Перспективы развития. Одной из важнейших задач современности является коренная экологическая реорганизация промышленности и энергетики

Одной из важнейших задач современности является коренная экологическая реорганизация промышленности и энергетики. Наиболее общий метод решения этой проблемы состоит в широком использовании водорода — по сути, единственного экологически чистого энергоносителя, т.е. переход к водородной энергетике.

Одним из главных вопросов современной экологии и развития водородной энергетики является решение проблем крупномасштабного получения дешевого водорода. Как показывает анализ, для России необходимо поэтапное наращивание производства водорода, уровень которого уже через 4―5 лет должен составлять 20―23 млн т/год. Этот первый этап должен характеризоваться эффективным использованием водорода на транспорте, в металлургии, нефтехимии и т.д. Однако уже в первые десятилетия нового тысячелетия объем производства водорода необходимо довести до 60―75 млн т/год и параллельно обеспечить его широкое использование во всех индустриальных отраслях. Следующий этап — широкомасштабное применение водорода как основного и экологически чистого энергоносителя — отвечает уровню его производства в 200 млн т/год. Необходимо отметить, что поскольку водород является вторичным энергоносителем, водородная энергетика должна опираться на первичные энергоисточники: ядерную энергетику повышенной безопасности, солнечную энергию, энергию ветра, приливов и т.д.

Наиболее универсальным методом производства водорода является получение водорода из воды с помощью плазмохимических и электрохимических технологий. Водород можно получать с помощью плазмохимических методов из природного газа (метана), а также при его переработке для выделения сернистых примесей, таких как H₂S (сероводород).

Фундаментальной задачей остается дальнейшее понижение энергетической цены получения водорода. Эта проблема требует проведения широкого круга разноплановых исследований, в том числе фундаментальных.

Следующая важная проблема — водородная безопасность ядерных энергетических установок, а также других водородосодержащих производств. Здесь необходимы комплексные исследования, основанные на правильно выбранных концепции и методах регулирования концентраций водорода в больших объемах.

Второй этап может быть связан с полным устранением природных топлив из энергобаланса и требует освоения крупномасштабного производства водорода из воды. Основу такой схемы должны составлять возобновляемые первичные энергоисточники (солнечная энергия, гидроэнергетика, энергия ветра, энергия приливов, геотермика), а также атомные, а в перспективе и другие источники.

Использование водорода в качестве экологически чистого топлива для транспорта и вторичного энергоносителя-аккумулятора энергии в энергетике связано с разработкой ряда ключевых элементов новой техники ― прежде всего топливных элементов с твердополимерным электролитом для автотранспорта, высокотемпературных топливных элементов для энергетики и водородно-кислородных парогенераторов для энергоустановок больших мощностей.

По оценкам отечественных и зарубежных специалистов водородные энергоустановки на базе топливных элементов будут наиболее эффективны при их мощности до 1―10 МВт. При мощностях свыше 10 МВт экономичнее и эффективнее энергоустановки паротурбинного цикла с водородно-кислородными парогенераторами, разработки которых в настоящее время наиболее продвинуты в Германии, России и Японии.

Японское правительство в рамках организации NEDO (Организация по разработкам в области новых источников энергии и новых промышленных технологий) создало Программу мировой энергетической сети (WE-NET) — проект продолжительностью с 1993 по 2020 гг. Программа направлена на исследование и выявление технологических решений, необходимых для развития системы преобразования энергии на базе водорода. Часть этих усилий направлена на исследование и развитие системы турбин с использованием водорода в качестве топлива, которая может эффективно преобразовывать химическую энергию, заключенную в водороде, в электрическую энергию посредством теплового двигателя, в котором происходит сжигание водорода с чистым кислородом.

Крупнейшие производители автомобилей все чаще задумываются об альтернативных источниках топлива. Работа в этом направлении ведется уже давно. Как правило, наиболее перспективными видами топлива считаются природный газ и водород. Близко к серийному производству таких двигателей подошла американская компания Ford. 7 августа 2002 г. канадская компания Ballard Power Systems совместно с Ford Power Products продемонстрировали предсерийный образец водородной генераторной установки Ballard Ecostar. По утверждению разработчиков, это первый в мире генератор, основанный на традиционном двигателе внутреннего сгорания, в котором в качестве топлива используется водород.

Дальше всех на сегодняшний день в использовании водорода в двигателе внутреннего сгорания продвинулась немецкая компания BMW, создав автомобиль для США, который может работать и на водороде, и на бензине.

В больших городах для автомобилей, использующих водород в качестве топлива, появятся специальные автозаправки. Таким образом, удастся избежать нехватки трубопроводов и машин по перевозке сжиженного водорода, обеспечив плавный переход с дизельных и бензиновых двигателей на водородные, а также достижение конечной цели: перехода на экологически чистые топливные элементы.

Даже традиционные энергетические компании находят будущее водорода привлекательным.

Водород является идеальным топливом, так как при его сгорании не образуется ничего, кроме химически чистой воды. К важным преимуществам водорода как перспективного топлива относятся следующие:

· водород является возобновляемым источником энергии и не связан с выбросом каких-либо загрязнений в окружающую среду. При сжигании водорода в чистом кислороде единственными продуктами оказываются тепло и вода;

· высокая теплотворная способность. Теплота сгорания водородного топлива по сравнению с другими видами топлив приведена в табл. 4.1.

Таблица 4.1