энергетики.
Лидером в переходе на водород является транспортная сфера. Автомобили, автобусы, поезда, самолёты и даже подводные лодки всё чаще заменяют традиционное топливо на водород. В Японии такой поезд развивает скорость до 120 км в час и проезжает на одном заряде до 400 км.
В марте 2015 года было объявлено о завершении создания первого в мире «водородного» трамвая в Китае. Китайская локомотиво-строительная компания CSR Sifang, которая базируется в Циндао, завершила работы по созданию первого в мире трамвая, использующего топливные элементы, и трамвай сдан в эксплуатацию. В данное время только Китай располагает подобными технологическими решениями — впервые топливные элементы применены в рельсовом транспорте [4].
А в немецкой армии уже несколько лет на вооружении используются бесшумные водородные субмарины. По прогнозам, к 2050 году все виды энергетики и транспорта перейдут на водород [7, с. 175.].
Ежегодно мир потребляет 460000000 тераджоулей энергии. Эти потребности вполне можно удовлетворить производством водорода, ведь способов его получения и ресурсов множество.
Сегодня есть два промышленных источника получения водорода: электролиз воды (на него длительное время возлагают самые оптимистичные надежды) и химическая конверсия органических веществ (горючих ископаемых, биомассы или продуктов переработки биомассы — спиртов) в синтез-газа (смесь СО и Н2).
Для справки приведём данные Минэнерго США по себестоимости производства водорода: из горючих ископаемых — 1,5, электролизом — 2,5, из биомассы — 2,9 долл. / кг [8; 7, с. 5].
Наибольшего экологического эффекта стоит ожидать, если перевести на водород весь транспорт крупных городов. Ведь именно там происходит массированное загрязнение окружающей среды. Поэтому оценим ситуацию, если бы все моторные топлива, потребляемые в мире, удалось бы заменить на водород. Благодаря его энергоёмкости и более высокому КПД водородных поводов, по сравнению с двигателями внутреннего сгорания, водорода в этом случае нужно будет примерно в 3,2 раза меньше. Но чтобы получить с помощью самых современных электролизных технологий водород, необходимый для замены всех моторных топлив, надо, как минимум, в три раза увеличить производство электроэнергии.
60–65 % всей мировой электроэнергии вырабатывают тепловые электростанции, где сжигают горючие ископаемые (газ, мазут, уголь и т. д.). И эти расходы существенно уменьшить невозможно до тех пор, пока не будет найден новый альтернативный источник электроэнергии, например, термоядерный синтез.
Следующий важный вопрос — глобальные выбросы углекислого газа. Сегодня в результате сжигания углеводородных моторных топлив в атмосферу Земли попадает почти 7 млрд тонн углекислого газа.
Начало широкомасштабной активности Европейского союза в области водородных технологий приходится на период 1999–2001 гг. Тогда была создана Европейская тематическая сетка водородной энергетики.
Основным направлением её деятельности является выработка единой стратегии развития водородной энергетики в странах Европы и внесения соответствующих предложений в официальные структуры ЕС.
В 2002–2003 гг. группа способствовала выработке комплексной программы ЕС (FP6 R & D) в части, принадлежащей водороду, топливным элементам и работам в области возобновляемых источников энергии.
В Соединённых Штатах Америки создают водородную экономику. Ведущие автопроизводители разработали и внедряют в производство водородные двигатели. Учёные из Университета штата Орегон разработали жидкость, которая способна накапливать и отдавать водород. Подобная технология может решить проблему использования перспективного экологического водородного топлива на транспорте и в энергетике.
Жидкость на основе бора и азота позволяет надёжно и безопасно хранить водород при комнатной температуре. Таким образом, появляется возможность использовать её как источник энергии на авто- и авиатранспорте, а также легко заправлять технику или перевозить водород без необходимости использования дорогих и опасных ёмкостей под давлением [6, с. 12].
Использование жидкости для хранения водорода имеет важное достоинство: нет необходимости отказываться от привычной инфраструктуры АЗС и логистики, построенных для традиционного нефтяного топлива. Фактически достаточно заменить бензин новым жидким горючим, а из автомобиля «выбросить» ненужный двигатель внутреннего сгорания и заменить его бесшумными и более эффективными топливными ячейками [6, с. 13].
Шведский физик Сергей Лузан, сотрудник Университета Умео, в своей новой работе, защита которой состоялась 28 сентября 2012 года, описывает новые материалы для эффективного хранения водородного топлива и приводит способ получения графеновых и графановых нанолент. Материалы и методы, описанные в работе, открывают интересные перспективы. В частности — подводят к решению главной проблемы водородных двигателей — создание топливных ячеек, способных хранить значительное количество водорода в достаточно малом объёме [5].
Водородные двигатели в три или четыре раза более эффективны, чем обычные двигатели внутреннего сгорания, да еще и не производят при работе никаких веществ, кроме обычной воды. Главная беда водородного автомобиля — хранение топлива, ведь водород это газ, который имеет достаточно низкую плотность, и хорошего метода хранить его в компактном объёме пока не придумали.
В первой части своей работы Сергей Лузан описывает существующие материалы для хранения водорода — металлоорганические каркасные структуры. Они состоят из кластеров, основанных на цинке или кобальте, которые соединены между собой органическими связями. Эти материалы имеют пористую структуру, поэтому 1 грамм такого материала может иметь общую площадь поверхности размером с несколько футбольных полей. Ежегодно синтезируются десятки новых металлоорганических каркасных структур, которые могут быть использованы для создания нового поколения материалов, предназначенных для хранения водорода.
Радует тот факт, что сейчас в мире налицо прогресс в разработке и внедрении новых энергоносителей и их использовании. Например, весной 2015 года в Шотландии стартовал масштабный коммунальный энергетический проект Levenmouth Community Energy Project. Это большой четырёхлетний проект по исследованию потенциала водорода как топлива будущего. Реализовывать проект будут в период с 2015 по 2020 год на реконструированной территории Метилських доков.
В рамках проекта предполагается использование ветряной и солнечной энергий, которые будут задействованы для питания системы электролиза воды (система будет производить водород). Сам водород будет аккумулироваться и использоваться в качестве источника топлива для гибридных коммерческих транспортных средств, работающих на топливных элементах и дизельных моторах (будет использоваться для заправки 25 гибридных коммерческих автомашин через водородные станции, а также его будут реконвертировать топливными элементами в электричество для обеспечения проекта энергией) [7].
В начале июля 2015 года в Германии был открыт самый большой в мире завод по генерации водорода. Новостройка может обрабатывать до 6 МВт электроэнергии. В компании отмечают, что завод сможет постоянно обеспечивать топливом до 2000 водородных автомобилей и эффективно реагировать на колебания в производстве энергии ветра [7].
В 2015 году производители автомобилей и водородного топлива подписали в Лондоне соглашение о совместном развитии технологий и инфраструктуры транспортных средств с питанием от водородных топливных элементов. Проект HyFIVE (Hydrogen For Innovative Vehicles) является крупнейшей подобной программой в Европе и предполагает инвестиции в 31 млн фунтов (38400000 евро) [3].
Результатом совместной работы должно стать популяризация электромобилей на топливных элементах как экологически чистая альтернатива традиционным транспортным средствам.
В заключение хотелось бы ответить на вопрос: неужели водород — топливо будущего?
Водород имеет высокую энергоемкость, которая в 3–5 раз превышает аналогичный показатель для бензина и нефти. В энергетическом плане ему присущи универсальные свойства: он является восстановителем, энергоносителем и топливом. Потребность в высокоэнергетическом и экологически чистом топливе привела к возникновению водородной энергетики, быстрое развитие которой позволяет утверждать, что водород является горючим будущего.
Водород, с точки зрения сохранения окружающей среды, это идеальное топливо. Сгорая в чистом кислороде, он превращается в воду. Если его получать из воды путём электролиза, то процесс замыкается: вода-водород-вода. Ресурсы этого топлива колоссальные и постоянно возобновляются. Водород может стать универсальным топливом, вот почему его называют топливом будущего. Для получения водорода могут быть применены различные термохимические, электрохимические или биохимические методы с использованием энергии Солнца, атомных и гидравлических электростанций и пр.
Газообразный, даже сильно сжатый водород невыгоден, так как для его хранения нужны баллоны большой массы. Более реальный вариант — использование жидкого водорода, но для этого необходимо устанавливать дорогие криогенные баки со специальной термоизоляцией. Возможна еще одна форма хранения водорода — в твёрдой фазе в составе некоторых металлогидридов (например, железо титановое или магниевое).
В будущем водород станет частью решения проблемы загрязнения окружающей среды. И перспектива этого вида топлива и водородных автомобилей начнет проясняться в ближайшие годы с появлением первых массовых авто на дорогах.
Литература:
2. Блинов И. В. Программа США по атомно-водородной энергетике // Атомная техника за рубежом. — 2010. — № 10. — С. 3–14.
4. В Китае создан первый в мире «водородный» трамвай. — 23.03.2015. — [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://geektimes.ru/post/247574/
5. В поиске материалов для хранения водорода // Научный дайджест № 11: про углерод для водорода, фотонные провода и пчёл. — [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.3dnews.ru/635763.
7. Кузык Б. Н., Яковец Ю. В. Россия: стратегия перехода к водородной энергетике. — М.: Институт экономических стратегий. — 2007. — 350 с.
9. Научная библиотека диссертаций и авторефератов disserCat http://www.dissercat.com/content/vliyanie-dobavok-vodoroda-na-tekhniko-ekonomicheskie-i-ekologicheskie-pokazateli-gazovykh-i-#ixzz3fNM2owz4
10. Пронин Е. Н. Биогазовые и водородные технологи как инструмент повышения экоэффективности транспорта // Международный научно-технический журнал «Транспорт на альтернативном топливе» — М. — 2010. — № 5 (17). — С. 30–33.
12. Shy S. S., Lin, W. J., and Wei, J. C., «An Experimental Correlation of Turbulent Burning Velocities for Premixed Turbulent Methane-Air Combustion», Proc. R. Soc. Lond. A, Vol. 456, pp. 1997–2019.
13. Siemens открыла крупнейший в мире завод по генерации водорода. — 05.07.2015. — [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://tesiaes.ru/?p=13088
15. Toshiba Corporation примет участие в крупном исследовательском проекте в сфере водорода в Шотландии. — [Электронный документ]. Режим доступа: http://www.interfax-russia.ru/Povoljie/pressrel.asp?id=592658
