Водород – материал будущего для Украины, или Как нам стать энергонезависимыми

24 апреля 2018, 08:32

С каждым годом во всем мире (Украина – не исключение) нарастает число публикаций и проектов, направленных на поиск дешевого, экологичного и высокоэффективного энергоносителя.

Сейчас можно уже утверждать, что век нефти, угля и газа, если еще и не закончился, то уже близится к своему последнему часу. Активизации творческого (уже не только научного, но и предпринимательского) поиска альтернативных источников энергии и внедрению технологий их производства в немалой мере способствует и порождаемые мировым рынком углеводородов политические авантюры и коммерческие риски, вызываемая им волатильность валютных и фондовых котировок.

Можно уверенно утверждать, что от успешности такого поиска зависит не только благополучие обществ завтрашнего дня, но и само существование человечества.

Одним из наиболее перспективных кандидатов на использование в качестве энергоносителя будущего выступает водород. Вспомним из школьной химии, что это самый простой химический элемент во Вселенной и на него приходится три четвертых всей материи в ней.

Водород является "сырьем" для бесконечного производства энергии звездами, в том числе, и Солнцем, в ходе термоядерных реакций.

Запасы водорода на нашей планете тоже неисчерпаемы и постоянно возобновляются, практически любое сложное вещество может быть разложено до этого химического элемента. Из этого можно сделать вывод, что проблем с количеством сырья не должно возникнуть каких-либо проблем, вопрос заключается лишь в том, как его извлечь и переработать.

Интересным фактом является и то, что водородный двигатель был изобретен французом Франсуа Исааком де Реваз в 1806 году. Практическое же использование привычных для нас двигателей внутреннего сгорания началось лишь более через полвека.

Но, в силу непредсказуемости истории, по каким-то, честно говоря, непонятным причинам, широкое распространение получил именно бензиновый, а не водородный двигатель. Особенно не повезло водороду в 20 веке: в 1936 году произошел взрыв самого большого дирижабля в мире "Гинденбург", который работал на водороде, а затем была изобретена водородная бомба. Это создало "невинному" водороду репутацию крайне опасного, разрушительного вещества, практическое использование которого в качестве энергоносителя нецелесообразно, в первую очередь, из-за соображений безопасности.

Но физико-химические характеристики водорода, объективные и не зависящие от представлений людей о них, заставили вернуться к вопросу о разработке водородных двигателей и других генерирующих устройств на этом сырье. Число таких проектов стало стремительно возрастать примерно 30 лет назад, в самых высокоразвитых странах мира – США и Японии.

Говоря об этих свойствах, необходимо отметить, что энергоотдача водорода в реакции сгорания с кислородом (образования воды), составляет 120,7 ГДж/тонну сырья, что во много раз выше, чем при сжигании любого другого топлива. Использование водорода в качестве сырья для двигателей внутреннего сгорания увеличивает их КПД на 50-70% по сравнению с бензиновыми аналогами. Если же говорить о специальных водородных двигателях, то их эффективность выше бензиновых уже в 2-3 раза.

Как уже отмечалось выше, основная проблема во внедрении водорода в качестве энергоносителя, заключается в разработке технологий его извлечения, переработки и транспортирования.

По оценке Департамента энергетики США, если цена водорода будет составлять 5 долларов за 1 кг, то от использования других видов топлива можно будет уверенно отказаться.

Но пока, используемые источники получения водорода не позволяют достичь такой себестоимости его производства, хотя она и постоянно снижается. При использовании традиционных технологий производства водорода, процесс остается экономически невыгодным, так как требует вдвое большего объема электроэнергии, чем получение сопоставимых объемов углеводородов. При производстве водорода по традиционным технологиям из природного газа, сохраняются и большие потери, составляющие 30% возможной энергии.

Задача состоит в создании такого технологического процесса получения водорода, который бы не задействовал какой-либо истощаемый материал и не предполагал бы использование электроэнергии в качестве промежуточного этапа.

В настоящее время приемлемыми, с экономической точки зрения, выступают три технологии получения водорода, как потенциального энергоносителя.

Первая основывается на обработке природного газа паром высокой температуры (паровое углеводородное реформирование).

Вторая основывается на газификации низкосернистых углей в специальных печах при очень высокой температуре с последующей «очисткой» получаемого газа и разделения на составляющие. Обе эти технологии позволяют получить водород по конкурентной цене, но они не могут обеспечить конкурентоспособность водорода в качестве топлива для транспортных средств и массовой промышленной генерации электроэнергии.

Учитывая наличие в Украине больших запасов угля, высокую развитость углехимической и металлургической промышленности, можно уже сейчас внедрять данные технологии. Они позволят использовать водород в качестве сырья для производства электроэнергии, потребляемой в самом технологическом цикле указанных отраслей, а также для сглаживания пиковых нагрузок в национальной энергосистеме, особенно в зимнее время, снижении газовой зависимости Украины.

Третьей технологией является гидролиз воды, – электрохимическое ее разложение на кислород и водород. Но эта технология предусматривает затрату достаточно большого количества электроэнергии. Хотя именно этот процесс уже сейчас используется при создании водородных двигателей крупнейшими мировыми автопроизводителями.

Для отечественной экономики, учитывая пока еще высокий уровень интеллектуального и инженерно-технического потенциала Украины, перспективным выступает участие отечественных предприятий в цикле производства этих двигателей, на основе контрактов с европейскими автоконцернами.

В то же время продолжается активная разработка других технологий, более экономически выгодных и технологически простых.

Одна из них представлена проектом HyperSolar (но не только им), осуществляемым в Университете Айовы, под руководством профессора Сиида Мубина. Речь идет об использовании технологии фотолиза, когда вода, под действием энергии солнечного излучения, разлагается на кислород и водород. Важным достоинством этого проекта является то, что водород в нем представлен не столько как сырье, сколько как своеобразный накопитель энергии, поскольку сама энергия вырабатывается в тот момент, когда водород вновь становится водой.

Еще одним достоинством проекта выступает то, что он может быть реализован в виде устройства с вещественно замкнутым циклом, то есть без постоянной загрузки исходного топлива. Для перспектив возможного сотрудничества Украины с авторами этого проекта важным является и то, что данная технология сравнительно легко может быть интегрирована с солнечной электростанцией, число которых у нас постоянно увеличивается.

Перспективной для Украины является и технология получения водорода с помощью зеленых водорослей вида Chlamydomonasreinhardtii, которые при нехватке кислорода и серы, начинают бурную выработку водорода. Данный метод был изобретен Анастасиосом Мелисом, в конце прошлого века. Но опытно-конструкторские реализации данного проекта пока остаются единичными, хотя исследования продолжаются.

Интересными являются проекты, направленные на использование собранной солнечной энергии для выделения водорода непосредственно из источников, им богатых, особенно органической биомассы, муниципальных и сельскохозяйственных отходов. Учитывая большой запас последних и постоянный их рост, данная технология также представляется перспективной для внедрения в нашей стране.

Завершая рассмотрение заявленной темы, хочется отметить, что разработка и внедрение технологий водородной энергетики представляет для Украины существенный экономический и социальный интерес. Развитие водородной энергетики позволяет увеличить производство электроэнергии, произвести замещение использования углеводородов, внести заметный вклад в решение экологических проблем и совершенствование структуры национальной экономики, увеличить присутствие Украины в международнозначимых имиджевых проектах, сохранить и развить научный и инженерный кадровый потенциал страны.