Перспективы водородной энергетики
Идея использовать водород в энергетике не нова. Еще в 80-е годы прошлого столетия были разработаны двигатели на водородном топливе. Сегодня в США, странах ЕС, Японии и Китае приняты и реализуются национальные и международные программы по разработке элементов водородной энергетики, в том числе на возобновляемых источниках энергии. Экологический и энергетический кризисы могут сделать развитие водородной энергетики приоритетным направлением мировой экономики.
Топливный элемент
Лучшим горючим для топливных элементов считается водород, на практике же используются и иные его виды: природный газ, спирты (метанол, этанол), продукты газификации угля, переработки сточных вод и биомассы. Для обеспечения процесса получения электроэнергии одновременно с топливом на топливный элемент подается окислитель — кислород, как правило, из атмосферного воздуха. В топливных элементах преобразование энергии водорода в другой ее вид (электрическую) происходит без процесса горения и вредных выбросов, присущих традиционным источникам энергии, использующим углеводородное топливо. Выброс в топливных элементах — обыкновенная вода.
Впервые идею использовать топливные элементы в большой энергетике сформулировал немецкий ученый Освальд в 1894 году. В 30-е годы прошлого века немецкий исследователь Бауэр создал лабораторный прототип топливного элемента с твердым электролитом для прямого анодного окисления угля. Одновременно разрабатывались кислородно-водородные топливные элементы. Общемировое признание получили результаты исследований советского ученого Оганеса Давтяна. После опубликования в 1947г. его монографии «Проблема непосредственного превращения химической энергии топлива в электрическую» страны — технологические лидеры активизировали работу по созданию топливных элементов и энергоустановок на их основе.
В 1958 г. в Англии Ф.Бэкон создал первую кислородно-водородную установку мощностью 5 кВт. В США с 1955 г. К.Кордеш разрабатывал низкотемпературные кислородно-водородные топливные элементы, в которых использовались угольные электроды с платиновыми катализаторами. В Германии Э. Юст работал над неплатиновыми катализаторами.
В 60-е годы были созданы демонстрационные и рекламные образцы топливных элементов. Разработки подобных водородных технологий проводили большинство развитых стран, в первую очередь США, Канада, Япония, а также Советский Союз — признанный технологический лидер в этой сфере в 60—70-е годы. В Соединенных Штатах работы в этом направлении связаны в основном с космосом. В космических аппаратах «Джемини», «Аполлон», «Шаттл» впервые применялось водородные щелочные топливные элементы (AFC). Однако в конце 60-х годов объем разработок и исследований по топливным элементам в США и Канаде существенно сократился.
Всплеск интереса к ним был отмечен лишь в 80-е годы. А в 90-е развитые страны активизировали работы по исследованиям, разработкам и созданию стационарных электрических станций большой мощности на базе топливных элементов. Эти исследования сделали экономически целесообразным использование в стационарных, передвижных и портативных энергоустановках водородных топливных элементов.
Сегодня развитые страны осуществляют разработку ряда видов топливных элементов. Основные из них следующие:
— AFC — щелочной топливный элемент;
— PAFC — фосфорнокислый топливный элемент;
— PEFC, или PEMFC — твердополимерный топливный элемент или топливный элемент на протоннообменной мембране;
— DAFC, или DMFC — прямой алкогольный топливный элемент или прямой метанольный топливный элемент;
— MCFC — расплавкарбонатный топливный элемент;
— SOFC — твердооксидный топливный элемент.
Начало водородного бума
В США еще в 1996 г. законом о водородном будущем была предусмотрена всеобъемлющая национальная энергетическая стратегия, разработанная министерством энергетики. Закон устанавливал, что базовыми элементами в разработках технологий водородной энергетики должны быть топливные элементы, а также принимал многолетний план проведения НИОКР, предложенный минэнергетики. Частью национальной энергетической стратегии стала Водородная программа, цель которой — переход экономики США в течение двадцати лет на водород как основной энергоноситель. В частности, должны быть созданы и внедрены экономически приемлемые ключевые водородные технологии и продукты: топливные элементы, высокоэффективные технологии хранения водорода, небольшие реформеры (устройства, предназначенные для получения водорода из углеводородов) для распределенных систем производства водорода. Эти технологии требуют поддержки индустриальных лидеров-разработчиков. Консолидация корпораций обеспечит создание отраслевого пула производителей энергетических систем. Рост активности в области водородной энергетики откроет рынки для технологий возобновляемой энергетики, например для ветро- и солнечной энергетики, для решения проблем аккумуляции энергии.
Министерство энергетики США реализует также программу Vision XXI, направленную на разработку технологий, необходимых для ультрачистых электростанций XXI века и для подготовки перехода на водородную энергетику. Она предусматривает использование таких видов топлива, как уголь, природный газ, биомасса и муниципальные сточные воды, других видов жидкого топлива. В рамках программы действуют проекты создания электростанций на базе топливных элементов, технологий газификации угля, получения высокопрочных материалов, сепарации водорода, теплообмена и других технологий. Созданы и устанавливаются электростанции на основе расплавкарбонатных топливных элементов (MCFC) с КПД около 85%, работающие на природном газе. Показатель стоимости одного киловатта установленной мощности этих электростанций оценен в $1200. К 2010г. предполагается снижение этого показателя до $400 (для энергоустановок на базе дизельных генераторов показатель стоимости киловатта установленной мощности оценен в $800 — $1500). Гавайи реализуют собственную водородную программу и намереваются в будущем экспортировать водород и водородные энергоносители — стать «тихоокеанским Кувейтом». В 2001 г. был принят закон Hydrogen Future Act of 2001, которым определены объемы финансирования дальнейшего проведения НИОКР и реализации программ в области водородной энергетики — $350 млн. в 2002 — 2006 гг. За три года федеральное правительство США израсходовало на эти цели $210 млн.
Другие страны тоже занимаются строительством «водородного будущего». Китай, к примеру, осуществляет интенсивное внедрение водородных топливных элементов, электростанций и энергоустановок на основе топливных элементов в национальные электроэнергетические системы. В ближайшие три года КНР намеревается инвестировать в водородные технологии около $40 млн. Показателем высокого уровня конкурентоспособности в водородной энергетике является тот факт, что Китаю принадлежит около 25% зарегистрированных в мире патентов в области топливных элементов. Один из проектов связан с применением водородных топливных элементов в автомобилестроении. К 2008 г. предполагается вывести на дороги Китая автотранспорт на топливных элементах китайского производства.
В Японии согласно результатам анализа, проведенного Токийским исследовательским институтом системных технологий, продвижение «чистых» энергетических технологий должно вызвать экономический рост и привести к созданию 180 тыс. рабочих мест.
Европейская комиссия в 2002 г. одобрила план действий и директивы, устанавливающие налоговые льготы для тех, кто ускоряет внедрение и использование на транспорте альтернативных видов топлива, определив, что произведенное сельским хозяйством биотопливо имеет огромный потенциал как на ближайшее время, так и в среднесрочной перспективе. План действий содержит стратегию достижения 20% замены использования углеводородных видов топлива на транспорте к 2020 г.
Еще в 2000 г. Еврокомиссия выделила компании DaimlerChrysler EUR18,5млн. на финансирование проекта CUTE, предусматривающего, что в начале 2006 г. на маршрутах в девяти городах Европы — Амстердаме, Барселоне, Гамбурге, Лондоне, Люксембурге, Мадриде, Порту, Стокгольме и Штутгарте — будут курсировать автобусы на топливных элементах. Предусмотрена и пробная эксплуатация автобусов на топливных элементах, а также оценка надежности и безопасности функционирования водородной заправочной инфраструктуры в городских условиях.
Норвегия, Италия, Франция, Швейцария, Великобритания, Германия реализуют национальные проекты в области водородной энергетики. Ожидается, что к 2010 г. около 10% новых автомобилей на дорогах Великобритании будут работать на топливных элементах. В Германии предусмотрена государственная поддержка, в том числе законодательная и финансовая, тех, кто вводит в эксплуатацию электростанции на топливных элементах для постепенного сокращения эмиссий диоксида углерода по 23 млн. т ежегодно до 2010г. Страна — лидер в «водородном» автомобилестроении и технологиях создания систем водородных заправочных станций, в том числе с применением возобновляемых источников энергии для получения водорода электролизом из воды.