(Русский) Водородная энергетика. Перспективы развития

     Сегодня в мире происходит бурное развитие альтернативной энергетики на основе возобновляемых источников энергии, в особенности солнечной и ветровой энергетики. Такой размах прежде всего связан с ограниченностью и нехваткой топливных ресурсов (нефти, угля и газа) в недрах земли и негативным влиянием их массового использования на экологию и окружающую среду. В силу того, что в мире  потребности в энергии ежегодно увеличиваются, с целью их удовлетворения разными способами наращиваются объёмы выработки альтенативной электрической энергии.

     Обширное распространение в мире выработки электрической энергии из возобновляемых источников энергии, таких как солнечная и ветровая, наряду с положительными результатами в будущем может привести, однако, к отрицательным последствиям как для человечества, так и для окружающей среды. Вместе с тем, необходимо отметить, что у каждого вида реальной энергетики есть свои положительные и отрицательные стороны, т.е. плюсы и минусы. Рассмотрим и проанализируем их в порядке исторической последовательности.

 

     Плюсы – свободное расположение станций; способность выработки электрической энергии независимо от погодных условий; относительно высокий коэффициент использования установленных мощностей.

     Минусы – ограниченность и нехватка топливных ресурсов; негативное влияние на экологию и окружающую среду.

 

     Плюсы –  самая дешёвая электрическая энергия. 

     Минусы – долгосрочное строительство и его высокая стоимость; выработка электрической энергии сопровождается сезонностью, которая неудобна для потребления в промышленных целях.     

 

     Ядерная энергетика – атомные электростанции (цепная ядерная реакция деления урана для выработки электроэнергии).

     Плюсы – отсутствие загрязнения окружающей среды (не считая техногенные аварии на украинском Чернобыле и японской Фукусиме); отсутствие привязанности к источнику сырья; высокий коэффициент использования установленных мощностей.

     Минусы – проблема захоронения радиоактивных отходов. 

 

Альтернативная энергетика – использование возобновляемых источников энергии солнца, ветра и других природных явлений.

     Плюсы – возобновляемость источников энергии; более низкая стоимость выработки электроэнергии; возможность установки локальных электростанций; экологическая чистота (относительная).

     Минусы – зависимость от времени суток, погодных и климатических условий; значительные вложения в строительство станций; малая единичная мощность станций.       

 

     Вышеприведенное свидетельствует, что у каждой отрасли энергетики есть свои преимущества и слабые стороны. При принятии решения в пользу того или иного направления энергетики необходимо тщательно взвешивать имеющиеся положительные и отрицательные факторы.    

     Учитывая насущную необходимость развития мировой энергетической отрасли представляется целесообразным обратить внимание и на перспективные виды источников альтернативной энергетики, например, на развитие водородной энергетики. Одной из главных причин или предпосылок к переходу на использование водородной энергетики сегодня является необходимость предотвращения глобального потепления в результате использования углеводородов для выработки электрической энергии.

     Как известно, на земле в свободном виде водорода не существует –  его надо производить. Являясь самым распространённым элементом на земле и в космосе, водород остаётся почти невостребованным: если в 2018 г. в мире была осуществлена добыча 4,4 млрд т нефти и 3,86 трлн куб. м природного газа (метана), то объём производства водорода не превысил за этот период 70 млн тонн.  

     Вместе с тем, сегодня в мире использование технологий, основанных на применении водорода, получаемого из низкоуглеродных источников, рассматривается как одна из актуальных сторон энергетической трансформации. В таких развитых странах как Китай, Япония, Германия, США, а также в России реализуются специальные программы, на основе которых осуществляются научные исследования и эксперименты, направленные на поиск оптимальных технологических вариантов производства и использования водорода.

     Сегодня передовыми странами достигнут значительный прогресс в сфере развития водородной энергетики. Например, на дорогах этих стран встречаются водородные автомобили (к примеру, «Тойота Мираи») с одной заправкой на расстояния, в два раза превышающие расстояние движения автомобиля, работающего на автобензине, при этом из выхлопных труб водородных автомобилей капает чистая питьевая вода. На магистральных дорогах Токио, Лондона, Лос-Анджелеса, Сеула и других крупных мегаполисов также можно увидеть автобусы, передвигающиеся с помощью водородного топлива. В ряде городов Японии, США, Германии, Южной Кореи, Англии и др. стран созданы специальные коридоры –  автомобильные дороги с сетью водородно-заправочных станций для движения транспортных средств, работающих на водородном топливе.   

 

 

     В наши дни водородная энергия, помимо автомобильной отрасли, используется и в др. сферах жизнедеятельности человека – в военных целях, освоении космоса,  мобильных устройствах. Согласно подсчётам специалистов, сейчас на производство водорода расходуется 2% мировых энергоресурсов. Дальнейшие перспективы развития водородной энергетики неразрывно связаны с поиском оптимальных способов её хранения и транспортировки.             

     Специалистами принято разделение водорода на три группы: «серый», производимый из угля, нефти и газа, «голубой», производимый на парогазовых установках и атомных электростанциях и «зелёный», получаемый из воды посредством возобновляемых источников энергии. Согласно исследованиям Wood Mackenzie, водород на 96-98%  является «серым» и «голубым», которыми в совокупности осуществляется огромное количество выбросов в атмосферу вредных веществ. Структура мирового производства водорода в настоящее время состоит из трёх основных источников – 18% водорода производится путём переработки угольного топлива, 78% водорода вырабатывается на основе сжигания газа и нефти, а на долю “зелёного” водорода приходятся оставшиеся 4%, получаемые методом электролиза воды, т.е. разложением вещества на составные части под воздействием электрической энергии, полученной на основе возобновляемых источников энергии. При выработке электроэнергии посредством солнечных лучей или ветра методом электролиза воды достигается наибольшая эффективность использования солнечных батарей и ветрогенераторов, а именно:

• водород получается в любое время суток, минуя процесс негативной цикличности;
• осуществляется накопление водорода в “tank”-резервуарах.         
  
  
  
  

     Применение водородной энергетики, по сути, не заменяет углеводородную, атомную или возобновляемую энергетику, а лишь призвано дополнять их, т.е. она должна способствовать наиболее эффективному использованию имеющихся источников энергии. В мировом масштабе водород используется в производстве аммиака (52-54%), нефтепереработке и химической промышленности (35-37%), электронике (6%), металлургии и стекольной промышленности (3%), масложировой промышленности (2%).

     В настоящее время, как отмечено выше, основными сферами применения водородной энергетики являются автомобильный, водный, воздушный и железнодорожный транспорт, но имеются реальные предпосылки его применения в будущем в более крупном масштабе. Основная цель применения водорода в этих сферах – уменьшение токсичных выбросов в атмосферу. Водород имеет огромный потенциал для применения в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания, т. к. имеет значительно большую эффективность, чем бензин или дизельное топливо, при этом не выделяя в атмосферу в процессе сжигания вредное вещество СО2. Расчеты специалистов показали, что один килограмм водорода даёт приблизительно в три раза больше энергии, чем такой же объём дизельного топлива или бензина.

     Основная проблема водородной энергетики связана с энергоёмкостью, т.е. технологией получения энергии. Сегодня для производства определённого количества водорода необходимо израсходовать определённое количество других энергоносителей – нефти, газа, электроэнергии, т.е. для получения водорода требуется либо тепловая, либо электрическая энергия. Существует и другая проблема при использовании водорода – это высокий уровень угрозы вероятности случаев взрывов. Смесь водорода и кислорода называют гремучим газом, который может сгореть от искры с громким хлопком и сильной детонацией. К слову, не обладающий запахом водород при неосторожной работе с ним может нанести значительный урон при взрыве.  Вместе с тем, в настоящее время особое внимание специалистами уделяется вопросам получения водорода из водных ресурсов. В мировом океане имеются неисчерпаемые запасы воды, но существуют определённые трудности при добыче водорода. При этом себестоимость производства водорода из воды (методом электролиза) в 3-6 раза превышает стоимость получения водорода из природного газа. Однако этот метод получения водорода используется лишь для получения особо чистого водорода.

     Учитывая тот факт, что мировая экономика становится на рельсы «зелёной» экономики, актуальным является рассмотрение вопроса постепенного внедрения водородной энергетики в те отрасли, где это представляется возможным. Такими отраслями могут быть производство химических удобрений, металлургия, нефтяная промышленность и, конечно же, транспорт. В настоящее время сфера транспорта с точки зрения экономической оправданности является наиболее готовой к переводу на «зелёные» рельсы, а переход др. отраслей на водород в ближайшей перспективе может привести к удорожанию себестоимости производства.  

     С принятием Постановления Президента Республики Узбекистан от 9 апреля 2021 г. за №ПП-5063 «О мерах по развитию возобновляемой и водородной энергетики в Республике Узбекистан» сделан первый шаг по повышению результативности научно-практических разработок и изысканий в сферах возобновляемой и водородной энергетики, и на этой основе развитию водородной энергетики в Узбекистане. Реализация мероприятий, предусмотренных данным постановлением, должна способствовать созданию предпосылок для формирования инфраструктуры водородной энергетики республики, повышения результативности научных и практических изысканий в сферах возобновляемой и водородной энергетики, широкого внедрения инновационных технологий в производство, а также обеспечения перехода страны к «зелёной» экономике.

     На наш взгляд, для Узбекистана в современных условиях ключевым вопросом водородной энергетики является изучение возможностей масштабного применения водорода в парогазовой энергетике. По результатам исследований и оценкам японской компании “Mitsubishi Hitachi Power Systems” (MHPS), на действующих газотурбинных установках тепловых электростанций допускается увеличение доли водорода до 20% в смеси его с природным газом, не меняя при этом существующие конструктивные и технологические решения. Этой компанией в 2018 г. были инициированы испытания в Японии сверхмощной газовой турбины серии J в работе путём смешивания компонентов – природного газа (70%) и водорода (30%), которые были успешно проведены на заводе в Такасаго на парогазовых установках мощностью 700 МВт (коэффициент полезного действия – 63%) с температурой газов после камеры сгорания 1600 градусов С. При этом для сжигания топлива использовалась горелка с вихревым перемешиванием. В результате, благодаря использованию водорода, выбросы в атмосферу СО2 уменьшились на 10%, а выбросы оксидов азота, по мнению специалистов компании, были на удовлетворительном уровне. В планах компании также участие в пилотном проекте по переводу действующего энергоблока тепловой электростанции “Магнум” в Голландии мощностью 400 МВт с использования газа на 100% применение водорода к 2023 году.  

     Несмотря на все достоинства и преимущества по сравнению с др. источниками энергии водород, как и другие альтернативные источники энергии, по всей вероятности, не станет в будущем единственным источником энергии в мире. Вместе с тем, использование водородной энергетики в совокупности с др. альтернативными источниками энергии может стать одним из эффективных способов решения общемировой проблемы загрязнения окружающей среды и сохранения природных ископаемых топливных ресурсов.     

     При этом, несмотря на определённый прогресс в развитии водородной энергетики, человечество должно пережить несколько десятков лет, прежде чем водородная энергия будет являться обычной, как бензин или природный газ.

     В заключение будет уместным обратить внимание на пророческие высказывания французского писателя Жюль Верна, написанные им более 145 лет назад в фантастическом романе «Таинственный остров»: «Я думаю, что воду когда-нибудь будут употреблять как топливо, что водород и кислород, которые входят в её состав, будут использованы вместе или поодиночке и явятся неисчерпаемым источником света и тепла, значительно более интенсивным, чем уголь. Придёт день, когда котлы паровозов, пароходов и тендеры локомотивов будут вместо угля нагружены сжатыми газами, и они станут гореть в топках с огромной энергией… Вода – уголь будущего».     

 

 

ПОСЛАТЬ ДРУГУ

 ПЕЧАТЬ

Intervyu