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 ветрои 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