Основные направления научно-поисковых работ в области водородной энергетики

В настоящее время ископаемые виды топлива составляют около 90% мирового потребления энергоресурсов, в том числе нефть ~ 40%, уголь ~ 27%, природный газ ~ 23%. Таким образом, около 85−90% энергии мир получает, сжигая ископаемое топливо, и только —10−15% — от нетрадиционных источников энергии (атомная, ветровая и приливная энергии, геотермальные воды). Получается, что основным источником энергии в мире до настоящего времени является горение углеводородных топлив.

Одной из важнейших задач современности является коренная экологическая реорганизация промышленности и энергетики. «Декарбонизация» современной энергетики неизбежна из-за экономических проблем (невосполнимое истощение запасов углеводородных горючих: угля, нефти и газа) и экологических последствий выбросов в атмосферу углекислого газа (парниковый эффект), оксидов азота и серы (кислотные дожди).

По оценке экспертов, доступной нефти на Земле хватит лишь до 2030 г. (мнение пессимистов) или до 2050 г. (мнение оптимистов), а газа — до 2060;2080 гг. (не говоря о том, что уже к 2020 г. баррель нефти будет стоить более 150 долл., а 1000 м³ газа — более 500 долл.) и т. д.

Поэтому мировому сообществу необходимо осуществить:

1. Завершить максимальное использование альтернативных экологически чистых возобновляемых источников энергии (ВИЭ) — солнца, ветра, малых и средних рек океанских приливов и др., что покроет до 15−20% потребности в энергии. Мировым лидером в ветроэнергетике является Германия: общая установленная мощность ее «ветряков» — около 5 тыс. МВт; в малой гидроэнергетике мировым лидером является Китай, где с 1950 по 2004 г. общая мощность малых ГЭС выросла с 6 до 35 000 МВт.

Обратите внимание: средний поток солнечной энергии на Землю составляет 200−250 Вт/м², в то же время на хозяйственную деятельность человека необходимо всего 2 Вт/м² в неиндустриальных районах и не более 15−20 Вт/м² — в высокоиндустриальных, т. е. достаточно использовать от 1−2 до 8−10% только солнечной энергии, чтобы полностью удовлетворить энергетические потребности человечества. При этом средний КПД солнечных «нагревательных» коллекторов — 50%, если же электроэнергию получать напрямую через кремниевые солнечные батареи, то средний КПД — 25%. Поэтому сейчас осваивается серийное производство солнечных фотоэлектрических батарей на основе так называемых «наногетероэлектриков» (НГЭ) с КПД 85−90% (и способностью работать даже ночью!), для чего, прежде всего, будет освоено производство сверхчистых (степень очистки 10−7% и более) редкоземельных металлов (германий, галлий, скандий, индий и др.) — это разработка Российской Академии Наук.

Ресурсы возобновляемой энергии.

Таблица 13.1

2. Все органические отходы (муниципальные, древесно-целлюлозные, отходы животноводства и птицеводства, осадки (илы) городских канализационных коллекторов, «зеленые отходы» — ботва, кочаны, картофельные очистки, садово-парковые, и др.) будут перерабатывать (с помощью микроорганизмов) на биогаз и биоэтанол, что покроет до 10−15% потребности в энергоносителях. Биоэтанол — альтернатива бензину, точнее, используют смесь бензина с этанолом (газохол); Бразилия, например, произвела из «зеленой» массы" в 2004 г. 7 млрд л биоэтанола, что обеспечило 20% ее потребностей в моторном топливе.

Кроме того, перспективным направлением является получение бензина, дизтоплива и топочного мазута (а также ценных смол для органического синтеза) из низкокалорийного природного твердого топлива — «молодого» каменного угля, бурого угля, торфа и сланца, запасы которых хотя в принципе и исчерпаемы, однако на ближайшие лет на 200−300 их хватит с лихвой. В ЮАР фирма «Sasol» уже перерабатывает около 50 млн тонн угля (по схеме «Фишера-Тропша»), производя 7−8 млн тонн жидкого топлива. Китай к 2015 г. планирует производить из угля не менее одного миллиона баррелей дизтоплива в день.

Общемировые инвестиции в эту проблему превысили 15 млрд долларов. Кроме того, заслуживают внимания также технологии газификации угля с получением высококалорийного горючего газа, богатого водородом. Удачная установка газификации угля создана корпорацией «Энерготрансинвест» под руководством Евгения Сухина (Украина).

Это все означает, что нужно перестать смотреть на уголь как на дешевое топливо, так как утоль — это, прежде всего, ценное химическое сырье!

Из 1 млн т подготовленного угля можно получить ок. 500 тыс. т «угольной нефти» или ок. 2 млрд м³ «синтез-газа» (и еще 500 тыс. т «шлама» в виде водоуголъного топлива — ВУТ).

3. Атомные электростанции (АЭС) в XXI веке все еще будут играть важную роль и производить 20−35% мировой электроэнергии. Уже сегодня в мире функционируют 440 ядерных реакторов, 104 из которых — в США. АЭС XXI века перейдут на использование в качестве теплоносителя глубоко охлажденного гелия, который, забирая тепло от ядерного реактора, с помощью газовой турбины так называемого «замкнутого цикла Брайтона», будет превращать тепло в электроэнергию с КПД более 50% (против нынешних 30−35%). Такая система называется «Gas Turbine — Modular Helium Reactor» (GT-MHR).

При этом возможно размещение турбогенератора и реактора в закрытых капсулах под землей. Применение в качестве теплоносителя гелия сулит ряд преимуществ. Он химически инертен и не вызывает коррозию узлов, не меняет своего агрегатного состояния, не влияет на коэффициент размножения нейтронов; наконец, его удобно направлять в газовую турбину. Кроме того, достигается намного более полная выработка ядерного топлива (а значит — меньше высокоактивных отходов), а простота конструкции обеспечивает намного меньшие капзатраты. И, конечно, безопасность — авторы проекта (компания General Atomics, США и Агенство по атомной энергии России) пишут, что GTMHRбудет единственной в мире АЭС, которая соответствует первому (низшему) уровню безопасности.

Росэнергоатом приступает к созданию серии плавучих атомных электростанций (ПАЭС) мощностью до 40 МВт для обслуживания северных территорий. Срок службы таких ПАЭС — 50 лет, перезагрузка ядерного топлива — раз в 10 лет. Кроме того, все ранее построенные (а тем более новые) АЭС будут оснащены ядерными реакторами-утилизаторами (дожигателями) отработанного ядерного топлива — ОЯТ (очень хорошие разработанные Россией БН-600 и БН-800). Суть технологии — облучение ОЯТ мощным пучком быстрых нейтронов в специальных промышленных ускорителях (бридерная технология — от слова «breeding»). При этом, во-первых, высокоактивные и долгоживущие изотопы в ОЯТ превращаются в короткоживущие и низкоактивные, что делает проблему захоронения такого дожженного ОЯТ в тысячи раз безопаснее, проще и дешевле. Во-вторых, при этом процессе в ядерном утилизаторе выделяется немалое количество дополнительной энергии (одна тонна ОЯТ дает до 1 тыс. дополнительных кВт), т. е. производительность ядерного топлива увеличивается на 15−25 %, а ОЯТ из источника головной боли становятся источником энергии. Еще одно достоинство «бридеров» состоит в потенциальной возможности сжигания опасного (в политическом смысле!) оружейного плутония. Иными словами — речь идет о создании замкнутого цикла по ядерному топливу.

4. Остальные 40−50% электроэнергии будут производить мощные установки термоядерного синтеза, работающие на изотопе водорода — дейтерии (с добавлением трития). В отличие от ядерной, термоядерная энергия практически не таит радиационной угрозы и нового Чернобыля.

В настоящее время консорциум США — ЕС — Япония — Россия строит во Франции полупромышленный термоядерный реактор ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). Но еще большие перспективы имеет термоядерный синтез при помощи тяжелых ионов («heavy ion fusion» — HIF), разрабатываемый в Berkeley Lab (США).

Еще одно перспективное (но более «отдаленное») направление — холодный термоядерный синтез. Суть такой технологии в следующем: сквозь жидкость пропускают сверхинтенсивные ультразвуковые волны, производя эффект типа акустической кавитации (сонолюминесценции), т. е. при прохождении ультразвука через жидкость (при ряде условий) волны плотности вызывают явление сродни кавитации — быстрый рост (до 2 мм) и стремительное же схлопывание миниатюрных пузырьков газа, растворенного в этой жидкости, либо — паров самой жидкости (рис. 13.1). Стенки этих пузырьков устремляются навстречу друг другу со скоростью до полутора километров в секунду, а ударная волна разогревает газ внутри до 10 млн градусов (это сопоставимо с температурой ядра Солнца). Исследователи использовали звуковые волны с частотой 20−40 кГц, направленные на сосуд с концентрированной серной кислотой, содержащей аргон. Ученые утверждают, что есть надежда добиться того, что выделяемой энергии может оказаться достаточно для осуществления термоядерного синтеза (эти исследования ведутся в Oak Ridge National Laboratory, Tennessee, USA).

Высокое давление Рис. 13.1. Принцип сонолюминесценции

Однако Россия предложила куда более грандиозный проект: использовать для термоядерного синтеза абсолютно нерадиоактивный изотоп «гелий-3», одна тонна которого дает энергию, равную 14 млн тонн нефти. «Гелия-3» на Земле практически нет, зато огромные его запасы имеются на Луне! Там Россия и собирается (к 2020 г.) построить шахту и добывать «гелий-3».

Один рейс российского космического корабля «Прогресс» обеспечит всю Россию «гелием-3» на целый год!

5. Электроэнергия (высокого напряжения) будет транспортироваться по однопроводным линиям электропередач (эту идею впервые высказал еще 100 лет назад выдающийся физик Никола Тесла). Суть этой идеи в том, что электроэнергия передается с помощью реактивного емкостного тока в резонансном режиме. Преимущества: два алюминиевых или медных провода заменяются одним стальным; потери электроэнергии в однопроводном кабеле близки к нулю; в таком кабеле невозможны короткие замыкания; несанкционированный отбор (воровство) энергии — исключено.

Освещение жилых и офисных помещений будет осуществляться современными 5-ваттными высокояркими светодиодами, которые обеспечивают такой же уровень освещенности, как нынешние 100-ваттные лампочки накаливания (но которые потребляют в 20 раз меньше энергии!) и имеют срок службы 10 лет.

6. На электронное и точное машиностроение большое влияние окажут нанотехнологии (возможность «молекулярной сборки»), что может частично или полностью исключить многие традиционные энергозатратные и экологически грязные циклы, такие как металлургический, а также цикл обработки металла (прокат, прессование, фрезерные и токарные работы, сварка и т. д.). Следует весьма серьезно относиться к этому, на первый взгляд, полуфантастическому направлению — ученые уже перешли «от слов к делу»! Так, группа исследователей из Cornell University (США) построила интегрированную био-НЭМС (НЭМС — наноэлектромеханическая система) — биомотор вращательного действия на основе энзима АТФазы. А исследователи из Berkeley University (США) сконструировали действующий электростатический наномотор размером 500 нанометров (1 нм = 10″⁹ м = 10″⁶ мм). Ротор наномотора изготовлен из золота и закреплен на многослойной нанотрубке (фуллерене). Подшипники образованы двумя нанотрубками, вставленными одна в другую. Толщина ротора — всего 10 нм. Два заряженных статора, тоже золотых, расположены на кремниевой поверхности. Еще одно достижение: пропуская через нанотрубку слабый электрический ток, ученые добились перемещения отдельных наночастиц индия (и др. металлов) вдоль нанотрубки. Подобным образом работает любой заводской конвейер, перемещая сборочные части от одного рабочего места к другому. Весной 2004 г. исследователям из University California (Лос Анджелес, США) удалось создать из органических молекул сложные молекулярные машины, которые были названы нанотехнологическими лифтами. Нанолифт состоит из молекулы-платформы, шахтой для которой является другая молекула. Плоская платформа соединена с тремя богатыми кислородом молекулами — «колечками». Кислотно-щелочная реакция используется, чтобы привести лифт в действие. Исследователи считают, что нанолифты могут применяться для управления химическими реакциями; пригодятся нанолифты также и при автоматизированной молекулярной сборке.

Одновременно с этим исследователи из Columbia University (Нью-Йорк, США) построили «шагающего» наноробота, использовав оригинальный принцип: робот поочередно то присоединяет свои «ноги», состоящие из фрагментов ДНК, к базовой молекуле ДНК, то отсоединяет их от нее, продвигаясь таким образом вперед. Создание подобного двигающегося наноустройства — один из серьезных прорывов в построении наносистем. Кроме того, скорее всего изменится и традиционное «тяжелое машиностроение». Так, израильская компания «ApNano» уже создала новые материалы, которые многократно прочнее, легче и жаропрочнее стали, которые могут стать основой для необычайно прочной наноброни. Новые материалы названы «неорганические подобные фуллеренам наноструктуры» (inorganic fullerene-like nanostructures — IF). Они представляют собой сульфиды металлов; особенно перспективны такие материалы на основе титана. Эти материалы синтезированы в виде наночастиц — трубок и сфер — с поперечником всего в десятки атомов. Составленные из таких частиц материалы показывают необычайно высокую прочность и превосходную способность абсорбировать удар, сохраняя после воздействия начальную форму. Так, в опытах образцы IF на основе вольфрама останавливали стальные снаряды, летящие на скорости 1,5 км/с (при этом в точке удара создавалось давление до 250 т/см²), а также — выдерживали статическую нагрузку в 350 т/см². IF-материалы будут использовать для строительных конструкций зданий и сооружений, для корпусов ракет, самолетов, морских судов, автомобилей, бронетехники и для других целей.

7. Все бензиновые и дизельные автомобили и «малый» водный транспорт, а также военная бронетехника будут работать на водородных топливных элементах. В США в 2004 г. уже открыты первые несколько «водородных заправок», а, например, фирма Honda (впрочем, как и все другие ведущие автофирмы мира) начала мелкосерийный выпуск электромобиля FCX на водородных топливных элементах Honda FC Stack с длиной пробега без заправки до 500 км (рис. 13.2). Впрочем, до 2010;2015 гг. будут популярны также и автомобили-гибриды, где сочетаются двигатель внутреннего сгорания (ДВС) и мощный электроаккумулятор. Например, пятиместный гибрид Toyota Prius II имеет расход бензина в городе 2,8 л/100 км. Рабочий объем его 4-х-цилиндрового ДВС — 1,5 л, мощность — 76 лошадиных сил. Имеется также электродвигатель на постоянных магнитах, синхронный, мощностью 67 «лошадей». Зарядка аккумуляторных батарей идет сразу с двух сторон — от ДВС и от колес (при торможении). Изюминка машины —делитель мощности (планетарная трансмиссия). Общий КПД Prius II — 37%. Водород в автомобиле можно хранить тремя принципиальными способами: в сжатом виде (в облегченных сверхпрочных баллонах — 350 атм.), в сжиженном виде (в теплоизолированных емкостях) или в металл-гидридах. Ученые из Danmarks Tekniske Universitet (DTU) изобрели «водородные таблетки», которые, по мнению авторов, перевернут представления людей об опасности использования водорода в автомобиле.

Рис. 13.2. Схема FCX: под капотом — электромотор и система управления, под передними сиденьями — топливные элементы, под задними сиденьями — баллоны с водородом, за спинками задних сидений — батареи суперконденсаторов.

Новая технология хранения водорода обещает практически такую же плотность упаковкиэнергии, как у бака с бензином и абсолютную пожарную безопасность. И все это при невысоких затратах. Состоят эти таблетки из аммиака, затем используется катализатор, который аммиак разлагает, освобождая водород. Когда таблетка пустеет, нужно просто накачать в нее новую порцию аммиака. Авторы изобретения основали компанию Amminex А/S для его коммерциализации. Они полагают новый способ «упаковки» водорода самым идеальным для применения на транспорте, а значит — важным шагом на пути к водородной энергетике.

Важно, что выхлопы любых водородных двигателей являются экологически чистыми и содержат только водяной пар.

Огромный прогресс имеет место в деле разработки аккумуляторов. Так, компания Toshiba разработала на основе нанотехнологий новый литийионный аккумулятор, который заряжается на 80% емкости всего за 1 минуту — это как минимум в 60 раз быстрее, чем у современных аккумуляторов. Аккумуляторы будут предназначены для использования в автомобилях и промышленных устройствах, включая гибридные транспортные средства. Новые батареи будут иметь большой ресурс, теряя 1% емкости только за 1000 циклов заряда-разряда. Также они смогут полноценно работать на морозе при -40 °С. Компания Peugeot Citroen уже создала водородную аккумуляторную «супербатарею» мощностью 80 кВт, которая к тому же имеет огромный ресурс.

Настоящий прорыв в деле широкого внедрения электромобилей осуществит «мотор-колесо» Шкондина (рис. 13.3) (компания Ultra Motor, Россия — Англия). Импульсно инерционный двигатель Шкондина состоит из стационарного постоянного магнита, прикрепленного к раме и окруженного тремя парами электромагнитов. Эти магниты находятся во вращающемся диске, закрепленном на колесе; его крутящий момент в 1,5 раза выше, чем у ближайших конкурентов; к тому же полная экологичность и бесшумность. С 2006 г. индийская компания Crompton Greaves начала серийное производство мопедов на базе «мотор-колеса» АН-300 (мощность 300 Вт).

С одним АН-300 мопед без помощи седока разгоняется до 25 км/ч и может «потянуть» до 100 кг груза. В ходе испытаний компания выжимала из этого двигателя скорость до 90 км/час. При торможении или скатывании с горки электронное управление переключает мотор в режим генерации, позволяя вырабатывать до 180 Вт энергии.

Рис. 13.3. «Моторколесо» Шкондина.

Пробег на одной зарядке с батареей емкостью 20 A-час (напряжение 24 В) достигает 35 км, т. е., с учетом грядущих «супераккумуляторов», «прорыв» колеса Шкондина заключается в том, что «легкий» электротранспорт (мопеды, грузовые трехколесные фургончики, миниэлектромобили и т. д.) — смогут обойтись без водородных баллонов и иметь в пределах города «приличный» пробег только на аккумуляторах без их дозаправки.

На авиалайнерах также заменят керосиновые двигатели на водороднокислородные (один такой двигатель — «scramjet» — уже разработан).

Рис. 13.4. «Бортовой генератор водорода» (небольшая коробка справа от колеса).

Лаборатория реактивного движения (Jet Propulsion Lab, USA) и компания Canadian Hydrogen Energy решили не дожидаться «глобальной водородной революции» и разработали «Бортовой генератор водорода» (рис. 13.4), запатентовав систему впрыска водорода (Hydrogen Fuel Injection — HFI) во впускной коллектор двигателя внутреннего сгорания (как правило, речь идет о грузовом автомобиле, работающем на дизтопливе или о тракторе). Это компактный электролизный аппарат, который берет энергию из бортовой электрической сети грузовика, разлагает дистиллированную воду и направляет смесь водорода и кислорода во впускной коллектор ДВС. Добавленные «извне» водород и кислород повышают полноту сгорания дизтоплива, меняя характер распространения пламени в цилиндрах. Это дает 10-процентную экономию топлива, рост КПД двигателя и существенное сокращение выброса вредных веществ, особенно сажи — «слабого места» дизелей. Возможно, это устройство имеет в основе электрическую ячейку Стэнли Мэйера (патент США 4 936 961 «Метод для производства топливного газа»).

Однако эта разработка важна тем, что открывает перспективу «водородо-кислородной подсветки» сжигания угля в котлах теплоэлектростанций взамен природного газа.

Также будут популярными так наз. городские пневмокары, которые двигаются энергией воздуха, сжатого до 200 атм. (для улучшения характеристик воздух может быть охлажден до минус 100 °С). Например, первый в Австралии автомобиль на сжатом воздухе, поступивший в реальную коммерческую эксплуатацию, недавно «побежал» в Мельбурне. Он построен австралийской фирмой Engineair (автор — Анджело Ди Пьетро).

Грузоподъемность его последней модели — одна тонна, объем баллонов с воздухом — 200 л, пробег на одной заправке — 50 км. При этом процесс заправки длится всего несколько минут.

• 8. Транспортировка грузов внутри страны (в качестве альтернативы грузовым автомобилям) частично будет осуществляться в контейнерах- «капсулах» по разветвленной сети подземных трубопроводов большого диаметра (1,5 м). Капсулы длиною 1−3 м (или несколько сцепленных капсул) будут перемещаться по таким трубам со скоростью 30−40 км/час на воздушной или магнитной «подушке».
• 9. Весь крупный пассажирский, грузовой и военный морской флот будет оснащен безопасными ядерными реакторами с «подкритичными» характеристиками, работающими не на опасном уране-238, а на значительно более безопасном тории-232 (из тория-232 уже непосредственно в реакторе получают вторичное ядерное топливо — уран-233). Как и всякий четно-четный изотоп (четное число протонов и нейтронов), торий-232 не способен выделять при делении тепловые нейтроны. Но под воздействием нейтронов извне (т.е. при облучении его мощным пучком быстрых нейтронов — см. выше п. 3) с торием происходит трансформация: Th232 + n —> Th233 —* Ра233 —> U233. А уран-233, как известно — хорошее ядерное горючее, поддерживающее цепное деление, т. к. при делении его ядра на один «затраченный» нейтрон выделяется 2,37 новых нейтронов.
• 10. Все тепловое коммунальное хозяйство будет полностью децентрализовано (давно пора перестать зарывать в землю миллионы «тонно-километров» металлических труб, из которых в ту же землю «уходит» 25−40% тепла!). Теплом и горячей водой каждый дом будет обеспечиваться автономно за счет электроэнергии (возможны варианты): ночью работают электро- (или гидродинамические — ГДН) нагреватели (аккумулируя тепло по низкому «ночному тарифу»), днем — солнечные коллекторы (летом) и/или тепловые насосы — особенно зимой, на низкопотенциальном вторичном тепле. (В холодной Швеции, например, уже эксплуатируется свыше 300 тыс. тепловых насосов).

До 2010 г. будут оставаться газифицированные дома — но исключительно с применением автономных газовых мини-котельных с максимально возможной активной автоматической регулировкой для минимизации расхода газа и воды. При этом сгорание газа будет осуществляться в геометрических совершенных керамических горельных устройствах с высокой полноты сгорания (99,99%) углеводородного топлива в интервале температур 900−2000 К (разработка К. Мягкова, «Инжпроект», Россия) (рис. 13.5). Также представляет интерес «каталитическая горелка Екимовских» (Львов), в которой, кроме эффекта катализа, вода из влажного воздуха разлагается на водород и кислород и эта смесь (Н₂ + 0₂) вдувается в метано-воздушное пламя, повышая его эффективность (до 99%) и температуру (этот же эффект использует компания «Canadian Hydrogen Energy» для улучшения работы ДВС (см. пункт 7).

Рис. 13.5. Двухконтурная энергетическая установка Мягкова с керамическими горельными устройствами.

Кроме того, все источники тепла должны быть оснащены термоэлектрическими элементами для утилизации «лишнего» тепла (например, обыкновенный комнатный радиатор отопления, оснащенный таким термоэлементом, дает дополнительно до 150 ватт электроэнергии). Термоэлектроэлементы высокого качества разработаны в Институте термоэлектричества Академии Наук Украины.

Американская компания Zoka-Zola возводит сейчас близ Чикаго средних размеров особняк на одну семью, который не будет требовать для своего функционирования ни джоуля энергии извне. Проект Glass & Bedolla House относится к растущей плеяде проектов «zero energy house» — домов, не требующих энергии из сети. Для этого авторы коттеджа применили едва ли не все известные ухищрения: солнечные электрические батареи и солнечные теплоколлекторы, ветрогенератор и геотермальный источник тепла (зимой) и холода (летом), хорошие теплоизолирующие материалы.

11. Будут осуществлены три грандиозные энергосберегающие «революции» в сельском хозяйстве:

A) Ученые NASA и Meriland University разработали биотехнологию, позволяющую в близком будущем осуществить промышленное производство мясо животных, птиц и рыб, выращивая его из их клеток в «фабричных» условиях. Внедрение этой биотехнологии фактически «поставит крест» на традиционном энергозатратном животноводстве, птицеводстве, рыбоводстве (кроме, разве что производства молока и яиц; а парное мясо, например, останется в качестве дорогой экзотики).

Рис. 13.6. Небоскреб, в котором «живут» овощи и зерновые культуры.

Б) Большая часть «некормовой» сельхозпродукции (в основном, высококачественные злаки и овощи) будет выращиваться в так называемых Автоматических гидропонных контейнерах; при этом такая «ферма» (круглогодичная!) будет выглядеть как безлюдный небоскреб (рис. 13.6). Например, ученые Columbia University (Нью Йорк, США) придумали проект «Вертикальная ферма» (Vertical Farm) — десятки этажей, заполненные гидропонными теплицами, предельно автоматизированные, с искусственным освещением (дополняющим естественное) и частичным самообеспечением электрической энергией за счет солнечных батарей на крыше и метантенков в подвале, где перерабатываются органические отходы в биогаз. Такая ферма будет давать несколько урожаев в год, а изолированные растения будут защищены от инфекций и вредителей, поражающих поля: кроме того, имеется возможность переноса агропромышленности в город, вследствие чего резко падают транспортные расходы. Аналогичный проект (только в меньших масштабах) осуществила и американо-израильская фирма «Organitech».

Если представить себе 50-этажный «сельхознебоскреб» с площадью основания 1 га (100×100 м), и если на каждом этаже будет по 10 ярусов — то всего будет собираться урожай с 50×10 = 500 га. При урожае (пшеницы) по 65 ц/га имеем урожай 500×65 = 32 500 ц, что при минимум трех урожаях в год дает около 100 000 центнеров в год пшеницы!

B) Остальная («земляная») часть сельского хозяйства перейдет, в основном, на выращивание рапса для производства «биодизеля» и «генномодифицированных» кукурузы и картофеля (с повышенным содержанием крахмала) для производства этанола.

Ведь корм для животноводства и птицеводства в промышленных масштабах будут уже практически не нужны; останется лишь выращивание фруктов). Это позволит превратить дотационное сельское хозяйство в высокорентабельную отрасль, т. к. спрос и цены на рапсовое масло и этанол в XXI веке будут в мире постоянно расти. (Например, нынешние закупочные цены на рапс находятся на уровне 160−180 долл./т, в то время как за тонну украинской пшеницы предлагают вдвое ниже — лишь 80 долл.). По данным Ассоциации сои США — мировая потребность в «биодизеле» возрастет к 2015 г. в 4 раза — до 125 млн галлонов (1 галлон США — 3,8 л); а потребление этанола в США (для добавки в бензин) составило в 2004 г. 3,4 млн галлонов (что эквивалентно 143 млн баррелям нефти стоимостью в 6 млрд долл.

При этом «земляное» сельское хозяйство будет полностью переведено на низкоэнергетические «безплужные» технологии («по-till», т. е. «без вспашки» — на глубину 5−6 см), что в 4−5 раз сократит расход дизтоплива (со 100−120 до 15−20 л на 1 га зерновых). Также будет иметь место частичный или полный отказ от энергоемких «химических» удобрений в пользу «био-удобрений» (например, на основе продуктов жизнедеятельности красного калифорнийского червя).

Астрономы утверждают, что Землю ждет не глобальное потепление, а, наоборот, глобальное похолодание. И виновато в этом Солнце: помимо известного 11-летнего цикла солнечной активности, существует еще и вековой цикл. К середине XXI столетия поток солнечного излучения должен резко снизиться, Земля будет получать меньше тепла. Подобное глобальное похолодание уже наблюдалось в Европе, Северной Америке и Гренландии в 1645—1705 годах.

Астрономы называют это время «маундеровским минимумом» и утверждают, что в эти годы на Солнце практически не было вспышек. По летописям известно, что в то время из-за сильных холодов викинги покинули свои поселения в Гренландии, а в Старом Свете почти каждую зиму замерзали реки и температура воздуха понижалась до 40 градусов мороза.

По мнению ученых, в 2035;2045 гг., солнечная светимость достигнет минимума, а вслед за этим с отставанием на 15−20 лет начнется глобальное похолодание. Возможно, его длительность будет такая же, как и в средние века, — около 70 лет. Но сокращение интенсивности солнечного излучения — обычное природное явление, никак не связанное с хозяйственной деятельность человечества.

Так что, если к 2050 году, вместе с исчерпанием запасов нефти и ее резким подорожанием до 500 долл./баррель еще добавится и глобальное похолодание — к этой «зиме» нужно было начинать готовить «сани» еще вчера.

Наиболее общий метод решения этих проблем состоит в широком использовании водорода — по сути, единственного экологически чистого энергоносителя, то есть в переходе к водородной энергетике. Фундаментальные физико-химические и физико-технические проблемы, связанные с широким внедрением водородной энергетики, в основном определяются необходимостью разработки новых методов эффективного и экологически чистого производства водорода.

Направления разработки новых водородных технологий в разных регионах и странах различаются. Это связано и с неравномерной обеспеченностью природными энергоресурсами, и с особенностями их технологического развития. Например, в разработках водородных технологий, выполняемых в США, Германии и России, используется опыт ракетной техники, атомной и химической промышленности, специальной металлургии, криогенной и оборонной промышленности, в Японии — опыт высоких технологий электронной, электротехнической, металлургической промышленности и зарубежный опыт криогенной и авиационно-космической техники.

Вместе с тем обостряющиеся геополитические и экологические проблемы, связанные с региональной неравномерностью добычи нефти и ее потребления, в ближайшей перспективе определяют в качестве основного направления развития производство и применение водорода в качестве экологически чистого энергоносителя для автотранспорта и энергетики. Это формирует наряду со специфическими для каждой страны направлениями НИОКР и общие для основных ведущих стран направления исследований и разработок.

Среди них, прежде всего, необходимо отметить:

• — технологии производства, транспортировки, хранения и распределения жидкого и сжатого водорода;
• — технологии крупномасштабного производства водорода с использованием энергии высокотемпературных реакторов;
• — водородный автотранспорт с топливными элементами;
• — водородные системы автономного энергообеспечения на основе топливных элементов;
• — водород в большой энергетике;
• — технологии аккумулирования и очистки водорода;
• — водородная инфраструктура и безопасность.

Крупные национальные программы НИОКР в области водородной энергетики и технологии реализуются в США, Канаде, Германии, Японии, Китае, странах ЕС и ряде других. Государственная поддержка этих программ сегодня исчисляется в сотнях млн долл, в год.

Выполняется ряд международных программ и проектов. В странах ЕС действует программа НИОКР по созданию водородных автобусов и реализуется ряд других проектов, связанных с созданием инфраструктуры обеспечения водородом. Япония с участием иностранных партнеров реализует крупный проект «Мировая энергетическая сеть с использованием водорода.

(WE-NET)". Между ведущими фирмами различных стран заключены многочисленные соглашения о совместных разработках новых водородных технологий. Организовано Берлинское партнерство чистой энергии (СЕР), членами которого являются BMW, Daimler-Chrysler, Ford, Linde, MAN, Opel и др.

На правительственном уровне многие страны приняли важные решения об ускоренном развитии водородной энергетики и технологии.

В этой связи характерно решение президента США Дж. Буша о включении водородной экономики в число национальных приоритетов США. Конгресс США принял решение о выделении финансирования в размере 1,3 млрд долл, на работы по топливным элементам для автомобилей. В США начинаются работы по созданию в INEEL опытного высокотемпературного реактора (VHTR-H2) стоимостью 1 млрд долларов для атомного производства водорода. С этой целью формируется международный консорциум с участием российских предприятий ОКБМ и РНЦ «Курчатовский институт».

В Соединенных штатах (компании GA, ORNL и др.), Японии (JAERI, университеты) и других технологически развитых странах активизировалась разработка термохимических процессов производства водорода из воды с использованием энергии ВТГР:

• — США выделили 1,2 млрд долл, на разработку демонстрационного блока и определили потребность в 200 атомных станциях для производства водорода из воды;
• — Южная Корея запланировала 1 млрд долл, для создания демонстрационного блока для производства водорода и планирует к 2030 г. обеспечить до 20% нужд в топливе автомобильного транспорта страны водородом, полученным с использованием энергии ВТГР.

Аналогичные технологии и проекты развиваются интенсивно во Франции, ЮАР, Китае в рамках государственного финансирования.

В России, США и Японии проводились и продолжаются разработки технологии паровой конверсии метана с подводом тепла от высокотемпературного гелиевого реактора (ВТГР). Территориальная модель такого комплекса состоит из ядерной части, вырабатывающей синтез-газ, который транспортируется к технологической части производства, где этот газ используется для выработки конечной продукции.

Из угля и сланцев, используя тепло атомных реакторов можно получать синтез газ с высоким содержанием водорода. Газификация угля является одним из первых крупнотоннажных химических процессов, которые стали объектом для использования тепла атомного реактора.

Ведутся работы по созданию атомных электростанций следующего поколения. Исследовательская лаборатория National Engineering Environmental Laboratory прогнозирует, что один энергоблок атомной электростанции следующего поколения будет производить ежедневно водород, эквивалентный 750 000 литров бензина.

В рамках европейской исследовательской программы Raphael французские ученые и конструкторы работают уже над созданием атомного реактора четвертого поколения — реактора VHTR с температурой теплоносителя 1200 К. В таких устройствах вода при добавлении серной кислоты, йода и соединений брома разлагается на составные части — водород и кислород. Этот реактор будет способен вырабатывать до 2 млн м³ водорода в сутки.

Правительством США принята Атомная водородная инициатива. Ведутся работы (совместно с Южной Кореей) по созданию атомных реакторов нового поколения, способных производить в больших количествах водород. INEEL (Idaho National Engineering Environmental Laboratory) прогнозирует, что один энергоблок атомной электростанции 4-го поколения будет производить ежедневно водород, эквивалентный 750 000 л бензина.

Финансируются исследования возможностей производства водорода на существующих атомных электростанциях.

Ключевое устройство всей водородной энергетики — топливный элемент, в котором водород, соединяясь с кислородом, превращается в воду; высвободившаяся при этом энергия напрямую становится электроэнергией. Именно отсутствие всевозможных движущихся частей и передаточных звеньев и обеспечивает топливному элементу очень высокую эффективность — его КПД превышает 50%, а в лучших образцах достигает 75%.

Исторически сложилось так, что первые топливные элементы, которые удалось применить в техническом устройстве, сделали с жидким щелочным электролитом, и они прекрасно проявили себя во времена активного освоения космоса.

В 1971 году появился первый отечественный топливный элемент «Волна» (рис. 13.7). Он был способен работать в течение 1000 ч, выдавал один.

киловатт мощности при напряжении 27 В, а весил 60 кг. Следующий щелочной элемент, на сей раз для «Бурана», начали разрабатывать в 1978 году. Через десять лет появился элемент «Фотон» (рис. 13.8) с ресурсом 2000 ч, мощностью 10 кВт, весом 145 кг. Эта разработка аналогична производимому компанией International Fuel Cell (США) щелочному ЭХГ для системы Space Shuttle мощностью 12 кВт.

Сейчас по заказу «АвтоВАЗа»: на комбинате модернизируют «ФоРис. 13.7. Топливный элемент „Волна“ тон», чтобы его можно было исдля лунной экспедиции пользовать в легковом автомобиле (рис. 13.9). Если поначалу ему требовалось два бака, с водородом и кислородом, то в 2002 г. экспериментальная «Лада» уже использовала кислород воздуха. Работают такие элементы и на космических кораблях, например на спутнике «Ямал».

Рис. 13.8. Топливный элемент «Фотон» для «Бурана».

Рис. 13.9. Водородная энергетическая установка сейчас занимает весь багажник «Лады».

Слабое место щелочного электролита в том, что щелочь взаимодействует с углекислым газом и образуются нерастворимые в щелочной среде карбонаты. В космосе, где нет атмосферы, и в элемент оба газа попадают в чистом виде, этой проблемы нет. А вот на Земле углекислый газ есть везде, и, прежде всего в питающем кислородный электрод воздухе. Если же еще и на водородный электрод подавать смесь газов из топливного процессора (а там углекислого газа очень много, почти четверть), то щелочной элемент оказывается в очень тяжелых условиях, которые неизбежно снижают его ресурс. Кроме того, беда всех жидких электролитов, и щелочных, и кислотных, — вода, что образуется как на внешней, так и на внутренней поверхности кислородного электрода: она неизбежно разбавляет электролит.

Обоих недостатков лишен твердый полимер, он же протонообменная мембрана. Топливные элементы с ним (РЕМ FC) считаются самыми перспективными, надежными и потенциально самыми дешевыми в качестве источника электроэнергии для транспорта нового поколения (автомобили и автобусы) Этому направлению придается большое значение в США, Японии и в России.

РЕМ FC, естественно, найдут широкое применение и для других систем энергопитания.

ЭХГ этого типа могут стать эффективным источником тепла и электричества для автономных потребителей. Один из типичных проектов таких устройств — HomeGen — разрабатывается компанией General Electric. Мощность этой установки достигает 35 кВт (тип РЕМ FC, КПД около 30%).

В настоящее время HomeGen и несколько аналогичных разработок проходят контрольные испытания. Основные усилия разработчиков направлены на снижение стоимости установок за счет использования новых, более эффективных керамических материалов и совершенствования технологии изготовления ЭХГ.

Потребность децентрализованной стационарной энергетики (мощность электрохимических генераторов от 5 кВт до 10 МВт) оценивается со 100 тыс. МВт за 10 лет. Сейчас 1 кВт установленной мощности стоит более 3 тыс. долл., приемлемая цена — 1 тыс. долл. Потребности автотранспорта в электрохимических генераторах на топливных элементах (мощность 15−100 кВт) — 500 тыс. штук в год. Сейчас стоимость одного такого генератора более 3 тыс. долл., приемлемая цена — 50−100 долл. Таким образом, необходимо многократное снижение стоимости стационарных топливных элементов и десятикратное — стоимости топливных элементов для транспорта.

Не исключено, что Россия будет первой страной, которая коммерциализует топливные элементы. Причина в наших огромных пространствах и мощной газовой промышленности. Гигантские трубопроводы идут через безлюдные просторы Сибири, где нет централизованного энергоснабжения. А ведь чуть ли не на каждом километре газопровода должна стоять небольшая электростанция, которая питает контрольные приборы и, что важнее, размагничивает газопровод, чтобы по нему не тек ток, вызванный полем Земли.

В противном случае труба быстро гниет — идет электрохимическая коррозия. Сейчас там стоят дизельные станции. Им нужно подвозить топливо, а выхлоп и шум наносят вред окружающей среде. Бесшумный топливный элемент с чистым выхлопом, который к тому же работает от прокачиваемого по трубе газа, — идеальная замена. Расчет показывает, что даже при цене несколько тысяч долл, за киловатт установочной мощности такой электрогенератор оказывается конкурентоспособным.

Необходимо также отметить, что передача водорода по тем же газопроводам на расстояние 100 км стоит на 20% дешевле, чем электричества; при расстоянии 1600 км — в два раза дешевле; а при распределении потребителями — в пять раз.

Идея использования водородного топлива базируется на желании уменьшить выбросы С0₂ в атмосферу. Но при этом совершенно не учитывают, что при производстве водорода нужно затратить энергию, получение которой сегодня связано с выделением С0₂. Кроме того, в рамках современных способов С0₂ выделяется и при получении водорода. Например, паровой риформинг природного газа происходит так: СН₄ + Н₂ О = С0₂ + 4 Н₂ То есть на каждые 8 г водорода мы получаем 44 г С0₂ Еще хуже с биомассой — по моим оценкам, на 1 молекулу С0₂ выделяется всего 1−2 молекулы водорода. «Чистым» с этой точки зрения можно считать только разложение воды при помощи энергии или бактерий. Первое и дорого, и тоже связано с производством С0₂, второе пока малопроизводительно и не может сыграть заметной роли в ближайшем будущем.

Надо также учитывать, что для топливных элементов нужен очень чистый водород. Он не должен содержать СО даже в следовых количествах (СО — яд для топливных элементов). В то же время, при получении водорода почти всегда получается его смесь с СО. Полная очистка от СО — отдельная задача, предполагающая реакцию на платиновых или золотых катализаторах (пусть и в ничтожных количествах), и опять же потребление энергии, что соответственно увеличивает сопутствующий выброс С0₂.

Эти проблемы заставляют искать более дешевые способы получения чистого водорода. Ведутся поисковые работы по использованию таких экзотических вариантов, как процесс с применением ураната стронция для получения водорода (стронций-уранатный цикл, Лос-Аламос) термохимическим способом с непосредственным делением ядер урана в составе ураната стронция для получения тепла при разложении воды на водород и кислород.

Интересную инициативу демонстрирует Исландия, заявив, что она намерена стать первой в мире страной, решившей отказаться от использования ископаемых энергоносителей и перейти на водородную энергетику, причем как на суше, так и на море.

Английские ученые собираются превратить шотландский остров Айлей в первую в мире территорию, полностью перешедшую на использование водородного топлива. «Мы намереваемся показать каждому будущие перспективы, через 10−20 лет водород займет лидирующие позиции».

Получать чистый водород планируется из воды с помощью электрического тока от уже функционирующей на острове электростанции, использующей энергию морских волн. После этого водородом будут заправляться топливные элементы. Эти элементы жители острова смогут забирать домой и с их помощью приводить в действие все агрегаты и механизмы — начиная от сушилок и кончая тракторами.

В ноябре 2003 г. 15 стран подписали соглашение «Международное партнерство по водородной экономике». Участниками партнерства стали Австралия, Англия, Бразилия, Германия, ЕС, Индия, Исландия, Италия, Канада, Китай, Норвегия, Республика Корея, Россия, США, Франция, Япония.

В России существует задел по основным направлениям водородной энергетики. Среди перечисленных выше направлений следует отметить опыт работ с водородом в ракетной технике, авиации, химической, нефтеперерабатывающей и атомной промышленности, технологический задел по атомно-водородной энергетике и, в том числе, по высокотемпературным гелиевым реакторам. Программа действий в России по водородной энергетике должна включать как собственно российские работы по ключевым технологиям, так и сотрудничество с зарубежными программами по водородной экономике. Реализация программы создаст базовые технологические основы коммерческого перехода к атомно-водородной энергетике непосредственно в России, что повысит энергетическую устойчивость экономики страны и обеспечит поставки соответствующих энерготехнологических комплексов на экспорт. Запаздывание России в этом направлении работ — это прогнозируемая технологическая зависимость от внешнего мира.

Если есть инфраструктура добычи водорода и снабжения им, то большого разнообразия конструкций топливных элементов не будет. Однако для развития этой инфраструктуры должны быть потребители водорода. А они появятся только после того, как будет создано бесперебойное снабжение, иначе на водородном автомобиле далеко не уедешь. Поэтому если где-то и создают системы водородозаправок (например, в тех десяти европейских городах, которые уже участвуют в эксперименте по применению водородных автобусов), то делают это городские власти, выделяя средства по затратному механизму, без надежды обеспечить проекту самофинансирование.

Вот почему для создания самоокупаемой водородной энергетики на первых порах хотят воспользоваться имеющейся системой распределения топлива, а именно газопроводами и бензозаправками. Ничего удивительного в такой идее нет: и природный газ, и бензин — это углеводороды. Значит, можно попытаться отщепить водород от углеродного скелета непосредственно перед входом в топливный элемент. И как это делать — тоже известно: надо нагреть топливо, а потом осуществить каталитическое парциальное окисление или пароводяную конверсию. Например, превратить топливо в синтез-газ, то есть смесь водорода с угарным газом. Потом тем или иным способ дожечь ядовитый угарный газ до безвредного углекислого — и можно подавать смесь на водородный электрод топливного элемента. Получается небольшой химический заводик-процессор (его еще называют конвертер или риформер), смонтированный прямо «на борту» топливного элемента. Наличие этого заводика и порождает два принципиально разных типа конструкции — высокотемпературный и низкотемпературный.

Если смесь газов, которые выходят из процессора, не охлаждать, ее температура составит около 800 °C, то есть наряду с электричеством элемент дает еще и немало тепла. Вариант без охлаждения хорош еще и тем, что сам процессор становится более простым: при столь высокой температуре топливный элемент с удовольствием будет использовать и угарный газ как топливо. Однако элементы блока, генерирующего электричество, могут оказаться слишком нежными, чтобы выдержать такой нагрев. В этом случае внутри процессора придется проводить как выделяющие тепло реакции, так и те, что его поглощают, а с помощью системы теплообменников компенсировать оба процесса. Сам топливный элемент в этом случае работает при температуре 80 °C, и безопасность получается значительно выше — горячая вода — это не то, что расплавленный свинец.