По мере того как все больше истощаются запасы нефти и газа, все интенсивней ведутся разработки альтернативных источников энергии. Среди них наиболее активно продвигается водород, как экологически чистое, высокоэффективное топливо будущего. На данном этапе, водород как энергоноситель, начисто проигрывает углеводородам, а всеми его достоинствами можно будет воспользоваться только в будущем при серьезном развитии технологии и масштабном создании инфраструктуры с громадными денежными вливаниями. Правильную ли ставку сделало человечество? Давайте разберемся.
Запасы водорода на планете практически безграничны, правда водород пребывает в связанном виде в воде и углеводородах. Для использования, его нужно сначала извлечь.
Производство.
На данный момент освоено несколько технологий производства. Все они имеют свои преимущества и недостатки, одни уже долгое время применяются в промышленности, другие пока находятся на стадии реализации. Но до сих пор не реализован способ производства водорода совмещающий в себе дешевизну и безопасность для экологии. На данном этапе, энергия, затраченная на получение водорода, превышает ту, которую можно в последствии из него извлечь.
Технологии производства:
• Паровая конверсия метана (ПКМ). Пока что, наиболее дешевый промышленный способ получения водорода, но производство сопровождается выбросами оксидов углерода CO, CO2, так что об экологичности полученного водорода говорить не приходится.
• Прямой термолиз. Разложение воды на водород и кислород при ее нагревании до температуры свыше 2500 градусов. Процесс сопряжен с большими затратами энергии на нагрев, технология достаточно сложна, перед внедрением еще требуются длительные исследования (около 10 лет). Для получения дешевой высокотемпературной теплоты будет необходимо строить высокотемпературные ядерные реакторы, но получаемый водород будет действительно дешев.
• Термохимический процесс. Получение водорода из воды при ее реакции с химически активными соединениями и высокой температуре. Технология сопряжена с большими энергозатратами на нагрев.
• Электролиз воды. Данный метод не нарушает круговорот вещества в природе, также он позволяет получать высокочистый водород (с чистотой свыше 99,99%), а побочные продукты: кислород и тяжелая вода также могут использоваться в промышленности. Недостатком метода являются очень высокие энергозатраты и необходимость применения в качестве катализаторов платины или палладия.
• Реформинг водорода из различных углеводородов. Наиболее эффективный – реформинг из метанола (недостаток – его высокая токсичность) либо природного газа (недостаток: возможность использования природного газа непосредственно).
• Газификация. Разложение тяжелых углеводородов и биомассы на водород и газы для последующего реформинга. Недостатки – конечный продукт требует высокой очистки. Возможность альтернативного использования биомассы для производства синтетических топлив.
• Биологическое производство. Выделение водорода бактериями и некоторыми водорослями. Практической реализации пока не имеет.
Транспортировка и хранение
Транспортировка и хранение водорода являются достаточно непростой задачей вследствие его физических свойств. Низкая плотность газообразного водорода, низкая температура его сжижения, а также высокая взрывоопасность в сочетании с негативным воздействием на свойства конструкционных материалов, выдвигают на первый план проблемы разработки эффективных и безопасных систем хранения водорода. Именно эти проблемы сдерживают развитие водородной энергетики в настоящее время. Известны следующие методы хранения водорода:
• Хранение сжатого газообразного водорода в газовых баллонах и стационарных системах хранения. На сегодняшний момент, баллоны, устанавливающиеся на автомобиль, выдерживают давление в 35 МПа и обеспечивают пробег авто до 200 км. Для увеличения пробега до 500км необходимо повысить давление в баллонах до 70МПа, что достаточно проблематично. Помимо этого, для обеспечения требований безопасности, баллоны должны выдерживать ударное воздействие как минимум в два раза превышающее давление газа. Данный метод хранения наиболее дешев, но небезопасен, а баки для хранения громоздки и имеют большой вес: для хранения одного килограмма водорода необходим баллон массой 35кг.
• Хранение жидкого водорода в криогенных контейнерах. В таких системах хранения водород находится в жидком состоянии, находясь в интервале температур между точкой замерзания 17К и точкой кипения – 20К. Серьезной проблемой является также испарение водорода. За сутки, как правило, испаряется около 3% вещества вследствие просачивания водорода сквозь стенки контейнеров. Технология обеспечивает в отличие от предыдущего метода большую безопасность, но более сложна в производстве и имеет более высокую стоимость.
• Использование гидридов. Хранение атомов водорода в кристаллической решетке других веществ. Извлечение происходит путем нагревания гидрида. Недостатком гидридов является долгий процесс их зарядки и относительно большие траты энергии на нагрев, хотя подобная технология хранения на данный момент является наиболее перспективной.
Использование водорода.
Для приведения в движение автомобиля, водород можно использовать в обычном двигателе внутреннего сгорания как газ или бензин. Подобные гибридные авто уже тестируются, в частности, модифицированная БМВ седьмой серии может использовать в качестве топлива, как водород, так и обычный бензин. Возможно также получение водорода прямо на борту автомобиля путем реформинга из бензина, газа либо биодизеля, в случае, если подобные устройства станут достаточно компактными (правда, прямое сжигание исходного вещества представляется более эффективным).
В таком исполнении водородный автомобиль не является в полной мере экологически чистым – в выхлопе присутствуют различные оксиды азота – довольно вредные вещества для окружающей среды. Пока что это технология переходная, призванная стимулировать развитие водородной инфраструктуры. В будущем планируется использовать автомобили, приводимые в движение электродвигателями, необходимая электроэнергия для которых вырабатывается внутри так называемых топливных элементов, использующих химическую реакцию водорода и кислорода. КПД топливных элементов уже сейчас достигает 50%, что в два раза превышает КПД ДВС, правда существующие образцы пока слабо пригодны для промышленного производства и использования.
Выводы: ежегодно в мире на различные «водородные» проекты расходуется более 50 млрд. долларов, но реального развития водородной энергетики не будет пока удорожание газа и нефтепродуктов не сделают его рентабельным, при этом экологическая чистота водорода о которой так много говорят всего лишь довод, не решающий и притом весьма условный.
Мои выводы: я склоняюсь к мысли, что водородная энергетика – это не то что нужно человечеству. Слишком сложна и дорога вся цепочка начиная от производства и заканчивая использованием водорода. Реально дешевый водород можно получать используя термохимическое разложение на специальлно построенных ядерных реакторах или электролиз на свободных мощностях существующих АЭС, но для удовлетворения нужд человечества придется построить не один десяток таких станций. Эффективное хранение и транспортировку можно обеспечить только при использовании технологии хранения водорода в гидридах. Я себе слабо представляю, что в густонаселенном районе может разъезжать грузовой автомобиль с полтонной сжатого водорода на борту, доставляя его на автозаправочные станции. Это ведь практически то же самое, что возить по городу ядерную боеголовку. А автомобили? Иметь в багажнике бак со сжатым водородом, который при утечке взрывается от любой искры, или с жидким, но при температуре -258 градусов (вспоминается сцена из Терминатора 2) – много ли желающих будет приобрести подобное средство передвижения? А без спроса на товар прогресс будет идти крайне медленно.
Это все слишком долго, слишком сложно, слишком дорого чтобы быть реализованным, реализация должна быть проста, тогда ей гарантированна массовость. Синтетические топлива из биомассы – решение простое и эффективное уже сейчас. Совершенствуя его можно добиться большего и гораздо быстрее. Автомобиль на воздухе – тоже простое решение, и затраты на реализацию сравнительно небольшие. Но мы почему-то идем совсем в другом направлении.
Источник: http://apocalypsejournal.ru/2007/09/25/vodorodnaya-energetika-skazka-ili-realnost/ |
