Многие специалисты высказывают опасение по поводу все возрастающей
тенденции к сплошной электрификации экономики и хозяйства: на тепловых
электростанциях сжигается все больше химического топлива, а сотни новых атомных
электростанций, как и зарождающиеся солнечные, ветряные и геотермальные
станции, будут во все более широком масштабе (и в конце концов исключительно)
работать для производства электрической энергии. Поэтому ученые заняты поиском
принципиально новых энергетических систем.
К.п.д. тепловых электростанций относительно низок, хотя конструкторы
прилагают все силы, чтобы его повысить. В современных электростанциях на
органическом топливе он составляет около 40%, а в атомных электростанциях – 33%.
При этом большая доля энергии теряется с отходящим теплом (например, вместе со
сбрасываемой из систем охлаждения теплой водой), что приводит к так называемому
тепловому загрязнению окружающей среды. Отсюда следует, что тепловые
электростанции нужно строить в тех местах, где имеется а достаточном количестве
охлаждающая вода, или же в открытых ветрам местностях, где воздушное
охлаждение не будет оказывать отрицательного влияния на микроклимат. К этому
добавляются вопросы безопасности и гигиены. Вот почему будущие крупные АЭС
должны располагаться как можно дальше от густонаселенных районов. Но тем самым
источники электроэнергии удаляются от ее потребителей, что значительно усложняет
проблему электропередачи.
Передача электроэнергии по проводам обходится очень дорого: она составляет
около трети себестоимости энергии для потребителя. Чтобы снизить расходы, строят
линии электропередачи все более высокого напряжения – оно скоро достигнет 1500
кВ. Но воздушные высоковольтные линии требуют отчуждения большой земельной
площади, к тому же они уязвимы для очень сильных ветров и иных
метеорологических факторов. А подземные кабельные линии обходятся в 10 – 20 раз
дороже, и их прокладывают лишь в исключительных случаях (например, когда это
вызвано соображениями архитектуры или надежности).
Серьезнейшую проблему составляет накопление и хранение электроэнергии,
поскольку электростанции наиболее экономично работают при постоянной мощности
и полной нагрузке. Между тем спрос на электроэнергию меняется в течение суток,
недели и года, так что мощность электростанций приходится к нему приспосабливать.
Единственную возможность сохранять впрок большие количества электроэнергии в
настоящее время дают гидроаккумулирующие электростанции, но и они в свою
очередь связаны с множеством проблем.
Все эти проблемы, стоящие перед современной энергетикой, могло бы – по
мнению многих специалистов – разрешить использование водорода в качестве
топлива и создание так называемого водородного энергетического хозяйства.
Водород, самый простой и легкий из всех химических элементов, можно считать
идеальным топливом. Он имеется всюду, где есть вода. При сжигании водорода
образуется вода, которую можно снова разложить на водород и кислород, причем
этот процесс не вызывает никакого загрязнения окружающей среды. Водородное
пламя не выделяет в атмосферу продуктов, которыми неизбежно сопровождается
горение любых других видов топлива: углекислого газа, окиси углерода, сернистого
газа, углеводородов, золы, органических перекисей н т. п. Водород обладает очень
высокой теплотворной способностью: при сжигании 1 г водорода получается 120 Дж
тепловой энергии, а при сжигании 1 г бензина – только 47 Дж.
Водород можно транспортировать и распределять по трубопроводам, как
природный газ. Трубопроводный транспорт топлива – самый дешевый способ
дальней передачи энергии. К тому же трубопроводы прокладываются под землей, что
не нарушает ландшафта. Газопроводы занимают меньше земельной площади, чем
воздушные электрические линии. Передача энергии в форме газообразного водорода
по трубопроводу диаметром 750 мм на расстояние свыше 80 км обойдется дешевле,
чем передача тоги же количества энергии в форме переменного тока по подземному
кабелю. На расстояниях больше 450 км трубопроводный транспорт водорода
дешевле, чем использование воздушной линии электропередачи постоянного тока с
напряжением 40кВ, а па расстоянии свыше 900 км – дешевле воздушной линии
электропередачи переменного тока с напряжением 500 кВ.
Водород – синтетическое топливо. Его можно получать из угля, нефти,
природного газа либо путем разложения воды. Согласно оценкам, сегодня в мире
производят и потребляют около 20 млн. т водорода в год. Половина этого количества
расходуется на производство аммиака и удобрений, а остальное – на удаление серы из
газообразного топлива, в металлургии, для гидрогенизации угля и других топлив. В
современной экономике водород остается скорее химическим, нежели
энергетическим сырьем.
Современные и перспективные методы производства водорода
Сейчас водород производят главным образом (около 80%) из нефти. Но это
неэкономичный для энергетики процесс, потому что энергия, получаемая из такого
водорода, обходится в 3,5 раза дороже, чем энергия от сжигания бензина. К тому же
себестоимость такого водорода постоянно возрастает по мере повышения цен на
нефть.
Небольшое количество водорода получают путем электролиза. Производство
водорода методом электролиза воды обходится дороже, чем выработка его из нефти,
но оно будет расширяться и с развитием атомной энергетики станет дешевле. Вблизи
атомных электростанций можно разместить станции электролиза воды, где вся
энергия, выработанная электростанцией, пойдет на разложение воды с образованием
водорода. Правда, цена электролитического водорода останется выше цены
электрического тока, зато расходы на транспортировку и распределение водорода
настолько малы, что окончательная цена для потребителя будет вполне приемлема по
сравнению с ценой электроэнергии.
Сегодня исследователи интенсивно работают над удешевлением
технологических процессов крупнотоннажного производства водорода за счет более
эффективного разложения воды, используя высокотемпературный электролиз
водяного пара, применяя катализаторы, полунепроницаемые мембраны и т. п.
Большое внимание уделяют термолитическому методу, который (в перспективе)
заключается в разложении воды на водород и кислород при температуре 2500 °С. Но
такой температурный предел инженеры еще не освоили в больших технологических
агрегатах, в том числе и работающих на атомной энергии (в высокотемпературных
реакторах пока рассчитывают лишь на температуру около 1000°С). Поэтому
исследователи стремятся разработать процессы, протекающие в несколько стадий,
что позволило бы вырабатывать водород в температурных интервалах ниже 1000°С.
В 1969 г. в итальянском отделении «Евратома» была пущена в эксплуатацию
установка для термолитического получения водорода, работающая с к.п.д. 55% при
температуре 730°С. При этом использовали бромистый кальций, воду и ртуть. Вода в
установке разлагается на водород и кислород, а остальные реагенты циркулируют в
повторных циклах. Другие – сконструированные установки работали – при
температурах 700–800°С. Как полагают, высокотемпературные реакторы позволят
поднять к.п.д. таких процессов до 85%. Сегодня мы не в состоянии точно предсказать,
сколько будет стоить водород. Но если учесть, что цены всех современных видов
энергии проявляют тенденцию к росту, можно предположить, что в долгосрочной
перспективе энергия в форме водорода будет обходиться дешевле, чем в форме
природного газа, а возможно, и в форме электрического тока.
Использование водорода
Когда водород станет столь же доступным топливом, как сегодня природный
газ, он сможет всюду его заменить. Водород можно будет сжигать в кухонных
плитах, в водонагревателях и отопительных печах, снабженных горелками, которые
почти или совсем не будут отличаться от современных горелок, применяемых для
сжигания природного газа.
Как мы уже говорили, при сжигании водорода не остается никаких вредных
продуктов сгорания. Поэтому отпадает нужда в системах отвода этих продуктов для
отопительных устройств, работающих на водороде, Более того, образующийся при
горении водяной пар можно считать полезным продуктом — он увлажняет воздух
(как известно, в современных квартирах с центральным отоплением воздух слишком
сух). А отсутствие дымоходов не только способствует экономии строительных
расходов, но и повышает к. п. д. отопления на 30%.
Водород может служить и химическим сырьем во многих отраслях
промышленности, например при производстве удобрений и продуктов питания, в
металлургии и нефтехимии. Его можно использовать и для выработки электроэнергии
на местных тепловых электростанциях. |
