Водородная энергетика

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Глава 1. Перспективы применения водорода

Глава 2. Свойства водорода

Глава 3. Концепция энергоаккумулирующих веществ

Глава 4. Производство водорода

Глава 5. Потенциал применения водорода

Заключение

Литература

Введение

Сегодня многие передовые в экономическом отношении страны все более пристально рассматривают водород не только в упомянутых сферах его традиционного применения, но и как основу энергетики завтрашнего дня. На фоне катастрофического ухудшения экологического состояния планеты и истощения ресурсов углеводородного сырья, заманчиво использовать водород как абсолютно безвредное топливо для средств транспорта, обогрева жилищ в удаленных регионах, в автономных и стационарных источниках вторичной энергии. При этом наиболее заманчивым методом получения водорода является электролиз воды. Ведь сгорая, водород опять даст ту же воду. Поистине неисчерпаемый источник горючего! Но здесь встает другая проблема: для электролиза требуется электричество, а его получение из возобновляемых источников составляет сегодня ничтожную долю от общих объемов производства электроэнергии. И здесь вспомним про наше Солнце и другие звезды. Термоядерная реакция и вновь водород. Человек уже создал термоядерную (водородную) бомбу. Но в ней чудовищная по масштабам Земли энергия высвобождается в доли секунды, принося разрушения и смерть. На Солнце реакция идет миллиарды лет медленно и стабильно, принося жизнь и тепло. Ученые бьются над проблемой обуздания термояда, и не за горами то время, когда управляемая термоядерная энергия вкупе с экологически безопасным топливом навсегда избавит нас от опасений о конечности энергетических ресурсов нашей планеты и гибели окружающей среды.

Глава 1. Перспективы применения водорода

Решение проблем энергетики и энергоснабжения -- ключ к решению очень многих экономических и хозяйственных проблем.

Прежде всего, рассмотрим источники, из которых человечество в настоящее время черпает энергию для своей хозяйственной деятельности:

Приведем данные нескольких исследователей.

По данным организации "Гринпис", структура мирового энергопотребления в начале 90-х годов выглядела следующим образом:

рис. 1. Структура мирового энергопотребления

По данным "Центра Кургиняна", на начало 1997г. доли различных источников в совокупном мировом энергопотреблении составляли: нефть -- 38%, газ -- 29%, уголь -- 22%, и лишь около 10% приходилось на все остальные источники энергии вместе взятые

Российский журнал "Фактор" в №5 за 2001 год со ссылкой на World Energy Council представляет следующие данные на 2000 год: на ископаемые виды топлива приходится 90% мирового потребления энергоресурсов, в том числе на нефть -- 40,1%, уголь -- 27,8%, природный газ -- 22,9%.

Итак, около 90% энергии мир получает, сжигая ископаемое топливо: нефть, газ, каменный уголь. Перед тем, как остановиться на водородном источнике энергии подробно, необходимо обсудить атомную энергию. Её апологеты утверждают, что она дешевая и (несколько неуверенно после апреля 1996 года) безопасная. Признаем, что обеспечить безопасность АЭС можно. А вот с дешевизной много сложнее. Скажем прямо: главным мотивом отказа от АЭС во всем мире является не вопрос безопасности, а вопрос стоимости.

Многие деятели атомной индустрии утверждают, что "стоимость электроэнергии АЭС уже сейчас меньше на 15% - 20% стоимости электроэнергии тепловых станций" (Инвестиционная программа атомной энергетики на 2002-2005 годы и на период до 2010 гoдa). Это не так. Методику расчета экономической эффективности "мирного атома" иначе как нечестной назвать трудно. "Расходы на реабилитацию мест радиоактивного загрязнения идут в России по другим статьям, нежели развертывание ядерных программ, -- отмечает академик Яблоков -- Если же подсчитать их все вместе, то эффективность развития ядерного комплекса окажется мизерной. Отходы приходится остекловывать или каким-то другим способом организовывать их длительное хранение. При этом стоимость проекта резко возрастает. В будущем нам надо находить средства на разборку отслуживших АЭС, на очистку больших территорий и акваторий от радиоактивного загрязнения".

Теперь рассмотрим менее очевидный вопрос: зачем искать альтернативы нефтегазовой энергетике?

Начнем с того, что нефть и газ не вечны. Существуют много оценок запасов нефти, которые колеблются от 30 до 100 лет использования.

Не удержусь и от повторения расхожей цитаты Дмитрия Ивановича Менделеева о том, что топить печь нефтью -- это все равно, что топить ее ассигнациями: ведь нефть является уникальным, ценнейшим химическим сырьем, из которого делают даже чёрную икру.

Сжигание углеводородов создают заметные экологические проблемы, особенно при использовании для нужд транспорта. Но если совершенствованием технологий можно решить проблемы токсичных выбросов, то выбросы углекислоты, приводящие к изменению глобального климата, являются неизбежными спутниками использования ископаемого топлива.

И тогда встает вопрос: если не углеводородное топливо и не АЭС -- тогда что же?

Ответ: возобновляемые источники энергии.

На долю этого сегмента приходиться менее 10%. Эта цифра означает не скудость этих источников, а низкий уровень внедрения технологий их использования.

Что же это за источники? Это в первую очередь Солнце: в среднем 1 киловатт/м² земной поверхности, что в сумме в 100 раз (!) превышает количество вырабатываемой человечеством энергии. Не следует забывать и производные энергии Солнца: гидроэнергия, энергия ветра, морских волн.

На втором месте по значимости и перспективности стоит геотермальная энергия. Она практически неисчерпаемая и вечная, но проблема ее стоимости стоит довольно остро. Отметим также энергию приливов и отливов, энергетическое использование биомассы.

Почему же такой богатейший потенциал дает менее 10% вырабатываемой энергии?

Потому что данные источники непостоянны во времени и неравномерно распределены пространстве. Поэтому прямое их использование целесообразно (на уровне сегодняшних технологий) только в децентрализованных малых источниках энергии. Например, гелиоустановки для нагрева воды. Так, в Крыму уже есть индустрия установки систем, за счет энергии Солнца нагревающих воду до 95 градусов Цельсия (хоть для этого мазут из Тюмени не надо везти…). Но для снабжения электричеством заводов (и других крупных предприятий народного хозяйства) прямое использование этих источников абсурдно.

Глава 2. 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.

Неисчерпаемость.

Отметим преимущества водорода как топлива.

В Мировом океане водорода содержится 1,2·10¹⁷ т, дейтерия - 2·10¹³ т. Суммарная масса водорода составляет 1% общей массы Земли, а число атомов - 16%. Особенно важен здесь тот фактор, что при сгорании водород превращается в воду и полностью возвращается в круговорот природы. В то же время, по самым оптимистическим прогнозам, ресурсы углеводородного топлива будут истощены примерно через 100 с лишним лет, в то время как угля -- через многие столетия. Величина запасов угля важна и в контексте водородной энергетики: ближайшей промышленной перспективой производства водорода будет получение его при газификации углей.

Весовая теплотворная способность водорода (28630 ккал/кг) в 2.8 раза выше по сравнению с бензином.

Энергия воспламенения в 15 раз меньше, чем для углеводородного топлива.

Максимальная скорость распространения фронта пламени в 8 раз больше по сравнению с углеводородами.

Излучение пламени в 10 раз меньше по сравнению с пламенем углеводородов.

Экологичность

При использовании водорода как топлива исключается возможность усиления парникового эффекта, не выделяются вредные вещества (автомобильный двигатель выбрасывает 45 токсичных веществ, в том числе и канцерогены, нет опасности образования застойных зон водорода -- он легко улетучивается.

Отметим и отрицательные качества водорода. Это низкие плотность и объемная теплотворная способность, более широкие пределы взрываемости и более высокая температура воспламенения по сравнению с углеводородами. Применение концепции энергоаккумулирующих веществ (ЭАВ), описанной ниже, позволит снизить негативное влияние этих недостатков водорода как топлива, которые заметно перекрываются его достоинствами.

Глава 3. Концепция энергоаккумулирующих веществ

Как получить водород и как избежать его взрывов?

При применении ЭАВ эти проблемы полностью решаются. При этом схема процесса состоит из трех этапов:

1. Получение ЭАВ, используя один из названных источников энергии.

2. Получение с помощью ЭАВ водорода.

3. Использование водорода как топлива.

Вспомним школьный опыт: Вы бросаете в воду натрий, и начинает выделяться водород. Представьте себе, что это происходит в камере сгорания: водород в свободном виде появляется только там, где ему и положено взорваться. А на борту его нет - он связан в воде. В этом иллюстративном примере в качестве ЭАВ выступил натрий.

Конечно, это не промышленная технология -- это иллюстрация. Но я представлю Вашему вниманию промышленную технологию, разработанную в свое время в СССР для покорения Луны.

Она базировалась на следующих реакциях

1. Q + C + SiO₂ > Si + CO₂ ^ + H₂O -- восстановление кремния углеродом

2. Si + 2H₂O > SiO₂ + 2H₂^ + Q -- получение водорода

3. 2H₂ + O₂ > 2H₂O + Q -- сжигание водорода

Используя источник тепла (например, солнечную печь) восстанавливается кремний из окисла (реакция 1). Кремний представляет собой прекрасное ЭАВ, не требующее специальных условий хранения. Он доставляется к месту необходимого получения энергии (в том числе на транспортный двигатель). В специальном реакторе происходит реакция вытеснения водорода (реакция 2). И наконец водород поступает в двигатель в качестве топлива. Образовавшийся в результате второй реакции оксид кремния можно использовать многократно.

Рис. 2. Схема реактора (1 - реактор, 2 - поршневой двигатель внутреннего сгорания, 3 - конденсатор, 4 - радиатор охлаждения, 5 - побудитель расхода, 6 - Побудитель расхода, 7 - побудитель расхода, 8 - охладитель кремния)

Сероводород (H₂S) является, по сути, ископаемым "самородным" водородом в очень плотной упаковке: энергия образования сероводорода примерно в 14 раз меньше, чем энергия образования воды. Это означает, что, затратив один киловатт·час энергии на разложение сероводорода, мы получим от сжигания выделившегося водорода 14 киловатт·час энергии. То есть от реакции 1 (получение ЭАВ для получения водорода) мы в данном случае избавлены. Нам остаются только две реакции:

H₂S+ Q > H₂^ + S

2H₂ + O₂ > 2H₂O+ 14Q

Эксплуатационно сероводород при вполне реальных давлениях (порядка 20 атм.) сжижается при нормальной температуре, что позволяет, помимо получения удельной плотности много большей, чем у сжатого и даже жидкого водорода вести процесс разложения H₂S в электролизерах. Возможно, правда, что электролиз сероводорода в связи с зашлакованием электрода элементарной серой окажется настолько затрудненным, что вести его придется через галогены.

Так, Варшавским, Максименко А.И. (Украина) и Терещуком в 1997 году получено в Госпатенте РФ положительное решение на чрезвычайно перспективный способ получения и использования водорода посредством разложения сероводорода, добываемого оригинальным методом из глубинных слоев некоторых водоемов, в частности, Черного моря. Данный метод не обязательно требует затрат национального масштаба, и может применяться не только в общенациональной энергетической системе, но и автономно.

Глава 4. 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.3. 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. 3,4). 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.4. 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.

Глава 5. 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.

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 годы.

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. 5. 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. 5).

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.

Заключение

Энергетика является одной из основных отраслей народного хозяйства, по уровню ее развития и потенциальным возможностям можно судить об экономической мощи страны.

Нынешнюю энергетическую ситуацию в мире можно назвать относительно благополучной благодаря наличию больших запасов ископаемого топлива, стабильности цен, неуклонному прогрессу в области сохранения и рационального использования энергии, совершенствованию энергетических технологий, более эффективному использованию рыночных регуляторов. Анализ современного состояния и использования энергетических ресурсов свидетельствует о том, что высокого уровня потребления энергии достигли лишь промышленно развитые страны.

После мирового энергетического кризиса были приняты меры по сохранению и рациональному использованию энергии, что способствовало значительному снижению энергоемкости материального производства В результате общая энергоемкость единицы ВВП в промышленно развитых странах с 1973 г до начала 90-х годов снизилась на 22%, при этом нефтеемкость - почти на 38%.

Рост инвестиций не в производство электроэнергии, а в энергосберегающие технологии способствовал сокращению потребления энергии в промышленно развитых странах, что в свою очередь привело к уменьшению негативного воздействия на окружающую среду.

Кризисные явления в развитии мировой энергетики, которые проявились в середине 2000 г, по нашему мнению, могут вызвать новый виток в росте энергосбережений и изменений в структуре энергопотребления.

За прошедшие три десятилетия структура энергопотребления на глобальном и национальном уровнях претерпела значительные изменения, однако по-прежнему исключительно важное значение имеют ископаемые виды топлива, на которые в конце 90-х годов приходилось более 90% мирового потребления энергоресурсов, в том числе на нефть - 40,1%, уголь - 27,8%, природный газ - 22,9%.

Несмотря на почти трехкратное увеличение производства энергии за счет использования водных и ядерных источников, их доля в мировом энергобалансе остается незначительной и составляла в конце 90-х годов соответственно примерно 5% и 6%.

При современных темпах роста потребления ископаемых видов топлива запасов нефти хватит минимум на 75 лет, природного газа - более чем на 100 лет, угля - более чем на 200 лет.

По прогнозу Международного энергетического агентства (МЭА), при сохранении современных тенденций в мировой энергетике в период до 2020 г глобальное потребление первичных энергоресурсов может возрасти на 65% Доля ископаемых видов топлива в мировом энергобалансе к 2020 году должна сократиться до 76% и к 2050 г - до 45%.

Рис.6. Прогноз мирового энергобаланса

Надежды, которые возлагались на новые или альтернативные источники энергии, такие как энергия солнца, ветра, биоэнергия, геотермальная энергия и другие, так и остаются пока нереализованными, не внеся кардинальных изменений в структуру мирового энергобаланса Удельный вес новых или альтернативных источников энергии, исключая гидроэлектроэнергию, в ее глобальной выработке к 2020 г будет составлять около 2%.

В рамках общей энергетической стратегии страны Европейского союза поставили задачу повысить долю электроэнергии, получаемой из возобновляемых источников энергии к 2010 г до 22%.

Литература

1. Варшавский И.Л. Энергоаккумулирующие вещества и некоторые принципы их использования для транспорта, энергетики и промышленности. - М.:Наука,1970. - 51 с.

2. http://www.businessweek.com/common_frames/gb.htm?/2000/00_38/b3699304. htm

3. http://www.kurginyan.ru/publ.shtml?cmd=sch&cat=588&vip=13

4. Глобальное потепление: Доклад Гринпис / Под ред. Дж.Леггетта. Пер. с англ. -- М.:Изд-во МГУ, 1993. -- 272 с

5. http://www.mamok.mesi.ru/busines_club_analitics_energy_ru.htm

6. http://www.infoatom.ru/Win/info/info-060502.htm

7. "Энергия" 2003, № 7. С. 33-39. статья С.П. Малышенко

8. Журнал "Фактор"№ 5 - 2001 г.