Водородная энергетика и её развитие

Виталий Болдырев

начальник Отдела координации
научно-технической деятельности
концерна «Росэнергоатом», к. т. н.

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.

В заключение 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.

Источник - www.promved.ru/articles/article.phtml?id=811&nomer=29