Статьи > Водородная экономика и будущее человечества

Потому что физические возможности человека ограничены. Ежедневно только для поддержания своей физической формы человек должен потреблять 2,5 тыс. ккал, что в пересчете на единицы энергии составляет немногим более 1000 кВт·ч в год. Если примерно 5% своей энергии человек будет тратить на выполнение полезной работы, то последняя не превысит 50 кВт·ч в год. То есть, в общем-то, гордиться нечем. Однако для населения в целом средняя величина такой работы (мы ведь пока не умеем считать энергию творческой мысли, так же как и количественно оценивать вклад Солнца в земную жизнь) не превосходит и половины указанного значения. Свои физические возможности человек расширяет, используя животных, машины и природные энергетические запасы, причем последние, как правило, сжигает, не думая о том, что из них можно было бы делать что-нибудь полезное. Среднее значение энергии, приходящейся на одного жителя земного шара, в настоящее время достигает 3 тыс. кВт·ч в год, зависит от уровня развития страны и колеблется в широких пределах: в Норвегии 22 тыс., в США — 18 тыс., в России — 6 тыс. А сколько должно быть? Это известно. Величина эта не раз обсуждалась и составляет 20 тыс. кВт·ч на душу. Если обеспечивать эту душу всем необходимым (пищей, теплом, надежной крышей над головой, транспортом и т.д.), то необходимо шагнуть от 3 тыс. кВт·ч на душу населения в среднем к 20 тыс. кВт·ч. Правда, необходима оговорка: ssпония живет за счет высоких технологий и обходится 5 тыс. кВт·ч на душу населения. Пример ssпонии заразителен, но вряд ли достижим. Поэтому, если оставаться на прежних позициях, то становится понятен масштаб необходимых перемен в энергетике: действующую энергетику со всей ее инфраструктурой нужно увеличить в 6 с лишним раз.

Ситуация осложняется исключительно неравномерным пространственным распределением источников, запасов и ресурсов минерального сырья, отсутствием и даже отрицательной корреляцией между ними и особенностями народонаселения. По данным геологов, в 16 странах мира сосредоточены 85% всех запасов нефти (учитываются страны с запасами нефти более 1% от мировых). Население же этих стран составляет около 33%. Если среднюю обеспеченность нефтью одного жителя планеты принять за единицу, то доля каждого жителя этих 16 стран в среднем составит 2,6. На долю всех других стран с населением 67% от мирового приходится всего 15% нефти. Таким образом, коэффициент обеспеченности одного жителя в этом случае составляет 0,2, что в 13 раз меньше среднего значения по 16 нефтяным странам и в 5 раз уступает среднемировому.

По различным прогнозам, к 2050 г. население Земли составит минимум 7,3 млрд. человек, максимум —-10,7 млрд., в среднем — 8,9 млрд. Это означает, что потребности в объемах используемого минерального сырья должны будут превысить современный уровень на 25%, а при умеренном и максимальном уровнях соответственно на 50 и 80%. Потребление нефти должно будет составить ~ 4–5,5 млрд. т ежегодно (в настоящее время 2,7–3 млрд. т). Объемы потребления минерального сырья, если допустить неизменность современного социально-экономического положения стран, возрастут в Азии в 1,5–2 раза, в Австралии в 2–2,5, в Африке в 2–3, на американском континенте в 1,2–1,5 раза. Только в Европе может сохраниться современный уровень потребления минерального сырья, а возможно, он даже и сократится на 15–20%. Нужно учитывать еще и то, что прогнозы всего лишь экстраполируют современное состояние дел без учета стремления к всеобщему гармоничному благоденствию; в противном случае все данные нужно увеличить еще более чем в шесть раз.

ssсно, что даже если оставаться в рамках традиционалистского подхода, очевидна необходимость серьезного пересмотра структуры системы энергообеспечения общества, чем и обусловлен приход к водородной экономике. Фактически, люди всегда жили в условиях водородной энергетики, т. к. Солнце — «устройство водородное», основу жизни составляет вода — соединение водорода и кислорода, перенос водорода в биологических мембранах играет жизненно важную роль, наконец, протоны — это составная часть ядра, т.е. часть материи. Водород является как энергоносителем, так и веществом, и в силу этого дуализма обладает комплексообразующими свойствами, благодаря которым возможно построение энергообеспечивающих систем, состоящих из источников энергии и производств, основанных на потреблении водорода как вещества, т.е. являющихся частью экономики, в более широком смысле, чем только энергетика.

Отличие водородной системы энергообеспечения от электроэнергетической

Таким образом, не будет преувеличением считать, что наше время ознаменовано весьма динамичным развитием водородной экономики (ВЭ) — комплексной системы энергообеспечения общества, основанной на использовании водорода в качестве вторичного энергоресурса, оптимизированной по экономике, экологии и социальной приемлемости.

Водородная экономика включает в себя:

· первичные источники энергии — традиционные, включая атомные, а также альтернативные — солнечные, ветровые, геотермальные, приливные ГЭС и др.;

· получение водорода как из углеводородов, так и из воды с постепенным переходом к получению водорода в основном из воды;

· способы хранения — газовые баллоны высокого давления, баллоны, содержащие гидридообразующие интерметаллиды, криогенное хранение, естественные и искусственные подземные емкости и пр.;

· транспорт водорода, частично замещающий в будущем транспорт природного газа;

· технику преобразования водорода в другие виды энергии — тепловую, электрическую, включая топливные элементы, двигатели внутреннего сгорания, авиационные турбины и т.д.

· способы комбинирования техник с учетом дуализма водорода как вещества и энергоносителя, приводящие к максимально возможной системной эффективности.
Система энергообеспечения на основе водорода отличается от системы энергообеспечения на основе электроэнергии следующими основными чертами:

· транспорт водорода почти на порядок дешевле транспорта электроэнергии;

· водород может накапливаться, что равносильно накоплению энергии (электроэнергию тоже можно запасать, но системы громоздки настолько, что практически непригодны к широкому использованию);

· дуальные свойства водорода вместе со способностью накапливаться позволяют строить систему энерго-обеспечения так, чтобы устранить вредное влияние суточной неравномерности нагрузки сети путем применения технологий с участием водорода как вещества;

· распределение энергии сильно зависит от распределения минеральных энергоисточников, что вредно сказывается на распределении производственных мощностей и, соответственно, трудовых ресурсов, а, следовательно, и на материальном достатке в разных регионах. Более взвешенного распределения, достойного цивилизации на Земле, можно добиться, используя водород как существенно более дешевый вид транспорта энергии;

· водород делает возможным расширенное применение альтернативных источников энергии, т.к., в силу способности к запасанию, может демпфировать неравномерность источника энергии;

· результатом сжигания водорода является вода; если водород получен из воды, то сжигание водорода возвращает воду в природу, и, таким образом, не нарушается круговорот воды в природе, если же водород получен из углеводородов, то возникающий при этом диоксид углерода может быть использован, например, для закачки в отработанные скважины как для хранения, так и для повышения их нефтеотдачи.

Понятно, что в сумме все эти отличия водородной системы энергообеспечения от электроэнергетической делают ее привлекательной.

Что делать?

Для динамичного достижения положительных результатов цели и задачи развития должны быть строго диверсифицированы, распределены по приоритетности.

Наиболее проблемной областью деловой активности в ВЭ является крупномасштабное производство водорода. Понятно, что по мере исчерпания углеводородных видов топлива и перехода к водороду основным источником водорода должна стать вода. Но технические средства получения водорода из воды, полностью удовлетворяющие экономическим и экологическим требованиям, практически отсутствуют. Распространенным способом получения водорода из воды является электролиз, который в промышленных масштабах осуществляется в вводно-щелочном электролите. Теоретически, чтобы осуществить электролиз воды при нормальных условиях, необходимо затратить 3,9 кВт·ч на нормальный м³ водорода (Н₂). Практически, в некоторых современных электролизерах воды достигнуты показатели 4,1–-4,2 кВт·ч на м³ Н₂ — и это много, так как в первом приближении стоимость водорода на 75–80 % определяется стоимостью электроэнергии, затраченной на его получение. Необходимо оговориться, что при определенных условиях в составе некоей системы, в которой значительную роль играет организация распределения энергии и передачи ее на расстояния, может наступить момент, когда система распределения энергии с помощью водорода оказывается более выгодной, чем система с участием электроэнергии. Вводно-щелочной электролиз воды — приемлемое решение, которое может быть реализовано на любой электростанции в провальной части графика нагрузки. Необходимо понимать, что нагрузка электросетей имеет суточные изменения и ночью потребность в электроэнергии ниже, чем днем. Ночное снижение потребности создает провал в суточном графике нагрузки — и именно этот провал может быть заполнен производством водорода.

Но этот путь не может обеспечить крупномасштабные потребности в водороде, достаточные для покрытия возникающего дефицита в углеводородных топливах, не говоря уж об увеличении уровня энергообеспечения по всей Земле. Понимание этого обстоятельства привело к появлению национальных программ, содержащих в качестве основных целей создание специальных производящих водород комплексов. Типичный комплекс состоит из высокотемпературного газоохлаждаемого реактора (МГР Т) и блока, производящего водород, в качестве которого рассматриваются:

· конверсия метана (ПКМ), пока позволяют его запасы;

· термохимические циклы (ТХЦ) разложения воды, если будут найдены решения их практической, технической реализации, позволяющие снизить стоимость получаемого водорода, что очень не просто;

· высокотемпературные электрохимические устройства (ВТЭХУ), технические перспективы которых нам кажутся наиболее предпочтительными.

Уровень рабочей температуры, который обеспечивает МГР Т, — 9500°С. И это очень важно, так как позволяет применить высокотемпературные электрохимические устройства, т.е осуществить электролиз воды с удельным расходом электроэнергии, на целый кВт·ч меньшим, чем в лучших образцах вводно-щелочного электролиза. В переводе на огромный масштаб это весьма существенно. Кроме того, обеспечивается возможность производить электроэнергию, тепло для ЖКХ и для промышленных потребителей тепла. ВТЭХУ могут работать в переменном режиме, обеспечивая производство водорода в провале графика нагрузки, и производить электроэнергию из водорода и кислорода в пике графика. При этом график работы реактора остается стабильным, что способствует его безопасной эксплуатации.

Наверх