Инновационные разработки: водород как источник возобновляемой энергии

Известно, что в мировой практике для получения энергии, используемой в качестве освещения, отопления, приведения механизмов в движение, применяется способ сжигания топлива. Основные источниками такого топлива являются природные ресурсы: нефть, нефтепродукты, уголь, ядерное топливо и другие горючие материалы, которые добываются из земных недр, сжигаются, образуя вредные выделения, и не возобновляются.

Одним из неограниченных ресурсов планеты является вода. Человек нашел способ использования ее для получения электричества: он построил плотины, водохранилища, из которых вода выливается через турбины, вращая их, а они, в свою очередь, вращают роторы генераторов, которые и вырабатывают электричество. Гидроэнергетика является чистой и возобновляемой. Однако сооружение гидроэлектростанций является дорогим событием и далеко не везде может быть осуществлено. Поэтому актуальной проблемой является поиск альтернативных вариантов использования воды для получения электроэнергии. Такой вариант найден: воду разделяют на водород и кислород и используют в энергетических установках и двигателях внутреннего сгорания в качестве источника движения (вращения).

Водородная энергетика является одной из альтернативных, возобновляемых и чистых («зеленых»), поэтому ее использование актуально в наше время, когда результаты человеческой деятельности на планете негативно проявляются, что отражается на изменении климата на всем земном шаре.

Обсуждение

Поскольку вода состоит из водорода и кислорода: при их взаимодействии водород сгорает в кислороде и образуется вода. Ученые и инженеры задумались над использованием этого процесса для выработки энергии. Однако надо затратить энергию для разложения воды на составляющие, далее – сохранить их отдельно, затем использовать в механизме для соединения и получения энергии. Этот процесс, в принципе, удался, однако при этом для получения отдельно водорода из воды затрачивается больше энергии, чем получается при его сгорании. Но водород можно получать не только из воды: имеется много других способов и источников получения водорода. Над этим работают ученые всего мира. Некоторые из них показаны в данной статье.

Использование водорода в качестве горючего разрабатывается на основе инновационных подходов. Напомним, что под инновацией понимается результат комплекса взаимосвязанных видов деятельности по созданию новшеств, организации их производства и реализации на рынке на основе последовательного финансирования инвестиционного процесса на всех стадиях инновационной деятельности, начиная с науки1.

Несмотря на сложности и проблемы технологии получения и использования водорода, водородная энергетика показала свою состоятельность. В будущем предполагается водород сделать основным энергоресурсом. Пока рентабельность водородной энергетики меньше единицы, но учитывая экологический эффект (который пока не поддается конкретному расчету), эта технология будет развиваться и совершенствоваться.

Имеется отрицательный опыт использования водородной энергетики. Так, еще в 2010 году в Венеции была построена первая коммерческая водородная электростанция, которая себя не оправдала ни экономически, ни экологически. Собственникам пришлось отказаться от этого варианта.

С виду водородная электростанция не отличается от газовой тепловой.

Имеется проблема хранения водорода, которую решили путем сжижения.

Результаты

В мировой практике уже появились технические средства, где вместо обычного топлива использован водород. Даже в России в 2019 году был запушен трамвай, движение которого происходит на водороде. Его испытания подтвердили состоятельность использования водородных технологий на транспорте. Германия и Япония, например, окончательно приняли решения о развитии водородной энергетики в своих странах на транспорте, в металлургии, нефтехимической промышленности, энергетике и прочих производствах.

Израильская компания Aquarius Engines продемонстрировала малогабаритный водородный двигатель. Он весит всего 10 кг и имеет один цилиндр, в котором поршень перемещается между двумя головками двигателя. Он не требует регулярного обслуживания и даже использования масла. Использование более чистого топлива – водорода создало высокую привлекательность нового двигателя в странах, стремящихся сократить выбросы вредных газов.

Разработанный в США дирижабль H2 Clipper предназначен для перевозки грузов с использованием водородного топлива. Он способен перевезти в 8-10 раз больше груза (150 тонн), чем грузовой самолет, на расстояние более 9 700 км со скоростью 282 км/час. Высота полета – 3000 м. Значительны преимуществом водородного дирижабля является нулевой выброс углерода при стоимости перевозок в 4 раза дешевле, чем грузовым самолетом. Двигательная установка полностью электрическая и работает на жидком водороде. Дирижабль способен доставлять товары с завода непосредственно в распределительный центр, без использования наземного транспорта, благодаря вертикальному взлету и посадке.

В Швейцарии разработано передовое в техническом плане судно класса "люкс" длиной 19,5 метров, способное с комфортом разместить до десяти пассажиров. Это бесшумный и чистый катамаран, который не ограничен по запасу хода: фотоэлементы на крыше вырабатывают солнечную энергию, используемую для получения водородного топлива, обеспечивая судну автономность. Катамаран Aquon One имеет два электромотора по 134 л.с., по одному на корпусе. Внутри судна размещено 250 кв. м жилой площади с технологиями умного дома. Стоимость судна оценена в 6 млн. евро.

Одним из способов получения водорода является тепловой. Известно, что вода при температуре 1700 °C распадается на водород и кислород. Остается выработать такую температуру. Швейцарская компания “Clean Hydrogen Producers” создала установку, которая с помощью параболических зеркал концентрирует солнечную энергию в точке, где обеспечивает 2200 °C. Одна такая установка способна обработать до 100 л воды и произвести более 10 кг водорода в день. Производительность небольшая, но способ себя оправдал и можно работать над повышением КПД.

Оригинальный способ предложен Израильским институтом имени Вейцмана: водород получают с помощью солнечной энергии и цинка с его химическими свойствами. Сначала получают цинк в солнечной башне следующим образом: содержащийся в древесном угле оксид цинка нагревают до температуры 1200 °C, происходит химическая реакция, в результате которой получается чистый цинк. Его помещают в воду, он окисляется с выделением водорода, а оксид цинка повторно используют в солнечной башне. Водород направляется для хранения.

В США проводятся исследования по получению водорода с помощью ветряков и электроэнергии, как правило, солнечной. Они предполагают в будущем довести стоимость 1 кг водорода до $4, а объем выработки водорода с помощью энергии ветра до 154 млрд. кг в год. Пока это экономически не выгодно, но, возможно, за этой технологией будущее.

Экологически эффективным способом получения водорода является переработка мусора, как пиролизом, так и анаэробным сбраживанием. Как показали исследования, только в Лондоне можно ежедневно производить 141 т водорода из отходов. Большое тихоокеанское мусорное скопление может стать источником производства водорода.

В Швеции провели исследования производства водорода из золы. Её размещают в бескислородной среде и смачивают водой, в результате чего образуется водород. Его всасывают и через трубы направляют на хранение в резервуар.

В США разработан метод производства водорода из воды с помощью алюминиевого сплава. Вначале производится сплав алюминия с галлием и формируется в топливные гранулы, которые помещаются в бак с водой. Происходит химическая реакция, в результате которой галлий создаёт на алюминии пленку, предотвращающую его окисление, получается оксид алюминия и выделяется водород.

Водород можно получить из биомассы термохимическим или биохимическим способами. При термохимическом способе биомассу нагревают без доступа кислорода до температуры 500–800 °C. В результате термохимического процесса выделяется H2, CO и CH4. Стоимость – 6 долларов за килограмм водорода. При биохимическом способе водород вырабатывают различные бактерии, например Rodobacter speriodes. Процесс проводится при температуре 30 °C .Стоимость получения водорода при этом составляет около 2 долларов за килограмм.

Не менее проблемным, чем производство водорода, является его хранение для использования в нужном направлении. Воду можно разделять простым способом при помощи электричества. При этом получается водород и кислород, которые стремятся к соединению, что некстати, поскольку горение водорода в кислороде необходимо только в нужном месте, например, в цилиндре двигателя внутреннего сгорания. Для этого газы разделяют, охлаждают, сжижают, затем используют в качестве заправки. Однако это долгий и дорогой процесс. Инженеры, проектирующие специальные двигатели под заправку водой стремятся сделать процесс разделения водорода и кислорода в конструкции и затем направления их в камеру горения с выбросом воды. Это более эффективно, но находится в стадии исследований и проработок.

Выводы

Таким образом, над использованием водорода в качестве альтернативного возобновляемого топлива работают во всем мире. Отработка и получение недорогих (окупаемых) вариантов дает надежду на большие перспективы применения водорода как одного из основных видов горючего для «зеленой» энергетики и технических средств.