Энергетика и промышленность России - избранные материалы.
ВЫПУСК 125.

Не нефтью единой - водородная энергетика как альтернатива нефтегазовой

Энергия - это нефть.

Есть нефть - есть свет и тепло. Нет нефти - нет света и тепла.

Можно, конечно, признать, что где-то по мелочи можно и ветряк использовать, и Солнцем воду разогреть в бассейне. Но если речь идёт о серьёзных энергопотребителях, таких, как мегаполисы с производственными предприятиями, то конкуренцию нефти может составить разве что атом. Но если мы и преодолеем страх перед новыми Чернобылями, то и тогда не найдём альтернативы нефтепродуктам для автомобильных, а тем более самолётных топлив.

Ведь так должен думать образованный человек, не так ли? Особенно если он считает себя холодным прагматиком, признающим абсолютный императив рынка, оспаривать который могут лишь безнадёжные романтики - экологи.

Надеюсь, эта статья поможет взглянуть несколько иначе на эти, казалось бы, прописные истины. Нет, мы не будем нарушать законы сохранения, даже не будем рассказывать о неких неведомых ранее находках в физике или химии. Напротив, мы напомним Вам то, что Вам рассказывали давным-давно.

Около 90% мирового производства энергии приходится на ископаемое топливо. При том, что от Солнца земная поверхность получает почти в 100 раз больше энергии, чем её вырабатывает всё человечество.

Чем же тогда объяснить столь скромную (менее 10%) долю Солнца в мировом производстве энергии?

В первую очередь неравномерностью солнечной энергии и особенно её производных (энергии ветра, гидроэнергии, энергии морских волн) во времени и в пространстве. Есть ветер - наш ветряк даёт энергию, ураган - горят предохранители, нет ветра - жжём лучину. А если в нашей местности почти нет ветров, тогда как?

А нефть выступает как гарант стабильной подачи энергии. Надо только не забывать платить по счетам нефтяных компаний - и будет у Вас свет, тепло и радость.

Потому что нефть - вещество, аккумулировавшее энергию Солнца и способное отдать её. Но не только нефть может быть таким веществом.



Концепция энергоаккумулирующих веществ (ЭАВ)

Используя некий источник энергии (например, Солнце), можно получить вещество, аккумулировавшее эту энергию (с потерями, конечно!) и способное её отдать в ходе химической реакции. Назовём это вещество энергоаккумулирующим (ЭАВ). Нефть можно рассмотреть как одно из ЭАВ: именно применение её в этом качестве сделало её "кровью экономики".

Главный недостаток нефти как ЭАВ: невосполнимость (в тени этого недостатка остаётся опасность нефти, нефтепродуктов и их сжигания для экологии планеты). И рано или поздно (скорей рано) с этим придётся столкнуться. И если не быть готовым к этому, человечество может пережить жесточайшую рецессию за всю свою историю.

Но ведь можно разработать схему, при которой ЭАВ восстанавливается после реакции и может использоваться несколько раз. Для иллюстрации рассмотрим известный со школы опыт по получению водорода (в ходе изложения мы уйдём от натрия в качестве ЭАВ, пример носит иллюстративный характер).
2Na+H2O —> Na2O+H2

Обратите внимание: с помощью ЭАВ (натрий) мы получили горючее, которое можно сжечь с выделением энергии. И заметьте: это смешение можно производить в минимальном количестве непосредственно перед отправкой водорода в карбюратор: то есть не нужно хранить на борту водород в свободном состоянии. Затем ЭАВ (в нашем примере - натрий) можно восстановить из окисла и повторить цикл ещё раз.

Итак, цикл использования ЭАВ состоит из трёх стадий:
1. Восстановление ЭАВ из окисла, используя некоторый источник энергии.
2. Получение с помощью ЭАВ водорода.
3. Использование водорода как топлива.

Как мы уже видим, использование ЭАВ тесно связано с водородной энергетикой.



ЭАВ и водородная энергетика

Отметим преимущества водорода как топлива по сравнению с бензином.



Неисчерпаемость.

В Мировом океане водорода содержится 1,2 x 1013 т, дейтерия - 2 x 1013 т. Суммарная масса водорода составляет 1% общей массы Земли, а число атомов - 16%. Особенно важен здесь тот фактор, что при сгорании водород превращается в воду и полностью возвращается в круговорот природы.

Весовая теплотворная способность водорода (28630 ккал/кг) в 2,8 раза выше по сравнению с бензином. Энергия воспламенения в 15 раз меньше, чем для углеводородного топлива. Максимальная скорость распространения фронта пламени в 8 раз больше по сравнению с углеводородами.

Излучение пламени в 10 раз меньше по сравнению с пламенем углеводородов.



Экологичность.

При использовании водорода как топлива исключается возможность усиления парникового эффекта, не выделяются вредные вещества (автомобильный двигатель выбрасывает 45 токсичных веществ, в том числе и канцерогены), нет опасности образования застойных зон водорода: он легко улетучивается.

Отметим и отрицательные качества водорода. Это низкие плотность и объемная теплотворная способность, более широкие пределы взрываемости и более высокая температура воспламенения по сравнению с углеводородами. Применение концепции энергоаккумулирующих веществ позволит снизить негативное влияние этих недостатков водорода как топлива, которые заметно перекрываются его достоинствами.

Водород вообще можно считать универсальным топливом, поскольку он обладает абсолютной экологической чистотой, может заменить бензин, дизельное топливо и мазут в тепловых двигателях (автомобильных, тракторных, комбайновых, локомотивных, судовых, вспомогательных и др.), пригоден для всех видов тепловых двигателей: поршневых с воспламенением от искры и сжатия, поршнетурбинных, во всех типах турбоустановок, двигателя Стирлинга, двигателей прямой реакции, для бытовых целей.

Работы по развитию водородной энергетики особенно активно развивались в СССР и США.

Так, в 1972 году в США на испытательном полигоне фирмы "Дженерал моторс" проводились соревнования городских транспортных средств, в которых участвовало 63 автомобиля с различными системами двигателей, в том числе на аккумуляторных батареях, аммиаке-пропане и два автомобиля на водороде. Последние заняли первое и второе места. Лучшие результаты показал конвертируемый на водород автомобиль фирмы "Фольксваген", в котором отработавшие газы были чище засасываемого в двигатель городского воздуха.

При использовании водорода для бытовых нужд в значительных масштабах энергетические затраты будут меньше стоимости используемого для этих целей электричества. Известно, что доля энергозатрат на бытовые нужды составляет около 20%. При этом необходимо учитывать, что бытовые котельные, камины, печи и плиты, использующие органические топлива, являются одним из основных источников загрязнения воздуха в жилых районах. Перевод их на водород позволит исключить это загрязнение. Поэтому, учитывая также возможность истощения источников природного газа, газовые компании США в большом объёме ведут исследования по его замене водородом. В Институте газовой технологии США разрабатывается "дом на водороде". Обогрев его осуществляется холоднопламенным каталитическим сжиганием водорода на декоративных панелях, а приготовление пищи - водородом на газовых плитах.



Исследования в области применения ЭАВ и водородной энергетики в СССР

Как и почти все серьёзные исследования, подобные исследования проводились в рамках военных программ. В самом деле: в случае конфликта с США СССР был весьма уязвим в плане энергоснабжения: все источники энергии далеко на востоке, почти вся армия, большая часть промышленности и административный аппарат - европейский и уральский регионы. Источники и потребители энергии связывали длинные, тонкие и немногочисленные нити нефтепроводов, перерезать которые для ВВС США удручающе легко.

Бог миловал: угроза военного конфликта с США потеряла реальные очертания. Но энергетические проблемы, подчас весьма жестокие (Приморье), возникли и без участия внешнего врага (увы!). Так что эти исследования как никогда актуальны для современной России.

У истоков этих исследований стоял профессор Илья Львович Варшавский (учеником которого автор имел честь быть в 1994-1997 гг.), известный в первую очередь благодаря циклу Варшавского-Чудакова. И именно он и предложил концепцию энергоаккмулирующих веществ.

При этом его идеи воплощались не только в статьях и отчётах. Так, в конце семидесятых годов коллективом отдела тепловых двигателей Института проблем машиностроения АН УССР под руководством И. Л. Варшавского совместно с В. А. Байковым и В. П. Журманом проведена конвертация автомобиля "Москвич-412" для работы на бензине, водороде и бензоводородной смеси. Водородное топливо вырабатывалось в реакторах периодического действия с порционной загрузкой ЭАВ на основе кремния или алюминия и регулируемой подачей воды. Были проведены дорожные испытания автомобиля, определены динамические качества автомобиля, максимальная скорость, топливная экономичность, эксплуатационные характеристики и токсичность отработанных газов.

В это же время был конвертирован для работы с добавками водорода, хранимого в гидридах, автомобиль ВАЗ-2101. Испытания показали, что применение водорода в качестве дополнительного горючего решает проблему снижения токсичности ОГ автомобиля (окись углерода отсутствует полностью, количество углеводородов и окислов азота не превышает перспективные допустимые нормы). Наряду со снижением токсичности добавки водорода снижают расход бензина примерно на 40% и повышают топливную экономичность двигателя на 10-15%. Добавки водорода расширяют концентрационные пределы воспламенения, повышают скорость горения бедных смесей.

Завершением работы над автомобилями, использующими бензоводородные смеси, стала эксплуатация в Харькове серийных таксомоторов "Волга", снабжённых гидридными баками для хранения водорода.

Как уже отмечалось, перспективным и опробованным ЭАВ является кремний. Использование его в этом качестве упрощённо можно описать следующими тремя реакциями:

1. Восстановление кремния из окисла. Возможны две реакции:

Восстановление кремния углеродом:
Q + C + SiO2 —> Si + CO2
Разложение окисла:
Q + SiO2 —> Si + О2

2. Si + 2H2O —> SiO2 + 2H2
+ Q - получение водорода (используются катализаторы)

3. 2H2 + O2 —> 2H2O + Q - сжигание водорода

Осуществление второй реакции требует особых катализаторов и особых режимов (сочетания температуры и давления). Поэтому эта реакция протекает в специальном реакторе.

Рассмотрим, как может работать эта схема, в чём её преимущество перед использованием нефти.

SiO2 - это песок. Производство кремния (первая реакция) можно вести везде, где есть песок и некий источник энергии. Идеальным случаем является пустыня - песка и солнца там хватает, при этом пустыни практически не используются в хозяйственной деятельности, никому не помешаем. Работать станция по восстановлению кремния из песка может в автоматическом режиме.

Обратите также внимание на реакцию восстановления кремния углеродом: она может применяться для использования низкокачественных углей, сжигание которых нецелесообразно (например, углей Московского угольного бассейна).

Кремний не требует каких-то особых условий хранения и перевозки: взрывопожаробезопасен, нерастворим в воде. Может храниться под открытым небом. В реакторе он, окисляясь снова до песка, восстанавливает водород из воды, после чего используется водород как топливо.

Так каракумский летний зной может согреть зимой Норильск и другие города.

Разумеется, это далеко не единственная схема использования ЭАВ. Так как в рамках обзорной статьи невозможно рассмотреть все схемы использования ЭАВ.

Мы же остановимся на весьма интересной и многообещающей, привлекшей внимание исследователей в последние годы.



Сероводород Черного моря

Энергетически неблагополучные местности (Грузия, Крым) стоят на берегу колоссального склада сероводорода (около миллиарда тонн). Сероводород - это готовое ЭАВ:
H2S+ Q —> H2+ S
2H2 + O2 —> 2H2O+ 14Q

Обратите внимание: при разложении сероводорода и последующем сжигании водорода получается 14-кратный энергетический выигрыш. Остаётся лишь извлечь сероводород из глубинных слоёв моря (начиная примерно с 80-метровой глубины). Это поначалу смущает, так как невольно вспоминается: "Ксанф, выпей море!".

Одна из научных разработок исходит из того, что для подъёма насыщенных сероводородом глубинных слоёв моря вовсе не надо затрачивать энергию на её перекачку. Наоборот, создав в море вертикальный канал с жёсткими стенками (опустив на глубину трубу, проще говоря) и один раз подняв по нему воду с глубины (насосом) - мы получим в этом канале газоводяной фонтан за счет разности гидростатического давления воды в море на уровне нижнего среза канала и давления газоводяной смеси на том же уровне внутри канала (напомним, что каждые 10 метров давление в море повышается на одну атмосферу).

Уместно предложить аналогию с бутылкой шампанского. Открывая бутылку, мы понижаем давление в ней, из-за чего газ начинает выделяться в виде пузырьков, причём настолько интенсивно, что пузырьки, всплывая, толкают перед собой шампанское. Откачивание первый раз столба воды из трубы - это как раз и будет открывание пробки.

Группой ученых под руководством А. И. Максименко и А. Таранца на базе Херсонского судостроительного завода проведен наземный эксперимент, подтверждающий работу такого фонтана, пока не кончится сероводород в море. Готовится натурный морской эксперимент.

Кстати, это и ответ на вопрос: как решить проблему повышения уровня сероводорода в Черном море.



Исторический шанс

Всё вышеописанное пока нигде не воплотилось в работающие технологии в составе ТЭК страны. И в этом - исторический шанс России: занять достойное место в мировом разделении труда. Не следует путать прагматизм с упадничеством. Не следует считать просвещённым мнение, что удел России - быть сырьевым придатком развитых стран.

В то же время приходится признать, что промышленность развитых стран ушла недосягаемо далеко в ряде областей машиностроения и энергомашиностроения. И мы вынуждены констатировать, что российские автомобили могут конкурировать с автомобильной промышленностью Запада только по цене, но даже это удаётся только на внутреннем рынке за счёт таможенных сборов и расходов на доставку для зарубежных производителей. Трезвомыслящий инвестор не вложит ни рубля в строительство нового автозавода по производству российских марок автомобилей. А уповать на помощь государства автомобилестроению страны - это тушить пожар бензином (наиболее наглядно это демонстрирует судьба АЗЛК).

А есть ли мотивы вкладывать деньги в развитие российской водородной энергетики? Давайте пока забудем скандал с "Юкосом" - будем исходить только из экономических соображений (иначе мы вообще никаких инвестиций в Россию не сможем обсуждать).

Новизна предприятия очевидна. Значит, есть шанс стать технологическим лидером, "законодателем мод" водородной энергетики.

Неразвитость (доходящую до полного отсутствия) инфраструктуры традиционного энергоснабжения промышленности, транспорта и быта делает процесс ломки старых технологий практически безболезненным. Наличие огромных территорий, не освоенных хозяйственной деятельностью, дает возможность масштабного строительства новых энергетических объектов. Наличие в России уникальных разработок в области водородной энергетики, не нашедших применения из-за нехватки в российском бюджете средств.

Но, конечно, одних усилий "частников" не будет достаточно: нужна государственная программа развития водородной энергетики. И начать, на мой взгляд, следует с моральной реабилитации российской науки. Это самое важное. Целое десятилетие общественное мнение России беспощадно к учёным. Которых противопоставили "деловым людям". Вложение средств в науку и по форме, и по объёму ближе к подаянию, чем к финансированию. Поэтому учёный воспринимается общественным мнением скорее как юродивый, нежели как гарант будущего страны. Эдакий неудачник, мученик идеи...

Это единственное, что заставляет меня сомневаться в успехе водородной энергетики в России. Удастся ли уговорить бывших учёных, а ныне директоров баров, столовых, салонов сотовой связи вновь вернуться к научной работе?

Юрий МАКСИМЕНКО, кандидат философских наук, инженер-конструктор

В 126 выпуске читайте: Обзор российского рынка щитовых электроизмерительных приборов