Водородная энергетика

Водородная  энергетика — экономичное и экологичное направление выработки и потребления энергии человечеством, основанное на использования водорода в качестве средства для аккумулирования, транспортировки и потребления энергии людьми, транспортной инфраструктурой и различными производственными направлениями. Водород выбран как наиболее распространенный элемент на поверхности земли и в космосе, теплота сгорания водорода наиболее высока, а продуктом сгорания в кислороде является вода (котороя вновь вводится в кругооборот водородной энергетики).

 
Производство водорода

В настоящее время существует множество  методов промышленного производства водорода.

Паровая конверсия природного газа / метана

В настоящее время данным способом производится примерно половина всего  водорода. Водяной пар при температуре 700° ?1000° Цельсия смешивается с метаном под давлением в присутствии катализатора.

Газификация угля.

Старейший способ получения водорода. Уголь  нагревают при температуре 800°-1300°  Цельсия без доступа воздуха. Первый газогенератор был построен в Великобритании в 40-х годах XIX века. США предполагают построить электростанцию по проекту FutureGen, которая будет работать на продуктах газификации угля. Впервые о планах подобного строительства заявил еще о 2003 году министр энергетики США Спенсер Абрахам. Мощность станции должна составить 275 МВт. Электричество будут вырабатывать топливные элементы, используя в качестве горючего водород, получающийся в процессе газификации угля.

Из  атомной энергии.

Использование атомной энергии для производства водорода возможно в различных процессах: химических, электролиз воды, высокотемпературный  электролиз. Ведутся работы по созданию атомных электростанций следующего поколения. Исследовательская лаборатория INEEL (Idaho National Engineering Environmental Laboratory) (США) прогнозирует, что один энергоблок атомной электростанции следующего поколения будет производить ежедневно водород, эквивалентный 750000 литров бензина.

Электролиз  воды.

H2O+энергия  = 2H2+O2. Обратная реакция происходит  в топливном элементе.

Водород из биомассы.

Водород из биомассы получается термохимическим, или биохимическим способом. При  термохимическом методе биомассу нагревают  без доступа кислорода до температуры 500°-800° (для отходов древесины), что  намного ниже температуры процесса газификации угля. В результате процесса выделяется H2, CO и CH4. Современные установки  производят электричество из биомассы с КПД более 30 %.

В биохимическом процессе водород  вырабатывают различные бактерии, например, Rodobacter speriodes.

Снижение  цены водорода возможно при строительстве  инфраструктуры по доставке и хранению водорода. В США действует 750 километров, а в Европе 1500 километров водородных трубопроводных систем. Трубопроводы действуют при давлении 10-20 бар, изготовлены  из стальных труб диаметром 25-30 см. Старейший  водородный трубопровод действует  в районе германского Рура. 210 километров трубопровода соединяют 18 производителей и потребителей водорода. Трубопровод  действует более 50 лет без аварий. Самый длинный трубопровод длиной 400 километров проложен между Францией и Бельгией.

После небольших изменений водород  может передаваться по существующим газопроводам природного газа.

Водород в настоящее время, в основном, применяется в технологических  процессах производства бензина, и  для производства аммиака. США ежегодно производят около 11 миллионов тонн водорода, что достаточно для годового потребления примерно 35-40 миллионов  автомобилей.

Департамент Энергетики США (DoE) прогнозирует, что стоимость водорода сравняется со стоимостью бензина к 2015 году.

 
Малые стационарные приложения

Производство  электрической и тепловой энергии  в топливных элементах мощностью  от 0,75 кВт. до 10 кВт.

Домашние  энергетические станции имеют мощность 0,75 кВт. — 1 кВт., и предназначены  для производства электроэнергии в  течении 8 часов в сутки, и производства тепла и горячей воды 24 часа в сутки. 5 кВт. установки предназначаются для нескольких коттеджей. Они зачастую предназначаются только для производства электроэнергии.

Популярность  малых домашних комбинированных (электричество + тепло) установок связана с тем, что они имеют высокий КПД, малые выбросы СО2, легко могут быть встроены в существующую инфраструктуру. Такая энергетическая установка занимает размер не больше домашнего бойлера, может работать на природном газе.

В 2005 году во всём мире было установлено  более 900 новых малых стационарных водородных энергетических установок (На 30 % больше, чем в 2004 году). За 2006 год  во всём мире установлено около 1500 новых  малых энергетических станций. В  конце 2006 года во всём мире эксплуатировалось  около 5000 малых стационарных водородных электростанций. В 2007 году во всём мире будет установлено примерно 3000 новых  стационарных установок мощностью  до 10 кВт.

Технологии

Доминируют  две технологии: PEM (протон-обменная) и SOFC (твёрдо-оксидная). Около 75 % установок в 2005 году были изготовлены по PEM технологии, около 25 % — SOFC.

Топливо

Большая часть домашних станций разработана  для применения природного газа, пропана, очень немногие могут работать с сжиженным нефтяным газом (LPG). Многие производители работают с керосином. Установки, работающие на керосине, начнут появляться в 2008 году.

Перспективы

В 2006, как и в 2005 году большая часть  малых приложений была установлена  в Японии. Японская NEF (New Energy Foundation) объявила о начале многолетнего демонстрационного проекта применения малых стационарных топливных элементов. Будет субсидирована установка 6400 топливных элементов. В 2005 году стоимость 1кВт. водородной бытовой станции в Японии составляла 10 млн. ? (примерно $87 000), работы по ее установке стоили еще 1 млн. ?. В 2007 году цена 1 кВт. установленной мощности должна составлять менее 1 миллиона ?.

Япония  уже имеет опыт использования  подобных программ. В 1994 году была принята  программа развития солнечной энергетики. Японское правительство ежегодно вкладывало $115 млн. в установку фотоэлектрических  элементов на крышах домов. С тех  пор установленные мощности солнечной  энергетики выросли в 35 раз. Средняя  стоимость фотоэлектрических элементов  снизилась на 75 %. Вскоре участия  правительства в развитии солнечной  энергетики не потребуется.

 
Стационарные приложения

Производство  электрической и тепловой энергии  в топливных элементах мощностью  более 10 кВт.

К концу 2006 года во всём мире было установлено  более 800 стационарных энергетических установок на топливных элементах  мощностью более 10 кВт. Их суммарная  мощность - около 100 МВ. За 2006 год построено  более 50 установок суммарной мощностью  более 18 МВт.

Технологии

В 2005 году среди новых установок  лидировали Расплавные Карбонатные  Топливные Элементы (MCFC). На втором месте  по количеству новых установок были Фосфорнокислые технологии (PAFC). Протонобменные технологии (PMFC) применялись, в основном, в установках мощностью до 10 кВт., и в автомобильных приложениях.

Топливо

Хотя  большая часть стационарных топливных  элементов в настоящее время  работает на природном газе, всё  большее количество установок работают с альтернативными видами топлив. В 2005 году усилился тренд применения сингаза и биогаза. В 2005 году биогаз вышел на второе место после природного газа. В 2005 году были построены электростанции (Япония, Германия), работающие на биогазе, получаемом из древесных отходов, пластика, муниципальных сточных вод. Водород и керосин и в будущем будут занимать значительную долю в нише малых стационарных установок мощностью более 10 кВт.

Гибридные установки: топливный элемент/газовая  турбина.

Для повышения эффективности, снижения себестоимости энергии, и для  утилизации тепловой энергии применяются  установки, совмещающие топливные  элементы и газовые турбины.

Компания  FuelCell Energy (США) разработала гибридную версию SOFC топливного элемента и газовой турбины. В этой схеме топливный элемент производит 4/5 энергии, а остальную часть из тепловой энергии — турбина. КПД данной схемы приближается к 70 %. Испытывается 40 МВт. электростанция, состоящая из 10 топливных элементов и одной турбины мощностью 10 МВт.

Финансирование

В 2005 году в США был принят Энергетический Билль. Билль предусматривает 30 % инвестиционные налоговые кредиты до уровня $1000 за кВт. установленной мощности. Налоговые кредиты будут выдаваться с 1 января 2006 по 1 января 2008. В Японии и Ю.Корее субсидируются не конкретные проекты, а стоимость электроэнергии, произведенной топливными элементами в размере $0,015 — $0,02 за кВт·ч. 
 
Транспортные приложения

Производство  электрической энергии для автомобилей, водного транспорта, и т. д. 
 
Водородная автомобильная инфраструктура

К концу 2006 года во всём мире функционировало  более 140 водородных автомобильных  заправочных станций. Из общего количества заправочных станций, построенных 2004—2005 году, всего 8 % работают с жидким водородом, остальные с газообразным.

Планируется строительство

· Водородное шоссе (Калифорния) — К 2010 году 200 заправочных станций на главных  шоссе штата.

· Hi Way Initiative — водородное шоссе в штате Нью-Йорк (США).

· Водородный коридор (Канада) — 900 км. водородного коридора вдоль главных дорог между Монреалем и Виндзором.

· HyNor (Норвегия) — водородное шоссе между городами Осло и Stavanger (580 км.) до 2008 года.

· 2H2 — водородное шоссе Иллинойса.

· SINERGY — Сингапурская энергетическая программа

· The Northern H (Канада, США) — К 2010 году планируется соединить заправочными станциями крупные города вдоль главных торговых путей Манитобы (Канада), Дакоты, Миннесоты, Айовы и Висконсина.

· New York Hydrogen Network: H2-NET (США) — 20 заправочных станций между Нью-Йорком и Буффало (штат Нью-Йорк).

General Motors заявлял о возможных планах строительства 12000 водородных заправочных станций в городах США и вдоль главных автострад. Стоимость проекта компания оценивает в $12 млрд.

Отсутствие  водородной инфраструктуры является одним  из основных препятствий развития водородного  транспорта. Зачем строить инфраструктуру, если нет автомобилей, потребляющих водород? Зачем производить автомобили на водородных топливных элементах, если нет инфраструктуры?

Решением  проблемы может стать применение водорода в качестве топлива для  двигателя внутреннего сгорания, или смесей топлива с водородом, например, HCNG. В январе 2006 года Mazda начала продажи битопливного автомобиля Mazda RX-8 с роторным двигателем, который может потреблять и бензин, и водород.

Воздушный транспорт

Корпорация  Boeing прогнозирует, что топливные элементы постепенно заменят в авиации вспомогательные энергетические установки. Они смогут генерировать электроэнергию, когда самолет находится на земле, и быть источниками бесперебойного питания в воздухе. Топливные элементы будут постепенно устанавливаться на новое поколение Боингов 7E7, начиная с 2008 года.

Железнодорожный транспорт

Для данных приложение требуется большая  мощность, а размеры силовой установки  имеют малое значение.

Железно-Дорожный исследовательский технологический институт (Япония) планирует запустить поезд на водородных топливных элементах в эксплуатацию к 2010 году. Поезд сможет развивать скорость 120 км/ч., и проезжать 300—400 км. без заправки. Прототип был испытан в феврале 2005 года.

В США с 2003 года разрабатывается локомотив  массой 109 тонн с водородным топливным  элементом мощностью 1 МВт.

Водный  транспорт

В Германии производятся подводные лодки  класса U-209 с двумя топливными элементами по 120 кВт. каждый производства Siemens AG. U-209 стоят на вооружении Германии, поступили заказы из Греции, Италии, Кореи, Израиля. Под водой лодка работает на водороде, и практически не производит шумов.

В США поставки SOFC топливных элементов  для подводных лодок могут  начаться в 2006 году. Компания FuelCell Energy разрабатывает 625 кВт. топливные элементы для военных кораблей.

Японская  подводная лодка Urashima с топливными элементами PEMFC производства Mitsubishi Heavy Industries была испытана в августе 2003 года.

Складские погрузчики

Чуть  менее половины новых топливных  элементов, установленных в 2006 году на транспортные средства, были установлены  на складские погрузчики. Замена аккумуляторных батарей на топливные элементы позволит значительно сократить площади, занимаемые аккумуляторными цехами. Wal-Mart в январе 2007 года завершил вторую серию испытаний складских погрузчиков на топливных элементах. 
 
Мобильные топливные элементы

Производство  электрической энергии для мобильных  устройств: мобильных телефонов, ноутбуков  и т. д.

В 2006 году (как и в 2005) во всём мире было изготовлено около 3000 шт. мобильных  приложений. Одним из основных потребителей была армия США. Армии требуются  легкие, ёмкие, бесшумные источники  энергии.

Благодаря спросу со стороны военных, США заняли первое место в мире по количеству разработок в портативных приложениях. На Японию пришлось всего 13 % новых разработок в 2005 году. Наиболее активными были компании — производители электроники: Casio, Fujitsu Hitachi, Nec, Sanyo и Toshiba.

Весной 2007 г. компания Medis Technologies начала продажи водородных топливных элементов для мобильных устройств.

Технологии

В портативных и электронных приложениях  доминируют PEM и DMFC топливные элементы. 
 
Водородная энергетика в России

В 2003 компания «Норильский никель»  и Российская академия наук подписали  соглашение о ведении научно-исследовательских  работ в сфере водородной энергетики. «Норильский никель» вложил в  исследования 40 млн. долларов.

В 2005 «Норильский никель» основал  инновационную компанию «Новые энергетические проекты», задачей которой является разработка и внедрение топливных  элементов.

В 2006 «Норильский никель» приобрел контрольный пакет американской инновационной компании Plug Power, являющейся одним из лидеров в сфере разработок, связанных с водородной энергетикой.

Предполагается, что на основе российских и американских разработок с 2008 начнётся производство водородных энергетических установок  в России. Глава «Норильского никеля»  Михаил Прохоров заявил в феврале 2007 года, что компания вложила в разработку водородных установок $70 млн. и уже  есть «не просто лабораторные, а  действующие образцы», на внедрение  которых уйдёт несколько лет. Начало промышленной реализации «водородного проекта» , по его словам, намечено на 2008 год.