Солнечно-водородная энергетика. Водород в энергетике — проблемы и перспективы. Тема: Водородная энергетика: задачи, проблемы и сферы применения

На Саммите тысячелетия в Нью-Йорке 6 сентября 2000 г. Россией была выдвинута инициатива по реализации программы энергетического обеспечения устойчивого развития человечества, кардинального решения проблем нераспространения ядерного оружия и экологического оздоровления планеты Земля. На встрече президентов России и США в России в мае 2002 г. было заявлено о научно-техническом и деловом сотрудничестве в области использования нетрадиционных источников энергии, энергосберегающих и экологически чистых технологий и о разработке и развитии новых более экологически безопасных технологий ядерной энергетики. На встрече руководителей ведущих стран мира в Эвиане в мае 2003 г. заявлено, что важной составляющей дальнейшего устойчивого развития цивилизации становится Водородная энергетика.

Атомно-водородная энергетика -пути развития Н.Н. ПОНОМАРЕВ-СТЕПНОЙ, академик,
А.Я. СТОЛЯРЕВСКИЙ, кандидат технических наук

«Энергия» 2004, № 1. С. 3-9 .

Свойства водорода
В свободном состоянии и при нормальных условиях водород - бесцветный газ, без запаха и вкуса. Относительно воздуха водород имеет плотность 1/14. Он обычно и существует в комбинации с другими элементами, например, кислорода в воде,углерода в метане и в органических соединениях. Поскольку водород химически чрезвычайно активен, он редко присутствует как несвязанный элемент.

Охлажденный до жидкого состояния водород занимает 1/700 объема газообразного состояния. Водород при соединении с кислородом имеет самое высокое содержание энергии на единицу массы: 120.7 ГДж/т. Это - одна из причин, почему жидкий водород используется как топливо для ракет и энергетики космического корабля, для которой малая молекулярная масса и высокое удельное энергосодержание водорода имеют первостепенное значение.

При сжигании в чистом кислороде единственные продукты - высокотемпературное тепло и вода. Таким образом, при использовании водорода не образуются парниковые газы и не нарушается даже круговорот воды в природе.

Производство водорода
Запасы водорода, связанного в органическом веществе и в воде, практически неисчерпаемы. Разрыв этих связей позволяет производить водород и затем использовать его как топливо. Разработаны многочисленные процессы по разложению воды на составные элементы.

При нагревании свыше 2500°С вода разлагается на водород и кислород (прямой термолиз). Столь высокую температуру можно получить, например, с помощью концентраторов солнечной энергии. Проблема здесь состоит в том, чтобы предотвратить рекомбинацию водорода и кислорода.

В настоящее время в мире большая часть производимого в промышленном масштабе водорода получается в процессе паровой конверсии метана (ПКМ). Полученный таким путем водород используется как реагент для очистки нефти и как компонент азотных удобрений, а также для ракетной техники. Пар и тепловая энергия при температурах 750-850°С требуются, чтобы отделить водород от углеродной основы в метане, что и происходит в химических паровых реформерах на каталитических поверхностях. Первая ступень процесса ПКМ расщепляет метан и водяной пар на водород и моноксид углерода. Вслед за этим на второй ступени «реакция сдвига» превращает моноксид углерода и воду в диоксид углерода и водород. Эта реакция происходит при температурах 200-250°С.

Начиная с 70-х годов прошлого века в стране были выполнены и получили необходимое научно-техническое обоснование и экспериментальное подтверждение проекты высокотемпературных гелиевых реакторов (ВТГР) атомных энерготехнологических станций (АЭТС) для химической промышленности и черной металлургии. Среди них АБТУ-50, а позднее - проект атомной энерготехнологической станции с реактором ВГ-400 мощностью 1060 МВт(т) для ядерно-химического комплекса по производству водорода и смесей на его основе, по выпуску аммиака и метанола, а также ряд последующих проектов этого направления.

Основой для проектов ВТГР послужили разработки ядерных ракетных двигателей на водороде. Созданные в нашей стране для этих целей испытательные высокотемпературные реакторы и демонстрационные ядерные ракетные двигатели продемонстрировали работоспособность при нагреве водорода до рекордной температуры 3000 К.

Высокотемпературные реакторы с гелиевым теплоносителем - это новый тип экологически чистых универсальных атомных энергоисточников, уникальные свойства которых - способность вырабатывать тепло при температурах более 1000°С и высокий уровень безопасности - определяют широкие возможности их использования для производства в газотурбинном цикле электроэнергии с высоким КПД и для снабжения высокотемпературным теплом и электричеством процессов производства водорода, опреснения воды, технологических процессов химической, нефтеперерабатывающей, металлургической и др. отраслей промышленности.

Одним из наиболее продвинутых в этой области является международный проект ГТ-МГР, который разрабатывается совместными усилиями российских институтов (ОКБМ, РНЦ «Курчатовский институт», ВНИИНМ, НПО «Луч») и американской кампании GA при управлении и финансировании со стороны Минатома РФ и DOE US. С проектом сотрудничают также кампании Фраматом и Фуджи электрик.

Рис. 1.
Модульный гелиевый
реактор с паровой
конверсией метана.

К настоящему времени разработан проект модульного гелиевого реактора для генерации электричества (с КПД ~ 50%) с использованием прямого газотурбинного цикла. Энергетическая установка ГТ-МГР состоит из двух связанных воедино блоков: модульного высокотемпературного гелиевого реактора (МГР) и газотурбинного преобразователя энергии прямого цикла (ГТ). Работы находятся на стадии технического проектирования с экспериментально-стендовой отработкой ключевых технологий: топливо и система преобразования энергии. В настоящее время проводится оценка технологического применения этого проекта для производства водорода с использованием термохимических циклов, в том числе и на базе ПКМ (см. рис. 1, 2). Создание такого тандема (ВТГР-ПКМ) открывает путь широкому применению ядерной энергии в энергоемкой промышленности: крупнотоннажной химии, металлургии, а также позволяет путем выработки вторичного энергоносителя (чистого водорода или его смеси с СО) создавать ядерные энерго-технологические комплексы для регионального теплоэнергоснабжения с поставкой топлива для транспорта и низкопотенциального тепла для коммунально-бытовых нужд и коммерческого сектора.

Рис. 2.
Компоновка
модульного
гелиевого реактора
в здании.

Термохимический процесс получения водорода из воды использует цикл реакций с химически активными соединениями, например, соединениями брома или йода, и проводится при высокой температуре. Требуется несколько стадий - обычно три, чтобы выполнить полный процесс. Предложено и рассматривается несколько сотен возможных циклов. В ведущих странах мира этому процессу уделяется особое внимание как потенциально наиболее эффективной технологии производства водорода из воды с помощью ВТГР. Такой цикл может быть построен и на базе ПКМ, поскольку при паровой конверсии метана половина водорода производится не из метана, а из воды. Довести в этом цикле долю водорода, получаемого расщеплением воды, до 100% и, тем самым, полностью избежать расхода метана можно, если получать в качестве промежуточного продукта метанол с последующим электрохимическим восстановлением метана, возвращаемого в голову процесса. Подобное развитие технологии по отношению к связке «ВТГР-ПКМ» может стать рентабельным при росте цен на природный газ свыше 120-150 долл./1000 нм3.

Электролитическое разложение воды (электролиз). Электролитический водород является наиболее доступным, но дорогим продуктом. В промышленных и опытно-промышленных установках реализован КПД электролизера ~ 70-80% при плотностях тока менее 1 А/см2, в том числе для электролиза под давлением. Японские исследователи разработали экспериментальные мембранно-электродные блоки с твердополимерным электролитом, обеспечивающие электролиз воды с КПД (по электричеству) > 90% при плотностях тока 3 А/см2.

В мире лучшими из промышленных воднощелочных электролизеров считаются канадские, изготавливаемые корпорацией «Stuart Energy». Они стабильно в течение длительного, ресурса обеспечивают удельный расход менее 5 кВт ч/нм3 H2, что делает их (при низкой стоимости потребляемой электроэнергии и мировых ценах на метан) конкурентоспособными с получением водорода конверсией природного газа с применением коротко-цикловой адсорбции. Кроме того, эти электролизеры позволяют изменять нагрузку в пределах от 3% до 100%, в то время как изменение нагрузки на электролизерах типа ФВ-500, приводит к существенному сокращению срока их работы.

Особый интерес представляет электролиз в сочетании с возобновляемыми источниками энергии. Например, Исследовательский центр Энергии Университета Гумбольта разработал автономную солнечно-водородную систему, которая использует фотоэлектрический элемент мощностью 9.2 кВт, чтобы обеспечить привод компрессоров для аэрации бассейнов рыборазведения, и биполярный щелочной электролизер мощностью 7.2 кВт, способный производить 25 л H2/мин. Система работает автономно начиная с 1993 г. Когда отсутствует солнечный свет, запасенный водород служит топливом для полуторакиловаттного ЭХГ, обеспечивающего привод компрессоров.

Потенциал применения водорода
В Европе в конце XIX столетия сжигали топливо, называемое «городской, или синтез-газ» - смесь водорода и монооксида углерода (СО). Несколько стран, включая Бразилию и Германию, кое-где все еще применяют это топливо. Применяли водород и для перемещения по воздуху (дирижабли и воздушные шары), начиная с первого полета во Франции 27 августа 1784 г. Жака Шарля на воздушном шаре, наполненным водородом. В настоящее время многие отрасли промышленности используют водород для очистки нефти и для синтеза аммиака и метанола. Космическая система «Шаттл» использует водород как топливо для блоков разгона. Водород применяется и для запуска ракеты-носителя «Энергия», предназначенной для доставки на орбиту сверхтяжелых грузов, в частности, корабля «Буран».

Автомашины и камеры сгорания летательных аппаратов сравнительно легко конвертируются на применение в качестве топлива водорода. В нашей стране впервые автомобильный двигатель на водороде работал в блокадном Ленинграде в 1942 году. В 80-е годы Авиационный научно-технический комплекс (АНТК) имени А.Н. Туполева создал летающую лабораторию (на базе самолета ТУ-154В), использующую в качестве топлива жидкий водород. В результате был создан первый в мире самолет на криогенном топливе - жидком водороде и сжиженном природном газе (СПГ), - ТУ-155.

1 Ленинградская атомная электростанция.Интересен водород и для атомных электростанций как аккумулятор энергии. В проекте, который разрабатывали РНЦ «Курчатовский институт», ЛАЭС1 и канадские фирмы AECL («Atomic Energy of Canada Limited») и «Stuart Energy» в 1990-1992 гг., на первом этапе предполагалось создание производства водорода электролизом воды мощностью 30 МВт, т.е. с производительностью 14.5 т водорода в сутки. Вторым этапом проекта предусматривалось увеличение мощности цеха электролиза до 300 МВт. Причем, естественно, предусматривалось использование электроэнергии провальной части нагрузки на АЭС. Сегодня ЛАЭС недовырабатывает примерно 400 млн. кВт ч/год, что позволило бы произвести около 8 тыс. т водорода. Полученный водород предполагалось продавать в Финляндию и использовать в общественном транспорте в г. Сосновый Бор. Другим вариантом использования получаемого водорода рассматривалась его поставка на Киришский нефтеперерабатывающий завод. Получаемый при этом кислород мог бы стать основой производства озона для очистки промышленных стоков Санкт-Петербурга.

Сейчас наблюдается новый всплеск интереса к масштабной атомно-водородной энергетике, основным инициатором которого явились автомобилестроительные гиганты. Водород имеет много преимуществ в качестве топлива для транспортных средств и автомобильная промышленность активно включилась в его использование.

Однако наибольшее внимание исследователей, разработчиков, промышленности и инвесторов привлекают к себе топливные элементы. Топливные элементы (электрохимические генераторы - ЭХГ) - тип технологий, использующих реакцию окисления водорода в мембранном электрохимическом процессе, который производит электричество, тепловую энергию и воду. Американская и советская космические программы использовали ЭХГ в течение десятилетий. Топливные элементы (ТЭ) для привода автомобилей и автобусов успешно разрабатываются для следующего поколения транспортных средств, а также для автономных систем энерголитания. Твердополимерные (ТП) ТЭ по техническому уровню находятся на пороге коммерциализации. Однако в настоящее время их высокая стоимость (энергоустановка ~104 долл./кВт) в значительной степени сдерживает этот процесс. Многие компании прогнозируют снижение стоимости энергоустановок с ТП ТЭ на порядок и более при их массовом производстве. Для массового применения ТП ТЭ в автотранспорте их стоимость должна быть снижена до 50-100 долл./кВт (при современной стоимости бензина и отсутствии финансовых механизмов, учитывающих ущерб от выхлопных газов). В недалекой перспективе в результате ужесточения стандартов на выбросы, повышения стоимости бензина и снижения стоимости ТЭ ожидается изменение конъюнктуры в пользу автомобилей и автономных энергоустановок мощностью до 100-300 кВт с ТП ТЭ, В этих направлениях НИОКР развиваются с возрастающей активностью. В США, Германии, Японии, Канаде созданы и эксплуатируются опытные водородные автозаправочные станции. Первые продажи водородных автомобилей планируются на ближайшие годы2.

2 Подробнее - см. статью С.П. Малышенко в N 7, 2003.Создание автомобилей с принципиально новыми типами двигателей требует больших денег и практически невозможно безгосударственной поддержки. Программа, по которой в США осуществляется финансирование исследовательских и опытно-конструкторских работ, направленных на создание семейного седана с эквивалентным удельным пробегом в три раза выше, чем у американского семейного седана образца 1993 г., называется Partnership for a New Generation of Vehicles (PNGV). По программе (PNGV) финансируются работы 800 человек в 21 лаборатории семи федеральных агентств, в том числе и таких, которые ранее занимались созданием ядерного оружия, а также в исследовательских центрах Детройтской тройки и многочисленных компаниях, изготавливающих комплектующие. С 1995 г. по программе было израсходовано 1.7 млрд. долл. Большая часть средств была направлена на создание автомобилей-гибридов и с топливными элементами. В программе речь идет о создании автомобиля по габаритам и весу сходного с Chevrolet Lumina, Dodge Intrepid и Ford Taurus (длина - 500 см, снаряженная масса - 1500 кг) и временем разгона до скорости 100 км/ч - не более 10 с. Первые концептуальные модели четырехдверных пятиместных седанов, близких к поставленной задаче, были переданы на испытания в конце 2001 г. DaimlerChrysler представил Dodge ESX3, Ford Motor - Ford Prodigy, General Motors - GM Precept. Для снижения веса во всех моделях конструкторы старались максимально использовать легкие сплавы алюминия и магния и композиционные пластики типа тех, что применяют в корпусах ракет.

Рис. 3. Автомобиль Daimler Chrysler NECAR 5 на базе
Мерседес Бенц А класса в штате Вайоминг во время
пробега через территорию США (20 мая - 4 июня 2002).
Для поставки водорода к ЭХГ на 75кВт
используется метанол, который разработчики
называют «метанолизированный водород или МН2».

Первые созданные образцы использовали водород в баллонах. Затем появились автомобили с водородом, химически связанным в метиловом спирте (метаноле). В 2002 г. продемонстрированы первые варианты машин, в которых водород генерируется из бензина (рис. 3).

Первый автомобиль на топливных элементах был показан компанией Daimler-Benz в 1994 г. К 2000 г. был готов улучшенный образец NECAR-4, намеченный к опытному выпуску с 2004 г. Топливные элементы и бак, содержащий 100 л жидкого водорода, расположены под полом, что обеспечивает достаточное пространство в салоне для пассажиров и багажа. Мощность электромотора - 74 л.с., максимальная скорость - 160 км/ч, запас хода - 450 км. Движение начинается сразу после нажатия на педаль акселератора. 90% максимальной мощности двигателя достигается за две секунды. Автомобиль с топливными. элементами имеет динамику, сопоставимую с машинами, оснащенными бензиновыми или дизельными моторами.

Партию легковых автомобилей с топливными элементами на жидком водороде на базе популярной модели Ford Focus к выпуску в 2004 г. готовит исследовательский центр американской Ford Motor Company. Немецкий филиал компании Ford Forschungszentrum Aachen в сотрудничестве с 40 университетами из 12 стран создал модель Mondeo P2000 HFC на платформе семейного седана Ford Taurus. Бак с жидким водородом расположен за задним сиденьем, пробег между двумя заправками - 160 км., Партия Mondeo P2000 HFC для опытной эксплуатации будет также собрана в США. Ориентировочная стоимость - 35 тыс. долл. Баварский концерн BMW демонстрирует во многих странах седан BMW 750hl с баком на 140 л жидкого водорода. Максимальная скорость - 200 км/ч, запас хода - 350 км. Роботизированная станция для заправки жидким водородом была построена в 1999 г. в Мюнхене, рядом с аэропортом. 16 машин MBW 750hl с 1999 г. пробежали, в общей сложности, 65 тыс. миль. Японский автоконцерн Toyota начинает выпускать первую партию автомобилей с топливными элементами на жидком водороде ценой 75 тыс. долл. Возможные покупатели - правительство и крупные корпорации. На начальном этапе эксплуатация машин будет только в Токио, где построены специальные заправочные станции. Высокая стоимость автомобилей на топливных элементах с жидким водородом обусловлена высокими требованиями к составным элементам установок ЭХГ и сложной системой хранения водорода при весьма низкой температуре. Дополнительные проблемы возникают при стоянке машины, когда начинаются потери испаряющегося водорода. Хранение водорода под давлением вызывает и другие проблемы.

Потенциально более эффективно хранить водород в гидридах. Гидриды - химические соединения водорода с другими химическими элементами. В настоящее время разрабатываются системы хранения на основе гидридов магния. Некоторые металлические сплавы типа магний-никель, магний-медь и железо-титановые сплавы поглощают водород в относительно больших количествах и освобождают его при нагреве. Гидриды, однако, хранят водород с относительно небольшой плотностью энергии на единицу веса, а процессы их заправки идут недопустимо медленно. Цель проводимых текущих исследований - создать состав, который будет запасать существенное количество водорода с высокой плотностью энергии, легко освобождать его и быть рентабельным. С этой точки зрения уже освоенные в крупнотоннажной химии технологии синтеза водородонесущих химических соединений - аммиака, метанола и некоторых других позволяют уменьшить затраты на необходимую инфраструктуру доставки и заправки водорода, использовать оптимальные системы его хранения на борту. По объемной плотности хранения водорода метанол в 1.5 раза превосходит жидкий водород. К таким системам относится и диметиловый эфир (ДМЭ), производимый из метанола для применения на автотранспорте вместо дизельного топлива.

В связи с этим системы, где источником водорода является жидкий (при атмосферном давлении) метиловый спирт или бензин, представляются более перспективными. При применении метанола упрощается система хранения и транспортировки топлива. С бензином еще проще, но пока не разрешены все проблемы создания недорогого и надежного в эксплуатации конвертера для разложения углеводородов с образованием водорода и углекислого газа. Daimler Chrysler намерен изготовить для опытной эксплуатации партию автомобилей NECAR-3 с топливными элементами на метаноле и запасом хода между двумя заправками 400 миль. У фордовской модели Ford Mondeo P2000 FC5, создаваемой в европейском исследовательском центре компании Ford Forschungzentrum Aachen, 400 топливных ячеек на метаноле массой 172 кг расположены под капотом. При повышенной температуре начинается реакция образования водорода из метанола. Электромотор мощностью 120 л.с. обеспечивает достижение максимальной скорости 145 км/ч. До запуска в производство в 2004 г. создатели машины рассчитывают снизить цену до 15 тыс. долл. Автомобили с электродвигателями и топливными элементами - экологически чистые машины. Но возникают новые технические и экономические проблемы при создании портативных установок для получения водорода непосредственно в силовом агрегате автомобиля. Например, на сегодняшний день после стоянки с неработающим двигателем требуется до двух минут, чтобы вся система начала работать снова. General Motors в апреле 2002 г. продемонстрировала журналистам пикап Chevrolet S10 с топливными элементами, источником водорода для которых служит бензин. General Motors рассчитывает стать первой компанией, которая выпустит миллион автомобилей с топливными элементами. Для реализации проекта необходимо производство в стране бензина без или с ничтожно малым содержанием серы. Галлон такого бензина будет стоить на 5 центов дороже. Цена конвертера для выделения водорода при массовом производстве может быть не более 3 тыс. долл.

Для создания автомобиля на топливных элементах Российский АвтоВАЗ сотрудничает с ракетно-космической корпорацией «Энергия» и предприятиями Минатома России.

Многие автопроизводители стремятся первые партии машин на топливных элементах выпустить в 2004, в крайнем случае - в 2005 г. Японские компании Toyota и Honda объявили, что они начинают опытно-промышленное производство легковых автомобилей с топливными элементами. Ради накопления опыта, необходимого для решения возникающих технических задач, в 2000 г. была начата эксплуатация шести автобусов в Чикаго и Ванкувере (Британская Колумбия, Канада), Несколько лет уйдет на опытную эксплуатацию и отработку наиболее безопасной и технологичной системы. К 2010 г. будет накоплен большой опыт эксплуатации и обслуживания машин с гибридными приводами. Различные направления работ по исключению или резкому сокращению применения бензина на автотранспорте неизбежно приведут к коренному изменению структуры автомобильного парка. Одновременно значительно уменьшится негативное воздействие на окружающую среду, и в жизнь войдут более жесткие экологические нормативы. Определятся экономически эффективные области применения принципиально разных типов двигателей. В результате снизится общая потребность индустриальных стран в углеводородном топливе, снизится его стоимость и уменьшится политическое влияние крупных производителей нефти, в первую очередь - ближневосточных.

В июне 2002 г. о переводе транспортных наземных систем и рыболовецкого флота на водородные системы было объявлено правительством Исландии. В этой стране на новых чистых видах энергии, в первую очередь - геотермальной, базируется вся энергетика и теплоснабжение. Потребление нефтепродуктов осталось только в сфере автотранспорта и рыболовстве, Проведя необходимые сравнения и проектную подготовку, правительство Исландии пришло к выводу о переводе в ближайшие годы на экологически чистое водородное топливо всего парка автомобилей и рыболовецких судов. На основе опыта эксплуатации первых десятков водородных автобусов в Европе в Рейкьявике в начале 2003 г. компанией Shell по проекту ECTOS пущена первая станция заправки автобусов сжатым электролизным водородом производительностью 60 нм3ч. Как основа производства водорода из воды используются керамические высокотемпературные электролизеры.

Стоимость водорода
В настоящее время наиболее рентабельный способ производить водород - паровая конверсия. Согласно данным Минэнерго США, в 1995 г. стоимость водорода была 7 долл./ГДж (для условий большого завода), что эквивалентно стоимости бензина 0.24 долл./л. Для расчета принималась стоимость природного газа 2.30 долл./Гдж (80 долл./ 1000нм3), примерно в 3 раза превышающая его стоимость в России. Таким образом, даже при увеличении внутренних цен на природный газ в России в 2-3 раза водород, производимый с помощью ПКМ, будет более дешевым поставщиком энергии, чем бензин при текущих внутренних ценах на углеводородное топливо.

Производство водорода электролизом воды на основе современных технологий оценивается по затратам от 10 до 20 долл. за ГДж. Аналогичные цифры дают оценки, полученные для термохимического производства водорода из воды с использованием энергии ВТГР. В ближайшей перспективе водород, получаемый из воды в процессе паровой конверсии метана с помощью энергии ВТГР, может производиться в стране при затратах ниже 7 долл./ГДж, то есть дешевле, чем бензин при цене последнего в 7-8 руб./л.

Ситуация развивается чрезвычайно быстро
В феврале 2003 г. объявлено о начале работ по программе Минэнерго США «Атомно-водородная инициатива», нацеленной на создание до 2015 г. Атомно-водородного комплекса по производству водорода с помощью высокотемпературного ядерного реактора. В июле 2003 г. Сенат США выделил на Атомно-водородную инициативу в 2 раза больше, чем запросила Администрация Президента США.

В июне 2003 г. на сессии Международного энергетического агентства министр энергетики США Спенсер Абрахам заявил, что через 20 лет весь мир (а развитые страны и того раньше) перейдет на новый вид моторного топлива, например, водород. В течение пяти лет на разработку водородного двигателя США потратят 1.7 млрд. долл., а Европейский союз выделит 2 млрд. долл. на создание самого водородного топлива и иных возобновляемых источников энергии. Выступая на конференции Евросоюза в Брюсселе, С. Абрахам призвал Европу присоединиться к разработкам по развитию водородной энергетики, базируясь на атомных энергоисточниках.

25 июня 2003 г. в совместном заявлении Президент США Дж. Буш и председатель Евросоюза Романо Проди заявили о необходимости международного сотрудничества по развитию Водородной энергетики.

Во время российско-американского делового энергетического саммита (Санкт-Петербург, 22-23 сентября 2003 г.) американским и российским министрами энергетики были сделаны заявления о сотрудничестве России и США в работах по развитию водородной экономики.

Страницы «Общественной газеты» зафиксировали слова дамы, которая была довольно далека от основ энергетики – Людмилы Улицкой. Она говорила о том, что вполне уверена в том, что в сейфах нефтяных королей лежат давно разработанные источники дешевой электроэнергии, которые дали бы возможность пользоваться мощной энергией с минимальными расходами на нее. Она сделала предположение, что пока не будет спалена последняя капля нефти, эти разработки будут спрятаны от людских глаз, поскольку никому из магнатов не нужен передел денег, потеря власти, влияния. Знающие люди с писательницей согласятся.

Пока же упомянутых сейфов избегает лишь то, что не идет в разрез с традиционной нефтяной энергетикой и принятой во всем мире системой распределения топлива. Для успокоения экологов создаются дорогостоящие научные игрушки на колесах, обещающие в перспективе всеобщее благоденствие. Речь идет об автомашинах с водородными двигателями. По оценке японских автопромышленников, установка водородного двигателя, например, на классический Седан сейчас обойдется потребителям в 700 тыс. долларов. Ориентировочная стоимость водородного автобуса «Китаро» достигает астрономической суммы 1,25 млн. долларов.

Современный водородный двигатель состоит из нескольких топливных элементов, известных на Западе под именем топливных ячеек (fuel cells). На анод подается водород под давлением 1,5 - 2,7 атмосферы. Пористый катализатор разделяет молекулы на электроны и протоны. Электроны приводят в действие электродвигатель, а протоны просачиваются сквозь мембрану, играющую роль электролита, к катоду. Здесь катализатор объединяет их с «вернувшимися с работы» электронами и атмосферным кислородом в молекулы воды. Заметим, что этот ручеек воды, вытекающий из выхлопной трубы вместо целого букета зловредных газов, совершенно заворожил европейцев и американцев. Безобидность отходов, дистиллированная чистота воды приводит их в экологический восторг. Впрочем, к чести топливной ячейки, следует упомянуть, что ее КПД в 3-5 раз больше, чем у бензинового двигателя.

Первая в мире водородная энергетическая станция, открытая в Лас-Вегасе, штат Невада, в ноябре 2002 года, представляет собой систему топливных ячеек с проницаемой для протонов мембраной, которая играет роль электролита (см. фото 1). Эта система произведена и установлена специалистами корпорации Plug Power. Преобразуя и очищая природный газ, станция производит водород и, кроме того, вырабатывает электроэнергию, используя реакцию соединения водорода, хранящегося в резервуарах, с атмосферным кислородом. Этот проект обошелся Департаменту энергии США и корпорации Air Products, которые поделили между собой основные расходы, в 10,8 миллионов долларов.

Нельзя не отметить, что производству электроэнергии отдается второе место, тогда как обеспечение новых видов транспорта топливом считается приоритетным направлением водородной энергетики. Упомянутая выше станция производит электроэнергию как бы в дополнение к своему основному назначению. Тем не менее, зарубежные обозреватели отмечают, что будущим «водородным магнатам» не мешает подстраховаться: если продажи топлива начнут падать, то платежи за электроэнергию обеспечит им устойчивый доход.

Пока же водородные автомобили позволяют нефтяным королям сохранить в неприкосновенности систему централизованного распределения топлива и инфраструктуру заправочных станций, которые будут обеспечивать эти транспортные средства метанолом, смесью природного газа и водорода, сжиженным или газообразным водородом. Таким образом, заинтересованная рука лежит на пульсе водородной энергетики, а зоркие глаза держат прыткую научную мысль под постоянным наблюдением.

Кроме того, и бензин остается при деле, так как годится для бортового реформинга (конверсии): из него можно выделить водород. Системы, основанные на конверсии, были известны в промышленности давно, но нуждались в доработке. Специалисты «Курчатовского института», например, значительно улучшили конверсионную систему, заменив катализатор плазмой. Конверсия таким образом происходит в газовом разряде типа СВЧ на смеси, которую надо конвертировать. Топливный элемент питается водородом, вырабатывает электроэнергию, часть которой идет на поддержание газового разряда. По словам В. Русанова, отечественная система портативна и имеет высокий КПД. В августе 2001 года группа разработчиков ВЦАД представила опытный образец, созданный на базе Chevrolet Pickup S 10, который имеет на борту первый преобразователь бензина.

Идеал современной водородной энергетики: «Минимум перемен в системе распределения топлива, чистый воздух и тонкая струйка дистиллята, стекающая из выхлопной трубы». Однако очевидно, что вода-отход является идеальным источником для повторного получения водорода-топлива путем высокоэффективного электролиза. Будь эффективная замкнутая система разработана, мы получили бы источник энергии, питаемый бесконечной цепочкой электролиза и рекомбинации, с эффективностью более 100%.

Каковы же существующие ныне способы получения водорода? Более всего этого газа производится на основе каталитической конверсии углеводородов и водяного пара. Температурный режим этого процесса напрямую зависит от качественного состава катализатора. Ученым известно, что температуру реакции с пропаном можно снизить до температуры в 370 градусов, используя для этого боксит в качестве катализатора. При этом 95 % угарного газа, который производится в процессе, расходуется при последующей реакции с водяными парами.

Метод водяного газа дает большую часть от общего производства водорода. При этом суть метода заключается в том, что пары воды реагируют с коксом, а в результате образуется смесь угарного газа и водорода. Реакция эндотермична, поэтому ее проводят при 1000° С. Разогретый кокс обрабатывается паром, а выделяющаяся газовая очищенная смесь содержит в себе некоторое количество водорода, вместе с довольно большим количеством угарного газа и небольшой примеси углекислого. Чтобы повысить выход водорода, монооксид углерода удаляют с помощью последующей обработки паром при температуре в 370 градусов. В результате получается больше углекислого газ, который очень легко удаляется, если пропустить полученную газовую смесь через специальный прибор – скруббер, который в это время орошается водой (противотоком).

Также довольно широко известен другой способ – железо-паровой метод, когда пар температурой 500-1000 градусов проходит над железом. Получаемый этим способом водород используется для гидрогенизации жиров и масел. А вот состав оксида железа будет зависеть от температурного режима данного процесса – если температура ниже, чем 560° C преобладает оксид железа-3 (Fe 3 O 4). Если пар пропускается над железом при температуре выше 560° С, то возрастает доля оксида железа - 2 (FeO). Небольшую примесь монооксида углерода удаляют, пропуская нагретую смесь над катализатором. При этом угарный газ превращается в метан.

При частичном окислении и термическом крекинге углеводородов в процессе производства сажи водород возникает как побочный продукт.

На следующем месте по объему производства стоит метанол-паровой метод. Реакция эндотермична и ее проводят при температуре около 260° C в обычных стальных реакторах при давлении до 20 атм.

Следует также упомянуть каталитическую реакцию разложения аммиака, при которой мы получаем азот и водород. Данная реакция может быть экономически выгодна, если необходимо произвести большое количество водорода.

Существуют также разнообразные способы получения водорода, которые, хотя и не имеют большого промышленного значения, в некоторых случаях могут оказаться экономически наиболее выгодными. Очень чистый водород получается при гидролизе очищенных гидридов щелочных металлов; при этом из малого количества гидрида образуется много водорода. (Этот метод удобен при непосредственном применении получаемого водорода.)

Электролиз представляет собой способ получения водорода, когда на электроды подают ток постоянного напряжения, при этом на катода скапливается водород, а на аноде – кислород. Электролиз используется в науке довольно давно, по праву считаясь «ветераном» среди способов получения водорода. Но этот метод делает водород слишком дорогостоящим энергоносителем, поэтому данный способ стал использоваться намного реже.

Чаще всего для получения этого газа используется технология горячей переработки пара воды при температурном режиме в 700-900 градусов. В реакции также участвует легкий бензин и тяжелое жидкое топливо, которое отбирает кислород. Впрочем, необходимо признать, что этот метод также относиться к дорогим.

Известно, что причина расточительности при расходе электроэнергии скрывается именно в том, что затраты в основном идет на то, чтобы преодолеть силы гидратных связей ионов и водяными молекулами, а также на компенсацию эндотермического эффекта реакции ее разложения. Для того, чтобы обеспечить восстановление ионов на электродах, нужно приложить напряжение большей мощности, чем то, которое прилагается тогда, когда этот физический процесс не наблюдается. Согласно этому утверждению, а также по другим причинам, затраты электрической энергии, которые идут на выработку одного кубометра водорода с учетом перенапряжения при традиционном электролизе в промышленных условиях составляют 18-21,6 МДж, а общее количество расхода энергии (с учетом производства самой электроэнергии) превышает 50 МДж, что делает водород слишком догоростоящим энергоносителем.

Способ бесконтактного электролиза был запатентован еще в 1888 году Д.А. Лачиновым. Усовершенствование этого способа сулит человечеству океаны дешевого водорода и появление сверхэффективного источника энергии, работающего по замкнутому циклу. Главной сложностью метода Лачинова являлась проблема газовой пленки, покрывавшей со временем электрод и прекращавшей реакцию.

Горячев И.А. предлагал бороться с пленкой при помощи пульсирующего электрического поля. Фролов А.В. предложил метод повышения эффективности электролиза за счет вращения. Возникающая центробежная сила быстрее отрывает пузырьки газа с поверхности электродов. Затраты мощности на преодоление сил трения в конструкции и на создание потенциального электрического поля незначительны, если сравнить их с выходной мощностью. То есть эффективность системы может быть намного больше 100%.

Описана и экспериментальная установка для получения водорода (и кислорода) из воды с подачей на электроды не постоянного, а модулированного напряжения. Частота модуляции связывается с собственной частотой колебания молекул воды и с их пространственной структурой. Нуждается в изучении возможная эффективность электролиза воды в искровом разряде, удаляющем примесь кислорода, или при облучении электромагнитными волнами светового диапазона.

Научно-исследовательский центр «Икар» сообщил о том, что самый дешевый способ получения водорода – это метод плазменного электролиза. Авторское свидетельство на первый плазмоэлектролитический реактор получила группа ученых России в 1987 г. Однако в открытой печати его содержание не было опубликовано, поскольку сам реактор был разработан Военно-промышленным комплексом, поэтому на авторском свидетельстве стоял гриф «Для служебного пользования». В описании была приведена следующая информация: схема собственно конструкции реактора, а также результаты проведенной очистки и обеззараживания воды, произведенной с помощью плазмы. Однако в авторском свидетельстве нет никаких данных о том, что плазма генерировала дополнительную энергию и с ее помощью получали водород.

Понс и Флейшман – два довольно известных американских ученых – опубликовали в печати результаты проведенных ними исследований, направленных на получение дополнительной энергии в процессе обычного электролиза воды еще в апреле 1989 года. Ученые мужи объявили сразу о том, что источник этой энергии – холодный ядерный синтез. Однако до сих пор это не имеет под собой достоверного научного доказательства.

Один из соавторов создателей первого плазменно-электролитического реактора – Беклямишев Ю.А., в 1996 году опубликовал результаты экспериментов, где продемонстрировал наличие дополнительной энергии при осуществлении плазмоэлектролитического процесса. Однако и здесь источник этой энергии не был научно объяснен и достоверно указан.

Чуть позже, в 1998 году, были получены новые данные о проведенных экспериментах, где говорилось о наличии дополнительной энергии в плазмоэлектролитическом процессе. Проведенные исследования одного из плазмоэлектролитических реакторов группой ученых из России официально зафиксировали, что дополнительная энергия здесь есть. Этот факт был сразу же оформлен документально протоколом проведения контрольных испытаний (22 мая 1998 года), который был опубликован в № 22 американского журнала «Infinite Energy». А в мае этого года было выпущено третье издание книги профессора Канарева Ф.М. «Кризис теоретической физики». В этой книге профессор также привел данные о получении дополнительной энергии при проведении плазменного электролиза воды. Профессор также указал источник этой энергии.

В скором времени после этой книги японские исследователи Охмори и Мизуно опубликовали результаты и своих трудов в трудах Ванкуверской конференции, посвященной холодному ядерному синтезу. Также они опубликовали результаты своих трудов в № 20 журнала «Infinite Energy». Японские исследователи зафиксировали нейтронное излучение при плазменном процессе, а также появление на вольфрамовом катоде железа, хрома, никеля и углерода, что, явилось веским доказательством наличия холодного ядерного синтеза при плазменном электролизе воды. Они наиболее правильно объяснили нейтронное излучение, сказав, что это результат захвата электронов протонами. Впрочем, сделанные ими заключения все же вызывают некоторые сомнения, поскольку ядерный синтез должен был дать значительно больший объем дополнительной энергии, чем было зафиксировано японскими учеными.

В 1996 году были опубликованы первые предположения о том, что источник дополнительной энергии при обычном и плазменном электролизе воды – это синтез атомов водородов, а вовсе не синтез ядер. На территории России результаты первых экспериментов, которые показали уменьшение энергетических затрат на получение водорода при осуществлении плазменного электролиза, опубликовал российский ученый Канарев Ф.М.

Таким образом, возможно, высокоэффективный электролиз является одним из незаслуженно забытых путей решения всех энергетических проблем человечества. Еще в «Курсе физики» О.Д. Хвольсона (Берлин, 1923) объясняется, как можно, не нарушая никаких законов физики, построить машину, которая будет производить тепло за счет положительной разности энергии сжигания водорода и энергии, затраченной на его получение в процессе электролиза воды. Суть этого заключается в том, что при электролизе воды энергия не расходуется на разъединение атомов. Эта работа осуществляется без участия ученых, а с помощью межмолекулярных сил при диссоциации ионами серной кислоты воды. Энергия в этом случае расходуется только на нейтрализацию зарядов уже имеющихся ионов водорода и кислотных остатков. А при сжигании водорода выделяется только энергия, затрачиваемая на разделение связанных атомов в воздухе. Таким образом, можно получить 67,54 ккал взамен потраченных 5 ккал. (Ф. Лепехин)

Массовое внедрение высокоэффективного электролиза все еще только планируется. Но уже сейчас, хотя и в рамках водородно-топливных разработок, американская корпорация Stuart Energy обратилась к электролизу воды как к источнику водорода. Специалисты Stuart Energy создали заправочный аппарат, производящий водород и хранящий его в 104-фунтовом резервуаре. Таким образом, топливом обеспечивается небольшой машинный парк, а на заправку каждого автомобиля уходит не больше двух минут. Предвидеть социальные и экономические последствия внедрения высокоэффективного источника электроэнергии, работающего по замкнутому циклу, не так уж сложно. В перспективе видится децентрализация экономики и рассеивание мегаполисов: экономическая деятельность и частная жизнь людей перестанут зависеть от крупных городов, их промышленности и энергетики. Регионы станут более свободны от центра, власть которого сегодня основана на централизованной топливной энергетике.

Обзор подготовлен Аллой Пашовой