Водородные технологии для энергетики XXI века

Энергетика является важнейшим ресурсом социально-экономического развития любого государства. В Российской Федерации развитие энергетики, внедрение новейших технологий в энергосбережение, недросбережение, создание топливных элементов и водородных технологий рассматриваются как важное направление государственной политики. И хотя наша страна занимает первое место в мире по экспорту газа и второе – нефти и нефтепродуктов, мы связываем свое будущее не столько с экстенсивным наращиванием добычи невозобновляемых источников энергии, сколько с переходом России на инновационный, высокотехнологичный путь развития. В том числе и в энергетике. Это единственный путь для построения эффективной энергетической базы цивилизации на долгосрочную перспективу.
Мировое потребление электроэнергии продолжает увеличиваться всевозрастающими темпами. Сегодня они уже составляют 1,8 % в год, к 2030 году ожидается прирост на 70 %. 80 % мировых потребностей в энергии на сегодняшний день покрывается за счет ископаемого топлива: нефти, газа, угля, однако их запасы далеко не беспредельны. Поэтому одним из самых серьезных вызовов XXI века становится энергетическая проблема.
Президент России В.В. Путин выступил с инициативой, чтобы в этом году, когда наша страна председательствует в «G8», центральной темой обсуждения стали вопросы развития энергетики и мирового энергетического сотрудничества. Эксперты стран «восьмерки» разработали план действий, который называется «Наука и технологии в целях устойчивого развития». В этом плане обозначены перспективные направления развития энергетики, нацеленные не только на решение энергетических проблем, но и на снижение антропогенной нагрузки на окружающую среду.
Естественно, что мировое научно-технологическое сообщество уделяет самое пристальное внимание развитию проблем альтернативной энергетики, в том числе энергетики водородной. В 2003 году было создано Международное партнерство по водородной экономике (IРНЕ), в котором к настоящему моменту участвуют 17 стран.
Мощный импульс развитию водородной энергетики был дан еще в 1960-х гг. благодаря космическим исследованиям. Тогда началась разработка топливных элементов и водородных станций для того, чтобы обеспечивать энергией космические корабли. Их мощность достигала примерно 1 кВт. К 1980-м годам, когда развернулись программы создания космических аппаратов многоразового использования, мощность таких топливных элементов уже увеличилась на порядок и составляла до 10 кВт. Но, как известно, денег на космические программы не жалели и не считали. Сегодня же проблемы водородной энергетики встали в принципиально ином плане. Речь идет о том, чтобы создать экономически эффективные, экологически безопасные и повседневно доступные источники энергии для широкого круга потребителей.
Для создания общедоступной водородной энергетики необходимо решить целый ряд научно-технических проблем. Первая – это рентабельное получение водорода. Вторая, поскольку водород является взрывоопасным веществом, – это обеспечение безопасности его хранения и транспортировки. Третья проблема – это использование водородного топлива для получения электроэнергии. Причем, работая над подобными задачами, мы одновременно получаем возможность решить большое количество сопутствующих проблем. То, что делается сегодня специально для водородной энергетики, способно дать хороший экономический эффект и во многих смежных областях.
Так, известно несколько способов получения водорода. Классический, но очень дорогой – это электролиз воды. Другой способ – это плазменный катализ метанопропанбутановых смесей, жидкого топлива. Большие надежды связаны с использованием термофотоэлектрических циклов, когда для получения водорода используются промышленно-бытовые и сельскохозяйственные отходы. И сегодня практически повсеместно идет отработка этих технологий с тем, чтобы определить, какие из них наиболее рентабельны.
Важно подчеркнуть, что развитие водородной энергетики предполагает использование достижений в других направлениях современной науки и техники. В частности, успехи нанотехнологий позволяют эффективно решать вопросы получения, хранения и использования водорода (углеродные нанотрубки для хранения водорода, новые катализаторы и капиллярно-пористые системы).
Если брать автономную энергетику, то сегодня 1 кВт мощности твердооксидных топливных элементов обходится в 3000 долл. Чтобы такие элементы стали рентабельными, необходимо снизить себестоимость киловатта как минимум втрое. В принципе это вполне достижимая задача, и российская Ассоциация «АСПЕКТ» уже занимается разработкой портативных топливных элементов мощностью порядка 100 Вт. Если использовать такие элементы в портативных компьютерах и телефонах, то для поддержания их работоспособности вообще не потребуются первичные источники электроэнергии, например, электрические розетки.
Многие автомобилисты давно пользуются вместо бензина газовыми смесями. В России, США и Японии уже созданы экспериментальные образцы двигателей, работающих на смеси водорода и бензина. На прошедшем в этом году в Москве международном форуме «Водородные технологии для производства энергии» демонстрировался образец автомобиля «Газель», переоборудованный для работы на бензоводородной топливной композиции. Если обычной «Газели» требуется 13,5 л бензина на 100 км пробега, то бензоводородной композиции – всего 5,8 л. Достаточно ввести в бензин одну четвертую часть водорода, как уже существенно улучшаются экологические показатели: выбросы CO снижаются в 10–15 раз, CO2 – в два-три раза. Но самое перспективное направление – это, конечно, использование топливных элементов, позволяющее создать фактически экологически чистый автомобиль (на выхлопе будет только водяной пар), в котором химическая энергия превращается непосредственно в электрическую энергию. Коэффициент полезного действия в топливных элементах, где идут окислительно-восстановительные реакции, составляет 50–60 %.
Развитие водородной энергетики требует решения целого комплекса как социально-экономических, так и научно-технологических задач. Федеральное агентство по науке и инновациям, реализуя государственную политику в области приоритетных направлений развития науки, техники и технологий, рассматривает развитие водородных технологий как одно из важнейших направлений своей деятельности. Российские разработчики несомненно имеют хороший шанс в решении проблемы развития водородных технологий и могут внести существенный вклад в международные усилия по созданию высокотехнологичной энергетики XXI века.