Примеры использования водорода, в качестве источника энергии

o  формирование базовой кооперации академических институтов и промышленных предприятий по созданию систем и устройств водородной энергетики на основе ТЭ различных типов;

o  отработку механизма финансирования работ по водородной энергетике и ТЭ с использованием частного капитала;

o  изучение конъюнктуры рынка ТЭ и энергетических устройств на их базе;

o  отбор наиболее привлекательных коммерческих (конкурентоспособных) проектов для освоения их серийного производства и продвижения на рынок;

o  создание предприятий по производству ТЭ и энергетических установок на их основе;

o  подготовку предложений по вариантам водородной инфраструктуры России и структуры автономной энергетики с использованием систем на базе ТЭ;

o  формирование национальной программы России по водородной энергетике, создание руководящих и координирующих органов по ее реализации;

o  подготовка предложений по формированию федеральной бюджетной политики финансирования работ по водородной экономике и ТЭ;

o  разработка законодательной базы, нормативных документов, системы национальных стандартов, регламентов и требований к инфраструктуре водородной энергетики и ее ключевым элементам;

o  пропаганда среди населения достоинств и преимуществ водородной энергетики, перехода страны к водородной экономике и др.

Предусматривается создать  Совет по водородной энергетике и  топливным элементам Российской академии наук, а также учредить всероссийский журнал по водородной энергетике.

За годы пристального внимания науки к водороду и его  практического использования накопился  опыт, на основе которого можно сформулировать несколько стратегических задач  для отечественного нефтегазового комплекса.

Первая — энергетическая безопасность, провозглашенная нашим  президентом как стратегическая программа, для реализации которой  у России есть неоспоримые преимущества, она может получить серьезное  усиление за счет принятия программных долгосрочных документов по водородной энергетике, конкретизирующих инновационность сформулированной задачи, но при обязательном регулировании этих процессов государством.

Вторая задача связана  с тем, что существенный прогресс водородной энергетики, особенно в больших мегаполисах, возможен только за счет реального получения больших объемов водорода. Производство его методом электролиза воды в больших масштабах пока не получается, но есть метод риформинга — каталитического разделения природного и попутного нефтяного газа, который на начальном этапе поможет получить промышленные потоки водорода и практически отработать остальные элементы водородной концепции. Но эти вопросы нельзя решить без заинтересованности нефтяников и газовиков. Нужна активная позиция менеджмента нефтегазовой отрасли. Водородные автозаправки уже работают в Японии и США, пора открывать их и в Москве.

Третья задача определяется тем, что новые коммерческие продукты переработки углеводородов с  получением промышленных объемов водорода очень важны для инновационного развития нашей страны. Как в свое время план ГОЭЛРО, массовое использование водорода вызовет синергетический эффект во всех сферах жизнедеятельности России, и поэтому инициаторы вправе рассчитывать на льготы в форме государственной поддержки, налоговых каникул и других преференций. Прибыльность отрасли и ее общественная значимость возрастет.

И наконец, четвертая  задача: комплексный подход к использованию  минерально-сырьевых и особенно энергетических ресурсов не может мириться с современными параметрами эффективности использования отечественных возможностей. Государственные компании могут и должны активнее демонстрировать динамику опережающего развития, выступать фирмами-операторами, объединяющими корпоративные возможности совершенствования всего воспроизводственного энергетического цикла с выдачей инновационных продуктов, создающих основу для устойчивого развития России. "Роснефть" имеет лидирующие позиции для инициатив в этом направлении.

Примеры использования  водорода, в качестве источника энергии

Автомобиль Toyota FCHV, работающий на водороде, проехал расстояние в 560 км между Осака и Токио без  последующей дозаправки. Это стало  возможным благодаря новому водородному  баку с повышенным давлением. Гибридный  автомобиль оборудован также электродвигателем с постоянным магнитом и никель-металлогидридным аккумулятором. Автомобиль сертифицирован для движения по дорогам Японии. Скоро ожидается старт серийного производства модели FCHV.

В июле японские инженеры разработали технологию, которая позволяет увеличить давление в баке с водородом до 70 МПа. Новшество позволяет увеличить расстояние, которое автомобиль может проехать без дозаправки, на 660 км.

На улицы города Остин (штат Техас, США) вышел первый автобус, использующий комбинацию аккумуляторов и водородный топливный элемент мощностью 20 кВт. Гибридный автобус разработан компанией Ebus при участии университета штата Техас и института газовых технологий (GTI).

Автобус способен двигаться  без дозаправки около 350 км, что почти  в четыре раза превышает ресурс аналогичного автобуса, использующего только аккумуляторы.

Инфраструктура для  заправки водородом пока не создана, заправка автобуса осуществляется на единственной станции, где водород  вырабатывается, а затем сжимается, хранится и выдается при следующей заправке. Техасские ученые продолжат разработки технологий водородной заправки, а также применения водородных топливных элементов в транспортных средствах.

Если верить утверждению  крупнейшего воротилы мобильного бизнеса, компании Nokia, от топливных элементов в качестве аккумуляторов для сотовых телефонов нас отделяет какая-то пара лет. В топливных элементах источником энергии является водород, метанол или этиловый спирт, которые окисляются кислородом при участии платинового катализатора. При этом выделяется достаточное количество экологически чистой энергии. Вопрос перевода мобильных устройств на топливные элементы вместо традиционных литий-ионных аккумуляторов представляет собой проблему поставок и производства, а не технологии. Все необходимые технологии и ноу-хау уже разработаны, в том числе такими копаниями, как производитель ноутбуков Toshiba или автомобильный гигант Toyota.

По словам главы исследовательского отдела Nokia Тапани Рианена (Tapani Ryhanen), потребителю  необходимо дождаться того времени, когда будет налажена поставка топлива к местам заправки и продажи источников питания для мобильных телефонов. Не стоит забывать и такой аспект использования топливных элементов, как небезопасность некоторых видов энергоносителей. Так, небезызвестный метанол в количестве всего 30 г может привести к смерти, а в меньших дозах – к повреждению нервных тканей и слепоте. Зато топливо в таких элементах окисляется до конца, ничего кроме экологически чистой воды и углекислого газа не остаётся после того, как топливный элемент отработал свой ресурс.

Список использованной литературы

1.  «Перспективы и проблемы развития водородной энергетики и топливных элементов». Программа ОАО «Норильский Никель»

2.  Статья Георгия Лазарева, депутата Государственной думы.  "ЭПРО" № 3  2007

3.  Материлы сайтов http://www.gazeta.ru и http://www.energospace.ru/

В сентябре 2003 г. было принято  принципиальное решение о том, что  Российская академия наук и ОАО "Горно-металлургическая компания «Норильский никель»" объединят  свои усилия в исследовании проблем водородной энергетики и топливных элементов. 10 ноября 2003 г. было подписано Генеральное соглашение о сотрудничестве Российской академии наук и компании "Норильский никель". В соответствии с соглашением мы должны в течение месяца разработать и подписать программу наших совместных работ. За этот месяц вместе с представителем "Норильского никеля" В.А. Пивнюком мы посетили ряд ведущих научных организаций Российской академии наук и других ведомств. Побывали на Урале, провели три научных семинара - в Екатеринбурге, Санкт-Петербурге и в Москве, где заслушали около 40 научных докладов.

Мы договорились, что работы в  основном будут идти в направлении  водородной энергетики и топливных  элементов, потому что понятие "водородная энергетика" значительно шире, чем просто получение электрической энергии. Кроме того, мы договорились (и это оговорено в соглашении), что многие исследования, которые сейчас осуществляются на двусторонней основе институтами РАН и компанией "Норильский никель", будут продолжаться. Некоторые из них находятся за рамками нашей совместной программы, но потом они могут влиться в нее.

Расскажу о современном состоянии  водородной энергетики в мире, о  том, что происходит в этой области  исследований в России, какие имеются  возможности и на что мы можем рассчитывать.

С 1900 по 2000 г. потребление энергии  в мире увеличилось почти в 15 раз - с 21 до 320 экоДж (1 экоДж = 27 х 10⁶ м³ нефти). В качестве первичных источников используются нефтепродукты (34.9%), уголь (23.5%), природный газ (21.1%), ядерное топливо (6.8%) и возобновляемые источники - ветер, солнце, гидро- и биотопливо (13.7%). Это привело к тому, что за 50 лет выбросы углекислого газа в атмосферу возросли в 4.5 раза и сегодня составляют 20 х 10¹² м³/год. Это тот самый углекислый газ, ради которого существует Киотский протокол и который, как уверяют многие ученые, вызывает парниковый эффект. Вообще энергетика, основанная на ископаемом топливе, создает очень много экологических проблем. Возникает дилемма: без энергии нельзя сохранить нашу цивилизацию, однако существующие методы производства энергии и высокие темпы роста ее потребления приводят к разрушению окружающей среды. Естественно, что одна из основных задач современной энергетики - поиски путей преодоления экологических проблем.

Вторая и, наверное, главная проблема состоит в том, что существующие источники энергии ограничены. Считается, что нефти и газа хватит не более  чем на 100 лет, угля - примерно на 400 лет, ядерного топлива - на 1000 лет с лишним. Для того чтобы иметь топливо, когда на Земле будут исчерпаны запасы нефти и газа, и решить экологические проблемы, необходимо переходить к новым источникам энергии и иметь "чистую энергетику". И наша главная надежда - на водородную энергетику: использование водорода как основного энергоносителя и топливных элементов как генераторов электроэнергии. Одновременно резко сократится потребление ископаемых топлив, потому что водород можно получать из воды, разлагая ее на водород и кислород. Энергию для этого будут давать ядерная энергетика и возобновляемые источники.

Переход на водородную энергетику означает крупномасштабное производство водорода, его хранение, распределение (в частности, транспортировку) и использование  для выработки энергии с помощью  топливных элементов. Водород находит применение и в других областях, таких как металлургия, органический синтез, химическая и пищевая промышленность, транспорт и т.д. (рис. 1). Судя по современным темпам и масштабам развития водородной энергетики на нашей планете, мировая цивилизация в ближайшее время должна перейти к водородной экономике. Фактически задача состоит в том, чтобы создать топливные элементы и использовать водород для получения электрической энергии. Именно топливным элементам я уделю основное внимание.

Начну с производства водорода. Один из его источников - природное  топливо: метан, уголь, древесина и  т.д. При взаимодействии топлива  с парами воды или воздухом образуется синтез-газ - смесь СО и Н₂ (рис. 2). Из нее затем выделяется водород. Другой источник - отходы сельскохозяйственного производства, из которых получают биогаз, а затем - синтез-газ. Промышленно-бытовые отходы тоже используются для производства синтез-газа, что способствует одновременно и решению экологических проблем, поскольку отходов много и их нужно утилизировать. В конечном счете образуются углекислый газ, водород и окись углерода. Дальше идет каталитическая очистка, электрохимическая конверсия и т.д. Водород можно получать также электролизом воды, то есть разложением ее под воздействием электрического тока. Очень важным элементом при преобразовании газа, содержащего водород, является очистка газа на палладиевых мембранах. В конечном счете получается чистый водород.

Теперь остановлюсь  на способах хранения водорода. Самый  эффективный из них - это баллоны. В таблице 1 приведено отношение (в процентах) массы водорода к массе тары для его хранения. Если баллон выдерживает 300 атм, то в нем можно хранить 13% (масс) водорода; 500 атм - 11%. В США разработаны баллоны, рассчитанные на 700 атм. Они хранят 9% водорода. Удобно хранить водород в сжиженном состоянии. Хорошие способы его хранения - адсорбция водорода в гидридах металлов (порядка 3%) и в интерметаллидах (до 5%). Есть идеи и проводятся уже эксперименты по таким способам хранения водорода, как углеродные наноматериалы, нанотрубки и стеклянные микросферы. Отмечу, что целесообразно максимально согласовать во времени процессы производства водорода из традиционного топлива и его потребления, чтобы минимизировать потребность в хранении водорода.

Перехожу к выработке  электроэнергии с использованием водорода, то есть непосредственно к топливным элементам. Это - гальваническая ячейка, вырабатывающая электроэнергию за счет окислительно-восстановительных превращений реагентов, поступающих извне. При работе топливного элемента электролит и электроды не расходуются, не претерпевают каких-либо изменений. В нем химическая энергия топлива непосредственно превращается в электроэнергию. Очень важно, что нет превращения химической энергии топлива в тепловую и механическую, как в традиционной энергетике. При сжигании газа, мазута или угля в котле нагревается пар, который под высоким давлением поступает в турбину, а турбина уже вращает электрогенератор.

В простейшем топливном  элементе, где используются чистый водород и чистый кислород, на аноде  происходит разложение водорода и его  ионизация (рис. 3). Из молекулы водорода образуются два иона водорода и два электрона. На катоде водород соединяется с кислородом и возникает вода. Фактически в этом и состоит главный экологический выигрыш: в атмосферу выбрасывается водяной пар вместо огромного количества углекислого газа, образующегося при работе традиционных тепловых электростанций.