Водородная энергетика представляет собой направление выработки и потребление энергии, которое основано на использовании водорода в качестве средства для аккумулирования, транспортировки и потребления энергии людьми, транспортной инфраструктурой и различными производственными направлениями.
Водородная энергетика включает следующие основные направления:
разработка эффективных методов и процессов крупномасштабного получения дешевого водорода из метана и сероводородсодержащего природного газа, а также на базе разложения воды;
технологии хранения, транспортировки и использования водорода в энергетике, промышленности, на транспорте.
Преимущества водородной энергетики.
Водород в качестве источника энергии выбран не случайно: он является наиболее распространенным элементом на поверхности земли и в космосе, теплота его сгорания наиболее высока, а продуктом сгорания в кислороде является вода.
Водородная технология позволит остановить прогрессирующий рост загрязнения окружающей среды, исключив или принципиально сократив эмиссию токсикоагентов в тропосферу, в том числе, приземный слой атмосферы.
Способы производства водорода.
Сегодня существует три основных способа производства водорода, не связанные напрямую с неизбежными значительными выбросами двуокиси углерода, и так оценённые за килограмм произведенного водорода в докладе US National Academy of Engineering:
воздействие на природный газ с помощью пара, что позволяет связывать содержащийся в нём углерод для последующего хранения, себестоимость $1,72;
воздействие пара и кислорода на угольный порошок, что опять же позволяет связывать углерод - $1,45;
электролиз воды - $3,93.
В настоящее время с помощью метода паровой конверсии угля производится примерно половина всего водорода.
Первые два способа, т.е. реформинг природного газа и угля, требуют для дальнейшего применения водорода потреблять из атмосферы кислород и, тем самым, делают атмосферное природопользование в энергетике неизбежным. Поэтому такие технологии являются экологически неприемлемыми.
Электролиз воды, в том числе с использованием протонных мембран для электролизёров нового типа, позволяет извлекать главное недостающее звено водородной энергетики будущего - молекулярный кислород с последующим его возвращением в природную среду.
Американские исследователи Ричард Дайвер и Джим Миллер из Sandia National Laboratories придумали ещё один способ получения водорода - без электролизной обработки воды. Новый генератор водорода состоит из колец противоположного вращения, скомпонованных из активных элементов – нанокомпозитного ферритного состава с двуокисью циркония.
После подачи водяного пара эти кольца отбирают из него кислород путём химической реакции, а освобождённый водород откачивается в специальные баллоны. Затем за счёт тепловой обработки колец освобождается кислород. Однако говорить об экономической целесообразности внедрения этого метода так же ещё рано.
Производство водорода на базе атомных станций и электролизёров сегодня является пока единственным технически реализуемым и экологически приемлемым способом создания массовой водородной энергетики. Себестоимость процесса $2,33 за килограмм водорода. Ведутся работы по созданию атомных электростанций следующего поколения. Исследовательская лаборатория National Engineering Environmental Laboratory прогнозирует, что один энергоблок атомной электростанции следующего поколения будет производить ежедневно водород, эквивалентный 750 000 литров бензина.
В рамках европейской исследовательской программы Raphael французские учёные и конструкторы работают уже над созданием атомного реактора четвёртого поколения - реактора VHTR с температурой теплоносителя 9500C. В таких устройствах вода при добавлении серной кислоты, йода и соединений брома разлагается на составные части - водород и кислород. Этот реактор будет способен вырабатывать до 2 млн. кубометров водорода в сутки.
Дальше всех в создании реактора четвёртого поколения продвинулись США. До 2010 года они намерены построить для выработки водорода в Айдахо-Фолс демонстрационный ядерный реактор, который будет охлаждаться жидким натрием и свинцом. Совместно с компанией Ceramatec рассматривается возможность применить для гелиевых реакторов тончайшие керамические пластины, предотвращающие повторную рекомбинацию кислорода и водорода после высокотемпературного электролиза.
Существуют и другие способы получения водорода.
Водород из биомассы получается термохимическим или биохимическим способом. При термохимическом методе биомассу нагревают без доступа кислорода до температуры 500°-800° (для отходов древесины), что намного ниже температуры процесса газификации угля. Себестоимость процесса $5-$7 за килограмм водорода. В будущем возможно снижение до $1,0-$3,0.
Разрабатываются различные новые технологии производства водорода. В октябре 2006 года Лондонское Водородное Партнёрство опубликовало исследование о возможности производства водорода из муниципального и коммерческого мусора. Согласно исследованию, в Лондоне можно ежедневно производить 141 тонну водорода как пиролизом, так и сбраживанием. Из муниципального мусора можно производить 68 тонн водорода.
Существуют способы получения водорода из источников энергии. Департамент Энергетики США (DOE) и Национальная Исследовательская Энергетическая Лаборатория (NREL) с 2006г. проводит исследовательские работы «Водород из ветра». Построена водородная заправочная станция с ветрогенератором мощностью 100 кВт.
Согласно расчетам NREL, произведённым в 2006 году, в ближайшем будущем себестоимость производства водорода из энергии ветра составит $4,03 за кг. водорода. В долгосрочной перспективе себестоимость водорода снизится до $2,33 за кг. Водорода. США смогут ежегодно производить из энергии ветра 4 класса и выше 154 млрд. кг. Водорода.
Учёные калифорнийского университета в Беркли обнаружили, что если водорослям не хватает кислорода и серы, то процессы фотосинтеза у них резко ослабевают, и начинается бурная выработка водорода. Водород может производить группа зелёных водорослей, например, Chlamydomonas reinhardtii. Водоросли могут производить водород из морской воды, или канализационных стоков.
Снижение цены водорода возможно при строительстве инфраструктуры по доставке и хранению водорода. В США сейчас действует 750 километров, а в Европе - 1500 километров водородных трубопроводных систем.