Чому саме водень?

Керівники найбільших нафтових компаній, таких як Shell та Brtish Petroleum, а також найбільших підприємств виробників авто, таких як General Motors, Honda, Toyota, Daimler-Chrysler погоджуються у тому, що людство поступово переходить до нової ери - ери водневої енергетики. Яка вона? Це напрям вироблення та споживання енергії людиною, який базується на використанні водню у якості засобу для акумулювання, транспортування та вживання енергії населенням, транспортом та різними виробничими напрямками.

Водневе авто на паливних елементах

Водневий Мерседес на паливних елементах у Лондоні.

Основи водневої енергетики

1. Використання водню як палива позитивно вплине на енергетичну безпеку, екологію та економічне зростання.

А. Водень допоможе поліпшити енергетичну безпеку (тобто незалежність від країн-постачальників), тому що його можна отримувати із багатьох первинних джерел енергії, зокрема і відновлюваних. Таким чином, водень може стати повноцінною альтернативою нафті.

Докази:

Водень можна отримувати використовуючи найрізноманітніші природні ресурси: газ, вугілля, органічні відходи, біопаливо, відходи сільського господарства
- основна частина водню, що виробляється промисловістю, добувається з природного газу, але передбачається збільшення ролі інших джерел.
Для отримання водню можна використовувати різноманітні джерела енергії: викопні копалини, ядерну енергію та відновлювані технології, такі як сонячна, вітрова, гідро-, біо-, та геотермальна енергії
- Завдячуючи такому різноманіттю ресурсів та технологій, водень можна буде виробляти у всіх регіонах країни та у цілому світі.
Сьогодні із понад 50 млн тонн водню, що виробляється, половина отримується шляхом конверсії водяної пари із природним газом (48%). Також водень добувають із нафти (30%), вугілля (18%) та води (4%). Джерело: National Academy of Engineering, “The Hydrogen Economy: Opportunities, Costs, Barriers, and R&D Needs”(2004), Fig 7-1; Air Products ( 2003)
За прогнозами, технології, що розвиваються дозволять у майбутньому значно знизити ціну на водень до рівня $1.25-$4.25/кг (Сучастні авто на паливних елементах використовують 1 кг водню на 100 км). Ціни наведені без урахування податків. Джерело: National Academy of Engineering, “The Hydrogen Economy: Opportunities, Costs, Barriers, and R&D Needs”(2004), Fig. 5-3

Додаткова інформація (англійською):

www.hydrogen.energy.gov/production.html
www.nrel.gov/learning/eds_hydrogen.html
www.hydrogenassociation.org (production fact sheets)
http://www.nap.edu/books/0309091632/html/

Перекладено з "Ключові водневі факти", Національної Водневої Асоціації США (Key Hydrogen Messages by the National Hydrogen Association)

B. Розвиток водневої енергетики сприяє захисту навколишнього середовища. Технологія виробництва та його використання зберігають чистоту повітря та зменшують викиди парникових газів.

Докази:

• Викиди в атмосферу при виробництві водню залежать лише від вихідного ресурсу та технології, що використовується.

• Зокрема, при електролізі води з використанням відновлювальних джерел енергії (сонячної, вітряної, гідро та геотермальної) отримується водень без забруднення повітря завдяки відсутності викидів парникових газів.

- На даний момент ці методи виробництва водню не створюють конкуренції більш дешевим технологіям, проте розробки, що ведуться, можуть зменшити їх вартість.

• Водень можна отримати практично з нульовим рівнем забруднення повітря із природнього газу, вугілля або інших природних копалин, відділяючи діоксид вуглецю прямо у місцях водневого виробництва..

- Потенційно небезпечні вуглецевмісні речовини відділяються від водню і захороняються у землі. Їх стійкість і поведінка з часом вивчаються, проте попередні дослідження показали позитивні результати.

• Викиди діоксиду вуглецю присутні лише, коли водень добувають із природного газу або за допомогою енергії ТЕС на твердому паливі.

- Локальне уловлювання діоксиду вуглецю у цехах по виробництву водню набагато легше, ніж у кожному із 600 мільйонів автомобілів у світі.

• Викид діоксиду вуглецю в атмосферу при виготовленні водню із біомаси можна знизити до нуля в залежності від типу енергії, яка використовується для живлення устаткування.

• Коли водень використовують у якості енергетичного носія у паливних елементах для виробництва електрики для комунальних цілей або в автомобілях, то при цьому відсутнє забруднення атмосфери.

- Такі механізми із нульовим викидом в атмосферу можуть бути дуже цінними для зниження рівня ризику здоров'я у місцях з підвищеним рівнем забруднення повітря.

• При використанні водню у якості пального у системах згоряння, зокрема у ДВЗ, водень спалюється з мінімальними викидами.

- Ультра низькі викиди оксидів азоту і близькі до нуля викиди леткої органіки і монооксиду вуглеця.

• Як показали промислові та державні дослідження дії водню як палива для дорожнього транспорту та впливу на навколишнє середовище (“well-to-wheel analysis”), викиди діоксиду вуглецю в атмосферу значно нижчі для водню порівняно з переробкою нафти у бензин з подальшим використанням у ДВЗ або електричних гібридах.

Джерело: National Research Council 2004

С. Виробництво водню може вносити вклад в економічний ріст, забезпечуючи нові робочі місця, приваблюючи інвестиції і створюючи постійне стабільне джерело енергії.

Докази:

• Водень являє собою загальний елемент на ринку технологій, який охоплює багато основних секторів економіки (бізнес, енергозберігання, портативна електроніка, транспортний сектор та ін.)

- Мережеве та автономне енергоживлення: створення мережі для будівель, автономне живлення, електрика для парків та окремих місць, телекомунікації та ін.

- Портативна електроніка на мікро паливних елементах: комп'ютери, мобільні телефони, прилади відеоспостереження, портативні центри зв'язку, військове обладнання та ін.

- Транспорт: двигуни для невеликих транспортних засобів, пасажирські машини та вантажні автомобілі.

· Водень зможе забезпечити економічний розвиток, як постійне та надійне джерело енергії у світі, де попит на енергоносії постійно зростає.

2. Пристрої, що використовують водень як основне джерело живлення, вже використовуються в промисловості та побуті. В найближчому майбутньому (5-15 років), з розвитком технологій та інфраструктури, споживання водню стрімко зросте.

a. В ключових областях, зокрема в мережевому та автономному електроживленні, портативній електроніці та транспорті, спостерігається поява нових продуктів.

- Мережеве та автономне електроживлення: різноманітні генератори для забезпечення живлення для дому, роботи та в якості резерву.

- Портативна електроніка: комп'ютери, камери в мобільних телефонах, системи відеоспостереження, портативні центри зв'язку, військове устаткування і тд.

- Транспорт: двигуни для невеликих транспортних засобів, пасажирських машин та вантажних автомобілів

Обгрунтування:

• Мережеве та автономне електроживлення: Перші електроустановки на водневих паливних елементах уже введені в експлуатацію і забезпечують безперервне, надійне живлення та опалення різних будівель (шкіл, комерційних будівель, житлових будинків), а також слугують резервним джерелом живлення у екстрених ситуаціях.

Обладнання, що працює від мережі, повинно відповідати встановленим комунальним нормам.

В той же час автономне обладнання може бути встановлене незалежно, у відповідності до потреб споживача.

• Портативна електроніка: Сьогодні багато компаній користуються пристроями, що працюють на мікропаливних елементах (ноутбуки, мобільні телефони, аудіо-відео програвачі). Планується організація поточного виробництва цих приладів на комерційній основі протягом декількох наступних років.

• Транспорт: Кілька сотень водневих машин беруть участь у демонстраційних проектах і мають можливість заправлятися на більш ніж 50 заправках по всьому світу. Автомобілі та навантажувачі, що працюють на водні, являють собою альтернативу їх електричним аналогам у тих випадках, коли використання двигуна внутрішнього згоряння небажано і продуктивність електричних батарей обмежена часовими проміжками між підзарядками.

- Демонстраційні проекти за участю автомобілів, автобусів, таксі та вантажівок разом з відповідними заправними технологіями допомагають розвивати потрібні технології та інфраструктуру, яка зробить користування водневим транспортним засобом зручним, економічним і екологічно чистим.

- Гібридні машини і автомобілі на природному газі вимагають від виробників поліпшення способів доставки електроенергії та газового палива, які також використовуються у водневих транспортних засобах.

b. Технологія виробництва водню з різних ресурсів, в тому числі з відновлюваних, постійно розвивається.

Обгрунтування:

• Воднева інфраструктура вже існує. Потужностей сучасного виробництва водню вистачить для забезпечення паливом щонайменше 1 мільйона машин. Джерело: Air Products

• Воднева інфраструктура організовується й розвивається в різних регіонах відповідно до наявних ресурсів.

- Водень можна добувати з різних ресурсів. Будь-який регіон може використовувати для виробництва водню таку комбінацію ресурсів, яка буде економічно та екологічно вигідна.

- В минулому основна частина комерційного водню вироблялася з природного газу. Однак очікується значне збільшення частки інших ресурсів у виробництві водню, наприклад - з води, за допомогою електрики, одержаної з поновлюваних джерел енергії або з атомних електростанцій.

- Сьогодні світове виробництво водню оцінюється в більш ніж 50 мільйонів тонн за рік. Близько 60% використовується для виробництва аміаку для добрив, 23% - для очищення бензину від сірковмісних домішок, 9% - для виробництва метанолу, решта використовується при виробництві металів, у галузі електроніки та космічних досліджень. Джерело: Oakridge National Laboratory, 2003

c. В передових дослідженнях, що стосуються водневих технологій, державна підтримка необхідна, вона також допоможе продемонструвати способи виробництва, розповсюдження та використання водневого палива.

Обгрунтування:

• Федеральне фінансування досліджень та співпраця з промисловими фірмами призвела до зниження вартості комерційного водню, знизила ціни паливних елементів і збільшила термін їх придатності.

• Починаючи з 2003 року, завдяки дослідженням, профінансованим DOE (US Department of Energy, Держдепартамент Енергетики США), термін експлуатації паливних комірок був подвоєний - від 1000 годин до 2000 годин, а вартість виробленої з їхньою допомогою електроенергії була зменшена на 60% - від 275 $ за кіловат у 2002 році до 110 $ сьогодні. Джерело: US Department of Energy

- Для забезпечення конкурентоспроможності на ринку, паливні комірки в автомобілях повинні мати вигідне співвідношення ціни та продуктивності, в порівнянні з існуючими транспортними технологіями.

- Також паливні комірки повинні функіоніровати не менше 5000 годин (тобто не менше 160 000 км) в умовах, що стрімко змінюються, з частими стартами та зупинками.

• Дослідження, що фінансуються DOE , знизили вартість водню, виробленого з природного газу, від 5,00 $ в 2003 до приблизно 3,00 $ у 2005 за кг. Цей проект допоміг також зробити крок вперед у виробництві водню з відновлюваних ресурсів. Джерело: US Department of Energy

- Вартість водню (що включає вартість виробництва та доставки) має бути конкурентоспроможною з традиційними паливами і технологіями.

- Це означає, що вартість кілограма водню не повинна перевищувати 0.5-0.85 $ за літр у бензиновому еквіваленті.

Із статті "Ключові факти про водень, Національна Воднева Асоціація (Key Hydrogen Messages by National Hydrogen Association)