Воднева енергетика: перспективи України
(аналітичний матеріал)

А. І. Шевцов, М. Г. Земляний, В. В. Вербинський

Загострення проблеми охорони довкілля на фоні зростаючого попиту на паливо та енергію спонукає світову спільноту до ефективного пошуку нових енергетичних технологій, які б забезпечували прийнятний рівень забруднення і одночасно не уповільнювали економічного зростання. Ключове місце в розв'язанні цієї проблеми, на думку багатьох фахівців, займе воднева енергетика - виробництво водню і його використання на основі паливних елементів (ПЕ) в промисловості, будівництві, енергетиці, на транспорті, в житлово-комунальному господарстві й інших сферах економіки [1, 2, 3].

Воднева енергетика розглядається багатьма фахівцями саме як засіб досягнення завдань глобальної енергетичної революції, й тому в розвинутих країнах світу їй приділяється значна увага та виділяються значні кошти на розвиток і впровадження її технологій. Найбільш динамічно ці роботи розвиваються у США, Канаді, Японії, країнах ЄС, де поряд зі значним обсягом НДДКР, провадяться активні роботи з комерціалізації водневої енергетики. В країнах світу створена значна кількість енергетичних установок на паливних елементах потужністю від одиниць ват до мегават, які уже сьогодні конкурентоспроможні з установками, в яких використовуються традиційні технології. У багатьох країнах розроблені та виконуються відповідні довгострокові програми, на виконання яких виділяються значні кошти.. Зокрема, у США на цілі водневої енергетики виділяється до 1 млрд. дол. на рік. Останнім часом у більшості європейських країн, у тому числі в Росії, спостерігається швидке зростання активності в області водневої енергетики і розробки паливних елементів.

Значна увага в цих країнах приділяється також формуванню політичної й суспільної свідомості, освіті та підвищенню кваліфікації, тобто підготовці суспільства до сприйняття нового (водневого) напряму в енергетичній політиці. Активну роль у цій сфері відіграють екологічні громадські асоціації, оскільки вони привертають увагу урядових органів до цієї проблемної тематики, поширюють інформацію серед населення, викликаючи зростання інтересу і довіри до нових технологій.

Стосовно технології одержання водню необхідно відзначити, що він 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.

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. Сьогодні у світі найбільше розповсюдження отримала технологія виробництва водню або суміші водню з іншими газами шляхом парової конверсії природного газу - метану, але при цьому 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.

Зокрема, 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). Однією з перспективних технологій одержання водню вважається також використання високотемпературних гелієвих реакторів (ВТГР), які розробляються в рамках міжнародного проекту побудови ядерного реактора ГТ МГР (Росія, США, Франція), і, як очікується, будуть екологічно безпечними [4].

Крім виробництва водню, проблемним питанням є створення економічної і надійної системи зберігання водню. Найбільші надії тут пов'язують з газобалонним, кріогенним і металогідридним способами зберігання. Остаточний вибір способу зберігання потребує додаткових наукових досліджень та експертизи.

Найбільш перспективним напрямом використання водневої енергетики є заміна вуглеводневих видів палива на водень у системах транспорту, перш за все у автомобілебудуванні (двигуни внутрішнього згорання). Іншими областями (сферами) 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 та для автотранспорту.

В Україні поки що дослідження в області водневих технологій знаходяться у початковому стані, не зважаючи на те, що вони проводяться впродовж тривалого часу. Основні причини, що перешкоджають активізації проведення робіт з водневої енергетики в Україні, є наступні:

  • відсутність стратегії розвитку водневої енергетики як енергетики майбутнього (ХХІ століття), національної програми з розробки і виробництва водневих паливних елементів та енергетичних установок на їх основі, а також відповідної законодавчої бази;
  • відсутність цільового державного фінансування фундаментальних і прикладних досліджень та розробок в області водневої енергетики;
  • нерозвиненість і неготовність промислової бази для виробництва ПЕ і енергетичних установок на їх базі;
  • неготовність приватного бізнесу до субсидування фундаментальних і прикладних досліджень;
  • відсутність чіткої і ясної державної політики та реальної підтримки робіт з екологічно чистих ресурсо- і енергозберігаючих технологій.

Безсумнівною перевагою водневої енергетики для України могла б стати можливість значного зменшення енергетичної залежності країни за рахунок перетворення існуючих власних енергетичних ресурсів (вугілля, торфу, сланців, біомаси, промислових відходів та ін.) у водень з його подальшим використанням для задоволення енергетичних потреб країни. У цьому сенсі, на наш погляд, перспективним для України є спосіб одержання водню шляхом газифікації вугілля, запасів якого в Україні достатньо. Продукт газифікації (водень) може використовуватися в паливних елементах для виробництва електричної і теплової енергії на електростанціях як для децентралізованого, так і централізованого енергопостачання. Широкі можливості для перетворення вугілля безпосередньо в надрах у горючий газ, який містить водень, має підземна газифікація вугілля. Має сенс також розвивати гібридну енергетику як комбіновану систему: паливні елементи, газові турбіни, парові турбіни [5, 6].

В Україні існує також можливість одержання водню як побічного продукту при хімічних, коксохімічних та нафтопереробних виробництвах, використання для одержання водню скидних газів чи різних органічних сполук. Одне із таких виробництв існує на території Казенного підприємства ”Екоантилід” (м. Дніпродзержинськ Дніпропетровської обл.), потужності якого дозволяють виробляти водень, важку та легку воду. Екологічний ефект від використання побічних продуктів досягається тим, що одержана з них енергія заміщує енергію, яка повинна вироблятись із викопного палива, у т.ч. імпортованого.

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 відновлювальні 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 покращати 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, що в кінці кінців і визначає його відносно низьку загальну енергоефективність [7]. 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.

Таким чином, водневі енергетичні технології в дійсний час 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, чому сприятимуть зазначені переваги водню перед викопними видами палива.

Для України в найближчій перспективі можна говорити про використання водневих технологій в автономних системах енергоспоживання та на транспорті, насамперед, в комбінації з газифікацією вугілля або біомаси, а також сонячною та вітровою енергетикою [8]. Україні (в першу чергу українським вченим) слід також знайти свою нішу в міжнародних проектах з розробки високотемпературних реакторних установок типу ВТГР для комбінованого виробництва водню і електроенергії. Але темпи впровадження цих технологій і напрямки розвитку відповідної галузі будуть залежати як від вирішення вище зазначених проблем, так і від розвитку інших технологій, альтернативних водневій.

При успішному розвитку водневої енергетики Україна могла б повністю використати свою багату енергоресурсну базу, диверсифікувати джерела енергії, покращити екологічну ситуацію в країні. Це також і шлях впровадження високих технологій світового рівня та розбудови відповідного сектору промисловості, можливість виходу на ринки з екологічно чистими технологіями і устаткуванням. Для цього потрібно підтримати існуючі в країні наукові розробки, які проводяться у низці інститутів НАНУ шляхом організації та фінансування відповідних досліджень. Серед них: Інститут проблем машинобудування ім. А.М.Підгорного (розробка технологій виробництва водню), Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М.Францевича (одержання матеріалів для виготовлення паливних елементів, розробки накопичувачів водню, розробки паливних елементів), Інститут електрозварювання ім. Є.О.Патона (технології нанесення плівок різного застосування, герметизація батарей паливних елементів шляхом зварювання, дослідження поведінки металевих матеріалів у водневому середовищі, виготовлення балонів для водню та ін.), Фізико-механічний інститут ім. Г.В.Карпенка (випробування механічних властивостей матеріалів в різних середовищах та при різних температурах), Інститут газу (глибоке очищення водню, створення систем його зберігання, створення гібридних воднево-сонячних установок), Інститут загальної та неорганічної хімії ім. В.І.Вернадського (теоретичні роботи з водневої енергетики, синтез порошків для виготовлення паливних елементів), Інститут хімії високомолекулярних сполук (розробка полімерних паливних елементів та матеріалів для їх виготовлення), Донецький фізико-технічний інститут ім. В.Галкіна (отримання цирконієвої кераміки для паливних елементів та матеріалів для них) та інші наукові заклади і підприємства. Для концентрації зусиль з розробки водневих технологій було б доцільним утворити кооперацію науково-дослідних установ під егідою НАНУ та розробити відповідну Програму із залученням як державних, так і приватних інвестицій для її виконання. Наявність в Україні значних покладів цирконієвих руд, рідкоземельних елементів та промисловості з їх переробки, могли б забезпечити виробництво паливних елементів з використанням передових вітчизняних технологій. Доцільно було б також забезпечити на початковому етапі пільгове оподаткування та іншу законодавчу підтримку виробництва паливних елементів та інших складових водневих систем. Це дозволило б Україні у майбутньому знайти своє місце в розподілі та використанні водневих технологій у міжнародному масштабі, створити нові робочі місця для висококваліфікованих фахівців, як в галузі стратегічних наукових досліджень і розробок, так і на високотехнологічних виробництвах.

Разом з цим, необхідно вже сьогодні максимально використати ті можливості, які є в Україні. А для цього, в першу чергу, зберегти виробництва, де водень виробляється як побічний продукт, використати скидний потенціал металургійних та хімічних виробництв, розвинути біотехнології для одержання водню, використати потенціал електроенергетики (особливо ядерної енергетики) в провальний період споживання (нічні часи) для виробництва водню. Потрібно також максимально задіяти нові технології виробництва моторного палива з вугілля (де використовується водень) [9], що дозволить розширити обсяг використання вугілля в тому числі і вугільних відходів, зменшити імпорт нафти та нафтопродуктів і тим самим зменшити енергетичну залежність України. Це також дозволить підвищити конкурентоспроможність вітчизняної продукції на внутрішньому та зовнішньому ринках за рахунок використання власних більш дешевих енергоресурсів.

Таким чином, можна зробити наступні висновки:

  • в умовах зростаючого світового попиту на енергетичні ресурси, вичерпання викопних видів палива та зростаючого рівня забруднення довкілля необхідним є ефективний пошук нових (альтернативних) енергетичних технологій, які б забезпечували прийнятний рівень забруднення і одночасно сприяли економічному зростанню країни;
  • воднева енергетика є саме таким напрямом, який завдяки високій технологічності та наукоємкості дозволить вийти на рівень розробок енергоефективних та екологічно чистих технологій майбутнього (ХХІ століття);
  • для України водень є перспективним паливом, яке в майбутньому, в умовах жорсткого дотримання вимог техніки безпеки, може замінити вуглеводневі джерела енергії та зменшити рівень енергетичної залежності країни, реалізація цього напряму є тривалим процесом, тому її потрібно починати вже сьогодні;
  • основним завданням при цьому є забезпечення достатньо високої ефективності виробництва і зберігання водню та розробка конкурентоспроможних енергоустановок з його використання.

Для активізації процесу та успішної реалізації завдань розвитку водневої енергетики в Україні пропонується:

  • утворити кооперацію науково-дослідних установ під егідою НАНУ та розробити відповідну Програму робіт із залученням як державних, так і приватних інвестицій для її виконання;
  • максимально використати ті можливості з виробництва водню, які сьогодні є в Україні (природні, наукові, виробничі ресурси);
  • використати наявні в Україні значні поклади цирконієвих руд, рідкоземельних елементів та промисловості з їхньої переробки для організації виробництва паливних елементів та інших складових водневих систем;
  • на початковому етапі забезпечити пільгове оподаткування та іншу підтримку наукових досліджень та промислових виробництв;
  • розробити та впровадити заходи з поширення інформації про нові водневі технології та щодо відповідної освіти і підвищення кваліфікації енергетичних кадрів з метою підготовки суспільства до сприйняття перспективного водневого напряму в енергетичній політиці;
  • Секретаріату Президента звернутися з відповідними пропозиціями та дорученнями до НАНУ і Кабінету Міністрів України.

Джерела

1. Кузык Б. Н., Кушлин В.И., Яковец Ю. В. На пути к водородной энергетике / РАН. - Москва. - 2005.

2. Водородная энергетика и топливные элементы. Взгляд в будущее / Европейская комиссия, - 2003.

3. Тьерри Алло. Водородная энергетика в Западной Европе / Энергия. - 2002. - № 12.

4. .Пономарев-Степной Н.Н., Столяревский А.Я. Атомно-водородная энергетика. Пути развития. / ,Энергия, - 2004, - №1, с.3-9.

5. С.Лиговский. Газификация негорючих углеродистых материалов -неисчерпаемый источник водорода (синтез-газа) 

6. Водородная энергетика: себестоимость производства

7. Г.С.Асланин. Проблематичность водорода в плане замещения нефти./ Энергетическая политика, вып.2, -2006, с. 42-51.

8. Воднева економіка та паливні комірки. //Громадська Рада України, - 2005.

9. Нефть из угля для Поднебесной


Copyright © 2007 by DB NISS