Водородная энергетика

Этот текст рассказывает об основах водородной энергетики и ее преимуществах и недостатках перед другими технологиями в альтернативной энергетике. Текст иллюстрирован и подкреплен множественным ссылками на статьи о водородных технологиях.

Перед вами фотография водородных автомобилей крупнейших автопроизводителей мира. Тот факт, что все они выпустили свои водородные автомобили, говорит о перспективности данных технологий. Две марки автомобилей (Хюндай и Тойота) предлагают коммерчески доступные водородные авто, другие производители обещают выйти на рынок со своими моделями в ближайшее время. Любой желающий может приобрести данные машины, которые прошли все тесты и соответствуют всем стандартам качества и безопасности.

hydrogen carsИз этой статьи вы узнаете почему за будущее за водородными технологиями и где ошибаются скептики в своей критике.

Водород может использоваться не только как топливо для автомобилей, но для любых устройств, требующих энергии. Первые четыре фотографии показывают коммерчески доступные устройства, которые используются сотнями фирм уже сейчас, и которые может приобрести любой желающий.

Hydrogen devicesВодородные автобусы, которых в мире около сотни, являются экологичной заменой традиционному общественному транспорту. Их бесшумность особенно привлекательна для городов, где шумовое загрязнение часто превышает допустимые лимиты.
Системы для бесперебойного питания используются для обеспечения электричеством объектов, нуждающихся в нем 24/7. Они уже применяются в больницах, серверных станциях, удаленных антеннах-ретрансляторах и прочих. Например, их использует гигант электронной коммерции eBay.
Водородные погрузчики позволяют экономить средства компаниям, имеющим большие площади складских помещений. Экономия достигается за счет малого времени заправки таких устройств по сравнению с традиционными погрузчиками, работающими на кислотно-свинцовых аккумуляторах. Например, их активно используют компании Walmart, BMW и Coca Cola.
Зарядные устройства для портативной электроники не уступают по качеству традиционным литиевым батареям, а в чем-то их и превосходят. Примером может служить недавняя новость, что компания Apple работает над водородной батарей для айфона, которая сможет обеспечивать его энергией в течении недели.
Тестируются водородные лодки, которые могут самодозаправляться прямо в море за счет накопления солнечной энергии.
Водородный локомотив тестируется Армией США. Кроме его бесшумности и экологичности удивляет тот факт, что он может быть использован как передвижной генератор электроэнергии, например на случай стихийных бедствий. Такой тепловоз сможет доехать до обесточенных регионов своим ходом, и, подключив его к электросети, можно обеспечивать электричеством тысячи домов на протяжении нескольких дней.
Между прочим, таким же свойством обладает водородная Тойота, которая может быть подключена к домашней сети и вырабатывать ток для одного дома на протяжении недели.
Кроме представленных на фото устройств, существуют водородные модели практически любых типов средств передвижения – скутеров, яхтвертолетов и самолетов, тракоторов, мусоровозов, инвалидных колясок и дронов.

Как это все работает?
Водородные машины не используют двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Вместо него в них встроен так называемый топливный элемент. Это электрохимическое устройство, принцип работы которого похож на устройство батарей, с той лишь разницей, что химическое вещество, хранящее энергию, подается извне. По своей сути водородные машины являются разновидностью электромобилей, которые заряжаются водородом.

Fuel cell principle

Водород (красным), поступая в топливный элемент, адсорбируется на мембране, диссоциирует на два протона (зеленым) и два электрона (желтым). Протоны диффундируют сквозь мембрану, соединяясь с обратной ее стороны с кислородом (синим). Электроны же поступают в эклектическую сеть, где их потенциал расходуется на совершение полезной работы. При этом достигается эффективность, которая больше чем в два раза превышает КПД ДВС. Последний ни при каких обстоятельствах не может дать КПД выше 40%. Реальный же КПД ДВС обычно не превышает 10%, все остальное превращается в тепло.
У водородных же машин не только очень высокий КПД, до 80%, но к тому же у них нет холостого хода! Т.е. вы не расходуете топливо в те моменты, когда машина стоит на светофоре или замедляется. Кроме того, водород является самым энергоемким топливом из всех используемых в индустрии – в три раза более энергетичным чем углеводороды. Комбинация всех перечисленных факторов делает его очень экономным. Одного килограмма хватает на 100 км хода легковой машины. Общий запас хода легковых машин достигает 500-800 км, что намного выше любой из электрических авто. Даже больше, заправка водородной машины занимает всего 3-5 минут, что несравнимо быстрее чем электромобили.
Побочным продуктом реакции водорода является чистая вода. Настолько чистая, что ее можно пить. Нужно отметить, что количество производимой воды у водородных машин намного меньше, чем у традиционных дизельных и бензиновых, за счет очень высокой эффективности топливных элементов.
Водород не является опасным топливом. Он не опаснее метана, а по некоторым параметрам является даже более безопасным. Он легче воздуха в 15 раз, поэтому он не накапливается над землей, как взрывоопасные пары углеводородов, не растекается по земле, как жидкие топлива и не смешивается равномерно с воздухом, как метан, моментально улетучиваясь вверх, покидая атмосферу за счет того, что земная гравитация не может его удержать.
Следует также отметить, что водород не является редким ресурсом. Общее мировое производство водорода оценивается в 60 миллиардов тонн в год, что в денежном эквиваленте приблизительно равняется 29 миллиардам евро. Это одно из самых производимых в мире веществ. Водород используется в промышленности для десульфуризации топлива (очистке от серы), производства азотных удобрений и прочих химических веществ.


Каким образом водород интегрируется в энергетическую систему?
На данном графике показана динамика роста альтернативных источников энергии в Украине.

Growth of renewables in Ukraine

Подобные графики характерны для многих европейских стран, которые активно ищут энергетической независимости. В Украине общая генерация электроэнергии из солнечной, ветровой из биомассы пока что находится на уровне 1%, однако скорость их внедрения указывает на то, что эта доля будет стремительно расти и через несколько лет сможет достичь уровня европейских стран, где она уже сейчас достигает 15% в среднем по ЕС и более 50% для отдельных стран.
Критики использования водорода говорят, что нет смысла вкладываться в дорогие устройства для производства и хранения водорода, тогда как можно просто напрямую заряжать электромобили. Но поскольку генерация электроэнергии возобновляемыми источниками сильно неоднородна, очень остро стоит вопрос о запасании излишков электроэнергии. Солнце светит не 24 часа в сутки и ветер дует не равномерно и не каждый день. Как быть, чтобы использовать потенциал возобновляемых источников по максимуму? Здесь на выручку приходит водород, поскольку он является идеальным для хранения излишков энергии, которая в противном случае была бы утеряна.

Energy storage density

Этот график показывает энергоемкость различных типов хранения энергии на единицу массы в зависимости от того как долго можно хранить этот запас. Желтым цветом показаны механические виды, красным электрохимические, синим электрические и сине-зеленым, собственно, водород. Как мы видим, водород является наилучшим решением для долгосрочного хранения энергии. Причем, существуют решения как для хранения водорода в небольших количествах (баллоны), в средних (твердотельные контейнеры до 500 кг) и даже хранение сотен тонн водорода возможно в подземных кавернах, вымытых в солевых домнах. Кроме того, водород может быть примешан к природному газу для поставки его частным потребителям. Опыт Германии показывает, что в существующие газовые сети можно добавлять до 20 % водорода без необходимости модификации сети.
На данный момент водород рассматривается как энергетический вектор. То есть как метод запаса и переноса энергии (как электричество) а не как источник энергии (как ископаемые или возобновляемые источники энергии). Поэтому часто можно услышать критику водородных технологий, что вместо встраивания водорода в энергетическую сеть лучше стараться использовать энергию напрямую. Однако тезис о том, что водород лишь энергетический вектор не совсем верен.
В 2012 году в Мали была открыта первая газовая скважина, которая дает не метан, а практически чистый, 98%-й водород! Который образуется в земной коре натуральным образом. Этот случай не единичен. Высокие концентрации природного водорода находили в скважинах во всех частях света. Однако геологи не придавали этим открытиям большого значения, считая их геологическим курьезом. Однако недавно были открыты геологические формации, которые дегазируют водород на поверхности Земли во внушающих объемах – десятки тысяч кубометров в день! Такие геологические структуры были изучены в России и США, и они просматриваются на всех континентах. В Америке сейчас стартует пилотный проект по добыче природного водорода. 
В этом году ученые из Французского Института Нефти издали книгу о природном водороде, в которой они обсуждают, что возможно природный водород произведет новую революцию в энергетике! Наличие природного водорода полностью меняет видение водородной экономики. Теперь это не только метод запасания излишков энергии, но и самый настоящий ее источник. К тому же он является безуглеродным, неискоаемым и неисчерпаемым, поскольку получается в результате природных процессов глубоко в земной коре.
Приятной новостью является тот факт, что в Украине есть водородные дегазационные структуры с большим потенциалом.
Критики использования водорода говорят, что нет смысла вкладываться в дорогие устройства для производства и хранения водорода, тогда как можно просто напрямую заряжать электромобили. Давайте сравним электромобили и авто на водороде. Первые имеют малый запас хода, долго заряжаются и из-за этих недостатков являются подходящими только для использования в городе. Водородные автомобили имеют большой запас хода, быстро заправляются и ничем не уступают традиционным машинам. Водородные автомобили могут быть любых размеров, начиная от маленьких городских машин, проходя через размер кроссоверов и достигая размеров автобусов и грузовиков. И даже больше: что водородом можно заправить даже локомотив!
Вы можете возразить, что водородные машины негде заправлять. Давайте посмотрим, так ли это.

Europe hydrogen refueling stations

Данная карта показывает водородные заправочные станции в Европе. Зеленым отмечены работающие проекты, желтым запланированные и серым те демонстрационные проекты, которые уже выполнили свою роль. Пока что количество водородных заправок небольшое, однако ниже показано, как быстро меняется ситуация.

На этом изображении перечислены активные водородные проекты в мире.

World hydrogen projectsПроект UK H2 Mobility в Великобритании работает, чтобы построить 65 водородных заправочных станций для 10000 водородных авто к 2020 году. Франция к тому же сроку запланировала иметь 1500 водородных машин и 15 заправочных станций. Калифорния рассчитывает через несколько лет увидеть на своих дорогах 5000 машин, Южная Корея 50 000, а Япония до миллиона! Кроме этого, активно работают Европейские программы для создания инфраструктуры для водородных технологий.

Какова же ситуация в Украине? Все намного лучше, чем вы могли думать. Национальная Академия Наук с 2009 по 2015 года вела целевую программу исследований. В ней принимали участие более 20 НИИ и Университетов, 200 ученых из которых работали над 60 проектами. Это очень солидная научная база. Научные разработки идут по всем направлениям водородной энергетики – генерации водорода, его хранения и использования в топливных элементах.
В 2009 году активистами, которые уверены в перспективности водородных технологий, было создано Объединение Водородная Энергетика. Целью было информирование населения об этих удивительных достижениях прогресса. Поскольку, к сожалению, часто познания граждан о водороде заканчивались на упоминании о взрыве водородного дирижабля. Справедливости ради нужно отметить, пламя было вызвано не водородом, а алюминиевым порошком, и, несмотря на то, что дирижабль был заполнен водородом, взрыва не произошло. Водород, будучи самым легким в мире газом (в 15 раз легче воздуха) устремился вверх, где и превратился в пламя без взрыва. В этой катастрофе не было ни одного погибшего от водорода. Все пострадали либо от пламени дизельного топлива либо выпрыгнув от страха на землю. Тот факт, что люди до сих пор помнят катастрофу Гинденбург, случившуюся в 37 году, объясняется тем, что фотография дирижабля в момент взрыва была растиражирована одной из самым популярных рок-групп Led Zeppelin на обложках всех своих альбомов.
Эту историю, а также много других полезных и интересных статей о водороде мы опубликовали на своем сайте UAHE.net.ua. На данный момент мы являемся единственным ресурсом, который регулярно публикует новости и статьи о водороде на украинском и русском языках. Мы приглашаем вас заглядывать к нам на сайт а также подписаться на наш твиттер аккаунт.
Какие перспективы ждут Украину? Катализатором процесса интеграции водородных технологий служит соглашение об Ассоциации с ЕС, которое стимулирует синхронизацию норм и приоритетов в энергетическом секторе. Также, подписанное в этом году соглашение о партнерстве в рамочной программе Горизонт-2020 открыло доступ всем украинским фирмам и НИИ к участию в европейских программах финансирования исследований и программ внедрения новых технологий.
Тем не менее, для развития водородных технологий необходима поддержка государства. Такая поддержка оказывается правительствами всех европейских стран, и Украина не должна быть исключением.
Если этот текст читают представители министерств, мы обращаемся к вам. Нам бы очень хотелось чтобы при одном из министерств (Энергетики или Экологии или Инфраструктуры) была организована рабочая группа для анализа готовности законодательства для внедрения водородных технологий. Вы прекрасно знаете, что вопрос энергетической независимости страны актуален как никогда раньше. Создание такой рабочей группы позволило бы проанализировать существующую ситуацию со стандартами, лицензированием и сертифицированием для нормализации их со стандартами ЕС. Такая работа ускорила бы приход водородных технологий в Украину. Все, что требуется, это синхронизировать нормы с нормами ЕС.
Водород следовало бы классифицировать как альтернативный источник энергии наравне с другими альтернативными источниками, чтобы на него распространялись квоты и субсидии. Например, недавно был принят закон, освобождающие электромобили от налогов на импорт. Водородные машины фактически являются видом электромобилей, на них тоже этот закон тоже должен распространяться.
В Европе действует программа развития транспортных коридоров, на которую выделяются миллиарды евро. Водород входит в эту программу. Целью является строительство первичной сети водородных заправочных станций для того, чтобы любой житель ЕС мог свободно передвигаться на своей водородной машине. Как видите, некоторые коридоры направляются на территорию Украины.

EU transport corridorsВ 2015 году Польша объявила о начале строительства трех водородных заправок, расположенных на данных транспортных коридорах. Теперь очередь за Украиной. Мы надеемся, что очень скоро любой из нас сможет сесть за руль своего водородного авто. 

Вячеслав Згонник

Comments:

blog comments powered by Disqus