Понятие водородной энергетики

После подачи водяного пара эти кольца отбирают из него кислород путём химической реакции, а освобождённый водород  откачивается в специальные баллоны. Затем за счёт тепловой обработки  колец освобождается кислород. Однако говорить об экономической целесообразности внедрения этого метода так же ещё рано, как и многих других, хотя этими проблемами, в том числе  в рамках Мировой ассоциации водородной энергетики, созданной ещё в 1974 году, занимаются много лет.

Производство водорода на базе атомных  станций и электролизёров сегодня  является пока единственным технически реализуемым и экологически приемлемым способом создания массовой водородной энергетики. Испытанные технологии ядерной  энергетики способны производить огромные количества электроэнергии. Хотя при  этом всё ещё нужно преодолевать страх общества перед катастрофами и продолжать поиск возможностей безопасной ликвидации радиоактивных  отходов. Производимые же водород и  кислород из воды при ее естественном круговороте в природе после  их использования должны возвращаться в природный цикл циркуляции воды.

При этом тепло, генерируемое в активных зонах реакторов, для его сброса во внеземное пространство без парообразования  потребует специальных мер (если это тепло действительно оказывает  влияние на глобальный климат). При  массовом замещении органического  топлива водородным обязательно  потребуется переход на сухие  градирни для отвода сбросного тепла  АЭС.

В рамках европейской исследовательской  программы Raphael французские учёные и конструкторы работают уже над  созданием атомного реактора четвёртого поколения - реактора VHTR с температурой теплоносителя 950 0C. В таких устройствах  вода при добавлении серной кислоты, йода и соединений брома разлагается  на составные части - водород и  кислород. Этот реактор будет способен вырабатывать до 2 млн. кубометров водорода в сутки.

Дальше всех в создании реактора четвёртого поколения продвинулись США. До 2010 года они намерены построить  для выработки водорода в Айдахо-Фолс демонстрационный ядерный реактор, который будет охлаждаться жидким натрием и свинцом. Совместно  с компанией Ceramatec рассматривается  возможность применить для гелиевых реакторов тончайшие керамические пластины, предотвращающие повторную  рекомбинацию кислорода и водорода после высокотемпературного электролиза.

Также следует сказать, что ещё в 1996 году США приняли закон Hydrogen Future Act. В его рамках объявлялась «Водородная программа», цель которой – переход экономики США в течение двадцати лет на водород как основной энергоноситель.

3. В наше время не вызывает сомнений факт, что дальнейшее развитие современной энергетики и транспорта чревато для человечества крупномасштабным экологическим кризисом. Запасы ископаемого топлива стремительно сокращаются, что вынуждает индустриально развитые страны расширять сеть атомных энергоустановок со всем ворохом сопутствующих проблем. Ведь это и опасность эксплуатации, и утилизация радиоактивных отходов, и негативное отношение населения…

Прекрасно понимая это, ученые и практики многих стран все громче говорят о необходимости ускоренного  поиска альтернативных нетрадиционных источников энергии. И один из них - водород, запасы которого в водах  Мирового океана неисчерпаемы. Неоспоримыми достоинствами этого топлива  являются относительная экологическая  безопасность использования, приемлемость для тепловых двигателей без существенного  изменения их конструкции, высокая  калорийность, возможность долговременного  хранения, транспортировки по существующей транспортной сети, нетоксичность. 
В свободном состоянии и при нормальных условиях водород - бесцветный газ без запаха. Относительно воздуха имеет плотность 1/14. Поскольку водород химически чрезвычайно активен, он редко присутствует как несвязанный элемент. Обычно существует в комбинации с другими элементами, например, с кислородом в воде, углеродом в метане и в органических соединениях.  
Охлажденный до жидкого состояния водород занимает 1/700 объема газообразного состояния. 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 даже не нарушается круговорот воды в природе.  
Однако до сегодняшнего дня непреодоленной проблемой остается неэкономичность его промышленного производства. 
Более 600 фирм, компаний, концернов, университетских лабораторий и общественных научно-технических объединений Западной Европы, США, Австралии, Канады и Японии усиленно работают над удешевлением водорода. Например, в Германии реализуется программа «Водородная инициатива». Только земельное правительство Баварии ежегодно выделяет на исследования в области водородной энергетики 50 млн. евро. А первая в мире страна, отказавшаяся от использования ископаемых энергоносителей и решившая перейти на водородную энергетику, - Исландия. 
Не остаются в стороне от этой научной проблемы и белорусские ученые. Ведь ее успешное решение революционным образом изменит всю мировую экономику и оздоровит окружающую среду. Да и надо ли говорить, как важно это направление для нашей страны, столь небогатой энергоносителями - за исключением, разве что воды - неисчерпаемого кладезя водорода?  
Первые исследования по получению водорода и кислорода из воды на основе использования энергии ядерных реакторов в тогда еще советской Белоруссии были организованы академиком АН БССР А.К.Красиным в 1971-1972 гг. в лаборатории водородной энергетики ИЯЭ АН БССР. В 1977 г. эта лаборатория вошла в состав Института тепло- и массообмена им. А.В.Лыкова. Тогда совместно с учеными Белорусского технологического института им. С.М.Кирова (ныне БГТУ) были разработаны и осуществлены в лабораторном масштабе термоэлектрохимические циклы реакций, позволяющие получать водород и кислород из воды с существенно меньшей затратой энергоресурсов, чем при прямом электролизе воды. 
Интерес к исследованиям в этой области уже в те годы был настолько велик, что, например, снятый на киностудии «Беларусьфильм» научно-популярный фильм «Топливо будущего» с успехом шел в кинотеатрах по всему Советскому Союзу и неоднократно демонстрировался на всесоюзном телевидении. 
Пять лет назад в ИТМО было создано отделение водородной энергетики в составе одноименной лаборатории и отделов металлогидридных систем и высокотемпературных топливных элементов-электролизеров. С той поры в Беларуси начинаются системные работы в рамках Государственной программы «Водород». Основная их цель - организация широкомасштабных прикладных исследований, объединение усилий и имеющихся ресурсов для создания научных основ практического применения водорода, проектирование и производство прототипов и опытных образцов энергетических установок, соответствующих мировому уровню.  
В институте создан ряд демонстрационных установок, реализующих новые высокоэффективные технологии получения и использования водорода из метана, природных газов с помощью плазменно-мембранной технологии. Благодаря этому появилась возможность продемонстрировать использование местных и возобновляемых энергоресурсов (щепы, быстрорастущей древесины) для автономных энергоисточников. Кроме того, разрабатываются отечественные конструкции топливных элементов для прямого преобразования химической энергии в электрическую, создаются системы связанного хранения водорода в металлогидридных аккумуляторах. 
Для научно-исследовательских целей в лаборатории водородной энергетики также установлено оборудование, позволяющее работать в наномасштабах, проводить исследования на спектральном уровне.  
По мнению заведующего лабораторией и отделением водородной энергетики ИТМО Сергея ФИЛАТОВА, развитие этого направления сейчас наиболее актуально для Беларуси, особенно в связи с продолжающимся ростом цен на традиционный для нашей экономики энергоноситель - природный газ. В ближайшей перспективе актуально создание водородоаккумулирующих энергоустановок, систем генерации синтез-газа (с содержанием водорода от 30 до 80%) из местных и возобновляемых энергоносителей и биомассы. 
Самое масштабное производство водорода в Беларуси налажено на Мозырском нефтеперерабатывающем заводе. Действующая там установка предназначена для обеспечения подпиточным водородом проектируемых установок изомеризации и гидрообессеривания (т.е. катализируемого химического процесса, широко применяемого в промышленности для удаления серы) из бензина каталитического крекинга и дизельного топлива. Моторные топлива «облагораживаются» в соответствии с требованиями стандартов Евросоюза. Немало водорода потребляют и предприятия белорусской энергосистемы, эксплуатирующие около двух десятков электролизных установок. 
Использование водорода на том же Мозырском НПЗ обеспечивает наиболее высокую среди аналогичных предприятий в странах бывшего СССР степень переработки нефти. 
Неплохие перспективы и у создания отечественного производства эндогазовых установок (с содержанием водорода до 40%) для предприятий Минпрома, использующих метод частичного окисления метана для обеспечения специальных технологических процессов.  
В рамках Государственной программы «Водород» предполагается разработать отечественные нанокатализаторы для топливных элементов, прототипы генератора водородосодержащего синтез-газа и электрогазогенератора для выработки водородно-кислородных газовых смесей, гелиоконцентратора и фотоэлектрохимических элементов для получения водорода электролизом воды.  
Производство отечественных щелочных и высокотемпературных электролизеров, которые разрабатываются в рамках Госпрограммы, относится к числу быстро окупаемых технологий. Их создание позволило бы обеспечить внутрибелорусские потребности (6-10 установок электролиза в год для ТЭЦ и предприятий пищепрома) и предлагать отечественные разработки на международном рынке.  
Однако до сих пор в Беларуси не существует специального предприятия, ориентированного на выпуск оборудования для реализации водородных технологий. Приходится закупать системы и установки для производства, хранения и использования этого газа за границей. Хотя возможности и стремление создавать собственную продукцию - и тем самым поддерживать белорусскую промышленность - у наших ученых есть. И они, имея в виду перспективность водородных технологий и потенциальную возможность сокращения за счет их использования потребления газа, считают целесообразной организацию в стране нового импортозамещающего производства с экспортным потенциалом.

ВВЕДЕНИЕ 

В своей работе я решила рассказать о современном состоянии водородной энергетики в мире, о том, что происходит в этой области исследований в республике Беларусь, 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.