Автор: Г. В. САТИК

Одна из глобальных проблем человечества начала XXI в. - поиск альтернативных путей развития энергетики, вызванный, с одной стороны, ростом потребностей современного общества, а с другой - все ухудшающейся экологической ситуацией на планете.

В свете решения этой важнейшей задачи группа российских ученых из РНЦ "Курчатовский институт" (Москва) разработала так называемый новый водородный проект, сущость которого состоит в производстве искусственного энергоносителя - чистого водорода. Реализовать идею намечено на Дальнем Востоке. И такой выбор не случаен. Дело в том, что данный регион обладает богатейшим минерально-сырьевым потенциалом: здесь добывают олово, сурьму, бор, золото, свинец, плавиковый шпат, вольфрам. Однако его развитию препятствует отсутствие должной производственной и бытовой инфраструктуры, в частности высокие тарифы на электрическую и тепловую энергию - они в 5,2 раза выше среднего уровня по России.

Цель рассматриваемого инновационного проекта (авторы Е. А. Иванов, В. А. Князев и др.) - экологически чистое производство водорода для энергетического использования в мегаполисах*. При этом предложена соответствующая многоосновная структура, включающая наработку водорода из воды или из органического топлива и, что особенно важно, из технологических и бытовых органических отходов. Но в любом случае важнейшим направлением может стать электролизное производство в сочетании с приливно-отливными станциями, а также с энергетическими установками, использующими силу ветра**.

Отметим: электролиз воды - один из технологически простых способов получения водорода. Кроме того, при его применении одновременно можно вырабатывать концентрат тяжелой воды, в связи с чем метод в середине XX в. нашел довольно широкое промышленное распространение. Однако по мере создания альтернативных способов получения тяжелой воды электролиз стал утрачивать свои позиции из-за высокой энергоемкости процесса. Для снижения затрат в первую очередь рекомендуется повышать температуру процесса. Еще один путь их уменьшения - использование относительно дешевой электроэнергии (например, "провальной" при "внепиковых" нагрузках электростанций). Тогда цена электролизного водорода снизится более чем вдвое.

Хотя в целом стоимость этого метода остается высокой, в ряде случаев (скажем, если нет централизованной системы энергоснабжения) он будет экономически целесообразен. Необходимо учесть и то, что электролизный способ обладает неоспоримыми достоинствами. Скажем, при использовании экологически чистых возобновляемых источников энергии (солнце, ветер, приливы-отливы) получаемый водород, естественно, тоже чистый (- 99%); он необходим для ряда технологических и энергетических процессов.

В настоящее время для практического применения имеет смысл рассматривать электролизеры трех основных типов: традиционные водно-щелочные, твердополимерные (ТПЭ) и высокотемпературные твердооксидные. Каждый из них имеет свои достоинства и недостатки.

Разработка ТПЭ связана с появлением перфорированной ионообменной мембраны в 1966 г. в США. Эти изделия предназначались в первую очередь для специальных целей (космические корабли, подводные лодки и т.п.). Однако дороговизна мембраны (около 700 дол. за 1 м² ), ее кислотные свойства, обусловливающие использование в электрокатализаторах платиновых металлов, повышенные требования к чистоте воды и коррозийной стойкости конструкционных материалов приводили к относительно высокой стоимости данных электролизеров, что затормозило их производство.

Для высокотемпературных твердооксидных электролизеров характерны высокие рабочие температуры и, как следствие, длительность

* См.: В. Д. Русанов. Водород и водородная энергетика. - Наука в России, 2004, N 6 (прим. ред.).

** См.: Ю. В. Ремизов. Энергобиологические комплексы. - Наука в России, 2004, N 2 (прим. ред.).

стр. 21

выхода на рабочий режим. В итоге - большие потери энергии, особенно если установки работают с частыми перерывами из-за комбинации с солнечной батареей.

Словом, анализ научных и практических данных показывает: основным типом электролизеров, которые будут использовать в ближайшем будущем, останутся водно-щелочные. В качестве электролита в них обычно применяют водные растворы едкого калия (КОН) и едкого натрия (NaOH). Материал электродов - сталь, покрытая слоем пористого никеля, получаемого выщелачиванием цинка из сплава никель-цинк (так называемый никель Ренея). Эффективны электроды из металлической сетки, за счет которой значительно увеличивается поверхность контакта электрода с раствором электролита. В России щелочные электролизеры выпускает компания "Уралхиммаш" с производительностью по водороду 250 нм /ч (находящиеся под давлением до 6 атм), или до 500 нм³ /ч (работающие при атмосферном давлении). Все они функционируют при плотностях тока менее 0,4 А/см (на практике - 0,2 - 0,3 А/см² ) и требуют энергозатрат для производства водорода 4,5 кВт ч/нм³ . В связи с предстоящими интенсивными работами по топливным элементам в ближайшее время следует ожидать значительного развития электролизеров с ТПЭ и в меньшей степени - твердооксидных. Тогда стоимость первых из упомянутых выше будет приближаться к цене щелочных, что может привести к увеличению их производства.

Как уже говорилось, Дальневосточный водородный проект - региональный инновационный эксперимент, нацеленный на внедрение экологически чистых технологий энергообеспечения различных потребителей. Основными его элементами являются Пенжинская приливная электростанция (на Камчатке) мощностью 100 ГВт; электролизное получение водорода, включая предварительное опреснение морской воды; трубопроводная транспортировка водорода с использованием энергии ветровых электростанций для его прокачки. При этом любой из упомянутых элементов имеет набор альтернатив - могут меняться технологии опреснения, электролиза, транспортировки водорода и т. д.

Оцениваемая средняя мощность приливной станции в Пенжинской губе составляет 87,4 ГВт при годовой выработке энергии 190 ТВт ч. Следовательно, в этом варианте она будет работоспособной не более четверти года (90 суток). Однако, в принципе, максимальная ее мощность может превышать 100 ГВт при коэффициенте нагрузки не менее 50%. Тогда годовая выработка электроэнергии достигнет 300 ТВт ч. Оценочная оптовая цена 1 нм³ . Н₂ при этом составит 0,2 дол., что, конечно, в три раза дороже обычного моторного топлива, но приемлемо, если мы добиваемся экологической чистоты транспорта.

Предлагаемый масштаб производства - 60 млрд. нм³ водорода в год - достаточен для обеспечения 1,0 - 1,02 млн. легковых автомобилей или 300 тыс. автобусов, работающих на топливных элементах. Срок выполнения проекта - 15 лет.

Иванов Е. А., Князев В. А. и др.

Дальневосточный водородный проект. - Журнал "Энергия", 2005, N 3

Материал подготовила Г. В. САТИК

Permanent link to this publication: