Цей текст розповідає про основи водневої енергетики та її переваги та недоліки перед іншими технологіями в альтернативній енергетиці. Текст ілюстрований і підкріплений багатьма посиланнями на статті про водневі технології.
Перед вами фотографія водневих автомобілів від найбільших автовиробників світу. Той факт, що всі вони випустили свої водневі авто, говорить про перспективність даних технологій. Дві марки автомобілів (Хюндай і Тойота) пропонують комерційно доступні водневі авто, інші виробники обіцяють вийти на ринок зі своїми моделями найближчим часом. Будь-який бажаючий може придбати дані машини, які пройшли всі тести і відповідають всім стандартам якості та безпеки.
З цієї статті ви дізнаєтеся чому майбутнє за водневими технологіями і де помиляються скептики у своїй критиці.
Водень може використовуватися не тільки як паливо для автомобілів, але для будь-яких пристроїв, що використовують енергію. Перші чотири фотографії показують комерційно доступні пристрої, які використовуються сотнями фірм вже зараз, і які може придбати будь-який бажаючий.
Водневі автобуси, яких станом на 2015 рік у світі було близько сотні, є екологічною заміною традиційному громадському транспорту. Їх безшумність особливо приваблива для міст, де шумове забруднення часто перевищує допустимі ліміти.
Системи для безперебійного живлення використовуються для забезпечення електрикою об'єктів, що потребують її 24/7. Вони вже застосовуються в лікарнях, серверних станціях, віддалених антенах-ретрансляторах та інших. Наприклад, їх використовує гігант електронної комерції eBay.
Водневі автонавантажувачі дозволяють економити кошти компаніям, що мають великі площі складських приміщень. Економія досягається за рахунок малого часу заправки таких пристроїв в порівнянні з традиційними навантажувачами, працюючими на кислотно-свинцевих акумуляторах. Наприклад, їх активно використовують компанії Walmart, BMW і Coca Cola.
Зарядні пристрої для портативної електроніки не поступаються за якістю традиційним літієвим батареям, а в чомусь їх і перевершують. Прикладом може служити нещодавня новина, що компанія Apple працює над водневою батареєю для айфона, яка зможе забезпечувати його енергією протягом тижня.
Тестуються водневі човни, які можуть самозаряджатись прямо в море за рахунок накопичення сонячної енергії.
Водневий локомотив тестується Армією США. Крім його безшумності та екологічності дивує той факт, що він може бути використаний як пересувний генератор електроенергії, наприклад на випадок стихійних лих. Такий тепловоз зможе доїхати до знеструмлених регіонів своїм ходом, і, підключивши його до електромережі, можна забезпечувати електрикою тисячі будинків протягом декількох днів.
Між іншим, таким же властивістю володіє воднева Тойота, яка може бути підключена до домашньої мережі та виробляти струм для одного будинку протягом тижня.
Крім представлених на фото пристроїв, існують водневі моделі практично будь-яких типів засобів пересування - скутерів, гелікоптерів і літаків, тракторів, інвалідних колясок і дронів.
Як це все працює?
Водневі машини не використовують двигун внутрішнього згоряння (ДВЗ). Замість нього в них вбудований так званий паливний елемент (ще відома як паливна комірка). Це електрохімічний пристрій, принцип роботи якого схожий на пристрій батарей, з тією лише різницею, що хімічна речовина, що зберігає енергію, подається ззовні. За своєю суттю водневі машини є різновидом електромобілів, які заряджаються воднем.
Водень (червоним), надходячи в паливний елемент, адсорбується на мембрані, дисоціює на два протони (зеленим) і два електрони (жовтим). Протони дифундують крізь мембрану, з'єднуючись із зворотного її боку з киснем (синім). Електрони ж надходять в еклектичну мережу, де їх потенціал витрачається на здійснення корисної роботи. При цьому досягається ефективність, яка більше ніж у два рази перевищує ККД ДВС. Останній ні за яких обставин не може дати ККД вище 40%. Реальний же ККД ДВС зазвичай не перевищує 10%, все інше перетворюється в тепло.
У водневих же машин не тільки дуже високий ККД, до 80%, але до того ж у них немає холостого ходу! Тобто ви не витрачаєте паливо в ті моменти, коли машина зупинилась на світлофорі або сповільнюється. Крім того, водень є енергоємним паливом з усіх використовуваних в індустрії - в три рази більше енергетичним ніж вуглеводні. Комбінація всіх перерахованих факторів робить його дуже економним. Одного кілограма вистачає на 100 км ходу легкової машини. Загальний запас ходу легкових машин досягає 500-800 км, що набагато вище будь-який з електричних авто. Навіть більше, заправка водневої машини займає всього 3-5 хвилин, що незрівнянно швидше ніж електромобілі.
Побічним продуктом реакції водню є чиста вода. Настільки чиста, що її можна пити. Потрібно відзначити, що кількість виробленої води у водневих машин набагато менше, ніж у традиційних дизельних і бензинових, за рахунок дуже високої ефективності паливних елементів.
Водень не є небезпечним паливом. Він не небезпечніший за метан, а за деякими параметрами є навіть більш безпечним. Він легший за повітря в 15 разів, тому він не накопичується над землею, як вибухонебезпечні пари вуглеводнів, не розтікається по землі, як рідкі палива і не змішується рівномірно з повітрям, як метан, замість того моментально дифундує вгору, покидаючи атмосферу за рахунок того, що земна гравітація не може його утримати.
Слід також зазначити, що водень не є рідкісним ресурсом. Загальна світове виробництво водню оцінюється в 60 млн тон на рік, що в грошовому еквіваленті приблизно дорівнює 29 мільярдам євро. Це одне з найбільш вироблених у світі речовин. Водень використовується в промисловості для десульфуризації палива (очищенню від сірки), виробництва азотних добрив та інших хімічних речовин.
Яким чином водень інтегрується в енергетичну систему?
На даному графіку показана динаміка зростання альтернативних джерел енергії в Україні.
Подібні графіки характерні для багатьох європейських країн, які активно шукають енергетичної незалежності. В Україні загальна генерація електроенергії з сонячної, вітрової з біомаси поки що знаходиться на рівні 1%, проте швидкість їх впровадження вказує на те, що ця частка буде стрімко зростати і через кілька років зможе досягти рівня європейських країн, де вона вже зараз досягає 15% в середньому по ЄС і більше 50% для окремих країн.
Критики використання водню кажуть, що немає сенсу вкладатися в дорогі пристрої для виробництва та зберігання водню, тоді як можна просто напряму заряджати електромобілі. Але оскільки генерація електроенергії поновлюваними джерелами сильно неоднорідна, дуже гостро стоїть питання про запасанні надлишків електроенергії. Сонце світить не 24 години на добу і вітер дме не рівномірно і не кожен день. Як бути, щоб використовувати потенціал відновлюваних джерел по максимуму? Тут на поміч приходить водень, оскільки він є ідеальним для зберігання надлишків енергії, яка в іншому випадку була б загублена.
Цей графік показує енергоємність різних типів зберігання енергії на одиницю маси залежно від того як довго можна зберігати цей запас. Жовтим кольором показані механічні види, червоним електрохімічні, синім електричні та синьо-зеленим, власне, водень. Як ми бачимо, водень є найкращим рішенням для довгострокового зберігання енергії. Причому, існують рішення як для зберігання водню в невеликих кількостях (балони), у середніх (твердотільні контейнери до 500 кг) і навіть зберігання сотень тон водню можливо в підземних кавернах, вимитих у сольових домнах. Крім того, водень може бути змішаний з природним газом для постачання його приватним споживачам. Досвід Німеччини показує, що в існуючі газові мережі можна додавати до 20% водню без необхідності модифікації мережі.
На даний момент водень розглядається як енергетичний вектор. Тобто як метод запасу і перенесення енергії (як електрика) а не як джерело енергії (як викопні або поновлювані джерела енергії). Тому часто можна почути критику водневих технологій, що замість вбудовування водню в енергетичну мережу краще намагатися використовувати енергію безпосередньо. Проте теза про те, що водень лише енергетичний вектор, не зовсім вірний.
У 2012 році в Малі була відкрита перша газова свердловина, яка дає не метан, а практично чистий, 98% -й водень! Який утворюється в земній корі натуральним чином. Цей випадок не поодинокий. Високі концентрації природного водню знаходили в свердловинах у всіх частинах світу. Однак геологи не надавали цим відкриттям великого значення, вважаючи їх геологічним курйозом. Проте нещодавно були відкриті геологічні формації, які дегазують водень на поверхні Землі в великих обсягах - десятки тисяч кубометрів на день! Такі геологічні структури були вивчені в Росії і США, і вони проглядаються на всіх континентах. В Америці зараз стартує пілотний проект з видобутку природного водню.
Цього року вчені з Французького Інституту Нафти видали книгу про природний водень, в якій вони обговорюють, що можливо природний водень зробить нову революцію в енергетиці! Наявність природного водню повністю змінює бачення водневої економіки. Тепер це не тільки метод запасання надлишків енергії, але й справжнє її джерело. До того ж він є безвуглецевим, невикопним і невичерпним, оскільки виходить в результаті природних процесів глибоко в земній корі.
Приємною новиною є той факт, що в Україні є водневі дегазаційні структури з великим потенціалом.
Критики використання водню кажуть, що немає сенсу вкладатися в дорогі пристрої для виробництва та зберігання водню, тоді як можна просто напряму заряджати електромобілі. Давайте порівняємо електромобілі і авто на водні. Перші мають малий запас ходу, довго заряджаються і через цих недоліків є придатними тільки для використання в місті. Водневі автомобілі мають великий запас ходу, швидко заправляються і нічим не поступаються традиційним машинам. Водневі автомобілі можуть бути будь-яких розмірів, починаючи від маленьких міських машин, проходячи через розмір кросоверів і досягаючи розмірів автобусів і вантажівок. І навіть більше: що воднем можна заправити навіть локомотив!
Ви можете заперечити, що водневі машини ніде заправляти. Давайте подивимося, чи так це.
Дана карта показує водневі заправні станції в Європі. Зеленим відзначені працюючі проекти, жовтим заплановані і сірим ті демонстраційні проекти, які вже виконали свою роль. Поки що кількість водневих заправок невелике, однак нижче показано, як швидко змінюється ситуація.
На цьому зображенні перераховані активні водневі проекти у світі.
Проект UK H2 Mobility у Великобританії працює, щоб побудувати 65 водневих заправних станцій для 10000 водневих авто до 2020 року. Франція до того ж терміну запланувала мати 1500 водневих машин і 15 заправних станцій. Каліфорнія розраховує через кілька років побачити на своїх дорогах +5000 машин, Південна Корея 50000, а Японія до мільйона! Крім цього, активно працюють Європейські програми для створення інфраструктури для водневих технологій.
Яка ж ситуація в Україні? Все набагато краще, ніж ви могли думати. Національна Академія Наук з 2009 по 2015-й роки вела цільову програму досліджень. У ній брали участь більше 20 НДІ і Університетів, 200 вчених з яких працювали над 60 проектами. Це дуже солідна наукова база. Наукові розробки йдуть по всіх напрямках водневої енергетики - генерації водню, його зберігання та використання в паливних елементах.
У 2009 році активістами, які впевнені у перспективності водневих технологій, було створено Об'єднання Воднева Енергетика. Метою було інформування населення про ці дивовижні досягнення прогресу. Оскільки, на жаль, часто пізнання громадян про водень закінчувалися на згадці про вибух водневого дирижабля. Справедливості заради тут потрібно відзначити, що полум'я було викликано не воднем, а алюмінієвим порошком, і, незважаючи на те, що дирижабль був заповнений воднем, вибуху не сталося. Водень, будучи найлегшим у світі газом (в 15 разів легше повітря) почав підніматись вгору, де і перетворився на полум'я без вибуху. У цій катастрофі не було жодного загиблого від водню. Всі постраждали або від полум'я дизельного палива або вистрибнувши від страху на землю. Той факт, що люди досі пам'ятають катастрофу Гінденбург, що трапилася в 37 році, пояснюється тим, що фотографія дирижабля в момент вибуху була розтиражована однією з найпопулярніших рок-груп Led Zeppelin на обкладинках всіх своїх альбомів.
Цю історію, а також багато інших корисних і цікавих статей про водні ми опублікували на своєму сайті UAHE.net.ua. На даний момент ми є єдиним ресурсом, який регулярно публікує новини і статті про водні на українській і російській мовах. Ми запрошуємо вас заглядати до нас на сайт а також підписатися на наш твіттер аккаунт.
Які перспективи чекають на Україну? Каталізатором процесу інтеграції водневих технологій слугує угоду про Асоціацію з ЄС, яка стимулює синхронізацію норм і пріоритетів в енергетичному секторі. Також, підписане в цьому році угоду про партнерство в рамковій програмі Горизонт-2020 відкрило доступ всім українським фірмам і НДІ до участі в європейських програмах фінансування досліджень і програм впровадження нових технологій.
Тим не менш, для розвитку водневих технологій необхідна підтримка держави. Така підтримка надається урядами всіх європейських країн, і Україна не повинна бути винятком.
Якщо цей текст читають представники міністерств, ми звертаємося до вас. Нам би дуже хотілося, щоб при одному з міністерств (Енергетики або Екології або Інфраструктури) була організована робоча група для аналізу готовності законодавства для впровадження водневих технологій. Ви добре знаєте, що питання енергетичної незалежності країни зараз актуальне як ніколи раніше. Створення такої робочої групи дозволило б проаналізувати існуючу ситуацію зі стандартами, ліцензуванням і сертифікацією для нормалізації їх зі стандартами ЄС. Така робота прискорила б прихід водневих технологій в Україні. Все, що потрібно, це синхронізувати норми з нормами ЄС.
Водень слід було б класифікувати як альтернативне джерело енергії нарівні з іншими альтернативними джерелами, щоб на нього поширювалися квоти та субсидії. Наприклад, нещодавно був прийнятий закон, що звільняють електромобілі від податків на імпорт. Водневі машини фактично є видом електромобілів, на них теж цей закон теж повинен поширюватися.
В Європі діє програма розвитку транспортних коридорів, на яку виділяються мільярди євро. Водень входить в цю програму. Метою є будівництво первинної мережі водневих заправних станцій для того, щоб будь-який житель ЄС міг вільно пересуватися на своїй водневої машині. Як бачите, деякі коридори направляються на територію України.
У 2015 році Польща оголосила про початок будівництва трьох водневих заправок, розташованих на даних транспортних коридорах. Тепер черга за Україною.
Ми сподіваємося, що дуже скоро кожен з нас зможе сісти за кермо свого водневого авто.
В'ячеслав Згоннік
Comments:
Disqus