Водородная энергетика и роль химии в водородной энергетике

Решение указанных проблем может привести к радикальному расширению практического использования аккумулирующих устройств с применением водородпоглощающих материалов в автотранспорте и автономной энергетике. Это имеет особое значение для целей безопасного хранения Н₂ на борту транспортных средств, использующих энергоустановки на базе топливных элементов[4].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Использование водорода

Область применения водорода весьма обширна. Для краткости представим ее в виде схемы:

Рис.4. *добавка водорода к обычному топливу ДВС и газовых турбин приводит к росту КПД и уменьшению уровня вредных выбросов

Перейдем к выработке электроэнергии с использованием водорода, то есть непосредственно к топливным элементам. Это - гальваническая ячейка, вырабатывающая электроэнергию за счет окислительно-восстановительных превращений реагентов, поступающих извне. При работе топливного элемента электролит и электроды не расходуются, не претерпевают каких-либо изменений. В нем химическая энергия топлива непосредственно превращается в электроэнергию. Очень важно, что нет превращения химической энергии топлива в тепловую и механическую, как в традиционной энергетике. При сжигании газа, мазута или угля в котле нагревается пар, который под высоким давлением поступает в турбину, а турбина уже вращает электрогенератор.

В простейшем топливном элементе, где используются чистый водород и чистый кислород, на аноде происходит разложение водорода и его ионизация (рис.3(5)). Из молекулы водорода образуются два иона водорода и два электрона. На катоде водород соединяется с кислородом и возникает вода. Фактически в этом и состоит главный экологический выигрыш: в атмосферу выбрасывается водяной пар вместо огромного количества углекислого газа, образующегося при работе традиционных тепловых электростанций.

Первая электрическая энергия  была получена с помощью топливного элемента еще в 1839 г. С 1990-х годов  и по настоящее время идет разработка топливных элементов мощностью от 1 кВт до 1 МВт для стационарной автономной энергетики. Нужно иметь в виду, что и в автотранспорте находят применение топливные элементы, а в качестве их нагрузки - электрические двигатели. Кроме того, сейчас разрабатываются портативные источники электроэнергии (мощность менее 100 Вт) для компьютеров, сотовых телефонов, фотоаппаратов.

Топливный элемент состоит из ионного  проводника (электролита) и двух электронных проводников (электродов), находящихся в контакте с электролитом. Топливо и окислитель непрерывно подводятся к электродам - аноду и катоду, продукты (инертные компоненты и остатки окислителя, а также продукты окисления) непрерывно отводятся от них. Основные типы топливных элементов приведены в

Таблице 2 :

 

Таблица 2. Типы топливных элементов

 

По типу электролита они классифицируются на щелочные, твердо-полимерные, фосфорнокислые, расплавкарбонатные и твердооксидные; по рабочей температуре -на низко-, средне- и высокотемпературные. Заметим, что использование электродов из палладия и металлов платиновой группы приводит к повышению удельных характеристик и увеличению ресурса топливных элементов. Полимерная мембрана Nafion, применяемая в твердополимерных топливных элементах, в США и Канаде производится фирмой "Дюпон", в России аналогичные мембраны выпускает фирма "Пластполимер".

Сейчас в мире активно разрабатываются твердополимерные топливные элементы на водороде. Считается, что они будут применяться в основном на автотранспорте.

Чем привлекательны топливные элементы и почему их нет на рынке? К числу  достоинств относятся: высокий КПД, низкая токсичность, бесшумность, модульная конструкция (имея, скажем, киловаттные топливные элементы, можно собирать из них установки большой мощности), многообразие первичных видов топлива, широкий интервал мощности. Проникновение их на рынок сдерживается прежде всего высокой себестоимостью по электроэнергии и малым ресурсом. Наибольший ресурс у твердополимерных топливных элементов - 2-5 тыс. часов работы, требуемый же срок службы - 20-30 тыс. часов [2].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. «Водородная экономика»

Эксперты многих стран мира считают, что уже в первой половине XXI века заметную роль в развитии мировой  энергетики предстоит сыграть водороду.

Современные исследования европейских  экономистов предполагают два сценария развития водородных технологий – базовый и водородный.

Базовый сценарий предполагает производство водорода на базе традиционных источников энергии (уголь, нефть, газ) путем термохимической конверсии первичной энергии.

Водородный сценарий — производство водорода на базе альтернативных, в том числе возобновляемых источников энергии (ВИЭ), включая гидроэнергетику, путем электролиза воды.

Конкурентные преимущества технического, экономического и экологического потенциалов  каждого из сценариев будут определяться уровнем интегральных затрат на реализацию всей водородной технологической цепочки: производство, хранение, транспортировка, распределение и конечное потребление водорода.

В соответствии с водородным сценарием  Еврокомиссии широкомасштабное производство водорода в мире начнется после 2030 г. и будет стимулироваться существенным снижением стоимости водородных технологий и ростом потребления водорода в транспортном секторе. С 2030 по 2050 г. производство водорода вырастет до 1 млрд т н.э. (в базовом сценарии объем производства водорода в конце 2050 г. составит 250 млн т н.э.). К 2050 г. водород, по водородному сценарию, будет обеспечивать 13% от конечного потребления энергии по сравнению с 2% в базовом сценарии.

Согласно водородному сценарию в 2050 г. доли АЭС и ТЭС на угле и  природном газе в производстве электроэнергии соответственно составят 38 и 32%, доля ВИЭ (включая большую и малую гидроэнергетику, геотермальные, ветровые и солнечные электростанции, а также электростанции на биомассе и отходах) — 29%. В то же время при производстве водорода будут лидировать ВИЭ — 52%, на втором месте АЭС — 38%.

При этом около 90% произведенного водорода в основном будет использоваться на транспорте, остальные 10% в бытовом  секторе для производства электроэнергии и тепла, а также в промышленности.

Развитие водородных технологических цепочек в сценарии с производством водорода на основе традиционных топлив и в концепции на основе электролиза воды с использованием избыточных мощностей АЭС и ВИЭ при приемлемых затратах является необходимым условием становления водородной экономики. Очевидно, что стоимость водорода должна быть на уровне стоимости бензина или дизтоплива. Например, потребительская цена бензина в Европе составляет в среднем 1,2 долл./л, что эквивалентно 36 долл./ГДж; цена дизельного топлива несколько меньше — около 30 долл./ГДж. При этом 60—80% конечной потребительской цены этих топлив составляют налоги. Так, себестоимость производства бензина в Европе составляет 7,5—12 долл./ГДж.

Оба сценария развития водородных технологий предусматривают интенсивное использование водорода на транспорте, полагая, что расширение масштабов его внедрения будет стимулировать снижение затрат по всей водородной технологической цепочке.

При текущих ценах на традиционное моторное топливо широкомасштабное использование водорода на транспорте может стать конкурентоспособным, если налоги на водород будут ниже, чем на бензин и дизтопливо. По прогнозам, цены на традиционные источники энергии, особенно на нефть и природный газ, в перспективе имеют устойчивую тенденцию к росту, в то время как инвестиционные затраты на альтернативные, в том числе ВИЭ, и соответственно себестоимость производства электроэнергии на них будут иметь тенденцию к снижению. Поэтому в перспективе стоимость производства водорода на базе ТИЭ может расти, в то время как издержки его производства электролизом воды будут падать [19].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Проблемы, препятствующие становлению водородной энергетики

Как следует из всего сказанного выше, при всех потенциальных достоинствах и выгодах водородной энергетики для ее становления необходимо преодолеть существенные технологические и экономические сложности. Среди них наиболее существенными являются следующие.

В настоящее время водородное топливо  в среднем в 4-5 раз дороже бензина. Топливные элементы не достигли необходимой технологической зрелости, их КПД невелик, они имеют небольшой технический ресурс эксплуатации, а главное – существенно дороже конкурирующих технологий транспортного и энергетического назначения. При этом коммерциализация ТЭ предполагает решение ряда проблем (таблица 3).

Энергетический КПД полного  водородного цикла невысок,  характеризуется  существенными потерями энергии  на стадиях производства, транспортирования  в компримированном состоянии, распределения  и, наконец, использования. Если ориентироваться на органическое топливо, то на сегодняшний день обоснованно принять КПД процесса конверсии углеводорода в водород равным 65-75% в зависимости от типа риформера и исходного сырья. В частности, при риформинге метана КПД цикла метан – риформинг – водород – доставка – ТЭ – электроэнергия не должен превышать 0,76*0,65*0,4*100% = 18%, что существенно меньше, чем КПД парогазового цикла на природном газе (50-55%) и современной угольной электростанции с паротурбинным циклом (40-42%). А также КПД современного бензинового ДВС (30-35%), не говоря уже о КПД дизельных, тем более, гибридных двигателей. Еще менее привлекательным представляется использование водородного цикла на основе электролиза воды.

Традиционные системы хранения водорода в газообразном и сжиженном состояниях весьма дороги, энергетически неэффективны, имеют большие массу и объем и поэтому малопригодны для размещения на борту транспортного средства. Определенные перспективы создания компактных водоаккумулирующих систем связываются с комплексными гидридами, наноматериалами, работа над которыми, однако, находится на стадии научно-исследовательских и опытно конструкторских работ и требует больших усилий для достижения необходимой технической зрелости и экономической конкурентоспособности.

 

 

Применение	Проблема	Сложность устранения
Транспорт	Высокая стоимость Короткий срок службы Нерешенность проблемы хранения водорода   Отсутствие топливной инфраструктуры	Крайне высокая Высокая   Высокая   Высокая
Стационарная энергетика	Высокая стоимость Короткий срок службы Нерешенность проблемы хранения водорода   Отсутствие топливной инфраструктуры	Высокая Выше средней   Средняя   Низкая
Портативные системы	Высокая стоимость Короткий срок службы Необходимость миниатюризации   Создание компактных водородных емкостей   Отвод выделяющегося тепла	Средняя Средняя Невысокая   Средняя   Средняя

 

Таблица 3. Основные технические и экономические барьеры на пути коммерциализации ТЭ

 

Реализация водородного цикла  на основе органических топлив не представляет ощутимых экологических выгод  вследствие не самых высоких значений КПД, а наоборот, приводит к существенно большим выбросам загрязняющих веществ, в первую очередь диоксида углерода (таблица 4).

Существуют большие риски инвестирования в создание необходимой водородной инфраструктуры при существующем уроне технологического развития элементов водородного цикла и при неопределенности спроса на водородное топливо. Таким образом, экономика сталкивается с проблемой «курицы и яйца», когда из-за отсутствия инфраструктуры нет спроса, например, на водородные автомобили, а из-за отсутствия водородных автомобилей не строится инфраструктура.

Необходимо учитывать повышенную опасность водородного цикла, особенно при отсутствии необходимых требований, норм и стандартов обеспечения соответствующей безопасности [4].

 

Таблица 4 . Сравнительные экологические характеристики

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

 

Итак, подведем некоторые итоги. В целом, переход к водородориентированной экономике (получившей название «водородная экономика»), предполагает реализацию всех выгод от внедрения водородной энергетики, основанной на широкой и диверсифицированной базе ископаемых топлив, ядерной энергии и энергии возобновляемых источников, в сочетании с повсеместным использованием водорода практически во всех секторах экономики. Все это подразумевает создание соответствующей инфраструктуры и подкрепление адекватными институциональными отношениями [4].

По-видимому, необходимо еще не одно десятилетие для ее окончательного становления, поскольку существует еще много технических вопросов, которые необходимо решить с учетом требований по обеспечению приемлемых энергетической эффективности, экономической конкурентоспособности и экологического совершенства.

Можно утверждать, что главную роль в развитии водородной энергетики играет именно химия. Химия и химическая технология занимаются разработкой теоретических основ водородной энергетики. В их компетенции находится решение основных ее проблем, таких как: методы производства водорода, способы хранения, транспорта и его использования. Таким образом, центральная научно-техническая задача химической науки состоит в поиске и осуществлении на практике новейших технологий для реализации перспектив водородной энергетики. Верно выбранные технологии и разработка выигрышных направлений в сумме могут действительно улучшить положение дел в этой отрасли.