Водородная энергетика

Водородная экономика

В настоящее время появился и получил широкое распространение термин «водородная экономика». Под этим понимается экономика, построенная путем частичной или полной замены углеводородного топлива водородным, позволяющим уменьшить выброс парниковых газов в окружающую среду.

Насколько же реальна замена ископаемых источников энергии водородом? Ответ на этот вопрос будет зависеть от результатов широких исследований, которые ведутся в настоящее время в большинстве развитых стран мира.

Энергетические затраты на различных этапах жизненного цикла водорода

При переходе на водородное топливо неизбежно появление новых проблем. Водород представляет собой искусственный энергоноситель, который получают из существующих в природе веществ. Поэтому прежде всего нужно провести анализ затрат энергии, требуемых для этой цели на всех стадиях жизненного цикла водорода как энергоносителя — от его производства до использования (рис. 2.1) как средства получения электрической энергии или механической работы, необходимой для движения транспортных средств. При этом оказывается, что высококачественная электрическая энергия из возобновляемых или ядерных источников необходима не только для того, чтобы генерировать водород, но также и для осуществления всех других этапов (стадий) цикла. Из-за молекулярной структуры и фазового состояния водорода при нормальных условиях требуется намного более энергоемкая инфраструктура, чем в экономике природного газа и нефти.

Элементы водородной экономики
Рис. 2.1. Элементы водородной экономики

В водородной экономике водород, подобно любому другому коммерческому продукту, проходит несколько стадий между получением и использованием. После получения он должен быть упакован путем сжатия или сжижения, транспортирован наземными или морскими транспортными средствами и оставлен в системах хранения до передачи потребителю. Строго говоря, жизненный цикл водорода заканчивается после его полного использования потребителем, но мы ограничимся стадиями получения, первичного хранения и транспортировки.

Водород, централизованно полученный или электролизом, или химическим путем, или произведенный непосредственно на автозаправочных станциях, газообразный или жидкий, должен подвергнуться всем рыночным процессам, прежде чем может использоваться потребителем. Водород также может быть получен химически по относительно низкой цене из природного газа или других углеводородов.

Фактическое потребление электрической энергии, необходимой для того, чтобы получить, упаковать и транспортировать водород, может легко превысить полезную энергию, получаемую за счет его использования.

Однако полезная энергия может быть сохранена и в водороде, упакованном в синтетическом жидком углеводороде, например метаноле или этаноле. При этом можно избежать использования ископаемого топлива, применяя биомассу. Процесс электролиза может быть частично заменен менее энергоемким химическим преобразованием воды и углекислого газа в естественные углеводороды — биометанол или биоэтанол. Следовательно, могут использоваться замкнутые естественные циклы воды и углекислого газа.

Водород — один из самых распространенных химических элементов на планете, не существующий в природе в элементной (свободной) форме. Он может быть получен электролизом из воды или химическим путем из углеводородов либо других водородосодержащих веществ. Электричество для электролиза может использоваться, в конечном счете, от чистых возобновляемых источников типа солнечной радиации, кинетической энергии ветра, энергии гидроэлектростанций, геотермальных источников или атомной энергии.

В настоящее время максимальное внимание уделяется стадиям хранения и использования водорода, которые справедливо считаются критическими для развития водородной энергетики. Значительно меньшее внимание уделяется энергетическому, экологическому и экономическому анализу всех остальных звеньев цепочки получение — использование водорода.

Водород, как уже отмечалось, должен быть получен, упакован, транспортирован и передан пользователю. Реализация этих процессов требует затрат энергии.

В современной нефтегазовой экономике энергия, потерянная между производством горючего и его потреблением, составляет приблизительно 12 % для нефти и 5 % — для газа. Очевидно, что необходимо оценить эти потери и для вариантов использования водорода в качестве горючего.

Фактически значительное количество водорода уже производится, обрабатывается, транспортируется и используется в химической промышленности. Но этот водород — химическое вещество, а не товар-энергоноситель. В химической промышленности затраты на производство водорода, затраты на транспортировку и другие входят в цену синтезируемых химических продуктов. Стоимость водорода является приемлемой, пока конечные продукты находят сбыт на рынке. Таким образом, сегодня использование водорода управляется экономическими законами, а не энергетическими и экологическими соображениями.

Однако если водород должен использоваться как энергоноситель, энергетические и экологические проблемы нужно учитывать наравне с экономическими.

В таблице 2.1 представлены теплотворные способности и плотности водорода и метана, а на рис. 2.2 — данные для наиболее известных энергоносителей.

Некоторые характеристики водорода и метана
Таблица 2.1 Некоторые характеристики водорода и метана

Из таблицы 2.1 и рис. 2.2 видно, что при любом заданном давлении водородный газ содержит меньше энергии в единичном объеме, чем метан (представляющий природный газ), метанол, этанол, пропан или октан (представляющий бензин). При давлении 80 МПа газообразный водород достигает объемной плотности энергии жидкого водорода. Даже в этом случае его объемное содержание энергии ниже, чем у метана при 80 МПа, в 3,2 раза. Обычные жидкие энергоносители, подобно метанолу, этанолу, пропану и октану, превосходят жидкий водород с коэффициентами в 1,8, 2,3, 2,5 и 3,4 соответственно. При этом водород под давлением 80 МПа или в жидком состоянии должен содержаться в высоко технологичных сосудах высокого давления или в криогенных контейнерах, в то время как жидкие углеводородные топлива могут храниться в простых резервуарах под атмосферным (пропан — немного более высоким) давлением.

Высшая теплота сгорания на единицу объема для различных энергоносителей
Рис. 2.2. Высшая теплота сгорания на единицу объема для различных энергоносителей

Необходимо иметь в виду, что водород — синтетический энергоноситель. Он только переносит энергию, сгенерированную другими процессами. Например, как уже отмечалось, водород может быть произведен с помощью электричества электролизом воды. Далее высококачественная (в термодинамическом смысле) электрическая энергия должна использоваться для сжатия или сжижения водорода, обеспечения транспортировки и хранения его у потребителя. Во многих случаях на стадии использования водорода в электрохимических генераторах, несмотря на их высокий КПД, не удается скомпенсировать все эти потери. Например, в стационарных приложениях водород, получаемый электролизом, не смог бы конкурировать с электричеством сети, которое могло быть распределено непосредственно пользователям с намного меньшими потерями первичной энергии.

Очевидно, что стоимость водорода должна быть как можно более низкой. Однако этого недостаточно. У водородной экономики есть будущее только в том случае, если водород сможет конкурировать с традиционными энергоносителями.

Существующая инфраструктура способна обработать почти любой синтетический (жидкий) углеводород, в то время как водород требует полностью новой дистрибутивной сети. Переход к элементной водородной экономике затронул бы общую поставку энергии и дистрибутивную систему. Фундаментальный вопрос о том, сколько энергии необходимо, чтобы использовать водородную экономику, должен быть обязательно изучен. Для этого необходимо проанализировать ключевые стадии жизненного цикла водорода как горючего: производство, упаковку (первичное хранение), транспортировку, хранение на заправочной (или раздаточной) станции, передачу элементного водорода потребителю — и сравнить энергию, использованную на этих стадиях, с количеством энергии водорода, поставленным потребителю.

Безопасность и водород

Водород является энергоносителем. Он без цвета и не имеет запаха, легче воздуха и очень быстро рассеивается в атмосфере. Один килограмм водорода содержит такое же количество энергии, как 2,1 кг природного газа или 2,8 кг бензина.

Энергетическая плотность водорода составляет 2,36  кВт/л, природного газа — 5,8 кВт/л и бензина — 8,76 кВт/л. Эти факты позволяют сделать вывод о размерах емкости для хранения водорода и бензина, а также о мощности взрыва этих двух топлив.

Водород не токсичен.

Бензин и нефть достаточно токсичны для человека и живой природы. При утечке водорода он почти мгновенно улетучивается, при утечках нефтепродуктов требуются большие затраты на ликвидацию ущерба окружающей среде.

Для воспламенения водорода требуется его бόльшая концентрация в воздухе, по сравнению с другими топливами. Действительно, водород обладает широкими пределами воспламенения, нижний предел выше, чем, например, у бензина. Для бензина концентрация его паров в воздухе выше 1 % становится взрывоопасной, у водорода же этот уровень составляет от 4 %. Поэтому риск взрыва меньше, чем у паров бензина.

Недоверие к водороду связано с прошлым.

Водород у большинства населения олицетворяется с двумя неприятными событиями в истории, — трагедией дирижаблей в 40-е гг. XX века как в России, так и за рубежом (особенно в мире памятны события с дирижаблем «Гинденбург») и трагедией с водородной бомбой.

Для взрыва, подобного по мощности водородной бомбе, необходимо создать давления и температуры на порядок больше, чем в топливных элементах.

Характеристики пожароопасности некоторых топлив приведены в таблице 3.1.

Характеристики пожароопасности топлив
Таблица 3.1 Характеристики пожароопасности топлив

При соответствующей специальной подготовке обслуживающего персонала водород становится ничуть не опаснее, чем многие другие виды топлива, широко применяемые сегодня.

Обращение с водородом

Широкое внедрение водорода в энергетику, промышленность, транспорт, коммунальное хозяйство потребует разработки новых подходов к практике обращения с ним. К возникающим проблемам относят транспорт водорода, обеспечение его запасов, централизованное и индивидуальное хранение, распределение по потребителям, и все это — при условии гарантий безопасности с учетом горючести и взрывоопасности водорода и его смесей. Решение этих проблем требует не только организационно-технических подходов, но и поиска и внедрения новых материалов и технологий. В качестве примера следует вспомнить появление в нашей стране научно-технической и промышленной базы для масштабных работ с жидким водородом при разработке ракеты-носителя «Энергия». Для этих целей был создан криогенно-машиностроительный комплекс, производство жидкого водорода мощностью до 10 тыс. тонн в год, парк железнодорожных цистерн с экранно-вакуумной изоляцией для перевозки жидкого водорода. При крупномасштабном использовании водорода требуются безопасные и эффективные системы его централизованного хранения. Водород может храниться в жидком виде при его охлаждении до минус 253 ºС. Для охлаждения водорода до этой температуры требуется затратить около одной трети содержащейся в нем энергии — 11 кВт ∙ ч/кг Н2, а для создания криогенных устройств необходимы специальные материалы и технологии. Водород может также быть запасен в виде газа. Этот процесс требует для сжатия водорода меньше энергии, чем для его ожижения. Водород в газовой фазе может быть накоплен в подземных полостях, месторождениях природного газа. Так, при испытаниях российских ядерных ракетных двигателей для хранения использовались подземные емкости, водород в них содержался под давлением 90 атмосфер.

Применение водорода индивидуальными потребителями ставит проблему локального хранения. Особенно это важно при использовании водорода в автомобилях, где наряду с требованиями безопасности должны быть обеспечены высокие показатели по удельной емкости на единицу массы и объема. Создание металлических или композитных (металл плюс углеродное волокно), резервуаров, пригодных для эффективного хранения водорода на транспорте, требует применения новых технологий. Одним из последних примеров в этом направлении является разработка и испытание Центром Келдыша совместно с институтами ракетной промышленности композитных баллонов размером до 40 см для хранения водорода при давлении до 70 МПа на автомобиле.

Концерн ВМW провел серию тестов на безопасность водородных баков при авариях. Удалось создать такой топливный бак, который не взрывается ни при каких мыслимых ситуациях и выдерживает нагрев до 1000 ºС в течение 70 минут. Если же бак всетаки разрушится, то водород будет гореть в воздухе. Бензин, разлившийся при аварии, горит на земле, сжигая все вокруг.