Основи екології - Олійник Я.Б. - Воднева енергетика

Коли мова йде про водневу енергетику, ключовою є теза, що тільки спалювання водню є абсолютно екологічно безпечним, оскільки при цьому нічого, крім води, не утворюється. Якби водень був так само доступний, як і природний газ, він би й справді став ідеальним паливом, яке не забруднює довкілля. Однак реальні промислові методи одержання водню базуються або на генеруванні його з інших видів органічного палива (природний газ, продукти нафтопереробки), або на електролізі води.

Передача електроенергії проводами коштує дуже дорого: вона становить близько третини собівартості енергії для споживача. Щоб знизити витрати, будують лінії електропередач все більш високої напруги. Але повітряні високовольтні лінії вимагають відчуження великої земельної площі, до того ж вони уразливі для сильних вітрів та інших метеорологічних чинників. А підземні кабельні лінії обходяться у 10-20 разів дорожче і їх прокладають лише у виняткових випадках (наприклад, коли це викликано потребами архітектури або надійності).

Серйозною проблемою є накопичення і зберігання електроенергії, оскільки електростанції найбільш ефективно працюють за умов постійної потужності і повного навантаження. Тим часом попит на електроенергію змінюється протягом доби, тижня і року, тому потужність електростанцій доводиться до нього пристосовувати. Єдину можливість зберігати велику кількість електроенергії сьогодні дають гідроакумулюючі електростанції, але й вони, у свою чергу, створюють безліч проблем. Усі ці проблеми могло б вирішити використання водню як палива і створення так званого водневого енергетичного господарства.

Водень - найпростіший і найлегший з усіх хімічних елементів. Його можна вважати ідеальним паливом, адже він є усюди, де є вода. При спалюванні водню утворюється вода, яку можна знову розкласти на водень і кисень, причому цей процес не забруднює навколишнє середовище. Водневе полум'я не виділяє в атмосферу продуктів, якими неминуче супроводжується горіння будь-яких інших видів палива: вуглекислого газу, окису вуглецю, сірчистого газу, вуглеводнів, золи, органічних перекисів тощо. Водень має дуже високу теплотворну здатність: при спалюванні 1 г водню утворюється 120 Дж теплової енергії, а при спалюванні 1 г бензину - тільки 47 Дж.

Водень можна транспортувати і розподіляти трубопроводами так само, як природний газ. Трубопровідний транспорт палива - найдешевший спосіб дальньої передачі енергії. До того ж, трубопроводи прокладаються під землею, що не порушує природного ландшафту, і займають менше земельної площі, ніж повітряні електричні лінії. Передача енергії у формі газоподібного водню трубопроводом діаметром 750 мм на відстань понад 80 км коштуватиме дешевше, ніж передача тієї ж кількості енергії у формі змінного струму підземним кабелем.

Водень - синтетичне паливо. Його можна отримувати з вугілля, нафти, природного газу або шляхом розкладання води. Згідно з оцінкам, сьогодні у світі споживають близько 20 млн т водню на рік. Половина цієї кількості витрачається на виробництво аміаку і добрив, а інша - на видалення сірки з газоподібного палива, в металургії, для гідрогенізації вугілля та інших палив. У сучасній економіці водень залишається швидше хімічною, ніж енергетичною сировиною.

Зараз водень отримують головним чином (близько 80 %) з нафти. Але це неекономічний для енергетики процес, тому що енергія з такого водню коштує у 3,5 разів дорожче, ніж енергія від спалювання бензину. До того ж собівартість такого водню постійно зростає у міру підвищення цін на нафту.

Незначну кількість водню отримують шляхом електролізу. Виробництво водню методом електролізу води коштує дорожче, ніж вироблення його з нафти, але з розвитком атомної енергетики ця ціна впаде. Поблизу атомних електростанцій можна розмістити станції електролізу води, де вся енергія, вироблена електростанцією, піде на розкладання води з утворенням водню. Правда, ціна електролітичного водню залишиться вищою за ціну електричного струму, проте витрати на транспортування і розподіл водню настільки малі, що остаточна ціна для споживача буде цілком прийнятною порівняно з ціною на електроенергію.

Сьогодні дослідники інтенсивно працюють над здешевленням технологічних процесів великотоннажного виробництва водню за рахунок ефективнішого розкладання води, використовуючи високотемпературний електроліз водяної пари, застосовуючи каталізатори тощо. Коли водень стане таким же доступним паливом, як сьогодні природний газ, він зможе усюди його замінити. Водень можна буде спалювати в кухонних плитах, у водонагрівачах і опалювальних печах, забезпечених пальниками, які майже або зовсім не відрізнятимуться від сучасних пальників, вживаних для спалювання природного газу.

Оскільки при спалюванні водню не залишається жодних шкідливих продуктів згоряння, то зникає потреба у системах відведення цих продуктів для опалювальних пристроїв, що працюють на водні. Більш того, водяну пару, що утворюється при горінні, можна вважати корисним продуктом - вона зволожує повітря (а як відомо, в сучасних квартирах з центральним опалюванням повітря дуже сухе). А відсутність димарів не тільки сприяє економії будівельних витрат, а й підвищує ККД опалювання на ЗО %. Крім того, водень може стати й хімічною сировиною у багатьох галузях промисловості, наприклад, при виробництві добрив і продуктів харчування, в металургії і нафтохімії. Його можна використовувати і для вироблення електроенергії на місцевих теплових електростанціях.

Тобто воднева енергетика - це спосіб уникнення будь-яких токсичних викидів безпосередньо у місці вивільнення енергії.

Розвиток водневої енергетики стимулював дослідження у галузі паливних елементів. Паливний елемент (ПЕ) - це електрохімічний генератор, який забезпечує пряме перетворення хімічної енергії на електричну. Такі перетворення відбуваються і у звичних електричних акумуляторах. Однак паливні елементи мають дві важливі відмінності: по-перше, вони функціонують доти, доки паливо (відновник) та окисник надходять із зовнішнього джерела; по-друге, хімічний склад електроліту в процесі роботи не змінюється, тобто паливний елемент не треба перезаряджати.

Уперше про можливість створення ПЕ у 1839 р. повідомив англійський хімік-аматор, приятель М. Фарадея, В. Гроув. Спостерігаючи процес електролізу води у розчинах сірчаної кислоти, він виявив, що після відключення зовнішнього струму в електролітичній комірці генерується постійний струм. Однак ці висновки В. Гроува не знайшли обґрунтування у подальших дослідженнях. Свій електрохімічний пристрій він, за пропозицією М. Фарадея, назвав "газовою батареєю". Назву "паливний елемент" цей пристрій одержав лише через 50 років завдяки Людвігу Монде (хімік-аматор, бізнесмен, співзасновник відомої фірми Imperial Chem. Industries).

Інтерес до ПЕ знову відродився на початку 50-х років XX ст. після публікації монографії російського вченого, співробітника Московського нафтового інституту O.K. Давтяна, що була присвячена проблемам безпосереднього перетворення хімічної енергії палива в електричну. Зацікавленість водневою енергетикою виникла в часи активного освоєння космічного простору. У 60-ті роки минулого століття були створені ПЕ потужністю до 1 кВт для американських програм "Джеміні" та "Аполлон", у 80-ті - на 10 кВт для "Шаттла" та радянського "Бурану". Тоді ж було збудовано електростанції потужністю 100 кВт на фосфорно-кислотних ПЕ. В Японії і США є дослідні електростанції на 10 МВт. Від 1990-х років і донині триває розробка ПЕ потужністю від 1 кВт до 10 МВт для стаціонарної автономної енергетики. Крім того, розробляються портативні джерела електроенергії (потужністю менше 100 Вт) для комп'ютерів, стільникових телефонів, фотоапаратів тощо. Як паливо у них використовується спирт метанол, з якого одержують водень.

Вартість паливних елементів досить висока: 1 кВт встановленої потужності у кращих зразках коштує 1-3 тис. дол. США. Потрібно знизити вартість 1 кВт до 100 дол., щоб зробити їх конкурентоспроможними для транспорту. Розробки електрохімічних енергоустановок на основі ПЕ з твердополімерним електролітом активно здійснюють у США, Німеччині, Росії, Японії, Канаді та багатьох інших країнах. Особливо актуальним нині є впровадження паливних елементів на транспорті, який перетворює міста на великі "газові камери". Наприклад, компанія "Даймлер Крайслер" провела успішні дорожні випробовування автомобіля КЕСАК-5 на базі "Мерседеса" класу А з паливними елементами на водні. Електромобіль розрахований на п'ять осіб, максимальна його швидкість - 145 км/год, а викидів в атмосферу майже немає. У цій моделі використано ПЕ, принцип дії якого ґрунтується на реакції окиснення водню на мембранному каталізаторі з утворенням води і генеруванням електричного струму.

Сьогодні технічно і технологічно добре опрацьовані методи газифікації вугілля, а це означає, що ПЕ можливо включити і до ланцюгів виробництва електроенергії з твердого викопного палива. Таким чином, широке впровадження паливних елементів дасть змогу не тільки знизити темпи витрачання запасів газу, нафти і вугілля, а й значно зменшити забруднення довкілля.

Заслуговують на увагу проекти щодо комплексного використання атомної і водневої технологій. Однією з проблем уранового ядерного циклу під впливом повільних, а тим більше швидких, нейтронів є ефективне відбирання тепла, необхідного, крім іншого, для усунення небезпеки некерованого продовження процесу. Атомна технологія має значні недоліки порівняно, наприклад, із гідроенергетикою, не передбачає оперативне регулювання відбирання енергії. Пропозиції щодо використання тепла першого парового контуру для електролізу води і накопичення водню і кисню перед паливним елементом, як і пропозиція використання тепла у першому гелієвому циклі для конверсії метану і накопичення синтез-газу, малоперспективні. Водночас розвиток ідей, що включають справді комплексну технологію, за якою процес конверсії відбувається безпосередньо в активній зоні ядерного реактора, дозволяє сподіватись, що буде вирішене й питання максимально безпечного та ефективного керування процесом.

Отже, водень можна вважати паливом майбутнього. У багатьох країнах світу дослідження з водневої енергетики є пріоритетними напрямами розвитку науки. Вони забезпечуються фінансовою підтримкою і держави, і бізнесових структур. Основною метою розвитку водневих технологій є зниження залежності від традиційних енергоносіїв - нафти, газу і вугілля. Ключовою умовою переходу до водневої енергетики є пошук і створення надійних та економічно доцільних паливних елементів на основі водню.

Зробимо деякі висновки щодо альтернативної енергетики як головного шляху подолання сучасної енергетичної і екологічної кризи. Основною перевагою використання відновних джерел енергії (ВДЕ) є їхня невичерпність та екологічна чистота, що сприяє поліпшенню екологічного стану і не призводить до зміни енергетичного балансу планети. Дослідження, виконані під егідою ООН, демонструють, що частка ВДЕ у світовому балансі споживання первинних енергоресурсів до 2050 р. становитиме близько 50 %.

У 2008 р. відбулося багато подій у сфері альтернативної енергетики. Різкий стрибок нафтових цін наприкінці 2007 - у першій половині 2008 р. змусив розвинуті країни серйозніше поставитися до потреби переорієнтації своїх енергетичних систем на ВДЕ. З іншого боку, кліматологи вказують, що глобальне потепління вимагає подальших досліджень, але вже стало занадто очевидним фактом: другий рік поспіль відкривається Північно-Західний прохід - вільний від льоду морський шлях із Атлантики у Тихий океан вздовж північного узбережжя Канади. Так само очевидним фактом став "внесок" людини у зміни клімату - дослідження показали, що концентрація вуглекислого газу в атмосфері нині сягнула піку за останні 800 тис. років.

З урахуванням цього, звернення до альтернативної енергетики цілком логічне: навіть якщо врахувати, що сьогодні енергія, отримана із цих джерел, у 2-5 разів дорожча від отриманої за допомогою спалювання вуглеводнів, то перспектива мати планету, яка нагрівається нарешті підштовхнула політиків, насамперед у ЄС, до серйозних рішень. На виборах у США взагалі переміг кандидат, який пообіцяв за допомогою об'ємних надходжень у "зелену" економіку ліквідувати безробіття і вивести країну до економічного процвітання.

Журнал Wired (науково-популярний журнал, присвячений новинкам техніки та електроніки, науковим дослідженням, інноваціям тощо), підсумовуючи розвиток "зелених" енергетичних технологій у 2008 p., встановив їх "гарячу" десятку. Перше місце посідає нова технологія виробництва цементу, продемонстрована компанією Calera. Зазвичай виробництво цементу вимагає чималої кількості тепла, одержуваного за допомогою спалювання палива, і призводить до виділення значної кількості вуглекислого газу (приблизно 1 т газу на 1 т цементу). Каталітична технологія, розроблена у Calera, не тільки істотно знижує споживання тепла, а й передбачає використання самого вуглекислого газу як матеріалу для виробництва. Одна тонна нового цементу здатна "поглинути" півтонни вуглекислого газу. З огляду на те, що світові обсяги виробництва цементу обчислюються мільярдами тонн, то впровадження такої нової технології дозволить значно скоротити навантаження на клімат.

На друге місце оглядачі Wired поставили проект Шая Агассі Project Better Place, що передбачає розгортання інфраструктури станцій із заряджання та заміни акумуляторів для електромобілів. Наявна технологія батарей Демшевського не дозволяє їм проїхати більше 100-150 км, тому мережа таких станцій може бути еквівалентом заправних станцій для звичайних автомобілів. Перший такий проект торік почав упроваджуватися в Ізраїлі.

Здається, технологічний прогрес робить "іронічний" поворот назад: на початку XX ст. приблизно третина автомобілів були електричними, а "знищило" їх масове виробництво машин з двигунами внутрішнього згоряння. Відносна дорожнеча електроенергії, вироблюваної сонячними батареями, багато у чому пов'язана з масштабом. Чим більше будуватиметься "сонячних плантацій", тим дешевшим буде виробництво самих сонячних панелей і виробленої ними електрики. У 2008 р. компанія Nanosolar (третє місце у десятці) розпочала виробництво сонячних панелей на пластиковій основі. Перший завод, який одержав півмільярдні інвестиції від венчурних фондів, зможе випускати щороку сонячних панелей загальною потужністю близько 1 ГВт, що цілком порівнянно з потужностями великих ТЕС.

На п'ятому місці - початок будівництва експериментальних електростанцій з урахуванням іншої технології отримання електрики із сонячного світла - термальної. Експериментальні електростанції вже запущені в Ізраїлі та Іспанії і будуються у США. Сьоме місце у десятці займає відкриття хіміком Д. Носерою з Массачусетського технологічного інституту електрокаталітичної реакції, що дозволить різко скоротити вартість розкладання води на водень і кисень. Але це відкриття стосується не стільки сфери водневої енергетики, а ефективного локального зберігання енергії, отриманої з ВДЕ.

На сьогодні Європа є дуже енергозалежною від постачальників енергоносіїв, а світові ринки нафти, газу і вугілля виявляють певну непередбачуваність і незручність для економік країн, залежних від цих ресурсів, що ставить під загрозу їх стабільний розвиток. Тому Євросоюз крок за кроком прагне до більшої незалежності, намагається максимально розвивати "зелену", альтернативну енергетику, тобто упроваджувати програми енергозбереження і використання ВДЕ. Серед стратегічних цілей до 2020 р., зокрема, доведення частки ВДЕ до 20 % усієї споживаної енергії в Євросоюзі. Це усереднений показник для всього ЄС, для кожної окремої країни ця "планка" варіюється. Розрахунок був зроблений так, щоб урахувати потенціал країни, її здатність провести той або інший рівень реструктуризації своєї економіки. Наприклад, для Німеччини передбачена частка у 18 %, для Швеції - 49 %. На сьогодні частка відновної енергетики у європейському енергобалансі становить не більше 5-6 %.

ВДЕ поки не можуть конкурувати з традиційними видами палива через свою високу собівартість. Тому потрібно виводити на ринки нові технології, підтримуючи ситуацію доти, доки ці технології не зможуть самостійно підтримувати себе вже суто ринковими механізмами. Сьогодні на прикладі таких країн, як Німеччина та Іспанія (особливо Німеччина, де уряд заохочує екологічно орієнтовані проекти, створюючи додаткові робочі місця), можна бачити, що ефективне впровадження альтернативної енергетики не лише можливе, а й здатне приносити відчутні результати у недалекому майбутньому. Стандарти енергозбереження повинні враховуватися при зведенні тих або інших будівель.

Є комплекс нормативів щодо теплоізоляції будівель, системи опалювання тощо, які Європа постійно удосконалює.

Останнім часом виробництво біопалива пов'язують з проблемою вирубки тропічних лісів і навіть з продовольчою кризою. Ще 2-3 роки тому біопаливо здавалося ідеальним вирішенням усіх екологічних проблем, проте помітні і його недоліки: для виробництва біопалива в Бразилії та Індонезії вирубують величезні площі унікальних тропічних лісів, що є "легенями" планети. Тобто виробництво біопалива, покликане зменшити парниковий ефект, може цей ефект посилити, оскільки менше лісів перероблятиме вуглекислий газ на кисень. У результаті ситуація може виявитися ще гіршою, ніж якби ми зовсім не використовували біопаливо.

Отже, виробництво біопалива має бути збалансованим і супроводжуватися відновленням рослинних плантацій. Тут мають бути встановлені дуже суворі екологічні стандарти. І якщо біопаливна продукція того або іншого виробника їм не відповідатиме, він стикнеться з європейським ембарго. Звичайно, біопаливо - це зручне рішення для транспортного сектору: 10 % енергетичного балансу транспортної сфери має забезпечуватися за рахунок саме відновлювальних джерел енергії. Тобто передбачено ширше впровадження не лише автомобілів на біопаливі, а й автомобілів на електричних двигунах (так звана зелена електрика).

У Верхній Австрії опалювання будинків повністю забезпечується за рахунок використання біомаси і сонячних променів - там уже два роки не будують будинків з газовим опалюванням. І річ не стільки у потенціалі країни, скільки у здатності уряду виявити належну політичну волю. Наприклад, Греція та Італія, які мають великий потенціал сонячної енергії, не використовують її навіть для нагрівання води, тоді як на Кіпрі майже у всіх будинках вода нагрівається від енергії Сонця, адже влада Кіпру свого часу наполягла на такому рішенні і тепер економить величезні кошти.

Водночас з-поміж усіх ВДЕ (не враховуючи біопаливо, оскільки воно є відновлювальним ресурсом, а не джерелом енергії) найбільше використовується енергії вітру. По всій Європі встановлені вітряні млини, які забезпечують таку віддачу, що дозволяє їм конкурувати на ринку з традиційними джерелами енергії. Розвиток інших видів ВДЕ також дуже важливий, але поки вони досить високовартісні. Проте, зважаючи на стрімке зростання ціни на традиційні види палива, відновлювані джерела енергії мають високі шанси на поширення.

Ситуацію можна порівняти з ринком комп'ютерних технологій - високий попит і нові наукові досягнення зменшили розміри товарів і знизили їх ціну, сприяючи дедалі активнішому поширенню та інтеграції в наше життя. Нові ефективніші технології сприяють здешевленню альтернативної енергії. Тенденції на ринку енергетики свідчать про зростання конкурентоспроможності альтернативних джерел енергії внаслідок зростання цін на енергії з традиційних джерел (викопне паливо, атомна енергетика). У найближчому майбутньому конкурентоспроможність альтернативних джерел енергії досягне межі, коли вони не потребуватимуть підтримки держав.

Водночас країни, що за допомогою певних інструментів підтримують альтернативну енергетику на своїх ринках, у майбутньому мають шанс досягти високого розвитку економіки, яка стане більш конкурентоспроможною. На жаль, поки не так багато держав це усвідомлюють. Найяскравіший позитивний приклад - Німеччина, де чітко налагоджена система важелів підтримки альтернативної енергетики. Якщо для забезпечення електрикою приватного підприємства побудовано вітряний млин, то його власник зможе продавати надлишки енергії суспільній мережі і отримувати додаткову субсидію за кожен проданий кіловат. Таким чином, підприємства зацікавлені у тому, аби вкладати кошти в альтернативну енергетику. У Німеччині, а також в Іспанії та Швеції, відбувається дуже активне впровадження ВДЕ у промисловості, сільському господарстві, сфері послуг.

Дуже важливим соціальним чинником є створення нових робочих місць. Лише у Німеччині близько 300 тис. робочих місць забезпечені за рахунок виробництва альтернативних видів енергії. Євросоюз замість того, щоб збільшувати імпорт нафти й газу, щороку виділяє кошти на технологічний розвиток економіки та механізми регулювання ринку енергетики, які віддають пріоритет альтернативним джерелам енергії, створюючи тим самим нові робочі місця.

Із 617 млрд кВт/год спожитої у Німеччині у 2008 р. електроенергії 14 % отримано з відновлюваних джерел, насамперед, завдяки використанню енергії води і вітру. Можливість генерувати електроенергію за допомогою вітру зросла, порівняно з 2006 р., утричі. Забезпечення безперебійного енергопостачання - одне з головних завдань в рамках урядових реформ Німеччини, у яких заплановано до 2020 р. довести частку використання ВДЕ у структурі енергоспоживання країни до 25-30 %.

Звичайно, у різних країн є різні потенціали розвитку відновлюваної енергетики, але у тій або іншій формі можливості є у всіх. Якщо країни Середземномор'я мають великі перспективи використання сонячної енергії, то у північніших країн є перевага щодо наявності великих обсягів біомаси. Велика Британія, наприклад, нещодавно стала дуже активно використовувати енергію прибережного вітру, встановлюючи все більше станцій уздовж морського узбережжя. Завжди є багато заходів для будь-якої країни. Немає жодних сумнівів у тому, що майбутнє економік європейських країн - за відновною енергетикою.

Але найближчим часом лідером енергетики стануть ядерні джерела. Запаси урану, якщо порівнювати їх із запасами вугілля, невеликі, але він містить значно більше енергії.

Паралельно з лінією інтенсивного розвитку енергетики розвиватиметься екстенсивна - розосереджені джерела енергії не дуже великої потужності, але з високим ККД, екологічно чисті, зручні в обігу.