Новая энергетика

Н — производство

Новая энергетика - Водородная энергетика

Объем мирового производства водорода уже сейчас составляет 50 млн. тонн и растет на 5–10% в год. Водород в основном применяют для производства азотных удобрений и для превращения низкокачественных видов сырой нефти в моторное топливо. Сжиженный водород используют для получения сверхнизких температур и в качестве горючего для криогенных ракетных двигателей.

Однако нынешние технологии промышленного производства водорода небезупречны. Практически во всех случаях его получают посредством каталитического разложения метана при помощи водяного пара (такая технология называется паровым риформингом). Однако риформинг потребляет много энергии и к тому же приводит к образованию больших количеств углекислого газа. В наше время его вклад в увеличение концентрации парниковых газов в атмосфере относительно невелик, но при использовании парового риформинга для обеспечения потребностей водородной экономики он возрастет в десятки, если не в сотни раз. Перевод на водородное питание одного только автотранспорта, используемого в США, потребовал бы ежегодно тратить 150 млн. тонн водорода. Это втрое больше объемов его нынешнего годового производства в глобальном масштабе и в 15 раз больше объемов его производства в США (около 10 млн. тонн).

Очевидно, что подобная стратегия ни в коей мере не помогла бы человечеству замедлить темпы всемирного потепления. Стоимость каждой калории тепловой энергии, извлеченной из полученного таким способом водорода, сегодня в 3–4 раза превышает стоимость калории, полученной при сгорании бензина — и это при том, что риформинг является самой дешевой технологией производства этого газа. К тому же природный метан сам по себе является наиболее экологичным органическим топливом, поэтому его использование для получения больших объемов водорода было бы нерациональным.

Водород можно также производить из угля, который предварительно должен подвергнуться газификации. Этот процесс предотвращает проникновение в атмосферу содержащейся в угле серы и прочих токсичных примесей, которые можно предварительно отфильтровывать. Однако все эти операции очень энергоемки и тоже дают двуокись углерода в качестве побочного продукта. Кроме того, угольные залежи не безграничны. Расчеты показывают, что водородная экономика на угольном обеспечении могла бы привести к истощению всех угольных месторождений США всего лишь за 75 лет. Использование растительной биомассы в качестве исходного сырья опять-таки увеличит темпы накопления в атмосфере углекислого газа и к тому же резко увеличит нагрузки на почвы планеты, которые могут привезти к их деградации.

Оптимальным сырьем для производства водорода могла бы служить вода. В последние годы в США, Японии, Южной Корее и ряде других стран разработаны экспериментальные технологии каталитического расщепления водяного пара в высокотемпературных химических реакторах. В общей сложности сейчас известно свыше ста каталитических циклов этого рода (катализаторами могут служить, например, комбинации серы и йода, кальция и брома, меди и хлора). Однако все эти процессы требуют нагрева реагентов до температур порядка 800–1000 градусов по шкале Цельсия и потому при массовом применении могут быть экономически и экологически оправданы только при использовании атомной энергии. Возникающие здесь чисто технические проблемы могут быть успешно решены с помощью ядерных реакторов следующего поколения, которые сейчас интенсивно разрабатываются. Однако производство водорода в значительных масштабах потребовало бы строительства сотен новых реакторных блоков, к чему население большинства стран пока не готово.

Существует также давно известный и хорошо отработанный способ расщепления воды, как ее диссоциация с помощью электричества — электролиз. В экологическом отношении он идеален, но только при условии, что удастся найти такие способы получения электроэнергии, которые не приводили бы к выбросам парниковых газов и прочим видам загрязнения окружающей среды и не требовали захоронения высокоактивных радионуклидов, образующихся при работе атомных реакторов.

Практически неограниченным источником дешевой и чистой энергии могли бы стать термоядерные электростанции, однако в лучшем случае они появятся не ранее, чем через два-три десятилетия (да и это не гарантировано). «Чистую» электроэнергию можно производить и в солнечных установках, предпочтительно на полупроводниковых фотоэлементах, однако она обходится очень дорого и в обозримой перспективе вряд ли серьезно подешевеет.

Наконец, многие специалисты возлагают самые серьезны надежды на микробиологию и геномику. 3 млрд. лет назад на нашей планете появились одноклеточные организмы, поглощающие углекислый газ, воду и солнечный свет и выделяющие кислород и водород. Эти процессы происходят при участии различных ферментов, которые сейчас интенсивно изучаются. Не исключено, что со временем такие энзимы или их усовершенствованные аналоги удастся заставить работать в лабораторных установках, а потом и в промышленных реакторах. Подобные системы могли бы не только производить кислород и водород, но и утилизировать углекислый газ, что было бы дополнительным выигрышем. Однако эти исследования начались сравнительно недавно, и их практическая ценность пока остается под вопросом.