Новый манхэттенский проект

Елена Каторгина
21 октября 2002, 00:00

Экологический и энергетический кризис может сделать развитие водородной энергетики одним из главных приоритетов мировой экономики

Террористическая атака 11 сентября 2001 года на США вскрыла не только геополитические противоречия между Севером и Югом, но и едва ли не самое "слабое место" Севера - зависимость западных экономик от импорта нефти. Помимо всех прочих последствий прошлогодние теракты в США могут стать катализатором радикальной реструктуризации энергетических отраслей развитых стран мира и перехода в конечном итоге к "водородной энергетике", подразумевающей использование водорода и "водородного топлива" как основных энергоносителей с одновременным резким сокращением использования ископаемых углеводородных видов топлива, в первую очередь нефти. Базовым компонентом водородной энергетики должен стать инновационный продукт - химический источник энергии, называемый "топливный элемент".

Глава ФРС США Алан Гринспен, выступая 14 ноября 2001 года в Хьюстоне, обозначил национальные и глобальные проблемы, требующие незамедлительного решения в свете потрясших Америку терактов. В частности, Гринспен заявил, что одной из важнейших задач энергетической политики должна стать разработка механизма обеспечения гарантированной доступности энергии. Это может означать использование полного списка потенциальных источников - "все, от АЭС до топливных элементов". Оценку ситуации с энергобезопасностью США дал и лидер демократов в конгрессе США Ричард Гепхардт. Он подверг критике энергетическую политику, проводимую президентом Бушем, который действует в интересах нефтяных концернов, и заявил, что стране "необходим Манхэттенский проект в области топливных элементов".

Согласно программе демократической партии, которая ставит целью для США добиться энергонезависимости до 2010 года, реализация Манхэттенского проекта в области топливных элементов должна обеспечить нации независимость от иностранной нефти и одновременно стабильный экономический рост. В документе отмечено, что в 2000 году, когда США импортировали 11 млн баррелей нефти в день по цене в среднем 30 долларов за баррель, они израсходовали на эти цели более 120 млрд, "в то время как семьи с низким доходом были вынуждены делать выбор между отоплением своих домов и питанием". По мнению демократов, "такие суммы должны инвестироваться в самой Америке".

Ох уж эта нефть

Из всей получаемой мировой экономикой первичной энергии менее 14% приходится на возобновляемые источники: гидроэнергию, биомассу, ветер и поступающее на землю солнечное излучение, энергию морских приливов, геотермальную энергию. Более 6% - на ядерную энергию. Более 80% мировой потребности в первичной энергии обеспечивают невозобновляемые природные ресурсы - нефть, уголь и газ. В настоящее время на энергетическом рынке доминирует нефть, на ее долю приходится до 40% общего потребления. Три четверти разведанных запасов сырой нефти контролирует Организация стран - экспортеров нефти (ОПЕК). Неравномерное распределение мировых запасов ископаемого топлива по географическим регионам и зависимость от ближневосточной нефти создают постоянную напряженность в экономиках развитых и развивающихся стран.

С другой стороны, в существующих традиционных энергоустановках извлечение энергии из углеводородного топлива сопровождается процессами горения, идущими с большими потерями и загрязняющими атмосферу выбросами. Общее потребление энергии в мире с 1900-го по 2000 год возросло с 21 ЭДж до 320 ЭДж (1 экоджоуль равен количеству тепла, получаемого при сжигании 27 млн кубических метров сырой нефти). Неудивительно, что за последние полвека из-за сжигания нефти и других видов ископаемых энергоресурсов концентрация в атмосфере диоксида углерода увеличилась в 4,5 раза. Таким образом, мировая экономика стоит перед дилеммой: с одной стороны, без энергии нельзя обеспечить материальное благополучие людей, а с другой - сохранение существующих методов производства энергии и темпов роста ее потребления может привести к разрушению окружающей среды и, как следствие, к снижению качества жизни населения.

Топливный элемент

Лучшим топливом для топливных элементов считается водород, но на практике в настоящее время используются и иные виды топлива: природный газ, спирты (метанол, этанол), продукты газификации угля, продукты переработки сточных вод и биомассы. Для обеспечения процесса получения электроэнергии одновременно с топливом на топливный элемент подается окислитель - кислород, как правило, из атмосферного воздуха. В топливных элементах преобразование энергии водорода в другой вид энергии (электрическую) происходит без процессов горения и вредных выбросов, присущих традиционным источникам энергии, использующим углеводородное топливо. Выброс в топливных элементах - обыкновенная вода.

Впервые идея использования топливных элементов в большой энергетике была сформулирована немецким ученым Освальдом в 1894 году. В 30-х годах немецкий исследователь Бауэр создал лабораторный прототип топливного элемента с твердым электролитом для прямого анодного окисления угля. Одновременно разрабатывались кислородно-водородные топливные элементы. Общемировое признание получили результаты исследований советского ученого Оганеса Давтяна. После публикации в 1947 году его монографии "Проблема непосредственного превращения химической энергии топлива в электрическую" страны - технологические лидеры интенсифицировали работы по созданию топливных элементов и энергоустановок на их базе. В 1958 году в Англии Ф. Бэкон создал первую кислородно-водородную установку мощностью 5 кВт. В США с 1955 года К. Кордеш разрабатывал низкотемпературные кислородно-водородные топливные элементы. В них использовались угольные электроды с платиновыми катализаторами. В Германии Э. Юст работал над созданием неплатиновых катализаторов.

В 60-х годах был создан ряд демонстрационных и рекламных образцов топливных элементов. Разработки подобных водородных технологий проводило большинство развитых стран мира, в первую очередь США, Канада, Япония, а также Советский Союз - признанный технологический лидер в этой сфере в 60-70-е годы. В США работы на этом направлении были связаны в основном с космосом. В космических аппаратах "Джемини", "Аполлон", "Шаттл" впервые были применены водородные щелочные топливные элементы (AFC). Однако в конце 60-х годов объем разработок и исследований по топливным элементам в США и Канаде существенно сократился. Новый всплеск интереса к ним был отмечен лишь в 80-е годы. А в 90-е развитые страны интенсифицировали работы по исследованиям, разработкам и созданию стационарных электрических станций большой мощности на базе топливных элементов. Эти исследования сделали экономически приемлемым использование в стационарных, передвижных и портативных энергоустановках водородных топливных элементов.

Водородный бум начинается

Еще в 1996 году в США законом Hydrogen Future Act (Закон о водородном будущем) была принята "всеобъемлющая национальная энергетическая стратегия", разработанная министерством энергетики. Закон устанавливал, что базовыми элементами в разработках технологий водородной энергетики должны быть признаны топливные элементы, а также принимал многолетний план проведения НИОКР, предложенный министерством энергетики. Частью "всеобъемлющей национальной энергетической стратегии" стала "Водородная программа", целью которой является переход экономики США в течение двадцати лет на водород как основной энергоноситель. В частности, должны быть разработаны, созданы и внедрены экономически приемлемые ключевые водородные технологии и продукты: топливные элементы, высокоэффективные технологии хранения водорода, небольшие реформеры (устройства, предназначенные для получения водорода из углеводородов) для распределенных систем производства водорода. Разработка этих технологий потребует поддержки индустриальных лидеров-разработчиков. Консолидация корпораций обеспечит создание отраслевого пула производителей энергетических систем. Увеличение активности в области водородной энергетики откроет рынки для технологий возобновляемой энергетики, таких как ветроэнергетика и солнечная энергетика, для решения проблем аккумуляции энергии.

Министерство энергетики США реализует также программу Vision XXI, направленную на разработку технологий, необходимых для ультрачистых электростанций XXI века и для подготовки перехода на водородную энергетику. Программа предусматривает использование таких видов топлива, как уголь, природный газ, биомасса и муниципальные сточные воды, а также других видов жидкого топлива. В рамках этой программы реализуются проекты создания электростанций на базе топливных элементов, технологий газификации угля, получения высокопрочных материалов, сепарации водорода, теплообмена и других технологий. В настоящее время созданы и устанавливаются электростанции на базе расплавкарбонатных топливных элементов (MCFC) с кпд около 85%, работающие на природном газе. Показатель стоимости одного киловатта установленной мощности этих электростанций оценен в 1200 долларов. К 2010 году предполагается снижение этого показателя до 400 долларов (для энергоустановок на базе дизельных генераторов показатель стоимости киловатта установленной мощности оценен от 800 до 1500 долларов). Островной американский штат Гавайи реализует собственную водородную программу и намеревается в будущем экспортировать водород и водородные энергоносители - стать "тихоокеанским Кувейтом". В 2001 году был принят закон Hydrogen Future Act of 2001, которым были определены объемы финансирования дальнейшего проведения НИОКР и реализации программ в области водородной энергетики - 350 млн долларов в 2002-2006 годах. А за последние пять лет федеральное правительство США потратило на эти цели 165 млн долларов.

Другие страны тоже занимаются строительством "водородного будущего". К примеру, Китай осуществляет интенсивное внедрение водородных топливных элементов, электростанций и энергоустановок на базе топливных элементов в национальные электроэнергетические системы. В ближайшие три года КНР намеревается инвестировать в водородные технологии 12 млн долларов. Показателем высокого уровня конкурентоспособности в области водородной энергетики является тот факт, что Китаю принадлежит около 25% от общего количества зарегистрированных в мире патентов в области топливных элементов. Один из проектов связан с применением водородных топливных элементов в автомобилестроении. К 2008 году предполагается вывод на дороги Китая автотранспорта на топливных элементах китайского производства. В Японии, согласно результатам анализа, проведенного Токийским исследовательским институтом системных технологий, продвижение "чистых" энергетических технологий должно вызвать экономический рост и добавить до 2010 года 180 тыс. рабочих мест.

В конце прошлого года Европейская комиссия одобрила план действий и директивы, устанавливающие налоговые льготы для ускорения внедрения и использования альтернативных видов топлива в транспорте. Комиссия определила, что использование топлива, произведенного сельским хозяйством (то есть биотоплива), несет в себе огромный потенциал как на ближайшее время, так и в среднесрочной перспективе. План действий содержит стратегию достижения 20-процентной замены использования углеводородных видов топлива в транспорте к 2020 году. Вице-президент Еврокомиссии Лойола де Паласио отметила, что этот план снизит чрезмерную зависимость отрасли от нефти и внесет вклад в борьбу за чистоту окружающей среды. В конце прошлого года Европейская комиссия выделила 18,5 млн евро на финансирование проекта CUTE компании DaimlerChrysler. Этот проект предусматривает, что к 2003 году на маршруты в девяти городах Европы - Амстердаме, Барселоне, Гамбурге, Лондоне, Люксембурге, Мадриде, Порту, Стокгольме и Штутгарте - будут выведены автобусы на топливных элементах. Проект предусматривает пробную эксплуатацию автобусов на топливных элементах, а также оценку надежности и безопасности функционирования водородной заправочной инфраструктуры в городских условиях.

Такие страны Европы, как Норвегия, Италия, Франция, Швейцария, Великобритания, Германия, реализуют ряд национальных проектов в области водородной энергетики. Ожидается, что к 2010 году около 10% всех новых автомобилей на дорогах Великобритании будут работать на топливных элементах. В Германии осуществляется государственная поддержка, в том числе законодательная и финансовая, введения в эксплуатацию электростанций на топливных элементах с целью постепенного сокращения эмиссий диоксида углерода по 23 млн тонн ежегодно до 2010 года. Германия является лидером в "водородном" автомобилестроении и технологиях создания систем водородных заправочных станций, в том числе с применением возобновляемых источников энергии для получения водорода электролизом из воды.

Нефтянке нужен водород

Нефтегазовые транснациональные корпорации (ТНК) не рассматривают водород как угрозу. Напротив, они считают, что он станет частью их "энергетического будущего". Shell, ExxonMobil, Texaco, British Petroleum и другие ТНК активно ведут разработку водородных технологий. ExxonMobil совместно с General Motors и Toyota занимается разработками топливных элементов. Shell и BP создали дочерние компании, деятельность которых полностью сконцентрирована на водородных технологиях. Shell инвестирует в разработки водородных энергетических технологий суммы, сопоставимые с предусмотренным бюджетами США или Японии финансированием государственных водородных программ. Инвестиции Texaco сконцентрированы на технологиях бортового хранения водорода. Shell и Texaco финансируют разработки реформеров - устройств, позволяющих получать водород из бензина на борту автомобиля. Другое направление инвестиций в водородные технологии - получение водорода из бензина на заправочных станциях или переоборудование существующих АЗС под водород и водородное горючее. Подобные АЗС создают BP и Shell.

Практически все крупнейшие мировые автопроизводители пытаются создать коммерчески приемлемые автомобили на топливных элементах. DaimlerChrysler и General Motors разрабатывают топливные элементы и для стационарного применения. General Motors планирует выпускать в ближайшее время водородные топливные элементы для стационарного применения в автономных распределенных источниках энергии. Представители GM считают, что стационарные топливные элементы появятся на рынке в ближайшие пять лет. Дочерняя фирма DaimlerChrysler компания MTU занимается коммерциализацией высокотемпературных топливных элементов, разработанных для стационарного применения. Так, в кампусе университета Bielefeld компания MTU установила электростанцию на высокотемпературных топливных элементах мощностью 250 кВт.

Опаздываем

В СССР научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы в области водородной энергетики велись несколько десятилетий. Мировую известность и признание получили исследования и разработки докторов технических наук профессоров Оганеса Давтяна и Николая Коровина, академика Валерия Легасова, кандидата технических наук Натальи Козловой. Топливные элементы применялись в космическом корабле "Буран".

По имеющейся информации, в настоящее время продолжаются исследовательские и опытно-конструкторские работы по созданию топливных элементов и энергоустановок на их базе в НПО "Энергия", НПО "Рубин", научных центрах Арзамаса, Новосибирска (там над этой темой сейчас активно трудится группа академика Владимира Накорякова) и некоторых других организациях. В институтах Курчатовского центра проводятся исследования электрохимических процессов в области водородной тематики. Однако в значительной степени исследования и разработки в области водородной энергетики были свернуты еще в позднем СССР. Научно-технические заделы, разработанная конструкторская документация переданы в различные структуры и, возможно, утрачены. Многие научные коллективы исследователей и разработчиков, десятилетиями успешно проводивших разработки водородных технологий, распались.

Нам кажется, что сегодня России придется выработать свою государственную программу в области водородной энергетики, реализация которой, возможно, потребует специального государственного стимулирования, корпоративных и частных инвестиций. Необходимы анализ и оценка достигнутого развитыми странами технического уровня в области водородных технологий, оценка существующих и перспективных образцов топливных элементов и энергетических установок на их базе и принятие обоснованного решения о направлении работ в этих областях.

Исландский эксперимент

Исландия в ближайшие тридцать лет намеревается стать первой в мире страной с "водородной" экономикой. Здесь многое определено местной спецификой - энергетические системы страны (без учета нужд транспорта) на 99,9% зависят только от местных энергетических возобновляемых ресурсов - геотермальных и гидроэнергетических. По оценкам экспертов, Исландия использует только 1% геотермального энергетического потенциала страны, что предопределило разработку планов использования геотермальных ресурсов, имеющихся на острове, в качестве первичных энергоносителей при производстве водорода (путем электролиза воды). Транспорт также планируется перевести на водород. В настоящее время импорт нефти составляет около 850 тыс. тонн в год, из них 484,5 тыс. тонн идет на использование в автотранспорте и судах рыболовецкой промышленности - лидере национального экспорта. Консорциум из нескольких исландских учреждений, возглавляемый финансовой группой New Business Venture Fund, объединился с тремя крупными транснациональными корпорациями - Royal Dutch/Shell Group, DaimlerChrysler и Norsk Hydro - для исследования потенциала водорода как экологически чистого заменителя ископаемых видов горючего и возможной замены их водородом по всей стране. В конце 2001 года успешно завершена реализация одной из ближайших конкретных задач - выведение на городские маршруты муниципальных автобусов на топливных элементах.

Развитые страны осуществляют разработку ряда видов топливных элементов. В настоящее время в основном применяется шесть видов:

AFC - щелочной топливный элемент (Alkaline fuel cell);
PAFC - фосфорнокислый топливный элемент (Phosphoric Acid fuel cell);
PEFC, или PEMFC - твердополимерный топливный элемент, или топливный элемент на протоннообменной мембране (Polymer Electrolyte fuel cell, или Proton Exchange Membrane fuel cell);
DAFC, или DMFC - прямой алкогольный топливный элемент, или прямой метанольный топливный элемент (Direct Alcohol fuel cell, или Direct Methanol fuel cell);
MCFC - расплавкарбонатный топливный элемент (Molten Carbonate fuel cell;
SOFC - твердооксидный топливный элемент (Solid Oxide fuel cell)