Переваги та проблеми водневої енергетики

 

Воднева енергетика розглядається багатьма фахівцями як вихід із очікуваної ситуації дефіциту головних енергоресурсів та глобальних змін клімату. Деякі із них навіть вважають, що воднева енергетика буде основою майбутньої економіки, зробить революцію в енергетичному забезпеченні людства і, навіть, у його свідомості. Водневі технології, за їхньою думкою, дадуть новий імпульс в науці, виробництві, дозволять вирішити очікувані економічні проблеми, зроблять екологічно чистим виробництво енергії.

Така перспектива водневої енергетики визначається декількома різноплановими чинниками, частина яких уже розглядалась в попередніх розділах.

Демографічний чинник – різке зростання потреби в енергії через збільшення чисельності населення в світі та зростання енергоспоживання на душу населення.

Природно-екологічний чинник – ресурси викопних видів палива вичерпуються і не поновлюються, викиди парникових газів все більш негативно впливають на клімат планети.

Економічний чинник – видобування і переробка викопного палива у світі коштує все дорожче, частка праці та інвестицій, що витрачається на утримання енергетичного сектора зростає.

Науково-технічний чинник - у останні роки з'явилися винаходи і технології, які дозволяють одержувати в необхідних масштабах водневе паливо і використовувати паливні елементи. Поки що воднева енергія коштує дорожче за традиційні джерела, але прогнози свідчать, що в перспективі на фоні дорожчання викопного палива вона може досить швидко стати конкурентоспроможною.

Геополітичний чинник – від стабільності постачання викопного палива (нафти і газу) з країн-експортерів, що часто піддається всіляким дестабілізуючим впливам, багато в чому залежить економіка країн-імпортерів цього палива (у тому числі й розвинених). Крім того, джерела і шляхи постачання енергоресурсів є привабливими об'єктами для міжнародних терористів.

Прогнозується, що технології енергозабезпечення на вуглеводневому викопному паливі поступово будуть замінені на технології одержання енергії із відновлюваних джерел (по суті - енергії Сонця та його похідних), ядерної енергії та термоядерної енергії. Але на проміжних етапах, коли ще значна кількість енергії буде одержуватись з викопних джерел, потрібно буде підвищити ефективність їх використання. За думкою фахівців, цьому буде сприяти, в першу чергу, перехід від технології прямого спалювання викопного палива до електрохімічних технологій вивільнення енергії. Для цього викопні палива будуть перетворюватись у синтетичне паливо, яке за допомогою паливних елементів перетвориться в електричну енергію. Найбільш прийнятним синтетичним паливом, на думку багатьох, є водень, тому водневим технологіям приділяється така значна увага. Водень може вироблятись як окремо від місця споживання, так і безпосередньо на об’єкті виробництва електроенергії, де первинним паливом може бути природний газ, синтезований газ (із вугілля, відходів та ін.) або біоетанол.

У першому випадку важливим елементом є інфраструктура для водню (зберігання, транспортування, акумулювання), що поки що є досить важкою проблемою. Очевидно, що у перехідний період, разом із водневими буде розвиватися ціла низка технологій, як використання викопних ресурсів (особливо природного газу, вугілля), так і відновлюваних джерел (енергії Сонця і його похідних), що підвищить ефективність їх споживання і зменшить шкідливий вплив на довкілля. Набудуть нової якості і ядерні технології, енергія яких стане основою централізованих систем енергозабезпечення та буде використовуватись для виробництва водню. Децентралізація енергозабезпечення буде відбуватися за рахунок розширення, використання відновлюваних джерел, де визначну роль буде відігрівати водень, як для вирівнювання режиму енергоспоживання, так і як проміжний енергоносій між енергією АЕС і паливним елементом, де він буде безпосередньо перетворений в електроенергію в потрібний час і у потрібному місці.

Для цього необхідно, щоб стали економічно привабливими, енергетично-ефективними та екологічно прийнятними водневі технології на всьому шляху перетворення: одержання, транспортування, акумулювання, зберігання, кінцеве використання водню.

Необхідно відзначити, що водень є вторинним енергоносієм і в природі зустрічається тільки у виді різних сполук. Але ресурсна база для його одержання є досить широкою. Крім води, з якої водень можна одержати шляхом електролізу з використанням електричної та теплової енергії, до ресурсної бази належать практично всі викопні види палива, різні види біомаси, а також різні відходи виробництва, побутові відходи та ін. (див. рис.3.1).

 

Рис.3.1 Основні джерела одержання водню

 

На даний час найбільш відомі технології одержання водню базуються на хімічному, термотехнічному процесах та електролізі води, але вони мають такі головні недоліки, як використання високо потенційної енергії з витратами викопного палива і відповідно значним забрудненням довкілля. Недоліком електролізу води є значний рівень споживання електроенергії. Електролітичний водень є найбільш доступним, але більш коштовним продуктом.

Виробництво водню електролізом води на основі сучасних технологій оцінюється по витратах від 10 до 20 дол. за ГДж. Аналогічні цифри дають оцінки, отримані для термохімічного виробництва водню з води з використанням енергії високо-температур-ного ядерного реактора (ВТГР), які розробляються в рамках міжнародного проекту побудови ядерного реактора ГТ МГР (Росія, США, Франція), і, як очікується, будуть екологічно безпечними.

Сьогодні найбільш рентабельний спосіб виробляти водень – парова конверсія. У найближчій перспективі водень, одержуваний з води в процесі парової конверсії метану за допомогою енергії ВТГР, може вироблятися при витратах нижче 7 дол./ГДж.

При виробництві водню або суміші водню з іншими газами шляхом парової конверсії природного газу – метану, майже половина початкового обсягу газу витрачається на проведення ендотермічного процесу парової конверсії. У зв’язку з цим у світі ведеться інтенсивний пошук таких технологій одержання водню, які б відповідали вимогам економічної та енергетичної ефективності й екологічної чистоти.

Наприклад, для виробництва водню вигідно використовувати теплову і електричну енергію, що виробляють АЕС в, так званому, провальному режимі, тобто, у нічний час, коли падає рівень звичайного споживання енергії. Перспективним є електроліз води у поєднанні з нетрадиційними поновлюваними джерелами енергії (сонячна, вітрова).

Найчастіше в промисловості при зберіганні й перевезенні великої кількості водню використовуються криогенні системи. Крім виробництва самих криогенних систем зберігання, для розвитку водневої енергетики буде потрібно вирішити складні завдання заправки цих систем і їхньої експлуатації в конкретних умовах промислових енергоустановок.

У гідридних системах зберігання водень утримується у складі інтерметалічних сполук або у вигляді гідридів металів. Витяг його із цих сполук здійснюється шляхом або гідролізу, або термічної дисоціації. У першому випадку процес є одноразовим, у другому - можуть бути створені акумулятори багаторазової дії. Використання гідридних систем зберігання має таку важливу перевагу, як більш м'які вимоги до безпечної експлуатації. Крім того, у металогідриді щільність водню вища, ніж у його рідкому стані. Головний недолік систем цього типу - відносно невисокий вміст водню по масі.

Зробити остаточний вибір на користь тієї або іншої системи зберігання сьогодні неможливо, потрібні додаткові дослідження й експертизи.

Найбільш перспективний напрямок розвитку водневої енергетики - заміна вуглеводневих палив на водень у системах транспорту, насамперед, в автомобілебудуванні (двигуни внутрішнього згорання). Вже близько 20 років водневі енергосистеми використовуються в ракетній техніці в якості розгінних блоків космічних кораблів (американський «Шаттл», російський «Буран»). Для виробництва електроенергії в малопотужних автономних системах енергоспоживання паливні елементи можуть бути перспективними (для живлення мобільних телефонів та ін.).

Іншими областями застосування водню та змішаного газу, що містить водень, можуть бути: хімічна, нафтопереробна, металургійна, харчова промисловість, житлово-комунальний сектор й т. ін. Широке застосування у світі набувають паливні елементи для децентралізованої стаціонарної енергетики.

Потреби в паливних елементах для децентралізованої стаціонарної енергетики (потужністю 250 кВт – 10 МВт) у найближчі 10 років становлять 100 000 МВт. Вартість 1 кВт планується довести з сучасних 3000 – 6000 дол. до 1000 –1500дол. до 2015р. Потреба в паливних елементах для автотранспорту (потужність 25-50 кВт) становить 500 000 шт. на рік. Вартість 1 кВт планується довести із 300-1000 дол. до 100-50 дол. У недалекій перспективі в результаті жорсткості стандартів на викиди, підвищення вартості бензину й зниження вартості паливних елементів очікується зміна кон'юнктури на користь автомобілів і автономних енергоустановок потужністю до 100-300 кВт на базі твердополімерних паливних елементів (ТП ПЕ).

Концепція великомасштабного застосування водню як для одержання електроенергії, так і в інших галузях народного господарства отримала назву водневої економіки. За оцінками Міненерго США, до 2100 р. його виробництво складе 770 – 950 Мт (у 2000 році воно складало 50 Мт). Це призведе до формування великого нового сектору світової економіки на основі широкого застосування паливних елементів.

Водневий паливний елемент - універсальне джерело енергії, що може використовуватися в енергетиці, на транспорті (у т.ч. автомобільному), у побуті. Тому сьогодні найбільша увага дослідників, розроблювачів, промисловості й інвесторів спрямована на паливні елементи. Паливні елементи (електрохімічні генератори - ЕХГ) - тип технологій, які використовують реакцію окислювання водню в мембранному електрохімічному процесі, що виробляє електрику, теплову енергію й воду. Американські й російська космічні програми використовують ЕХГ протягом десятиліть. Паливні елементи (ПЕ) для приводів автомобілів і автобусів успішно розробляються для наступного покоління транспортних засобів, а також для автономних систем енергоспоживання. Твердополімерні ПЕ по технічному рівню перебувають на порозі комерціалізації. Однак їхня висока вартість сьогодні у значній мірі стримує цей процес.

Щодо екологічних переваг водню, то слід зазначити, що паливні елементи є кінцевою ланкою водневого циклу, а чистота попередніх ланок залежить від технології переробки сировини і технологій одержання водню та поводження з ним (перетворення, транспортування та ін.). Ці переваги очевидні, якщо для його одержання використовуються чисті технології, наприклад, енергія вітру, сонця, термальні води та інші відновлювані джерела. Крім того, акумулюючі властивості водню можуть забезпечити рівномірний графік виробництва електроенергії сонячною та вітровою енергетикою при несприятливих для них погодних умовах. Використання паливних елементів на автомобільному транспорті дозволить значно покращити екологію довкілля великих міст, які сьогодні потерпають від локальної концентрації продуктів згорання двигунів автотранспорту.

Технологічний ланцюг водню, який включає видобування (конверсія, електроліз), його перетворення (до стиснутого або зрідженого стану, або закачування у гідриди), транспортування до місця його використання і безпосередньо використання в паливних елементах на кожному етапі потребує енергетичних витрат, від яких залежить загальна енергоефективність. Більш привабливі перспективи в цьому плані має водневий цикл, який базується на використанні енергії нетрадиційних відновлюваних джерел енергії (НВДЕ), але ця енергія поки що є досить дорогою, як і самі водневі технології, включаючи паливні елементи. З часом, коли ці технології набудуть більш широкого розповсюдження і відповідно стануть більш дешевими, вони можуть стати конкурентоспроможними.

Головними проблемними питаннями на цьому шляху є:

- підвищення ККД та покращення екологічних характеристик всього технологічного циклу водневої енергетики (виробництво водню, виробництво комплектуючих частин паливних елементів, перетворення палива в електроенергію);

- зменшення вартості водневого циклу перетворення;

- збільшення ресурсу експлуатації паливних елементів;

- забезпечення безпеки на всіх етапах виробництва, перетворення, зберігання, транспортування та застосування водню.

Поки що на шлях вирішення зазначених проблем стали окремі країни (в першу чергу США) та міжнародні організації.

Дослідження з водневої енергетики розвиваються зі зростаючою активністю. У США, Німеччині, Японії, Канаді створені й експлуатуються дослідні водневі автозаправні станції. Уряди й приватний бізнес розвинених країн активно інвестують у розвиток цього напрямку енергетики. У Японії налагоджується випуск автомобілів, що працюють на водневих паливних елементах. Урядом Ісландії у 2002 р. було оголошено про перевід транспортних наземних систем і рибальського флоту на водневі системи. У цій країні на нових чистих видах енергії, у першу чергу — геотермальній, базується вся енергетика й теплопостачання. Споживання нафтопродуктів залишилося тільки в сфері автотранспорту й рибальства. На основі досвіду експлуатації перших десятків водневих автобусів у Європі в Ісландії на початку 2003 р. компанією Shell введена в експлуатацію перша станція заправки автобусів стислим електролізним воднем.

У 2003 р. президент США Буш висунув “Ініціативу в області водневого палива”, завдання якої складається у прискорені необхідних досліджень і розробок зі створення і демонстрації можливостей нових технологій. Фінансування програми визначено у 1,2 млрд дол. Президентська ініціатива покликана сприяти прийняттю приватним сектором рішень щодо комерціалізації й виводу на ринок технологій водневого палива до 2015 р., отримання відчутних результатів із заміщення нафти, зниження шкідливого впливу на навколишнє середовище. Відповідно до плану Міністерства енергетики, федеральний уряд буде відігравати ключову роль в освоєнні нових технологій у короткостроковій перспективі, поки вони перебувають у стадії розробки й демонстрації на відносно вузьких ринках. У середньостроковій перспективі федеральний уряд візьме на себе функції з ранньої адаптації нових технологій і розробки політики. Це буде сприяти розвитку можливостей промисловості щодо забезпечення поставок на ринок значних об'ємів водневого палива. Роль промисловості в освоєнні нових водневих технологій на більш пізніх етапах почне поступово ставати домінуючою. Основними ключовими орієнтирами, досягнення яких є необхідним для побудови водневої економіки, за оцінками Міністерства енергетики, є:

- створення систем зберігання водню для автомобілів, вага яких не перевищує 9% від загальної ваги, а запаси палива забезпечують пробіг не менш 300 миль без дозаправки;

- виробництво водню із природного газу або рідкого палива за ціною 1,5 дол. за галон у бензиновому еквіваленті;

- створення автомобільних паливних елементів на основі полімерних електролітних мембран, які виробляють енергію за питомою ціною 30-45 дол/кВт і гарантують 5000 годин роботи без додаткового обслуговування;

- створення підприємств з виробництва водню з вугілля без викидів вуглецю за собівартістю 0,80 дол. й ціні поставки 1,8 дол. за галон у бензиновому еквіваленті;

- розробка технології доставки водню за ціною 1 дол. за галон у бензиновому еквіваленті.

Особливе значення мають також досвід і плани Європейського Союзу щодо розвитку водневої енергетики. Перспективи водневої енергетики привернули увагу ЄС ще в 1988 році, коли на проведення досліджень у цій галузі із загального бюджету вперше було виділено 8 млн євро строком на чотири роки. Однак до початку 2004 р. у Європі був відсутній скоординований технологічний підхід у даній області, що вело до неефективного використання обмежених державних і приватних ресурсів. Європейські політики прийшли до висновку, що успішно вирішити поставлене завдання можна тільки шляхом об’єднання державних і приватних ресурсів країн регіону і досягнення чіткої координації їхнього використання. Тому на початку 2004 р. було створено європейську програму “Європейська технологічна платформа в області водневої енергетики і паливних елементів”. Основна мета цієї програми - розробити стратегію переходу ЄС від використання вуглеводневих паливних ресурсів до водневої економіки, що дозволить забезпечити Європі енергетичну безпеку, прийнятну якість навколишнього середовища й необхідні заходи щодо захисту на випадок прогнозованих кліматичних змін. Більш конкретна мета пов'язана з перетворенням ЄС у провідного гравця на світовому ринку водневих технологій.

Основна частина досліджень, що проводяться під егідою “Європейської технологічної платформи”, фінансується через 6-у Європейську рамкову програму наукових досліджень (Framework-6).

У рамках першого конкурсу проектів одержали підтримку 10 контрактів вартістю 62 млн євро на розвиток водневих технологій і 6 контрактів вартістю 30 млн євро на розробку водневих паливних елементів. Такий же обсяг коштів на здійснення цих проектів надають приватні компанії.

На думку деяких європейських експертів, у найближчий час робота буде зосереджена на тому, щоб забезпечити вагомий статус і фінансування робіт в області водневої енергетики у 7-й Рамковій програмі ЄС.

Помітну роль у розвитку розглянутого напрямку в Європі в найближчі 10 років може зіграти розпочата з листопаду 2003 року програма «Швидкий старт» (Quick Start Programme), що є частиною Європейської ініціативи із забезпечення економічного зростання (European Initiative for Growth). Метою цієї програми є здійснення инвестиційних проектів з розвитку європейської інфраструктури, підприємницьких мереж і знань шляхом сприяння створенню державно-приватних партнерств у кооперації з урядами різних країн, промисловістю, науковим співтовариством, Європейським інвестиційним банком і іншими зацікавленими структурами. Програма передбачає формування строком на 10 років двох партнерств з проведення досліджень, розробок, демонстрації результатів і розгортанню водневої енергетики. Перше з них може бути націлене на здійснення повномасштабних досліджень і будівництво демонстраційних установок, здатних виробляти водень і електрику в промислових масштабах. Друге - на проведення дослідно-конструкторських робіт по вивченню можливостей створення, рівня безпеки й економічної доцільності побудови «співтовариств водневої енергетики» - «водневих селищ». Сьогодні загальний бюджет цих розрахованих на 10 років проектів оцінюється в 1,3 і 1,5 млрд євро відповідно.

Керівництво США, ЄС та Росії неодноразово закликало до об’єднання зусиль світової спільноти для проведення дослідницьких робіт в галузі водневої енергетики.

Деякі фахівці вважають, якщо дослідження, що проводяться, будуть успішними і здійсняться заходи, що стимулюють інвестиції в розширення використання паливних елементів, водень як джерело енергії, можливо, буде заміщати до 30-40 % традиційної органічної енергетики після 2030 року. (За висновками Міжнародного енергетичного агентства, саме до цього періоду питомі капітальні витрати на впровадження енергопотужностей на водневих паливних елементах знизяться до рівня, властивого традиційній енергетиці).Реалізація революційного сценарію в енергетиці може сприяти тому, що розвинені країни Заходу остаточно випередять інший світ за рівнем впливу, а також економічного й технологічного розвитку.

Таким чином, водневі енергетичні технології сьогодні ще не набули у світі тієї якості й ефективності, коли вони могли б замінити традиційну енергетику та існуючі нафтові технології на транспорті. Однак потенційні можливості водневих технологій дозволяють прогнозувати широке їх використання у майбутньому. Цьому сприятимуть такі основні переваги водню перед викопними видами палива:

-невичерпність ресурсу;

-можливість універсального використання (централізовані та автономні електростанції, комунальна теплоенергетика, транспорт, елементи живлення різних електронних пристроїв тощо);

-екологічність (перетворення водню в енергію безпосередньо в місці використання за допомогою паливних елементів є чистою технологією, а комбіноване використання звичайних моторних палив і водневих паливних елементів на транспорті дозволить зменшити екологічну напругу у великих містах).

Висновок

 

Дана робота показує, що питання вирішення енергетичного розвитку, безпеки та налагодження ефективного міжнародного співробітництва в енергетиці вже поспіль багатьох років належить до пріоритетних у системі сучасних міжнародних відносин. У роботі розглянуто важливість та наявність різних видів енергоресурсів – традиційних та альтернативних, та проблем, що виникають у зв’язку з їхнім видобутком і можна сказати, що на сьогодні нафта виступає енергоносієм загальносвітового значення, газ – в основному регіонального, вугілля – локального.

Серйозні побоювання викликає те, що знижується рівень забезпеченості глобальної економіки запасами нафти і газу. Разом з тим відчуваються як і тимчасовий недолік нафтопереробних і транспортних потужностей, так і обмеженість додаткових можливостей по видобутку нафти. В системі міжнародної енергетичної політики вагому роль відіграють окремі впливові держави імпортери та експортери енергоресурсів, зокрема, в залежності від вибраних США і ЄС, Росією, Китаєм та Індією шляхів вирішення своїх енергетичних проблем будуть залежати і умови розвитку економіки світу.В одному варіанті енергетичної політики може зрости світове виробництво «паливних сільськогосподарських культур» з істотним впливом на аграрні субсидії. В іншому варіанті – для підвищення енергетичної безпеки буде посилена роль атомної енергетики, розвиток зрідженого природного газу (замість трубопроводного) і засоби його доставки. Якщо раніше група країн могла знайти рішення для стабілізації енергетичних ринків, то в умовах глобалізації і зростанні масштабів економічних проблем світу необхідна саме глобальна політика. Так що рішення по енергетичній безпеці фактично ініціюють формулювання довгострокової загальноприйнятної енергетичної стратегії, що надасть серйозний імпульс зміні структури всієї світової економіки в галузевому і географічному плані.

Невелика різноманітність розміщення у світі резервів енергетичних джерел спричинює те, що забезпечення енергетичнними носіями та енегретичної безпеки є досить складною справою. Для того, щоб змінити дану ситуацію, необхідно звернути увагу на:

-відповідну диверсифікацію джерел енергії;

-диферсифікацію використовуваних видів палива;

-інвестиції у відновлювальні або нешкідливі для довкілля енергетичні технології;

-збільшення продуктивності використовуваної енергії.

Яскраво проявляється розвиток конкуренції на ринках енергоносіїв, що призводить до подальшої активізації міжнародних компаній і загострення конкурентної боротьби. Це змушує задумуватися про те, чи не переросте це суперництво в битву за нафтогазові ресурси. Щоб цього не відбулося, посилюється міждержавна взаємодія в енергетичній сфері, що допомагає пом'якшити цінові коливання, відвернути взаєморуйнівну конкуренцію, забезпечити стабільність і передбачуваність ситуації на енергетичних ринках.Більшість заходів, що передбачені в зовнішньополітичній діяльності країн та діяльності міжнародних організацій спрямовані на забезпечення енергетичної безпеки своєї держави, що визначається як стан готовності паливно-енергетичного комплексу країни щодо максимально надійного, технічно безпечного, екологічно прийнятного, економічно ефективного та обґрунтовано достатнього енергозабезпечення економіки держави й населення, а також щодо гарантованого забезпечення можливості керівництва держави у формуванні й здійсненні політики захисту національних інтересів у сфері енергетики без зовнішнього і внутрішнього тиску.

У ситуації, що склалася, в індустріально розвинутих країнах світу відбулися значні зміни в енергетичній політиці. Світовий енергетичний ринок змінюється, серед головних напрямів такої політики можна виділити такі:

-пошук та реалізація шляхів диверсифікації зовнішніх постачань;

-всебічна підтримка власного видобутку та виробництва енергії навіть у випадках його неконкурентоспроможності у звичайних умовах;

-створення стратегічних запасів головних паливно-енергетичних ресурсів;-розробка та втілення програм розвитку енергоефективних технологій; -використання новітніх джерел енергії. Зростання масштабів використання електричної енергії, загострення проблем охорони навколишнього середовища значно активізували пошуки альтернативних (екологічно чистіших) способів вироблення електричної енергії. Інтенсивно розробляються способи використання непаливної відновлюваної енергії — сонячної, вітря ної, геотермальної, енергії хвиль, припливів і відпливів, енергії біогазу тощо. Джерела цих видів енергії — невичерпні. Вони мають свої позитивні (екологічна чистота, загальнодоступність) та негативні (велика собівартість, невелика потужність порівняно з традиційними енергоносіями) сторони. Також потрібно розумно оцінити, чи зможуть вони задовольнити усі потреби людства. Нова глобальна енергетична політика може бути сформульована і буде життєздатною тільки за умови, що жодна вагома сторона процесу не буде обмежена в правах. В найбільшій мірі це відноситься до впливу нестабільних цін, масштабних довгострокових інвестицій, енергетичних проектів, будь -то атомні, вуглеводні, водневі або відновлювані. Водночас швидко вирішити всі проблеми світової енергетики неможливо– тактична задача – вибрати пріоритетні, що можна вирішити при існуючих стимулах, інтересах і фінансових можливостях сторін. На мою думку, важливим моментом є формування такої світової енергетичної політики, що була б розрахована на створення стійкого конкурентноспроможного і надійного енергетичного ринку. Ця політика має базуватись на таких шести принципах: єдність у діях, інтеграція в рамках міжнародних структур, солідарність дій, стійкість та різноманітність джерел постачання, ефективність і науково-технічний прогрес.