Новые технологии и научно-технические разработки в энергетике на пути к водородной энергетике.

Переход к экологически чистым источникам энергии

За XX век потребление энергии в мире выросло более чем в 15 раз (1900 год - 21 экоДж, 2000 год - 320 экоДж, 1 экоДж = 27-10⁶ м³ нефти, что для 2000 г. составляет 7 млрд 344 млн тонн) и будет расти дальше. Первичные природные источники энергии по большей части невозобновляемы, использование традици­онных источников существенно загрязняет окружающую среду (выброс углекис­лого газа достигает 20" 1 0^|? м³ в год). Таким образом, современное общество стоит перед дилеммой - без энергии невозможно существовать, но сохранение темпов роста и методов производства энергии приведет к разрушению окружа­ющей среды. Наиболее обоснованным выходом из данной ситуации является использование водорода как основного энергоносителя и топливных элементов как генераторов электроэнергии с резким сокращением потребления ископае­мых топлив [1 ].

Водородная энергетика является одним из основных направлений для разви­тия устойчивых, экологически чистых, открытых энергетических систем в мире, так как водород в чистом виде, а также в сочетании с некоторыми другими видами топлив наиболее эффективно преобразуется в энергию.

Водород рассматривается как энергоноситель, который вполне может заме­нить существующие природные энергоносители (считается, что нефти и природ­ного газа хватит не более чем на 100 лет, угля - примерно на 400 лет, ядерного топлива - на 1000 лет с лишним). Основной предпосылкой этого являются прак­тически не ограниченные запасы водорода в природе. Кроме того, при сгорании водорода образуются пары воды, и таким образом поддерживается аналогичный природному кругооборот, что создает условия для поддержания окружающей природной среды в сбалансированном состоянии. В этом заключаются уникаль­ные, не имеющие альтернативы свойства водорода.

Водород как энергоноситель имеет ряд других положительных качеств:

• нетоксичен, а продуктами его сгорания с кислородом являются пары воды;

имеет по сравнению с другими видами топлив наиболее высокую теплоту сгора­ния на единицу массы (120 МДж/кг);

• его можно транспортировать и хранить как природный газ (по трубопрово­дам, в емкостях или в сжиженном виде);

• с его помощью можно аккумулировать излишки электроэнергии, вырабаты­ваемой электростанциями, в том числе атомными и гидростанциями (например, в ночные часы и выходные дни), а также энергию возобновляемых источников (вет­ра, воды, солнца и др.); водород и получаемые на его основе виды топлива (на­ пример, метанол) можно применять в двигателях и энергоустановках различного назначения.

Основными эксплуатационными недостатками являются низкая плотность жидкого водорода (70 кг/м³) и низкая температура кипения (20К). Переход на водородную энергетику не только даст дополнительный широкодоступный ис­точник энергии, но и позволит решить как чисто экономические проблемы - на определенном уровне развития технологии водород станет самым дешевым ис­точником энергии, так и экологические - этот вид энергии не только не загряз­няет окружающую среду, но и в некоторых случаях (получение водорода раз­ложением воды) формирует аналогичный природному кругооборот.

Наша страна до начала 90-х годов занимала передовые позиции в сфере водородной энергетики. Исследования проводились на базе Института атом­ной энергии им. И.В.Курчатова Сибирского отделения АН СССР. В 1973 году в Донецком политехническом институте была создана проблемная лаборато­рия водородных технологий; с 1979 года на ее базе проводились всесоюзные школы по водородной энергетике. В России был осуществлен первый в мире полет самолета-лаборатории "ТУ-155" на водороде, созданы один из первых экспериментальных автомобилей с топливными элементами, космический крио­генный водородный комплекс, первые опытно-промышленные плазмохимические установки получения водорода, опытные автомобили на бензоводородных сме­сях, экспериментальные водородно-кислородные парогенераторы, проведены разработки разнообразных металлогидридных устройств и созданы эффектив­ные сплавы-аккумуляторы водорода, электролизеры с твердополимерным элек­тролитом и многие другие разработки, выполнявшиеся с середины 70-х до середины 90-х годов. Однако в 90-е годы исследования и разработки были свернуты, нарастало отставание от мирового уровня в этом важнейшем на­правлении энергетического будущего. Лишь в последние годы внимание к этой проблеме вновь усилилось. В декабре 2003 года по совместному постановле­нию президиума РАН и ГМК "Норильский никель" утверждена Комплексная программа научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по во­дородной энергетике и топливным элементам, создан совет по программе, на реализацию которой намечено выделить 40 млн долларов.

К исследованиям и опытно-конструкторским работам в области водородной энергетики и топливных элементов подключились сотни компаний более чем в 40 странах мира, в том числе крупнейшие нефтяные и автомобильные компа­нии. Исследуются различные способы производства водорода, в том числе на АЭС и ГЭС, что позволит обеспечить более равномерную их суточную и сезон­ную загрузку. Разрабатываются принципиально новые материалы (в том числе с использованием нанотехнологий) для безопасного хранения и транспорти­ровки водорода и топливных элементов в различных сферах потребления - в автономных энергоустановках, в транспортных средствах, жилищно-коммуналь­ном хозяйстве, в разных промышленных производствах, в бытовой радиоэлект­ронике и т.д. Изделия с топливными элементами уже появились на рынке, хотя пока они дороги.

Топливные элементы

Топливные элементы представляют собой электрохимические устройства, в кото­рых химическая энергия топлива непосредственно превращается в электрическую без промежуточных стадий, таких как тепловая и механическая энергии. В резуль­тате этого топливные элементы имеют гораздо более высокий коэффициент полез­ного действия (КПД) по сравнению с тепловыми энергетическими установками. Первые топливные элементы были продемонстрированы Вильямом Грове в 1839 г. Грове показал, что процесс электролиза - расщепление воды на водород и кисло­род под действием электрического тока - обратим. То есть водород и кислород могут быть соединены химическим путем с образованием электричества.

После того как это было продемонстрировано, начались интенсивные иссле­дования топливных элементов, но изобретение двигателя внутреннего сгорания и развитие энергетики, основанной на ископаемых источниках (нефть, газ, уголь), во второй половине девятнадцатого века затормозило развитие технологии топ­ливных элементов. Еще больше сдерживало развитие топливных элементов их высокая стоимость.

Всплеск развития топливных элементов пришелся на 50-е годы, когда для кос­мических полетов возникла потребность в компактных электрогенераторах. В качестве таких электрогенераторов были использованы водородно-кислородные щелочные топливные элементы. Вода, которая выделялась в процессе работы топливного элемента, использовалась как для обеспечения жизнедеятельности космонавтов, так и для получения водорода и кислорода путем электролиза с использованием солнечных батарей. Топливные элементы до сих пор в значитель­ной степени являются экспериментальной технологией, но уже несколько компа­ний продают их на коммерческом рынке. Только за последние десять лет были достигнуты значительные успехи в области коммерческой технологии топливных элементов.

Простейший топливный элемент состоит из специальной мембраны, известной как электролитическая мембрана, по обе стороны которой располо­жены каталитические электроды: анод и катод. Для приготовления таких электро­дов на пористые материалы, обладающие большой удельной поверхностью, на­носят каталитически активные металлы, такие как Ni, Pt, Ag. Такая конструкция -электролит, окруженный двумя электродами, представляет собой единичный мем,бранно-электродный блок. Водород подается на анод, а кислород (или воздух) - на катод. На каждом электроде протекают разные химические реакции.

На аноде водород под действием катализатора, в качестве которого обычно используют платину, распадается на смесь протонов (Н+) и электронов (е-). На катоде топливного элемента протоны и электроны вступают в реакцию с подава­емым на катод кислородом с образованием воды, Н₂О.

Работа топливного элемента основана на том, что электролитическая мембра­на представляет собой протонный проводник, т.е. материал, по которому прото­ны могут двигаться от анода к катоду. Хорошими протонными проводниками явля­ются щелочи, кислоты, а также твердополимерные мембраны. Электроны движут­ся к катоду по внешнему проводящему контуру. Это движение электронов созда­ет электрический ток, который может быть использован для приведения в дей­ствие внешнего устройства, подсоединенного к топливному элементу, такого как электродвигатель или лампочка.

Водород не является первичным источником энергии, как уголь или газ. В при­роде он присутствует в связанном состоянии в виде углеводородов и воды. Со­временный подход получения водорода основан на централизованном его полу­чении из ископаемых топлив с использованием улавливания и безопасного хра­нения двуокиси углерода. Перспективным источником водорода является биогаз из городских отходов и станций очистки сточных вод. Возобновляемые источники энергии: энергия солнца, ветра, океана, биомассы - могут быть использованы для электролиза воды и получения водорода и кислорода.

Единичный электродно-мембранный блок выдает напряжение около 1 В. Тре­буемое напряжение получают путем последовательного соединения блоков. Что­бы создать больший ток, элементы соединяются параллельно.

Хотя и аккумуляторные батареи, и топливные элементы вырабатывают электри­чество химическим путем, они выполняют две совершенно разные функции. Бата­реи - устройства с накопленной энергией, а электричество, которое они выраба­тывают, является результатом химической реакции вещества, которое находится внутри них. Топливные элементы не хранят энергию, а преобразуют химическую энергию топлива в электрическую. В этом отношении топливный элемент скорее похож на обычную электростанцию.

Топливные элементы открывают перспективы для создания малогабаритных, с большим сроком службы источников тока для мобильных электронных устройств, резервных источников питания [2], а также развития электротранспорта, не со­здающего при движении вредных выхлопов и шума. При сравнении топливных элементов с ядерными электростанциями преимуществом топливного элемента является отсутствие радиоактивных продуктов реакции, захоронение которых само по себе является одной из серьезных проблем атомной энергетики.