http://www.ras.ru/digest/showdnews.aspx?id=f4f60a26-ca93-44f8-8d70-b59553162856&print=1© 2024 Российская академия наук
На горизонте нашей цивилизации как кровавое зарево встают четыре цифры - 2015. Это год, когда добыча нефти достигнет максимума и пойдет на спад. Солнечная и ветровая энергетики никогда не станут определяющими, промышленный термоядерный реактор будет построен еще лет через 35-40. Большие надежды возлагают на водородную энергетику.
Недавно посмотрела научно-технологический ужастик: в плазменный реактор забрасываются измельченные резиновые покрышки, в нем резина окисляется и газифицируется, образуется смесь СО и Н2, потом один газ отделяется от другого и на выходе получается чистый водород, 400 кубометров в час. И несть числа проектам, где гидроген как энергоноситель предлагается получать из самого обычного мусора, причем к одному из таких проектов имеет отношение серьезнейшее научное учреждение - Курчатовский институт.
Помойки фигурируют не случайно: от ученых ждут не столько модернизации производства, хранения и преобразования водорода в энергию, сколько удешевления всех этих процессов, хотя бы до $5 за 1 кВт. А пока в зависимости от способа производства цена "водородного" электричества колеблется от $1 тыс. до 10 тыс. за 1 кВт.
Сегодня мир потребляет всего 40- 50 млн. тонн водорода в год. В середине нынешнего века потребление прогнозируется на уровне 400 млн. тонн, а к концу столетия понадобится не менее 800 млн. Половина этого водорода пойдет на обеспечение энергией автотранспорта, а другая - на производство электричества, потребности в котором возрастут в два-три раза.
Есть множество причин развивать именно водородную энергетику. Например, она децентрализует снабжение теплом и электричеством, что в России может восприниматься только на "ура!". Не зависеть от "Газпрома" и Чубайса - это ли не хрустальная мечта каждого россиянина? Но самая весомая причина - та, что водорода много. Вселенная состоит из него на 90%. Правда, в дискуссиях о водороде всегда фигурируют его взрывоопасность и быстрая воспламеняемость. Но, как сказал специалист по водородным технологиям ФГУП "Исследовательский центр им. Келдыша" Виталий Смоляров, "с водородом нужно быть на "вы", а бояться его не стоит. Наши американские коллеги провели такой эксперимент: вылили на площадку 18 куб. м Н2, и буквально через несколько минут туда вышел человек. Он чиркнул спичкой... И ничего не произошло".
Гибрид для перестройки
В Москве завершился Международный форум "Водородные технологии для производства энергии". Не считая чрезмерной пафосности мероприятия, мол, водород - это наше все, общий знаменатель выступлений был таков: сразу перейти на чисто водородные топливные элементы не удастся. Так, в период перехода от углеродных источников энергии к альтернативным ученые предлагают смешанные виды топлива, двигателей, трубопроводов, а также методов производства тепла и электричества. Самым перспективным видится гибрид, получаемый при синтезе водорода на атомных электростанциях. Ведь водород - это уникальный носитель энергии, а АЭС - источник высоких температур и дешевого электричества.
Схема проста, как школьный курс: на входе подается вода, к ней прикладывается энергия атомного распада, получается водород, с ним соединяется кислород с образованием воды на выходе. Этот цикл можно повторять снова и снова. "Замкнутость цикла позволяет нам настаивать на его перспективности", - констатирует вице-президент РНЦ "Курчатовский институт" академик Николай Пономарев-Степной.
Раз водород - мощный носитель энергии, значит, произвести его можно на АЭС, из соображений безопасности расположенной на большом расстоянии от городов и поселков. А потом обеспечить их теплом и электричеством, перекачав водород по трубам или перевезя его в составе металлогидридов и наноматериалов. "Атомно-водородный принцип был заложен в работу ядерного ракетного двигателя, созданного еще в Советском Союзе и позволяющего получать такую энергию, которая в перспективе даст возможность совершить экспедицию на Марс", - утверждает Пономарев-Степной.
Атомно-водородная энергетика даст возможность получать Н2 при высокотемпературном электролизе воды или в замкнутых многостадийных термохимических циклах. При таком способе получения водород будет стоить порядка 5-6 центов за 1 куб. м, а цена электороэнергии - 1, 3-1, 5 цента за кВт/ч. По подсчетам Пономарева-Степного, АЭС, состоящая из четырех реакторных блоков, может производить до 2, 4 млн. куб. м водорода в год.
В России было выполнено несколько подобных проектов с соответствующей технической отработкой. В Айдахо (США) пытаются сделать реактор с температурами до тысячи градусов. На его создание государством выделено $1, 2 млрд. В Японии рядом с реактором построены стенды с термохимическими циклами, чтобы затем соединить обе установки. "Курчатник" помогает Китаю найти тот вид топлива для высокотемпературного реактора, который должен стать источником водорода. Существует международный проект "Генерация-4", тоже ориентированный на получение водорода. "К сожалению, по политическим соображениям нас пока в эту программу не пускают. Идет торг из-за Ирана", - сетуют российские ученые.
Космос, конверсия
В России самая первая попытка использовать водородное топливо была в военное время в блокадном Ленинграде. Молодой ученый Петр Шелищ, теперь депутат Государственной думы, президент Национальной ассоциации водородной энергетики, придумал переориентировать 400 грузовиков-полуторок на водород, который скачивался из аэростатов противовоздушной обороны. Сами аэростаты при этом продолжали работать, из них забирали отработанный водород, смешавшийся с атмосферным воздухом.
Он шел на моторное топливо, а внутрь закачивали чистый водород.
Естественно, впоследствии передовые водородные технологии подхватила любимица партии и правительства - космонавтика. Для лунного трактора были сделаны три модуля по 1 кВт, и, что важно, ученые освоили криогенное хранение кислорода и водорода. Потом эти наработки понадобились при конструировании ракет-носителей, где водородный двигатель потребовал наличия 106 тонн Н2 и 1540 тонн О2. КБ Химавтоматики разработало целую наземную инфраструктуру по производству, доставке, заправке и хранению водорода.
Но все созданные ранее мощности "переплюнул" космический корабль "Буран", для которого были сделаны четыре модуля по 10 кВт и модернизированные хранилища Н2 и О2. Теперь "Буран" пылится в Парке культуры им. Горького, однако его двигатели пригодились в автомобилестроении. РКК "Энергия" не растерялась и вместе с Уральским электротехническим комбинатом усовершенствовала созданный для "Бурана" электрохимический генератор "Фотон", который понадобился АвтоВАЗу для конструирования газобаллонных электромобилей "Ангел-1" и "Ангел-2".
Точно такая же участь постигла энергоустановки на основе топливных элементов "Каскад-1", "Пульсар-6", которые создавались для космоса, но теперь переориентированы на самые что ни на есть народно-хозяйственные нужды - будут служить обогревателями каких-нибудь коттеджей на Рублевке.
До последнего времени было так: лучшие образцы научно-технической мысли как в бездонную яму вбрасывались в космические разработки. Теперь они возвращаются.
***
Это перспективно
Топливный элемент - вещь довольно примитивная: два электрода, между ними слой электролита или мембрана, обеспечивающие перемещение ионов от одного электрода к другому. Для ускорения реакции часто используют катализаторы. Но все пока дорого - и получение водорода, и мембраны из металлов платиновой группы. Ученые ищут, проектируют и разрабатывают:
1. Энергоустановки модульного типа мощностью 10-100 кВт на основе топливных элементов. Для них будут разработаны специальные катализаторы из наноматериалов, позволяющие использовать не чистый водород, а продукты конверсии природного топлива. Общее руководство коллективом ученых осуществляет РНЦ "Курчатовский институт".
2. Установку на основе микрореакторов, позволяющих использовать углеводороды для получения водородсодержащего газа. Исполнитель - Институт катализа Сибирского отделения РАН.
3. Экспериментальный водородно-кислородный парогенератор мощностью от 150 кВт до 20 мВт. Работу координирует Институт высоких температур РАН.
4. Альтернативные платиновым катализаторы для традиционных топливных элементов, сделанные на основе ферментов, что позволяет достичь рекордной плотности тока. Готовят ученые химического факультета МГУ.