2.9. Водородная энергетика

Энергетика – основа развития человеческой цивилизации. В настоящее время суммарное потребление энергии в мире составляет около 15 трлн. кВт∙ч в год и продолжает расти. Основными видами первичных энергоресурсов являются нефть, природный газ, уголь. В меньшей степени для получения электроэнергии используются также гидроэнергетика и уран. Ресурсы ископаемых энергоносителей, в первую очередь нефти, ограничены. Кроме того, использование углеродных энергоносителей является причиной нарастающего экологического кризиса, в том числе глобальных климатических изменений.

Отрицательные экологические последствия использования нефтяных топлив на транспорте в первую очередь заметны в крупных промышленных и культурных центрах. Например, для города с населением примерно 1 млн. человек на долю автотранспорта приходится примерно 70% от суммарного количества (несколько сот тонн в сутки) экологически вредных, в том числе токсичных выбросов. Суммарный ущерб от них составляет в год десятки миллионов долларов, хотя в общем энергетическом балансе города на моторное топливо приходится не более 20 %.

С водородной энергетикой связаны надежды на глобальное переустройство мировой экономики, к переходу от ископаемых углеводородных энергоносителей к водороду, что открывает возможность использования в качестве неограниченной сырьевой базы водные ресурсы, а продуктами сгорания водорода являются пары воды.

Водород уже давно является весьма энергоэффективным и экологически чистым топливом. Однако в свободном виде водород на Земле практически не встречается, поэтому его надо производить. В этом смысле водород не является новым источником энергии. Водород — это средство преобразования других источников энергии в химическую энергию в форме запасенного чистого водорода, которую можно использовать впоследствии при его окислении.

Сегодня существует три основных способа производства водорода, не связанные напрямую с неизбежными значительными выбросами двуокиси углерода, и так оценённые за килограмм произведенного водорода в докладе US National Academy of Engineering:

— воздействие на природный газ с помощью пара, что позволяет связывать содержащийся в нём углерод для последующего хранения, себестоимость $1,72;

— воздействие пара и кислорода на угольный порошок, что опять же позволяет связывать углерод ($1,45);

— электролиз воды ($3,93).

Первые два способа, т.е. реформинг природного газа и угля, требуют для дальнейшего применения водорода потреблять из атмосферы кислород и, тем самым, делают атмосферное природопользование в энергетике неизбежным. Поэтому такие технологии являются экологически неприемлемыми.

Электролиз воды, в том числе с использованием протонных мембран для электролизёров нового типа, позволяет извлекать главное недостающее звено водородной энергетики будущего — молекулярный кислород с последующим его возвращением в природную среду. Однако массовое производство водорода электролизерами требует значительного снижения их сегодняшней стоимости.

Во всем мире ведутся исследования в области разработки дешевых способов получения водорода. В этом направлении достигнуты определенные успехи.

Американские исследователи Ричард Дайвер и Джим Миллер разработали способ получения водорода без электролизной обработки воды. Новый генератор водорода состоит из колец противоположного вращения, скомпонованных из активных элементов — нанокомпозитного ферритного состава с двуокисью циркония. После подачи водяного пара эти кольца отбирают из него кислород путём химической реакции, а освобождённый водород откачивается в специальные баллоны. Затем за счёт тепловой обработки колец освобождается кислород.

Российские специалисты предложили способ получения водорода путем сжигания активированного алюминия в водных средах при сверхкритических параметрах воды (374,2°C; 217,6 атм.). Активация алюминия может осуществляться, например, по технологии предварительного измельчения выпускаемых промышленностью алюминиевых порошков в среде водорастворимого полимера, что обеспечивает замену оксидной пленки на полимерную, которая хорошо защищает поверхность алюминия от окисления кислородом воздуха. При попадании водной среды на полимерную пленку последняя растворяется, и частицы алюминия вступают в реакцию с молекулами воды с выделением водорода.

Итальянский физик Роберто Де Люка разработал теорию, позволяющую добывать из соленой воды одновременно и водород, и электроэнергию. В модели Де Люка соленая вода (как и морская, содержащая определенные количества ионов натрия и хлора, то есть растворенную соль) проходит через плоскую и широкую трубку, почти прямоугольную в сечении. На двух сторонах ее укрепили два электрода, а снаружи приложили перпендикулярно направленное магнитное поле. Сила Лоренца создает между электродами ЭДС. При этом на электродах происходят различные химические процессы. На одном из них вода расщепляется на составные элементы, и вырабатываются газообразные кислород и водород. На втором же электроде идет процесс окисления ионов хлора с образованием молекулярного газообразного хлора.

Однако все эти технологии в настоящее время не выходят за стены лабораторий и конкретные сроки их внедрения в промышленность неясны.

Производство водорода на базе атомных станций и электролизёров сегодня является пока единственным технически реализуемым и экологически приемлемым способом создания массовой водородной энергетики. Испытанные технологии ядерной энергетики способны производить огромные количества электроэнергии. Производимые же водород и кислород из воды при ее естественном круговороте в природе после их использования должны возвращаться в природный цикл циркуляции воды.

Реализация высокоэффективных технологий производства водорода возможна при создании высокотемпературного ядерного энергоисточника с температурой нагрева теплоносителя до 1000°Cс высоким уровнем безопасности. Одним из наиболее перспективных источников тепловой энергии, способных обеспечить столь высокую температуру теплоотвода к технологии получения водорода из воды, является высокотемпературный ядерный реактор с гелиевым теплоносителем (ВТГР).

Высокотемпературные газоохлаждаемые реакторы, ввиду уникальности их свойств, привлекли внимание разработчиков ядерных установок более 40 лет назад. В середине 1960-х годов в США и германии были созданы экспериментальные ВТГР небольшой мощности, которые показали высокую надежность и безопасность, низкий уровень радиоактивного загрязнения первого контура, устойчивость в переходных режимах, способность длительно получать температуру гелия на выходе из реактора до 950 °С.

В настоящее время в ведущих странах мира США, Японии, Франции, Республике Корея и др. внимание к ВТГР связывается, в первую очередь, с их возможностью выработки высокопотенциального тепла для промышленного производства водорода из воды.

В России для промышленного производства водорода в ОКБМ разрабатывается модульный высокотемпературный газоохлаждаемый реактор МГР-Т. Этот реактор предназначен для безопасной и экономически эффективной комбинированной выработки высокопотенциального тепла и генерации электроэнергии в прямом газотурбинном цикле для нужд водородного производства.

Технической основой проекта МГР-Т является предшествующий опыт СССР по ВТГР и международная программа создания модульного гелиевого реактора ГТ-МГР, который разрабатывается в рамках международной кооперации с фирмами США, Японии, Франции.

В состав реакторной установки МГР-Т входят высокотемпературный модульный гелиевый реактор, высокотемпературный теплообменник для водородного производства и система преобразования энергии с прямым газотурбинным циклом. Собственно производство водорода из воды осуществляется методом высокотемпературного электролиза в электрохимическом устройстве, к которому подводится тепло от теплообменника при температуре 800–850°Cи электроэнергия.

Высокотемпературный электролиз (ВТЭ) — это разновидность обычного электролиза. Часть энергии, необходимой для расщепления воды, расходуется на нагрев пара, что делает процесс более эффективным. Электролизу подвергается пар под давлением 3 МПа и при температуре 800 °С.

МГР-Т может производить до 140 тыс. м³водорода в час. Для удовлетворения нынешних российских потребностей в водороде необходимо не менее 50 блоков МГР-Т.

Побочным продуктом производства водорода является чистый кислород, который может эффективно использоваться в различных отраслях промышленности, в первую очередь в металлургии.

Необходимо отметить также перспективы непосредственной добычи молекулярного водорода из земных недр. Минеральная концепция происхождения нефти и газа, говорит о практической неисчерпаемости в мантии Земли молекулярного водорода, входящего и в состав природного газа.

По мнению геологов в области так называемого Байкальского рифтогенеза (Тункинская впадина), где земная кора тоньше, кремний-магний-железистые слои, насыщенные водородом, залегают на глубинах всего 4-6 км. На этой глубине электромагнитное зондирование выявило огромную зону с аномально высокой проводимостью. Поэтому еще в 1989 г. предлагалось осуществить глубокое бурение (до 10–12 км) с целью оценить и проверить наличие экологически чистого энергоресурса для получения газообразного водорода.

Автора теории В.Н. Ларин считает, что срединные океанские хребты активно выделяют водород. В Исландии водород в некоторых местах вырывается из-под земли просто со свистом, ещё одна из зон близкого залегания слоёв металлогидратов — в Израиле, ещё одна – штат Невада в США.

Для широкого внедрения водородной энергетики наряду в решением проблем экономически эффективного промышленного производства водорода необходимо решить достаточно сложные проблемы его хранения, транспортировки и создания топливных элементов на его основе. Во всем мире ведутся активные поиски и в этих направлениях.

В США, Японии, Франции, Китае, Южной Корее, Европейском Союзе действуют государственные программы по так называемой атомно-водородной энергетике. В СССР это направление активно развивалось на государственном уровне в 70-80-е годы. Однако сегодня в России нет полномасштабной государственной программы по водородной энергетике. Тем не менее, имеется серьезная интеллектуальная и технологическая основа для системного продвижения этого направления, включая производство водорода, его хранение, распределение и использование. Реализовав этот потенциал, Россия сможет занять достойное место в международной кооперации по развитию водородной энергетики.