Разработок водородной энергетики и их влияние на экономику

Раздел 1.Свойства водорода как горючего и энергоносителя, эффективность водорода.
1.1. Свойства водорода и его эффективность в качестве энергоносителя

В целом значение использования водорода в качестве источника энергии можно свести к пяти пунктам.
Во-первых, при использовании водорода не возникает эмиссии углекислого газа, поэтому весомым доводом служит то, что он является экологически дружественным энергоносителем. Однако следует отметить, что это относится лишь непосредственно к использованию в качестве источника энергии, поскольку в случае, если для получения водорода используется ископаемое топливо, это преимущество ослабляется. Следовательно, в полной мере водород проявляет свою экологическую чистоту в том случае, когда для его выработки используется энергия возобновляемых источников.
Во-вторых, при использовании водорода в топливных элементах, поскольку выработка электроэнергии осуществляется посредством электрохимического процесса, он демонстрирует исключительно высокую эффективность, что служит весомым козырем с точки зрения экономии энергии. Говоря в общем и целом, при выработке электроэнергии обычными способами электроэнергетические компании расходуют впустую приблизительно 60 % энергии. Выработка электроэнергии посредством топливных элементов позволяет существенным образом сократить эти энергетические потери. К тому же, поскольку используемые в жилых домах и крупных зданиях системы со стационарными топливными элементами снабжают не только электроэнергией, но одновременно и теплом, с этой точки зрения их энергосберегающая эффективность также весьма высока.
В-третьих, и автомобили на топливных элементах, и стационарные системы на топливных элементах в случае землетрясений и иных чрезвычайных ситуаций могут быть использованы в качестве резервных источников энергии, сослужив тем самым важную службу для спасения жизней и налаживанию быта людей. Таким образом, распространение топливных элементов способствует повышению возможностей противостоять стихийным бедствиям.
В-четвёртых, водород может быть получен различными способами, и его можно применять не только в качестве источника энергии, но и в качестве средства доставки энергии, поэтому в сочетании с другими источниками энергии это позволяет использовать его как средство, позволяющее компенсировать недостатки каждого из других источников и в то же время максимально использовать их преимущества. В определённом смысле именно этот «потенциал изменения общей структуры энергетики» и является самой привлекательной особенностью использования водорода.


1.2. Водород как один из наиболее перспективных источников энергии
Для преобразования химической энергии водорода в электричество наиболее эффективным считается использование топливных элементов, обладающих КПД не менее 50%. В результате работы водородных топливных элементов помимо электроэнергии производится только тепло и вода (в малых количествах).

Введение
В последние несколько десятилетий становится все более очевидным, что ключевым направлением научно-технологического переворота первой половины XXI века является глобальная энергетическая революция. Один из приоритетов, которой – это переход от ископаемого топлива к водородной энергетике, базирующейся на неисчерпаемом и экологически чистом источнике энергии .
Понятие «водородная экономика» появилось в литературе в середине 70-х годов прошлого века. В это время стало ясно то, о чем и ранее говорили специалисты — запасы органического топлива, и прежде всего дешевого топлива, на Земле ограничены, а темпы их расходования столь велики, что пора задуматься об альтернативных системах энергообеспечения человечества.
...

1.1. Свойства водорода и его эффективность в качестве энергоносителя

В целом значение использования водорода в качестве источника энергии можно свести к пяти пунктам.
Во-первых, при использовании водорода не возникает эмиссии углекислого газа, поэтому весомым доводом служит то, что он является экологически дружественным энергоносителем. Однако следует отметить, что это относится лишь непосредственно к использованию в качестве источника энергии, поскольку в случае, если для получения водорода используется ископаемое топливо, это преимущество ослабляется. Следовательно, в полной мере водород проявляет свою экологическую чистоту в том случае, когда для его выработки используется энергия возобновляемых источников.
Во-вторых, при использовании водорода в топливных элементах, поскольку выработка электроэнергии осуществляется посредством электрохимического процесса, он демонстрирует исключительно высокую эффективность, что служит весомым козырем с точки зрения экономии энергии.
...

1.2. Водород как один из наиболее перспективных источников энергии
Для преобразования химической энергии водорода в электричество наиболее эффективным считается использование топливных элементов, обладающих КПД не менее 50%. В результате работы водородных топливных элементов помимо электроэнергии производится только тепло и вода (в малых количествах). Они не содержат движущихся деталей и абсолютно бесшумны. Наиболее привлекательны элементы с твердым полимерным электролитом (ТПЭ). Областями их использования является автомобильный транспорт (до 70% потенциального рынка), а также системы автономного энергоснабжения (включая элементы питания для портативной техники - мини-компьютеры, фото- и видеокамеры, мобильные телефоны и т.п.).
Уже сегодня большинство автомобильных компаний представили прототипы автомобилей на топливных элементах с ТПЭ и ведут интенсивные разработки в данной области.
...

2.1. Основные сырьевые источники получения водорода

Технический водород получают в промышленности:
• электролизом воды;
• методом глубокого охлаждения газовых смесей, содержащих водород;
• железо-паровым способом;
• из водяного газа путем окисления содержащейся в нем окиси углерода водяным паром в присутствии катализатора;
• в специальных водородных генераторах воздействием серной кислоты на железную стружку и цинк.
На первых порах источником для получения водорода служили кислоты. Так и в наше время в лабораториях часто получают его средневековым способом - действием цинка на серную кислоту. Реакция протекает по уравнению:
Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2
Вместо цинка можно взять железо в виде стружек или алюминий. Водород получается, загрязненный побочными продуктами разложения серной кислоты, и, если это требуется, его приходится очищать.

2.2.
...

2.2. Способы получения и методы очистки водорода
Огромные количества водорода, необходимые современной промышленности, получают сейчас электролизом раствора щелочи и извлекают из промышленных газов - коксовальных печей, газов, получаемых при переработке нефти и др.
При переработке каменного угля на кокс дополнительно получается деготь и коксовый газ. В состав газа входит до 50-60% водорода H2, 20-25% метана СН4, окись углерода СО, азот и др.
Наиболее широко распространенным способом получения водорода является - электролиз дистиллированной воды. В результате чего получают водород, кислород и некоторые примеси.
Единственным исходным сырьем для получения водорода электролитическим методом служит вода. Метод этот основан на том, что через водный раствор щелочи пропускают постоянный электрический ток. При этом вода разлагается, и на отрицательном электроде - катоде выделяется водород, а на положительном электроде - аноде кислород, также являющийся важным промышленным продуктом.

2.3.
...

2.3. Наиболее экономичные и эффективные способы хранения водорода

Cпособ получения и хранения атомарного водорода включает электролиз воды с использованием в электролизной ячейке медного анода и катода из сплава дюральалюминия, периодически активируемого электрическим током, воздействие на полученный водород магнитным полем с амплитудой магнитной индукции в диапазоне от 100 до 120 гаусс и пропускание атомарного водорода через нанодисперсный углерод, содержащий углеродные нанотрубки. Изобретение позволяет увеличить срок хранения атомарного водорода, а также повысить топливную эффективность и экологичность получения и хранения водорода.
Изобретение относится к способам получения водорода и может быть использовано в водородной энергетике для получения, хранения и транспортировки водорода.
...

2.4. Безопасные методы транспортировки водорода
Водород можно также использовать в комбинации с нефтью и природным газом, а также с ветровой и солнечной энергией. Конкретным примером служит проект «водород SPERA», реализацией которого занимается японская фирма Chiyoda Corporation.
Говорят, что слово SPERA на латыни означает «Надейся!» Под данным названием эта компания занимается реализацией замысла, который состоит в следующем. Поблизости от нефтяных и газоносных месторождений, угольных шахт, а также крупномасштабных ветровых ферм (объектов выработки электроэнергии множественными ветряными генераторами) сооружаются заводы, на которых водород связывается толуолом, будучи преобразован в MCH (метилциклогексан — вещество, жидкое при нормальной температуре и атмосферном давлении), который прост в перевозке.
...

3.1. Направления формирования и развития водородной энергетики

Одним из важных точек соприкосновения газовой промышленности является такое направление альтернативной энергетики, как водородная энергетика, основанная на использовании в так называемых топливных элементах в качестве топлива водорода - продукта паровой каталитической конверсии метана, содержание которого в природном газе может составлять 70-99% [10]. Как известно, топливный элемент представляет собой устройство, где вещество (топливо) для электрохимической реакции подается в него извне для превращения химической энергии топлива в электричество.
Интерес газовой промышленности к водородной энергетике обусловлен целым рядом причин. Во-первых, природный газ долгое время будет оставаться основным источником водорода [4]. Во-вторых, наличие развитой инфраструктуры снабжения природным газом позволит создать инфраструктуру производства и снабжения водородом на начальном этапе.
...

3.3. Перспективы развития водородной энергетики в ведущих странах мира
Многие страны мира имеют ограниченные запасы природных энергетических ресурсов: углеводородов (нефти, природного газа, каменного угля), гидроресурсов, ветровой и солнечной энергии. Большое число стран имеют скрытые запасы таких энергоресурсов как нефть, природный газ, каменный уголь, торф или некоторых из них. К числу стран занимающих ведущие позиции по запасам и добыче нефти относятся Объединенные Арабские Эмираты (ОАЭ), Иран, Венесуэла, Саудовская Аравия, Ирак, Кувейт, Ливия, Катар, Бразилия, Китай, Россия, Румыния, Алжир, Нигерия, Казахстан, Украина. В этих странах расчетное интегральное время исчерпания нефти составляет от 22 (Ангола) до 145 лет (Кувейт) [1].

3.4.
...

4.1. Состояние научно-технических разработок в области водородной энергетики

На сегодняшний день приказом Минэнерго России сформированы и действуют следующие тематические группы:
- тематическая группа по энергетическим рынкам и стратегиям;
- тематическая группа по энергоэффективности и инновациям;
- тематическая группа по электроэнергетике;
- тематическая группа по атомной энергетике;
- консультативный совет по газу.
...

4.2. Влияние разработок водородной энергетики на экономику стран

Одним из направлений Программы является развитие использования возобновляемых источников энергии, в том числе на уровне субъектов Российской Федерации. Среди основных задач:
- стимулирование производств электроэнергии с использованием возобновляемых источников;
- предоставление из федерального бюджета субсидий в порядке компенсации стоимости технологического присоединения;
- ежегодное проведение конкурсных отборов инвестиционных проектов, проводимых отдельно для каждой технологии на основе энергии ветра, энергии солнца, энергии вод, в отношении которых будут заключаться договоры о предоставлении мощности;
- проведение оценки технологического и экономического потенциала возобновляемых источников энергии в Российской Федерации для осуществления сбалансированной государственной политики в сфере повышения эффективности использования возобновляемых источников энергии.
...

1. Fulton, L. Transport, Energy and CO2 : Moving Toward Sustainability / L. Fulton // 3rd INTERNATIONAL TAXI FORUM – 9 October 2009. – Р. 25.
2. Cubbin, D. R. The Health Costs of Motor – Vehicle – Related Air Pollution / D. R. Cubbin, M. A. Delucch // J. Transport Economics and Policy. – September 2015. – Vol. 33. – Part 3. – Р. 29.
3. Козлов, М. М. Чем дышит водитель? / М. М. Козлов //Полезные страницы. – 1999. – Вып. 4. – С.212.
4. Regulation (EC) №443/2009 of the European Parliament and of the Council setting emission performance standards for new passenger cars as part of the Community’s integrated approach to reduce CO2 emissions from light-duty vehicles. – 23 April 2009. – Р. 15.
5. Energy Technology Perspectives. Scenarios and Strategies to 2050. – Paris: International Energy Agency. – 2006. – 486 p.
6. Металлогидридные технологии : дайджест / Под ред. В. В. Соловья и Ю. М. Мацевитого. – Харьков: ИПМаш им. Подгорного НАН Украины. – 2009. – 37 с.
7. Крутенев, В. Ф. / Перспективы применения водородного топлива для автомобильных двигателей / В. Ф. Крутенев, В. Ф. Каменев // Конверсия в машиностроении. – 1997. – № 6. – С. 73–79.