Солнечно-водородная энергетика. Водородная энергетика

В последние десятилетие стало очевидным фактом, что дальнейшее интенсивное развитие современной энергетики и транспорта ведет человечество к крупномасштабному экологическому кризису. Стремительное сокращение запасов ископаемого топлива будет принуждать индустриально развитые страны расширять сеть атомных энергоустановок, которые во все возрастающей степени станут повышать опасность их эксплуатации. Резко обострится проблема утилизации радиоактивных отходов. Учитывая эту тревожную тенденцию, многие ученые и практики определенно высказываются в пользу ускоренного поиска альтернативных нетрадиционных источников энергии. В частности, их взоры обращаются к водороду, запасы которого водах Мирового океана неисчерпаемы. Неоспоримым достоинством водородного топлива являются относительная экологическая безопасность его использования, приемлемость для тепловых двигателей без существенного изменения их конструкции, высокая калорийность, возможность долговременного хранения, транспортировки по существующей транспортной сети, нетоксичность и т.д. Однако существенной непреодолимой проблемой до сегодняшнего дня остается неэкономичность его промышленного производства.

Для нужд водородной энергетики в будущем предполагается усовершенствовать традиционные методы и разработать новые, нетрадиционные, используя ядерную и солнечную энергию . Предлагаемое усовершенствование основного метода получения водорода – каталитической конверсии природного газа заключается в том, что процесс проводят в кипящем слое катализатора, а тепло в свою очередь подводят от высокотемпературного ядерного газоохлаждаемого реактора (ВТГР). Применение этого метода позволит более чем в 10 раз увеличить объемную скорость процесса, снизить температуру в химическом реакторе на 150 °С, а также уменьшить затраты на производство водорода на 20-25%. Однако такие реакторы, обеспечивающие высокие температуры теплоносителя (ок. 1000°С), пока находятся в стадии разработок.

Другой вариант получения водорода водно-щелочной электролиз под давлением с использованием дешевой электроэнергии, вырабатываемой в ночное время атомной электростанцией. При этом расход электроэнергии на получение 1 м 3 Н 2 составляет 4,3-4,7 кВт ч (по обычному способу 5,1-5,6 кВт ч), напряжение на ячейке 1,7-2,0 В при плотности тока 3-5 кА/м 2 и давлении в электролизёре до 3 МПа. Полученный таким способом водород может направляться на нужды промышленности либо использоваться как топливо на электростанции для выработки дополнительной электроэнергии в дневное время.

Другим методом получения водорода является электролиз воды с использованием в качестве электролита расплава щёлочи, твердого полимера (твердополимерный , или ТП-электролиз ), или керамики на основе ZrO 2 (высокотемпературный , или ВТ-электролиз ). Электролитический метод требует затрат электроэнергии на 30-40% меньше, чем традиционные способы получения водорода. Использование твёрдых электролитов позволяет значительно сократить расстояние между электродами в ячейке (до 250 мкм), в результате чего в несколько раз повышается плотность тока без увеличения напряжения на ячейке электролизёра. В качестве электролита при твёрдополимерном электролизе можно использовать пленку из сульфированного фторопласта-4. При этом температура процесса составляет 150°С, достижимый кпд электролизёра 90%, расход электроэнергии на получение 1 м 3 Н 2 3,5 кВт ч. Наиболее перспективен высокотемпературный электролиз с использованием тепла от реактора: при этом электролитом служит керамика из оксида циркония ZrO 2 с добавками оксидов других металлов (например, Va 2 O 3 , CaO, Sc 2 O 3). При этом температура процесса существенно повышается до 800-1000 °С, а достижимый уровень расхода электроэнергии на получение 1 м 3 Н 2 при плотностях тока 3-10 кА/м 2 составляет 2,5 кВт ч.

Из плазмохимических методов получения водорода наиболее перспективен двухстадийный углекислотный цикл , включающий: 1) диссоциацию углекислоты (2СО 2 -> 2СО + О 2), осуществляемую в плазмотроне с эффективностью до 75-80%; 2) последующую конверсию СО с водяным паром (СО + Н 2 О -> Н 2 + СО 2), после которой образовавшийся СО 2 возвращается в плазмотрон.

Термохимические способы получения водорода представляют собой совокупность последовательных химических реакций, приводящих к разложению исходного водородсодержащего сырья – воды при более низкой температуре, чем та, которая требуется для термической диссоциации. Так, степень термической диссоциации воды при 2483°С составляет 11,1%. В этих циклах все компоненты системы, кроме водородсодержащего сырья, регенерируются. Ниже приводятся примеры термохимических циклов разложения воды.

Также представляют интерес сероводородные термохимические циклы , например:

При использовании сероводорода (H 2 S) вместо воды снижаются затраты энергии на получение водорода, т.к. энергия связи Н-S в сероводороде значительно меньше энергии связи Н-О в воде, и кроме водорода образуется сера - важное химическое сырье.

К другим перспективным методам получения водорода относится радиолиз воды и водных растворов СО 2 , H 2 SO 4 , HC1, HBr, H 2 S, AgCl и др. под действием ядерного излучения (жесткого, нейтронного). Наиболее мощные источники такого излучения - ядерные реакторы. Однако, для развития этого метода необходимо создать источники ядерного излучения с высокой энергонапряженностью, разработать системы, способные поглощать реагирующей средой более 50% энергии излучения и использовать ее с радиационным выходом более 10 молекул водорода на 100 эВ.

Исследуются также и фотохимические методы получения водорода с использованием солнечной энергии. Осуществлен фотоэлектролиз воды (с раздельным получением Н 2 и О 2); метод будет представлять практический интерес, если его кпд достигнет 10-12% (пока он составляет ок. 3%).

Другим интересным способом получения водорода является биофотолиз воды . Биофотолиз воды основан на том, что некоторые микроорганизмы и микроводоросли (например, хлорелла), поглощающие солнечную энергию, способны разлагать воду с выделением водорода. Однако кпд трансформации солнечной энергии такими микроорганизмами очень низок – примерно 8%.

В последнее время как альтернативу водородной энергетики предлагается использовать тяжёлую воду . В ходе ядерной реакции двух атомов дейтерия образуется водород и гелий:

В такой реакции неприменим закон сохранения массы, каким пользуется обычная химия; в результате реакции получается недостача:

(2x2,014-1,008-3,016)г=0,004г

Она означает, что если бы удалось найти условия, при которых может протекать реакция между двумя молями тяжелого водорода, то, согласно уравнению Эйнштейна:

можно было бы получить энергию:

0,00433х(3,0х1010)2 эрг=3,9х1018 эрг=3,9х1011 Дж.

В наше время, чтобы получить такую энергию, приходится сжигать 14 т угля.

Между тем в соответствии с уравнением ядерной реакции такую энергию можно получить при затрате всего лишь двух молей дейтерия, которые содержатся в одном моле тяжелой воды. Следовательно, простой воды для этого потребуется:

6700x18/1000 кг = 120,6 кг

или 120 л. Значит, из одного литра обычной воды можно добыть больше энергии, чем можно получить ее из ста килограммов высококачественного угля. А запасы воды на нашей Земле огромны.

Однако, некоторые учёные считают, что решение энергетических проблем за счёт водородного топлива - это тупиковый и опасный путь. Поскольку, освобождаясь от загрязнения среды обитания продуктами горения углеводородного топлива, человечество приобретает достаточно мощный и непредсказуемый "продукт", который может послужить источником глобальной катастрофы.

К.х.н. О. В. Мосин

Исп. литература: « Водородная энергетика» : Легасов В. А. 1980, Атомно-водородная энергетика и технология, М., 1978, с. 11-36; Мищенко А. И., Применение водорода для автомобильных двигателей, К., 1984; McAul - iffe Ch . A ., Hydrogen and energy , Ц., 1980.

Водородная энергетика возникла как одна из линий развития НТП в 70-х годах предыдущего столетия. По мере расширения области исследований, касающихся получения, перевозки и хранения, а также использования водорода, становились очевиднее экологические преимущества технологий получения водорода в разных сферах народного хозяйства. Эффективность развития некоторых водородных технологий (топливные элементы, металлогидридные системы, транспортные водородные системы и т.д.) показали, что применение водорода дает совершенно новые качественные показатели в функционировании агрегатов и систем.

Проведенные технико-экономические тестирования показали, что, несмотря на то, что элемент водород – вторичный носитель энергии, то есть он дороже по стоимости, чем природные топлива, его использование в некоторых случаях экономики уже сегодня целесообразно. Поэтому работы в отрасли водородной энергетики в большинстве странах, тем более с развитой промышленностью, считаются приоритетными направлениями развития техники и науки. Они все больше поддерживаются финансами со стороны государства и частного капитала.

Свойства водорода

При нормальных условиях в свободном состоянии водород представлен бесцветным газом, не имеющим и запаха. Водород имеет плотность относительно воздуха 1/14. Обычно он встречается в комбинации с остальными элементами, например, углерода в метане, кислорода в воде, в разных органических соединениях. Поскольку водород чрезвычайно активен химически, он редко находится в несвязанном виде.

Водород, охлажденный до состояния жидкости, занимает 1/700 объема состояния в газообразном виде. При его соединении с кислородом, водород имеет максимально большое содержание энергии на одну единицу массы: 120,7 ГДж/т. Это является одной из нескольких причин, почему водород в жидком виде применяется в качестве ракетного топлива и служит энергетикой для современных космических кораблей, для которой большое удельное содержание энергии водорода и малая молекулярная масса имеет большое значение. В чистом кислороде при сжигании единственные продукты – это вода и тепло высокой температуры. Так, в случае применения водорода не выделяются вредные парниковые газы и даже не происходит нарушение в природе круговорота воды.

Производство водорода

Ресурсы водорода, которые содержатся в воде и в органическом веществе, почти неисчерпаемы. Разрыв данных связей дает возможность для получения водорода, после чего водород применяется для топлива. Разработано множество процессов по разделению воды на составные части.

Вода при нагревании более 2500°С начинает разлагаться на кислород и водород (прямой термолиз). Такую высокую температуру получают, например, при помощи концентраторов энергии солнца. Здесь проблема состоит в том, чтобы не допустить рекомбинацию кислорода и водорода.

Сегодня в мире основная часть получаемого водорода в промышленном масштабе получается в ходе паровой конверсии метана (ПКМ). Таким образом, получение водорода дает возможность применять его как реагент для процесса очистки нефти и в качестве составляющей азотных удобрений и для ракетной техники. Тепловая энергия и пар при температурах 750-800°С необходимы для выделения водорода из углеродной основы в метане, что и случается на каталитических поверхностях в химических реформерах. Самая первая ступень ПКМ процесса разделяет водяной пар и метан на моно оксид углерода, а также водород. На второй ступени в процессе «реакции сдвига» моно оксид углерода и вода преобразуются в водород и диоксид углерода. Данная реакция протекает при 200-250°С.

В СССР в 30-е годы в промышленных масштабах получали синтез-газ благодаря паровоздушной газификации угля. Сегодня в ИПХФ РАН, расположенном в Черноголовке, создается технология для газификации угля в сверхадиабатическом режиме. Данная технология дает возможность преобразовывать энергию тепла угля в тоже тепловую энергию синтез-газа с КПД 98%.

Начиная с 70-х годов предыдущего века, в нашей стране были сделаны и получили научно-техническое объяснение и подтверждение путем эксперимента проекты гелиевых высокотемпературных реакторов (ВТГР) энерготехнологических атомных станций (АЭТС) для черной металлургии и химической промышленности: АБТУ-50, а затем – проект атомной энергетической станции с реактором ВГ-400, мощность которой 1060 МВт для химико-ядерного комплекса по получению водорода и смесей, содержащих его, по выпуску метанола и аммиака, еще несколько проектов в данном направлении.

Базой для всех проектов ВТГР стали разработки ядерных двигателей для ракет на базе водорода. Испытательные высокотемпературные реакторы, выпущенные в нашей стране для данных целей, а также ядерные демонстрационные двигатели для ракет показали работоспособность при нагревании водорода до максимальной температуры 3000К.

Высокотемпературные реакторы на основе гелиевого теплоносителя – новейший тип универсальных экологически чистых атомных энергетических источников, уникальные характеристики которых – способность получать тепло при температурах выше 1000°С и высочайший уровень безопасности – определяют невероятные возможности их применения для получения в газотурбинном цикле электрической энергии с большим КПД и для обеспечения высокотемпературным теплом и электроэнергией производственных процессов получения водорода, технологических процессов нефтеперерабатывающей, химической, металлургической и других отраслей, для процессов опреснения воды.

Самым современным в этой области считается международный проект ГТ-МГР, разрабатывающийся общими стараниями отечественных институтов и компании GA из США. Также с проектом сотрудничают компании Фуджи электрик и Фраматом.

Получение атомного водорода

Источником атомного водорода являются вещества, которые отщепляют атомы водорода при их облучении. В процессе облучения ультрафиолетом, например, йодистого водорода начинает протекать реакция с выделением атомного водорода.

Для выделения атомного водорода используется термическая диссоциация молекулярного водорода на палладиевой, платиновой проволоке или проволоке из вольфрама, нагретой при давлении меньше 1,33 Па в атмосфере водорода. Разделения водорода на атомы удается достигнуть также, применяя радиоактивные вещества. Есть метод синтеза атомного водорода в электрическом высокочастотном разряде с дальнейшим вымораживанием молекулярного водорода.

Физические варианты способов получения водорода из смесей, содержащих его

Водород в значимых количества имеется во многих смесях газов, в коксовом газе, например, который выделяется при пиролизе бутадиена, в получении дивинила.

Чтобы выделить водород из смесей газов, содержащих водород, применяют физические методы концентрирования и выделения водорода.

Фракционирование и низкотемпературная конденсация. Данный процесс описывается высокой степенью получения водорода из газовой смеси и выгодными экономическими показателями. Как правило, при давлении газа 4 МПа для выделения 93-94%-ного водорода температура должна составлять 115К. При содержании в исходном газе водорода больше 40% степень его получения может достигать 95%. Затрата энергии на концентрирование Н2 70-90% приравнивается к 22 кВт.ч на 1000 м3 получаемого водорода.

Адсорбционное выделение. Данный процесс происходит с помощью использования молекулярных сит, адсорберов, работающих циклически. Его можно реализовывать под давлением, равным 3-3,5 МПа с извлечением до 80-85% Н2 в виде 90%-го концентрата. В сравнении с низкотемпературным способом получения водорода для осуществления данного процесса нужно приблизительно на 25-30% меньше материальных затрат и на 30-40% меньше эксплуатационных.

Адсорбционное производство водорода с использованием жидких растворителей. В некоторых случаях способ подходит для получения водорода в чистом виде. Данный метод позволяет извлекать до 80-90% водорода, который содержится в первоначальной смеси газов, а также достигать его концентрации в конечном продукте до 99,9%. Затраты энергии на получение водорода достигают 68 кВт.ч на 1000 м3 Н2.

Получение водорода путем электролиза воды

Электролиз воды – это один из распространенных и хорошо изученных способов получения водорода. Он гарантирует получение продукта в чистом виде (99,6-99,9% Н2) за одну технологическую ступень. На получение водорода в затратах на производство стоимость электроэнергии составляет около 855.

Данный способ применяется в нескольких странах, которые имеют значительные запасы недорогой гидроэнергии. Крупнейшие электрохимические комплексы располагаются в Индии, Канаде, Норвегии, Египте, но созданы и функционируют множество мелких установок в разных странах мира. Этот способ считается важным еще и потому, что он наиболее универсален относительно применения первичных энергетических источников. В связи с распространением атомной энергетики стал возможен новый расцвет процессов электролиза воды за счет недорогой электрической энергии атомных электростанций. Ресурсы электроэнергетики сегодня недостаточны для синтеза водорода как продукта для дальнейшего использования в энергетике.

Электрохимический метод получения водорода из воды имеет следующие преимущества:

1. Высокая чистота водорода в конечном продукте – до 99,99% и более;

2. Легкость и постоянство технологического процесса, можно автоматизировать процесс, в электролитической ячейке нет движущихся частей;

3. Возможность получения очень ценных дополнительных продуктов – кислорода и тяжелой воды;

4. Неисчерпаемое и доступное исходное сырье – вода;

5. Возможность получения водорода прямо под давлением;

6. Физическое распределение кислорода и водорода в ходе электролиза.

Во всех приведенных примерах получения водорода путем разложения воды побочным продуктом являются большие объемы кислорода. Это открывает новые возможности для его использования. Он сможет найти свое место не только в качестве ускорителя процессов технологии, но и в качестве незаменимого очистителя водоемов. Данная область применения кислорода может распространиться и на почву, атмосферу и воду. Сгорание в кислороде увеличивающихся количеств бытовых отходов поможет решить вопрос твердых отбросов крупных городов.

Еще один ценный продукт электролиза воды – тяжелая вода – прекрасный замедлитель нейтронов во всех атомных реакторах. Данная тяжелая вода может применяться в качестве сырья для синтеза дейтерия, который служит материалом для термоядерной энергетики.

Одним из альтернативных способов получения энергоносителя является водородная энергетика. На сегодняшний момент нет четкого экономически выгодного механизма ее получения. Однако учеными ведутся активные разработки вариантов добычи водородного топлива. Основные проблемы водородной энергетики заключаются в том, что получение вещества сопряжено с необходимостью траты иных энергоносителей (нефть, электричество, газ), а также высокой угрозой образования взрывов.

Специалисты стремятся найти возможности устранения этих проблемных аспектов. Так, внимание уделяется вопросам получения водорода из воды. Учитывая, что мировой океан исчисляется миллионами тонн воды, можно считать, что источник для получения водородного топлива неисчерпаем.

Преодолевать трудности на пути к получению альтернативного источника энергии ученых побуждают высокие эксплуатационные и технологические показатели энергоносителя. Имея низкий показатель вязкости, водород без проблем транспортируется по трубам. Его можно хранить в сжиженном, газообразном состоянии. Он довольно легок, срок хранения продолжительный.

Современные технологии водородной энергетики позволяют получать качественный топливный материал с высоким коэффициентом теплоотдачи. Этот энергоноситель с легкостью можно использовать как в промышленном производстве, так и для отопления жилых зданий. Он безопасен для окружающей среды, не токсичен. Не несет ни малейшей угрозы человеку и животным. По своей сути, водород является отличным топливным материалом. И есть огромные перспективы его использования. Однако вместе с ними существуют и определенные трудности в его добыче.

На данный момент известны несколько способ получения водорода. Среди них:

• химический;
• электролиз;
• термохимический.

Все они относятся к традиционным методам. Но каждый способ сегодня является экономически и экологически нецелесообразным, по причине необходимости затраты природных ископаемых. Учитывая, что залежи природных материалов стремительно истощаются, нет смысла тратить дорогостоящие энергоносители для получения иного, пусть и дешевого.

Есть ли перспективы в будущем

Хотя водородная энергетика плюсы и минусы имеет в равной степени, ученые все же склоняются к мысли, что перспективы для ее развития имеются. Изобретение новейшего оборудования для добычи водорода поможет решить проблемные моменты. Уже сегодня есть некоторые наработки и понимание того, как удешевить процесс получения энергоносителя, снизив затраты газа.

Конечно, на пути к достижению этой цели специалистам предстоит решить не одну сложнейшую задачу. Однако обнадеживает то, что ученые имеют представление о процессе получения водорода. Остается только создать специальное оборудование, с помощью которого удастся воплотить идеи в реальность.

Справедливости ради нужно упомянуть и мнение других ученых, пессимистически настроенных по отношению к развитию водородной энергетики. По их мнению, его добыча и использование может представлять огромную угрозу для человечества. Малая изученность вещества способна стать причиной техногенной катастрофы вселенского масштаба. Правда, помимо предположений, специалисты не могут предоставить никаких четких аргументов в поддержку своей гипотезы.

Сейчас понятно только одно – водород является уникальным энергоносителем, но человечество не имеет технически совершенных способов его беспроблемной добычи.

Интервью с заведующим лабораторией Института проблем химической физики РАН в Черноголовке Юрием Добровольским.

Водородной энергетике пророчат большое будущее. Объем частных инвестиций в производство водородных топливных элементов (ВТЭ) еще в 2014 году прошел отметку $1 млрд, а мировой объем рынка составил $2,2 млрд. К 2017 году спрос на ВТЭ, предположительно, вырастет до $4 млрд, а к 2020 году — до $12 млрд. Водород называют самым экологически чистым источником энергии, его запасы практически безграничны, а КПД топливных элементов вдвое выше, чем у двигателей внутреннего сгорания. В России выпуском ВТЭ пока что занимаются научно-исследовательские институты и компании-стартапы. Лаборатория Института проблем химической физики РАН в Черноголовке разрабатывает и с 2014 года продает топливные элементы на водороде. При той же мощности, что у литий-ионных аккумуляторов, они в несколько раз легче и работают на морозе до -40°C. Поэтому их закупают производители беспилотников, самолетов и роботов.

— Илон Маск поставил на Tesla литий-ионный аккумулятор. Батареи того же типа — стандарт для гаджетов. Водород пока не выдерживает конкуренции?

— В кризисные годы водородная энергетика как более дорогая развивалась не так стремительно. А к 2011-2012 годам появились действительно хорошие литий-ионные аккумуляторы — с высокой энергоемкостью, глубокими циклами заряда-разряда. И они получили массовое распространение, причем в основном в сферах, очень близких обычному потребителю. Литий-ионными батареями, хотя число рабочих циклов и цена все еще были их ахиллесовой пятой, стали оснащать небольшие электростанции, их поставили в системы для компенсации пиковых нагрузок. И главное — они пришли в электроснабжение автомобилей. Вот и пошел шум. Водородная энергетика поблекла на фоне таких ярких проектов, как Tesla.

— В начале 2000-х Япония, США, Южная Корея инвестировали сотни миллионов долларов в водородные программы. Это дало эффект?

— Только в США сумма инвестиций за несколько лет превысила $1 млрд. Эволюционный рост был заметный. Но все это не шло в сравнение с тем, как широко обсуждались перспективы литий-ионных батарей. Многие внедрения ВТЭ пока не очень известны широкой публике. Например, в США и Скандинавских странах энергоустановки с ВТЭ мощностью более 1 МВт питают большие бизнес-центры, госпитали, жилые здания. Появляются экспериментальные установки мощностью более 10 МВт. В Японии приняли в 2002 году госпрограмму создания бытовых автономных водородных станций. Сегодня их уже тысячи по стране. Другое направление — транспорт. Во многих европейских столицах общественный транспорт перевели на водород еще 10-20 лет назад. Водородные прототипы есть в работе почти у всех крупных автоконцернов. Все понимают, что литий-ионные аккумуляторы мало пригодны для комфортной езды в городе. Поэтому Toyota, Honda, Nissan, General Motors рассчитывают наладить массовое производство водородных автомобилей. Японцы планируют, что суммарные продажи водородомобилей Toyota Mirai (цена — от $57 500) вырастут к концу 2017 года до 3000, а к 2020 году — до 30 000.

— Водородные топливные элементы называют самым экологичным топливом, но ведь водород берется преимущественно из углеводородов…

— Это правда, водородная энергетика полностью чистая там, где ее применяют. Главное преимущество ВТЭ — химическая энергия горючего преобразуется в электрическую без реакции горения, что и дает высокий КПД: у худших вариантов 45-50%, у лучших — 65-70%. А КПД лучших двигателей внутреннего сгорания — 30-35%. Но сам водород получают в основном с помощью газовой конверсии угля и природного газа. При этом выделяются сера, углекислый газ. Но из-за высокого КПД водородных элементов при том же уровне выбросов углекислого газа мы получаем в два раза больше энергии. Глобальные компании видят, что в долгосрочной перспективе переход на водород даст огромный выигрыш.

— Какие это корпорации, кроме автопроизводителей?

— Например, строители самолетов. В аэропорту самолет пока ездит на маршевом двигателе. Boieng и Airbus уже испытывают вспомогательные силовые установки на основе водородных топливных элементов. Вообще сегодня от маршевого двигателя работают и шасси, и кондиционеры, и освещение, и другие системы — эта дополнительная нагрузка снижает его КПД. Если перевести все это на ВТЭ или литий-ионные аккумуляторы, эффект будет огромный.

— Считается, что ВТЭ намного дороже литий-ионных решений, что тормозит проникновение водородной энергетики. Ситуация меняется?

— Сейчас литий-ионные и водородные источники питания сопоставимы по цене: один киловатт установленной мощности стоит $1000-2000. Это примерно вдвое дороже, чем у углеводородных источников. Но вполне конкурентно. Все упирается в то, что ни мощные литий-ионные батареи, ни ВТЭ до сих пор не производятся массово. Производители держат цены. Двигатель внутреннего сгорания в ближайшие десятилетия ни одному альтернативному источнику по цене не обойти. Можно конкурировать по другим параметрам, важным в каждом отдельном случае, — надежность, отсутствие шумов, меньший вес источника энергии.

— Как сейчас развиваются водородные технологии в России?

— С 40-х годов прошлого века мы были лидерами в водородной энергетике. Но если в США сразу продумывали, как технологии, которые предназначались для строительства ракет и для оборонных задач, можно адаптировать к нуждам простых людей, то у нас этим не занимались. К тому же в США еще в то время сделали ставку на дорогие твердополимерные топливные элементы, а мы работали со сравнительно дешевыми щелочными. Но для щелочных элементов в качестве окислителя нужен чистый кислород, тогда как для твердополимерных годится обычный кислород из воздуха. Щелочные элементы выгодно применять лишь там, где везешь запас кислорода (например, в космических кораблях или в подлодках). В 1980-х советские ученые поняли, что сделали неправильный выбор, но догонять уже было поздно. После распада СССР группы, занимающиеся ВТЭ, смогли перестроиться на коммерческие заказы. Электрохимические источники тока оказались в центре внимания многих мировых компаний, поэтому до 2005 года российские ученые работали над проектами для Nissan, Samsung, LG и других. А в 2007-2008 годах пошли российские проекты.

— В 2003 году «Норникель» и РАН объявили о партнерской программе развития водородной энергетики. Какой импульс она дала?

— «Норникель» рассчитывал создать собственный топливный элемент и продавать его российским компаниям. Но в итоге купил крупную долю в американской Plug Power. В общем, «Норникель» не был готов ждать результатов долго и постепенно свернул водородную программу. Очень жаль, потому что она подстегнула энтузиазм исследователей и разработчиков и привлекла внимание бизнеса к новым источникам энергии. Могу сказать, что многие научные группы выжили только благодаря программе «Норникеля».

— Кто и где в России использует водородные элементы?

— Наши компании консервативны и неохотно меняют то, на чем работают уже десятки лет. Помните, аварию у сети «Вымпелкома» на севере Москвы в 2013 году? Тогда больше миллиона абонентов остались без связи. Дата-центр телеком-оператора - это мегаватты и десятки мегаватт энергии, но до сих пор его бесперебойное питание обеспечивают резервные дизели-генераторы. Думаю, многие видели колонны грузовиков с цистернами дизеля, отправлявшихся в дата-центр «Вымпелкома». А ведь можно было бы поставить литий-ионные или водородные источники, и никакого кошмара бы не было. Робототехника — тоже большой рынок для водородной энергетики. Понятно, что робот-пылесос 15-20 минут может разъезжать по квартире на литий-ионных аккумуляторах. Но если речь идет о создании настоящих роботов-помощников, нужны иные источники питания. Сейчас ВТЭ уже ставят в шагающих роботов, мы сами поставляем легкие и малогабаритные системы на несколько киловатт инженерным командам.

— Почему в России пока что дело не доходит до бытовых применений ВТЭ?

— Потому что у нас нет соответствующей инфраструктуры. Все европейские проекты, водородная энергетика в Японии начинались с поддержки властей по созданию сетей заправок. У нас подвижек в этом направлении нет. И это притом что в России производится около 8-10% водорода от мирового объема, у нас водород на 30-40% дешевле. На Западе нефтяные компании — в частности, Shell и ExxonMobil — инвестируют в производство водорода, ВТЭ, строят заправочные станции, понимая, что если при производстве нефти они работают с водородом, то лучше и потом использовать его как топливо. Но, увы, российским нефтяникам это не очень нужно. Есть миф, что перевозка и хранение водорода небезопасны. На самом деле он не опаснее, чем природный газ. Молекулы водорода очень легкие, даже если есть небольшая утечка, он быстро улетучивается. Мы же не отказываемся от газа в быту, хотя нередко узнаем о взрывах баллонов в квартирах. Национальная ассоциация водородной энергетики уже подготовила технический регламент по безопасности водородных установок, средств транспортировки. Главное, чего нам сейчас не хватает, — это экологическая культура. Когда бизнес, власти и обычные люди всерьез задумаются о последствиях жизни на нефтяном топливе, вот тогда водородный мир станет уже ближайшим будущим.

Елена Краузова

На Саммите тысячелетия в Нью-Йорке 6 сентября 2000 г. Россией была выдвинута инициатива по реализации программы энергетического обеспечения устойчивого развития человечества, кардинального решения проблем нераспространения ядерного оружия и экологического оздоровления планеты Земля. На встрече президентов России и США в России в мае 2002 г. было заявлено о научно-техническом и деловом сотрудничестве в области использования нетрадиционных источников энергии, энергосберегающих и экологически чистых технологий и о разработке и развитии новых более экологически безопасных технологий ядерной энергетики. На встрече руководителей ведущих стран мира в Эвиане в мае 2003 г. заявлено, что важной составляющей дальнейшего устойчивого развития цивилизации становится Водородная энергетика.

Атомно-водородная энергетика -пути развития Н.Н. ПОНОМАРЕВ-СТЕПНОЙ, академик,
А.Я. СТОЛЯРЕВСКИЙ, кандидат технических наук

«Энергия» 2004, № 1. С. 3-9 .

Свойства водорода
В свободном состоянии и при нормальных условиях водород - бесцветный газ, без запаха и вкуса. Относительно воздуха водород имеет плотность 1/14. Он обычно и существует в комбинации с другими элементами, например, кислорода в воде,углерода в метане и в органических соединениях. Поскольку водород химически чрезвычайно активен, он редко присутствует как несвязанный элемент.

Охлажденный до жидкого состояния водород занимает 1/700 объема газообразного состояния. Водород при соединении с кислородом имеет самое высокое содержание энергии на единицу массы: 120.7 ГДж/т. Это - одна из причин, почему жидкий водород используется как топливо для ракет и энергетики космического корабля, для которой малая молекулярная масса и высокое удельное энергосодержание водорода имеют первостепенное значение.

При сжигании в чистом кислороде единственные продукты - высокотемпературное тепло и вода. Таким образом, при использовании водорода не образуются парниковые газы и не нарушается даже круговорот воды в природе.

Производство водорода
Запасы водорода, связанного в органическом веществе и в воде, практически неисчерпаемы. Разрыв этих связей позволяет производить водород и затем использовать его как топливо. Разработаны многочисленные процессы по разложению воды на составные элементы.

При нагревании свыше 2500°С вода разлагается на водород и кислород (прямой термолиз). Столь высокую температуру можно получить, например, с помощью концентраторов солнечной энергии. Проблема здесь состоит в том, чтобы предотвратить рекомбинацию водорода и кислорода.

В настоящее время в мире большая часть производимого в промышленном масштабе водорода получается в процессе паровой конверсии метана (ПКМ). Полученный таким путем водород используется как реагент для очистки нефти и как компонент азотных удобрений, а также для ракетной техники. Пар и тепловая энергия при температурах 750-850°С требуются, чтобы отделить водород от углеродной основы в метане, что и происходит в химических паровых реформерах на каталитических поверхностях. Первая ступень процесса ПКМ расщепляет метан и водяной пар на водород и моноксид углерода. Вслед за этим на второй ступени «реакция сдвига» превращает моноксид углерода и воду в диоксид углерода и водород. Эта реакция происходит при температурах 200-250°С.

Начиная с 70-х годов прошлого века в стране были выполнены и получили необходимое научно-техническое обоснование и экспериментальное подтверждение проекты высокотемпературных гелиевых реакторов (ВТГР) атомных энерготехнологических станций (АЭТС) для химической промышленности и черной металлургии. Среди них АБТУ-50, а позднее - проект атомной энерготехнологической станции с реактором ВГ-400 мощностью 1060 МВт(т) для ядерно-химического комплекса по производству водорода и смесей на его основе, по выпуску аммиака и метанола, а также ряд последующих проектов этого направления.

Основой для проектов ВТГР послужили разработки ядерных ракетных двигателей на водороде. Созданные в нашей стране для этих целей испытательные высокотемпературные реакторы и демонстрационные ядерные ракетные двигатели продемонстрировали работоспособность при нагреве водорода до рекордной температуры 3000 К.

Высокотемпературные реакторы с гелиевым теплоносителем - это новый тип экологически чистых универсальных атомных энергоисточников, уникальные свойства которых - способность вырабатывать тепло при температурах более 1000°С и высокий уровень безопасности - определяют широкие возможности их использования для производства в газотурбинном цикле электроэнергии с высоким КПД и для снабжения высокотемпературным теплом и электричеством процессов производства водорода, опреснения воды, технологических процессов химической, нефтеперерабатывающей, металлургической и др. отраслей промышленности.

Одним из наиболее продвинутых в этой области является международный проект ГТ-МГР, который разрабатывается совместными усилиями российских институтов (ОКБМ, РНЦ «Курчатовский институт», ВНИИНМ, НПО «Луч») и американской кампании GA при управлении и финансировании со стороны Минатома РФ и DOE US. С проектом сотрудничают также кампании Фраматом и Фуджи электрик.

Рис. 1.
Модульный гелиевый
реактор с паровой
конверсией метана.

К настоящему времени разработан проект модульного гелиевого реактора для генерации электричества (с КПД ~ 50%) с использованием прямого газотурбинного цикла. Энергетическая установка ГТ-МГР состоит из двух связанных воедино блоков: модульного высокотемпературного гелиевого реактора (МГР) и газотурбинного преобразователя энергии прямого цикла (ГТ). Работы находятся на стадии технического проектирования с экспериментально-стендовой отработкой ключевых технологий: топливо и система преобразования энергии. В настоящее время проводится оценка технологического применения этого проекта для производства водорода с использованием термохимических циклов, в том числе и на базе ПКМ (см. рис. 1, 2). Создание такого тандема (ВТГР-ПКМ) открывает путь широкому применению ядерной энергии в энергоемкой промышленности: крупнотоннажной химии, металлургии, а также позволяет путем выработки вторичного энергоносителя (чистого водорода или его смеси с СО) создавать ядерные энерго-технологические комплексы для регионального теплоэнергоснабжения с поставкой топлива для транспорта и низкопотенциального тепла для коммунально-бытовых нужд и коммерческого сектора.

Рис. 2.
Компоновка
модульного
гелиевого реактора
в здании.

Термохимический процесс получения водорода из воды использует цикл реакций с химически активными соединениями, например, соединениями брома или йода, и проводится при высокой температуре. Требуется несколько стадий - обычно три, чтобы выполнить полный процесс. Предложено и рассматривается несколько сотен возможных циклов. В ведущих странах мира этому процессу уделяется особое внимание как потенциально наиболее эффективной технологии производства водорода из воды с помощью ВТГР. Такой цикл может быть построен и на базе ПКМ, поскольку при паровой конверсии метана половина водорода производится не из метана, а из воды. Довести в этом цикле долю водорода, получаемого расщеплением воды, до 100% и, тем самым, полностью избежать расхода метана можно, если получать в качестве промежуточного продукта метанол с последующим электрохимическим восстановлением метана, возвращаемого в голову процесса. Подобное развитие технологии по отношению к связке «ВТГР-ПКМ» может стать рентабельным при росте цен на природный газ свыше 120-150 долл./1000 нм3.

Электролитическое разложение воды (электролиз). Электролитический водород является наиболее доступным, но дорогим продуктом. В промышленных и опытно-промышленных установках реализован КПД электролизера ~ 70-80% при плотностях тока менее 1 А/см2, в том числе для электролиза под давлением. Японские исследователи разработали экспериментальные мембранно-электродные блоки с твердополимерным электролитом, обеспечивающие электролиз воды с КПД (по электричеству) > 90% при плотностях тока 3 А/см2.

В мире лучшими из промышленных воднощелочных электролизеров считаются канадские, изготавливаемые корпорацией «Stuart Energy». Они стабильно в течение длительного, ресурса обеспечивают удельный расход менее 5 кВт ч/нм3 H2, что делает их (при низкой стоимости потребляемой электроэнергии и мировых ценах на метан) конкурентоспособными с получением водорода конверсией природного газа с применением коротко-цикловой адсорбции. Кроме того, эти электролизеры позволяют изменять нагрузку в пределах от 3% до 100%, в то время как изменение нагрузки на электролизерах типа ФВ-500, приводит к существенному сокращению срока их работы.

Особый интерес представляет электролиз в сочетании с возобновляемыми источниками энергии. Например, Исследовательский центр Энергии Университета Гумбольта разработал автономную солнечно-водородную систему, которая использует фотоэлектрический элемент мощностью 9.2 кВт, чтобы обеспечить привод компрессоров для аэрации бассейнов рыборазведения, и биполярный щелочной электролизер мощностью 7.2 кВт, способный производить 25 л H2/мин. Система работает автономно начиная с 1993 г. Когда отсутствует солнечный свет, запасенный водород служит топливом для полуторакиловаттного ЭХГ, обеспечивающего привод компрессоров.

Потенциал применения водорода
В Европе в конце XIX столетия сжигали топливо, называемое «городской, или синтез-газ» - смесь водорода и монооксида углерода (СО). Несколько стран, включая Бразилию и Германию, кое-где все еще применяют это топливо. Применяли водород и для перемещения по воздуху (дирижабли и воздушные шары), начиная с первого полета во Франции 27 августа 1784 г. Жака Шарля на воздушном шаре, наполненным водородом. В настоящее время многие отрасли промышленности используют водород для очистки нефти и для синтеза аммиака и метанола. Космическая система «Шаттл» использует водород как топливо для блоков разгона. Водород применяется и для запуска ракеты-носителя «Энергия», предназначенной для доставки на орбиту сверхтяжелых грузов, в частности, корабля «Буран».

Автомашины и камеры сгорания летательных аппаратов сравнительно легко конвертируются на применение в качестве топлива водорода. В нашей стране впервые автомобильный двигатель на водороде работал в блокадном Ленинграде в 1942 году. В 80-е годы Авиационный научно-технический комплекс (АНТК) имени А.Н. Туполева создал летающую лабораторию (на базе самолета ТУ-154В), использующую в качестве топлива жидкий водород. В результате был создан первый в мире самолет на криогенном топливе - жидком водороде и сжиженном природном газе (СПГ), - ТУ-155.

1 Ленинградская атомная электростанция.Интересен водород и для атомных электростанций как аккумулятор энергии. В проекте, который разрабатывали РНЦ «Курчатовский институт», ЛАЭС1 и канадские фирмы AECL («Atomic Energy of Canada Limited») и «Stuart Energy» в 1990-1992 гг., на первом этапе предполагалось создание производства водорода электролизом воды мощностью 30 МВт, т.е. с производительностью 14.5 т водорода в сутки. Вторым этапом проекта предусматривалось увеличение мощности цеха электролиза до 300 МВт. Причем, естественно, предусматривалось использование электроэнергии провальной части нагрузки на АЭС. Сегодня ЛАЭС недовырабатывает примерно 400 млн. кВт ч/год, что позволило бы произвести около 8 тыс. т водорода. Полученный водород предполагалось продавать в Финляндию и использовать в общественном транспорте в г. Сосновый Бор. Другим вариантом использования получаемого водорода рассматривалась его поставка на Киришский нефтеперерабатывающий завод. Получаемый при этом кислород мог бы стать основой производства озона для очистки промышленных стоков Санкт-Петербурга.

Сейчас наблюдается новый всплеск интереса к масштабной атомно-водородной энергетике, основным инициатором которого явились автомобилестроительные гиганты. Водород имеет много преимуществ в качестве топлива для транспортных средств и автомобильная промышленность активно включилась в его использование.

Однако наибольшее внимание исследователей, разработчиков, промышленности и инвесторов привлекают к себе топливные элементы. Топливные элементы (электрохимические генераторы - ЭХГ) - тип технологий, использующих реакцию окисления водорода в мембранном электрохимическом процессе, который производит электричество, тепловую энергию и воду. Американская и советская космические программы использовали ЭХГ в течение десятилетий. Топливные элементы (ТЭ) для привода автомобилей и автобусов успешно разрабатываются для следующего поколения транспортных средств, а также для автономных систем энерголитания. Твердополимерные (ТП) ТЭ по техническому уровню находятся на пороге коммерциализации. Однако в настоящее время их высокая стоимость (энергоустановка ~104 долл./кВт) в значительной степени сдерживает этот процесс. Многие компании прогнозируют снижение стоимости энергоустановок с ТП ТЭ на порядок и более при их массовом производстве. Для массового применения ТП ТЭ в автотранспорте их стоимость должна быть снижена до 50-100 долл./кВт (при современной стоимости бензина и отсутствии финансовых механизмов, учитывающих ущерб от выхлопных газов). В недалекой перспективе в результате ужесточения стандартов на выбросы, повышения стоимости бензина и снижения стоимости ТЭ ожидается изменение конъюнктуры в пользу автомобилей и автономных энергоустановок мощностью до 100-300 кВт с ТП ТЭ, В этих направлениях НИОКР развиваются с возрастающей активностью. В США, Германии, Японии, Канаде созданы и эксплуатируются опытные водородные автозаправочные станции. Первые продажи водородных автомобилей планируются на ближайшие годы2.

2 Подробнее - см. статью С.П. Малышенко в N 7, 2003.Создание автомобилей с принципиально новыми типами двигателей требует больших денег и практически невозможно безгосударственной поддержки. Программа, по которой в США осуществляется финансирование исследовательских и опытно-конструкторских работ, направленных на создание семейного седана с эквивалентным удельным пробегом в три раза выше, чем у американского семейного седана образца 1993 г., называется Partnership for a New Generation of Vehicles (PNGV). По программе (PNGV) финансируются работы 800 человек в 21 лаборатории семи федеральных агентств, в том числе и таких, которые ранее занимались созданием ядерного оружия, а также в исследовательских центрах Детройтской тройки и многочисленных компаниях, изготавливающих комплектующие. С 1995 г. по программе было израсходовано 1.7 млрд. долл. Большая часть средств была направлена на создание автомобилей-гибридов и с топливными элементами. В программе речь идет о создании автомобиля по габаритам и весу сходного с Chevrolet Lumina, Dodge Intrepid и Ford Taurus (длина - 500 см, снаряженная масса - 1500 кг) и временем разгона до скорости 100 км/ч - не более 10 с. Первые концептуальные модели четырехдверных пятиместных седанов, близких к поставленной задаче, были переданы на испытания в конце 2001 г. DaimlerChrysler представил Dodge ESX3, Ford Motor - Ford Prodigy, General Motors - GM Precept. Для снижения веса во всех моделях конструкторы старались максимально использовать легкие сплавы алюминия и магния и композиционные пластики типа тех, что применяют в корпусах ракет.

Рис. 3. Автомобиль Daimler Chrysler NECAR 5 на базе
Мерседес Бенц А класса в штате Вайоминг во время
пробега через территорию США (20 мая - 4 июня 2002).
Для поставки водорода к ЭХГ на 75кВт
используется метанол, который разработчики
называют «метанолизированный водород или МН2».

Первые созданные образцы использовали водород в баллонах. Затем появились автомобили с водородом, химически связанным в метиловом спирте (метаноле). В 2002 г. продемонстрированы первые варианты машин, в которых водород генерируется из бензина (рис. 3).

Первый автомобиль на топливных элементах был показан компанией Daimler-Benz в 1994 г. К 2000 г. был готов улучшенный образец NECAR-4, намеченный к опытному выпуску с 2004 г. Топливные элементы и бак, содержащий 100 л жидкого водорода, расположены под полом, что обеспечивает достаточное пространство в салоне для пассажиров и багажа. Мощность электромотора - 74 л.с., максимальная скорость - 160 км/ч, запас хода - 450 км. Движение начинается сразу после нажатия на педаль акселератора. 90% максимальной мощности двигателя достигается за две секунды. Автомобиль с топливными. элементами имеет динамику, сопоставимую с машинами, оснащенными бензиновыми или дизельными моторами.

Партию легковых автомобилей с топливными элементами на жидком водороде на базе популярной модели Ford Focus к выпуску в 2004 г. готовит исследовательский центр американской Ford Motor Company. Немецкий филиал компании Ford Forschungszentrum Aachen в сотрудничестве с 40 университетами из 12 стран создал модель Mondeo P2000 HFC на платформе семейного седана Ford Taurus. Бак с жидким водородом расположен за задним сиденьем, пробег между двумя заправками - 160 км., Партия Mondeo P2000 HFC для опытной эксплуатации будет также собрана в США. Ориентировочная стоимость - 35 тыс. долл. Баварский концерн BMW демонстрирует во многих странах седан BMW 750hl с баком на 140 л жидкого водорода. Максимальная скорость - 200 км/ч, запас хода - 350 км. Роботизированная станция для заправки жидким водородом была построена в 1999 г. в Мюнхене, рядом с аэропортом. 16 машин MBW 750hl с 1999 г. пробежали, в общей сложности, 65 тыс. миль. Японский автоконцерн Toyota начинает выпускать первую партию автомобилей с топливными элементами на жидком водороде ценой 75 тыс. долл. Возможные покупатели - правительство и крупные корпорации. На начальном этапе эксплуатация машин будет только в Токио, где построены специальные заправочные станции. Высокая стоимость автомобилей на топливных элементах с жидким водородом обусловлена высокими требованиями к составным элементам установок ЭХГ и сложной системой хранения водорода при весьма низкой температуре. Дополнительные проблемы возникают при стоянке машины, когда начинаются потери испаряющегося водорода. Хранение водорода под давлением вызывает и другие проблемы.

Потенциально более эффективно хранить водород в гидридах. Гидриды - химические соединения водорода с другими химическими элементами. В настоящее время разрабатываются системы хранения на основе гидридов магния. Некоторые металлические сплавы типа магний-никель, магний-медь и железо-титановые сплавы поглощают водород в относительно больших количествах и освобождают его при нагреве. Гидриды, однако, хранят водород с относительно небольшой плотностью энергии на единицу веса, а процессы их заправки идут недопустимо медленно. Цель проводимых текущих исследований - создать состав, который будет запасать существенное количество водорода с высокой плотностью энергии, легко освобождать его и быть рентабельным. С этой точки зрения уже освоенные в крупнотоннажной химии технологии синтеза водородонесущих химических соединений - аммиака, метанола и некоторых других позволяют уменьшить затраты на необходимую инфраструктуру доставки и заправки водорода, использовать оптимальные системы его хранения на борту. По объемной плотности хранения водорода метанол в 1.5 раза превосходит жидкий водород. К таким системам относится и диметиловый эфир (ДМЭ), производимый из метанола для применения на автотранспорте вместо дизельного топлива.

В связи с этим системы, где источником водорода является жидкий (при атмосферном давлении) метиловый спирт или бензин, представляются более перспективными. При применении метанола упрощается система хранения и транспортировки топлива. С бензином еще проще, но пока не разрешены все проблемы создания недорогого и надежного в эксплуатации конвертера для разложения углеводородов с образованием водорода и углекислого газа. Daimler Chrysler намерен изготовить для опытной эксплуатации партию автомобилей NECAR-3 с топливными элементами на метаноле и запасом хода между двумя заправками 400 миль. У фордовской модели Ford Mondeo P2000 FC5, создаваемой в европейском исследовательском центре компании Ford Forschungzentrum Aachen, 400 топливных ячеек на метаноле массой 172 кг расположены под капотом. При повышенной температуре начинается реакция образования водорода из метанола. Электромотор мощностью 120 л.с. обеспечивает достижение максимальной скорости 145 км/ч. До запуска в производство в 2004 г. создатели машины рассчитывают снизить цену до 15 тыс. долл. Автомобили с электродвигателями и топливными элементами - экологически чистые машины. Но возникают новые технические и экономические проблемы при создании портативных установок для получения водорода непосредственно в силовом агрегате автомобиля. Например, на сегодняшний день после стоянки с неработающим двигателем требуется до двух минут, чтобы вся система начала работать снова. General Motors в апреле 2002 г. продемонстрировала журналистам пикап Chevrolet S10 с топливными элементами, источником водорода для которых служит бензин. General Motors рассчитывает стать первой компанией, которая выпустит миллион автомобилей с топливными элементами. Для реализации проекта необходимо производство в стране бензина без или с ничтожно малым содержанием серы. Галлон такого бензина будет стоить на 5 центов дороже. Цена конвертера для выделения водорода при массовом производстве может быть не более 3 тыс. долл.

Для создания автомобиля на топливных элементах Российский АвтоВАЗ сотрудничает с ракетно-космической корпорацией «Энергия» и предприятиями Минатома России.

Многие автопроизводители стремятся первые партии машин на топливных элементах выпустить в 2004, в крайнем случае - в 2005 г. Японские компании Toyota и Honda объявили, что они начинают опытно-промышленное производство легковых автомобилей с топливными элементами. Ради накопления опыта, необходимого для решения возникающих технических задач, в 2000 г. была начата эксплуатация шести автобусов в Чикаго и Ванкувере (Британская Колумбия, Канада), Несколько лет уйдет на опытную эксплуатацию и отработку наиболее безопасной и технологичной системы. К 2010 г. будет накоплен большой опыт эксплуатации и обслуживания машин с гибридными приводами. Различные направления работ по исключению или резкому сокращению применения бензина на автотранспорте неизбежно приведут к коренному изменению структуры автомобильного парка. Одновременно значительно уменьшится негативное воздействие на окружающую среду, и в жизнь войдут более жесткие экологические нормативы. Определятся экономически эффективные области применения принципиально разных типов двигателей. В результате снизится общая потребность индустриальных стран в углеводородном топливе, снизится его стоимость и уменьшится политическое влияние крупных производителей нефти, в первую очередь - ближневосточных.

В июне 2002 г. о переводе транспортных наземных систем и рыболовецкого флота на водородные системы было объявлено правительством Исландии. В этой стране на новых чистых видах энергии, в первую очередь - геотермальной, базируется вся энергетика и теплоснабжение. Потребление нефтепродуктов осталось только в сфере автотранспорта и рыболовстве, Проведя необходимые сравнения и проектную подготовку, правительство Исландии пришло к выводу о переводе в ближайшие годы на экологически чистое водородное топливо всего парка автомобилей и рыболовецких судов. На основе опыта эксплуатации первых десятков водородных автобусов в Европе в Рейкьявике в начале 2003 г. компанией Shell по проекту ECTOS пущена первая станция заправки автобусов сжатым электролизным водородом производительностью 60 нм3ч. Как основа производства водорода из воды используются керамические высокотемпературные электролизеры.

Стоимость водорода
В настоящее время наиболее рентабельный способ производить водород - паровая конверсия. Согласно данным Минэнерго США, в 1995 г. стоимость водорода была 7 долл./ГДж (для условий большого завода), что эквивалентно стоимости бензина 0.24 долл./л. Для расчета принималась стоимость природного газа 2.30 долл./Гдж (80 долл./ 1000нм3), примерно в 3 раза превышающая его стоимость в России. Таким образом, даже при увеличении внутренних цен на природный газ в России в 2-3 раза водород, производимый с помощью ПКМ, будет более дешевым поставщиком энергии, чем бензин при текущих внутренних ценах на углеводородное топливо.

Производство водорода электролизом воды на основе современных технологий оценивается по затратам от 10 до 20 долл. за ГДж. Аналогичные цифры дают оценки, полученные для термохимического производства водорода из воды с использованием энергии ВТГР. В ближайшей перспективе водород, получаемый из воды в процессе паровой конверсии метана с помощью энергии ВТГР, может производиться в стране при затратах ниже 7 долл./ГДж, то есть дешевле, чем бензин при цене последнего в 7-8 руб./л.

Ситуация развивается чрезвычайно быстро
В феврале 2003 г. объявлено о начале работ по программе Минэнерго США «Атомно-водородная инициатива», нацеленной на создание до 2015 г. Атомно-водородного комплекса по производству водорода с помощью высокотемпературного ядерного реактора. В июле 2003 г. Сенат США выделил на Атомно-водородную инициативу в 2 раза больше, чем запросила Администрация Президента США.

В июне 2003 г. на сессии Международного энергетического агентства министр энергетики США Спенсер Абрахам заявил, что через 20 лет весь мир (а развитые страны и того раньше) перейдет на новый вид моторного топлива, например, водород. В течение пяти лет на разработку водородного двигателя США потратят 1.7 млрд. долл., а Европейский союз выделит 2 млрд. долл. на создание самого водородного топлива и иных возобновляемых источников энергии. Выступая на конференции Евросоюза в Брюсселе, С. Абрахам призвал Европу присоединиться к разработкам по развитию водородной энергетики, базируясь на атомных энергоисточниках.

25 июня 2003 г. в совместном заявлении Президент США Дж. Буш и председатель Евросоюза Романо Проди заявили о необходимости международного сотрудничества по развитию Водородной энергетики.

Во время российско-американского делового энергетического саммита (Санкт-Петербург, 22-23 сентября 2003 г.) американским и российским министрами энергетики были сделаны заявления о сотрудничестве России и США в работах по развитию водородной экономики.