Направления формирования и развития водородной энергетики
Все эти факторы, вместе взятые, обусловили тенденцию выдвижения программ водородной энергетики в центр энергетической стратегии ХХІ столетия.
Предпосылки для освоения водородной энергии были заложены в последней четверти ХХ в. В 1974 г., в разгар мирового энергетического кризиса, была создана Международная ассоциация по водородной энергетике со штаб-квартирой в Институте чистой энергии (США), которая издает международный журнал и раз в два года организует всемирные конференции по водородной энергетике.
Советские ученые с середины 1960-х годов принимали активное участие в исследованиях в области водородной энергии; они вошли в состав Международной ассоциации по водородной энергетике. Эти исследования велись на базе Института ядерной энергии им. И.В.
Курчатова, Сибирского отделения АН СССР! В 1973 г. в Донецком политехническом институте была создана проблемная лаборатория водородных технологий; с 1979 г. на ее базе проводились всесоюзные школы по водородной энергетике.
Однако в 1990-е годы исследования и разработки были свернуты, нарастало отставание от мирового уровня в этом важнейшем направлении энергетического будущего.
Лишь в последние годы внимание к этой проблеме вновь усилилось. В декабре 2003 г. по совместному постановлению Президиума РАН и ГМК Норильский никель утверждена Комплексная программа научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по водородной энергетике и топливным элементам; создан совет по программе, на реализацию которой намечено выделить 40 млн долл. Заключены договоры с рядом академических и отраслевых институтов. Ход выполнения программы обсужден на международном форуме Энергия будущего (Москва, 1617 февраля 2004 г.).
В 2005 г. подготовлены концепция и проект Национальной научно-инновационной программы Водородная энергетика, создана управляющая компания по программе Национальная инновационная компания Новые энергетические проекты.
К исследованиям и опытно-конструкторским работам в области водородной энергетики и топливных элементов подключились сотни компаний более чем в 40 странах мира, в том числе крупнейшие нефтяные и автомобильные компании. Исследуются различные способы производства водорода, в том числе АЭС и ГЭС, что позволит обеспечить более равномерную их суточную и сезонную загрузку.
Разрабатываются принципиально новые материалы (в том числе с использованием нанотехнологий) для безопасного хранения и транспортировки водорода и топливных элементов в различных сферах потребления в автономных энергоустановках, транспортных средствах, жилищно-коммунальном хозяйстве, различных промышленных производствах, бытовой радиоэлектронике и т. д. Изделия с топливными элементами уже появились на рынке, хотя пока они дороги.
К развитию водородной энергетики подключены правительства ряда стран и межгосударственные объединения, формируются национальные и международные водородные программы. Такая программа чрезвычайно необходима и в России, что диктуется несколькими факторами.
Во-первых, эксплуатируемые ныне богатые месторождения нефти и природного газа быстро исчерпываются и слабо восполняются приростом извлекаемых разведанных запасов. Топливо занимает 50% в структуре российского экспорта (при 8% среднемировых) и служит основным источником доходов федерального бюджета.
Однако исчерпание запасов, рост внутренних издержек и цен, увеличение потребностей растущей экономики страны в энергоресурсах, ограниченность инвестиций в эту сферу поставят страну в перспективе перед энергетическим и экономическим кризисом. Замена ископаемого топлива водородом позволит предотвратить этот кризис и уменьшить опасную зависимость экономики от колебаний конъюнктуры мирового топливного рынка.
Во-вторых, предстоят огромные инвестиции в модернизацию и инновационное обновление транспорта, что целесообразно осуществлять на принципиально новой энергетической основе.
В-третьих, в критическом состоянии находится жилищнокоммунальное хозяйство, в том числе коммунальная энергетика. Ресурсов для реконструкции этого хозяйства на прежней технологической основе нет.
Переход к водородной энергетике позволит осуществлять реконструкцию на базе автономных энергоисточников, многократно сократить потери энергии и транспортные затраты.
В-четвертых, Национальная программа Водородная энергетика станет локомотивом инновационного обнов -ления экономики России, перехода на инновационный путь развития, возрождения научно-технического потенциала, поскольку потребует разработки и производства принципиально новых материалов, машин и оборудования, средств транспорта, станет акселератором ускорения темпов экономического роста.
В-пятых, реализация программы на базе имеющегося научно-технического потенциала предоставит России уникальный шанс стать одним из лидеров энергетической революции ХХІ в., позволит объединить усилия стран членов СНГ, других заинтересованных государств в осуществлении инновационного прорыва в важнейшей сфере экономики, в формировании энергетической базы глобального устойчивого развития на основе технологий шестого уклада.
В-шестых, необходимость перехода к водородной энергетике в России диктуется внешними условиями развития России, которые существенно изменятся в результате вступления России в ВТО и реализации Киотского протокола. Резко возрастут требования к конкурентоспособности российских товаров и услуг на внешнем и внутреннем рынках (а конкурентоспособность может быть достигнута лишь на основе реализации стратегии инновационного прорыва), значительного снижения энергоемкости продукции и сокращения выбросов парниковых газов в окружающую среду.
Данные Всемирного банка, приведенные в табл. 1.4, свидетельствуют о критической ситуации, складывающейся в российском энергосекторе.
В годы кризиса производство и потребление энергии и выбросы СО2 сократились, но энергоемкость национального дохода выросла на 7%, а экспорт энергоресурсов вырос с 44 до 57% к внутреннему потреблению. В первые годы оживления экономики производство и внутреннее потреб -ление начали увеличиваться, экспорт продолжал нарастать, уровень энергоэффективности стабилизировался, а выбросы СО2 на душу населения и единицу ВВП стали увеличиваться.
Следует учитывать, что положение России в мировом энергосекторе и балансе загрязнения атмосферы нельзя признать благоприятным. Занимая 4,4% в мировом энергопотреблении, Россия имеет всего 40% от среднемирового уровня энергоэффективности, выбросы СО2 на душу населения в 2,5 раза превосходят среднемировые.
И это нельзя объяснить только худшими природно-климатическими условиями.
Если эти негативные тенденции в перспективе сохранятся, то Россия будет нести крупные потери из-за низкой конкурентоспособности продукции в условиях вступления в ВТО и через 5 7 лет окажется в неблагоприятных условиях механизма реализации Киотского протокола. Поэтому необходимы неотложные меры по активной государственной поддержке освоения базисных инноваций, направленных на значительное снижение энергоемкости ВВП и сокращение выбросов парниковых газов.
Ключевое место среди этих перспективных мер занимает переход к водородной энергетике.
Однако для достижения успеха программа не должна строиться по образу и подобию нынешних федеральных целевых
| Таблица 1.4 Динамика энергопотребления и эмиссии СО2 в России |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Источник: 2006. World Development Indicators. Washington: The World Bank, 2006. P. 156,160,208. |
Для преодоления отставания России в освоении достижений глобальной энергетической революции XXI в. представляется необходимым разработать и утвердить на высшем уровне Национальную научно-инновационную программу Водородная энергетика на перспективу до 2050 г.
Направления формирования и развития водородной энергетики
По оценке Мирового энергетического совета (МИРЭС), опубликованной в докладе Мировая энергетика будущего: действительность, реальный выбор и программа действий (ETW-1993), нефть и газ после 2050 г. будут использоваться в ограниченных масштабах. На смену существующей энергосистеме в промышленности и на транспорте придут новые технологии, характерным признаком которых станет использование возобновляемых ресурсов и снижение суммарного выброса парниковых газов в атмосферу планеты.
Реальные возможности использования таких источников в их современном формате ограничены. Ветровая энергетика, использование энергии морских приливов и геотермальных источников всегда будут иметь ограниченные масштабы.
Что же касается гидроресурсов, то в России значительная их часть уже задействована, а строительство новых гидроэлектростанций может сталкиваться с серьезными экологическими проблемами.
Существует точка зрения о высокой эффективности солнечной энергетики. По мнению академика РАН Ж.И.
Алферова и члена-корреспондента РАН Н.С. Лидорен-ко, КПД полупроводниковых преобразователей в перспективе может быть поднят до 60% и даже больше. Однако не ясно, удастся ли добиться рентабельности их производства по сравнению с другими источниками энергии.
Масштабное развитие солнечной энергетики столкнется с большими трудностями. Во-первых, полупроводниковые фотопреобразователи являются низковольтными источниками электричества (всего несколько вольт постоянного тока). Поэтому для их практического использования потребуется массовое производство дорогостоящих преобразователей энергии в переменный электрический ток со стандартными показателями. Во-вторых, в России уровень солнечной радиации невысок, потребуется отчуждение больших участков территории для размещения солнечных батарей и организация их производства в больших масштабах.
В-третьих, возникнет серьезная проблема очистки и защиты солнечных батарей от пыли, дождя, снега и т. п. Все это вместе взятое приводит к выводу о нецелесообразности основной ставки на развитие солнечной энергетики.
Известны и другие источники возобновляемой энергии использование биомассы и концентраторов солнечного излучения. Однако первый из этих источников не может иметь значительного масштаба, а практическое использование второго сдерживается отсутствием экономической конкуренте -способности по сравнению с другими видами энергоресурсов.
Среди альтернативных источников энергии называют термоядерный синтез, космические электростанции и энергетику квантового вакуума. В настоящее время ведется проектирование международного экспериментального термоядерного реактора (ИТЭР), на котором рассчитывают впервые получить энергию синтеза.
Однако вряд ли эти эксперименты пройдут раньше 2015 г. Поэтому говорить о практическом использовании этого вида энергии ранее 2050 г. вряд ли приходится.
Известны проекты строительства на околоземных орбитах космических электростанций для энергоснабжения Земли. Мощность такой станции составит 510 ГВт, а ее масса на геостационарной орбите порядка 50 000100 000 т. Чтобы вывести в космос такую конструкцию, потребуется осуществить порядка 5000 полетов транспортной ракеты-носителя класса Энергия.
Это нанесет недопустимый ущерб окружающей среде. В качестве приемлемой альтернативы рассматривается строительство таких станций из материалов, доставляемых с поверхности Луны.
Очевидно, говорить о реализации подобных проектов до 2050 г. также не имеет смысла.
Немалый практический интерес может представлять использование энергии квантового вакуума. Его преимущества состоят, во-первых, в неограниченных запасах этого вида энергоресурсов. Согласно данным современной космологии, 75% энергии Вселенной приходится на вакуум, 20% на темную материю, физическая природа которой неизвестна, и только 5% на обычное вещество.
Плотность энергии квантового вакуума огромна 5 г/см, то есть на 80 порядков больше, чем энергия термоядерного синтеза. Во-вторых, это экологически чистая энергия, так как ее использование не связано с какими-либо отходами. Первые опытно-промышленные установки этого типа уже выпускаются малыми сериями это так называемые вихревые теплогенераторы. Сдерживается развитие квантово-вакуумной энергетики задержкой разработки теоретических моделей соответствующих физических процессов.
В будущем этот тип энергоресурсов почти наверняка станет одним из наиболее перспективных, однако современное состояние соответствующих исследований и разработок не позволяет рассчитывать на то, что это произойдет в ближайшие годы.
Остается еще один тип практически неограниченных и экологически чистых энергоресурсов водородная энергетика.
В условиях строгого соблюдения требований техники безопасности водород, несомненно, представляет собой весьма перспективное топливо, которое в будущем может заменить углеводородные источники энергии. По сравнению с ними он обладает важными преимуществами: относится к типу возобновляемых источников энергии и не связан с выбросом каких-либо загрязнений в окружающую среду. При сжигании водорода в чистом кислороде единственными продуктами оказываются тепло и вода.
Основная задача состоит в том, чтобы обеспечить достаточно высокую эффективность производства и хранения водорода и разработать конкурентоспособные энергоустановки с его использованием.
Известны способы решения этих задач (рис. 1.8).
Нагревая воду до температуры свыше 2500С, можно реализовать реакцию ее термолитического разложения на кислород и водород. Сложность этого процесса состоит в том, что трудно предотвратить обратную реакцию рекомбинации паров воды.
Современный стандартный метод производства водорода это процесс паровой конверсии метана. При температуре пара около 800С происходит разложение метана и выделение водорода, осуществляемое на каталитических поверхностях.
Биомасса
Другой способ получения водорода основан на использовании термохимических реакций с участием химически активных соединений йода или брома. Первичным продуктом служит вода, а сам процесс осуществляется в несколько циклов.
Третья технология производства водорода это электролитическое разложение воды. Электролиз можно осуществлять под высоким давлением и получать высокий выход водорода.
Недостатком этого метода является значительный уровень потребления электроэнергии.
Для производства водорода выгодно использовать тепловую и электрическую энергию, вырабатываемую АЭС и ГЭС в так называемом провальном режиме, то есть в ночное время, когда падает уровень обычного потребления энергии.
В промышленных масштабах в настоящее время водород производят методом паровой конверсии метана (ПКМ). Водород, полученный по этой технологии, используется для производства азотных удобрений и очистки нефти и газа от примесей.
Ключевой вопрос при выборе наиболее перспективной энергоустановки для производства водорода ее рентабельность. Традиционный способ получения водорода методом каталитической конверсии углеводородов нельзя считать перспективным, во-первых, из-за слишком высоких затрат энергии (порядка 20 МДж/м3 водорода), а во-вторых, в связи с сокращением запасов природного сырья нефти или газа.
Из существующих технологий крупномасштабного производства водорода предпочтение следует отдать электролитической технологии. Однако и в этом случае затраты электроэнергии недопустимо велики не менее тех же 20 МДж в расчете на 1 м3 чистого водорода.
Если рассчитывать на производство водорода на АЭС и ГЭС в непиковые режимы работы, то расход энергии можно будет снизить более чем в 2 раза.
В современных условиях стоимость производства водорода методом паровой конверсии составляет 7 долл/ГДж, что эквивалентно стоимости бензина 0,24 долл/л. При этом предполагалось, что стоимость природного газа равна 2,3 долл/ГДж (или 80 долл. на 1000 нм водорода).
Расчет, выполненный специалистами РНЦ Курчатовский институт с учетом отечественных цен на газ, привел их к выводу, что водород будет более дешевым источником энергии по сравнению с бензином.
Вторая проблема хранение чистого водорода. Без создания дешевой, экономичной и надежной системы хранения водорода не приходится рассчитывать на быстрое развитие водородной энергетики. Наибольшие надежды связывают с газобаллонным, криогенным и металлогидридным способами хранения.
В первом случае используются баллоны высокого давления, изготовленные из стали, титана или композитных материалов.
Хранение жидкого водорода требует применения криогенной системы. Именно этот способ чаще всего используется в промышленности при хранении и перевозке большого количества водорода.
Помимо совершенствования самих криогенных систем хранения для развития водородной энергетики потребуется решить сложные задачи заправки этих систем и их эксплуатации в конкретных условиях промышленных энергоустановок.
В гидридных системах хранения водород содержится в составе интерметаллических соединений или в виде гидридов металлов. Извлечение его из этих соединений осуществляется путем либо гидролиза, либо термической диссоциации. В первом случае процесс является одноразовым, во втором могут быть созданы аккумуляторы многократного действия.
Использование гидридных систем хранения обладает тем важным преимуществом, что связано со значительно более мягким уровнем требований к безопасной эксплуатации. Кроме того, в металлическом гидриде плотность водорода выше, чем в его жидком состоянии.
Главный недостаток систем этого типа относительно невысокое содержание водорода по массе.
Сделать окончательный выбор в пользу той или иной системы хранения в настоящее время не представляется возможным, требуются дополнительные исследования и экспертизы.
Наиболее перспективное направление развития водородной энергетики замена углеводородных топлив на водород в системах транспорта, прежде всего в автомобилестроении. Уже около 20 лет водородные энергосистемы используются в ракетной технике в качестве разгонных блоков космических кораблей (отечественная система Буран, американский Шаттл). Для производства электроэнергии в маломощных автономных системах энергопотребления перспективными могут оказаться топливные элементы в установках для коге-нерации электроэнергии и тепла в жилищно-коммунальном секторе. Их преимуществом является, в частности, то, что они не нуждаются в прокладке дорогостоящих, малоэффективных и ненадежных подземных трасс при подводе тепловой энергии к потребителю.
Сферы применения водорода показаны на рис. 1.9.
Концепция крупномасштабного применения водорода как для получения электроэнергии, так и во многих других отраслях народного хозяйства получила название водородной экономики.
Ожидается, что к 2100 г. производство водорода достигнет, по оценкам Министерства энергетики США, 770950 Мт (в 2000 г. оно составляло 50 Мт). Это приведет к формированию крупнейшего нового сектора мировой экономики.
В качестве сопутствующих технологий самое широкое применение должны получить топливные элементы.
Потребность в топливных элементах для децентрализованной стационарной энергетики (мощностью 250 кВт 10 МВт) в ближайшие 10 лет составляет 100 000 МВт. Стоимость 1 кВт планируется довести с современных 30006000 долл. до 10001500 долл. к 2015 г.
Потребность в топливных элементах для автотранспорта (мощностью 2550 кВт) составляет 500 тыс. штук в год. Стоимость киловатта планируется довести с современных 30001000 до 10050 долл.
Водородная энергетика включает следующие технологии:
- крупномасштабное производство водорода из невозобновляемых и возобновляемых источников энергии;
- производство топливных элементов и энергоустановок на их основе;
- хранение и транспортировка водорода;
- использование водорода для получения энергии в промышленности, на транспорте и в быту;
- водородная безопасность.
Состояние и перспективы развития водородной энергетики в ведущих странах мира. Выбор сценариев энергетического будущего
Рост энергопотребления, усиление зависимости от импорта энергоресурсов, загрязнение окружающей среды и его все более явные негативные климатические последствия вынуждают ведущие индустриальные страны уделять большое внимание проблемам повышения эффективности использования традиционных энергоносителей, энергосбережению и освоению более доступных альтернативных источников энергии.
В докладе Международного энергетического агентства (IEA), посвященном прогнозу энергетической ситуации в мире до 2030 г. (представлен 7 ноября 2006 г.), отмечается, что исходя из наблюдаемых тенденций и их экстраполяции глобальный первичный спрос на энергоресурсы будет расти вплоть до 2030 г. в среднем на 1,6% в год. Свыше 70% прироста этого спроса обеспечат развивающиеся страны, прежде всего Китай и Индия.
Импорт нефти и газа в странах ОЭСР и развивающихся азиатских странах будет расти еще быстрее, чем спрос, что повышает уязвимость экономики по отношению к скачкам цен и нестабильности поставок. Серьезную тревогу у специалистов вызывает и то обстоятельство, что рост потребления традиционных энергоресурсов вызовет увеличение глобальной эмиссии двуокиси углерода на 55% до уровня в 40 Гт в 2030 г., что на 14 Гт больше, чем в 2004 г.
По мнению экспертов Международного энергетического агентства, альтернативой этим тенденциям является переход к новой государственной политике в области энергетики. Сценарий, который может обеспечить более устойчивое развитие, предполагает реализацию рассматриваемых сегодня в разных странах мер по повышению эффективности использования энергоресурсов и переходу к альтернативным источникам энергии.
Согласно такому сценарию, прогнозируется уменьшение глобального спроса на энергоресурсы к 2030 г. на 10%, что эквивалентно объему потребления энергии в Китае в настоящее время.
