Водородная энергетика

Водородная энергетика

Ограниченные объемы запасов нефти и ужесточающиеся требования к экологической чистоте автотранспорта заставляют производителей задуматься о новых видах топлива. Уже созданы автомобили, работающие на спирте и водороде, но до их массового использования пока далеко. Поэтому никто не рискует предположить, по какому пути пойдет автопром в ближайшие десятилетия, какое топливо займет место бензина и дизтоплива через 40 лет.
От газа до биотоплива
В Европе регулярно вводятся новые требования к экологическим параметрам автомобилей. Разработчики бензиновых и дизельных двигателей пока успешно вписываются во все более жесткие рамки. Но перспективы истощения нефтяных месторождений заставляют крупные концерны искать новые виды топлива и создавать новые автомобили.
Уже давно и успешно эксплуатируются машины с газовыми двигателями, работающие на смеси пропана и бутана. Они несовершенны в отношении экологической чистоты, но все же меньше загрязняют окружающую среду, чем бензиновые. Зато можно сказать, что это уже проверенный вид топлива. В середине 90-х годов во многих российских автомобилях было установлено газовое оборудование. В период инфляции дешевизна топлива стала решающим фактором. Владельцев автотранспорта не смущало, что газовый баллон занимает почти весь объем багажника и безопасность этой установки тоже под большим вопросом. Возникали также проблемы с запуском такого двигателя в очень холодную погоду. Если принять во внимание, что зимы в России долгие и морозные, то имеет смысл использовать комбинированные двигатели – "газ + бензин". Отметим, что штатную установку газового оборудования на машины делают многие автоконцерны, среди которых Mercedes, BMW, Volvo, FIAT, Volkswagen, Ford. Но газовые двигатели для России ими не сертифицируются и на наш рынок не поставляются.
Создание электромобилей могло бы решить будущую топливную проблему. В процессе эксплуатации они абсолютно ничего не загрязняют, зато утилизация аккумуляторов, которыми они оснащаются, вредна для природы и требует отдельного внимания экологов. Поэтому получается, что старый добрый трамвай по своей экологической чистоте и дешевизне производства по-прежнему вне конкуренции.
Другим перспективным направлением является создание автомобилей на биотопливе. Для получения газа или спирта, на котором потом будет работать автомобиль, используется биологическое сырье: сахарный тростник, масличные культуры, кукуруза, древесина и т. д. Однако получается, что производство сырья для биотоплива конкурирует по территориям с пищевыми продуктами, и ограниченное количество плодородных земель приводит к тому, что надо выбирать, какие культуры выращивать, пищевые или сырье для топлива. Так что производить биотопливо имеет смысл в тех странах, где территория позволяет без проблем разместить и то и другое. Так, в Бразилии уже более двух десятилетий большая часть автомобилей работает на этаноле, получаемом из сахарного тростника. Более того, Бразилия является экспортером биотоплива в страны Европы и Азии. Но и европейские нефтяные концерны работают над своим вариантом: и Shell, и BP тратят огромные средства на поиски сырья, оптимального для промышленного производства биотоплива в Европе.
В России уже заявлено о трех проектах по строительству заводов для производства топливного этанола – в Волгограде, Тамбове и Липецке. В Волгограде компания "Випойл" собирается построить завод мощностью до 300 тыс. тонн этанола в год. Стоимость проекта оценивается в $250-500 млн. Сырьем для производства будет служить зерно низкого класса. Однако пока производить топливный этанол российским производителям невыгодно. Себестоимость производства литра спирта составляет примерно 18-20 рублей, но он облагается акцизом на спиртосодержащую продукцию в размере 159 рублей за литр. Пока ситуация не изменится, он никак не сможет конкурировать с бензином.

Автобусы на водороде
Если все перечисленные выше виды топлива уже давно используются в большей или меньшей степени, то автомобили с водородными двигателями и двигателями на жидком азоте существуют только пока в режиме экспериментальной эксплуатации. Пожалуй, машины на водороде находятся в состоянии большей готовности к внедрению в промышленную эксплуатацию. Первый прорыв произошел в 1992 году, когда канадская Ballard Power Systems провела презентацию автобуса, работающего на водороде. Затем, в 1994 году, Volkwagen создал первый легковой автомобиль, использующий водород в качестве топлива.
На пути к переходу к водородной экономике стоят две главные проблемы – поиск эффективных и дешевых способов преобразования водородной энергии в электричество и получения водорода из первичных источников энергии при минимуме затрат. Пока еще ученые не нашли простого и эффективного метода получения водорода из воды, поэтому наиболее дешевым его источником сейчас является природный газ. Сегодня в мире для различных целей получают примерно 50 млн тонн водорода в год, 95% этого объема получают именно из природного газа и только 5% – из воды.
Доказательством пригодности водорода в качестве топлива может служить долгосрочная программа ЕС по переходу к "интегрированной водородной экономике", принятая в 2002 году. Причем у этой программы даже есть конкретная сумма доходов, которую можно будет заработать, переведя промышленность на водород. По подсчетам экспертов ЕС, к 2020 году она должна достигнуть $1,7 трлн.

Другой программой, которая служит развитию водородного транспорта в Европе, является CUTE (Clean Urban Transport for Europe), в соответствии с которой с 2003 года в Амстердаме, Барселоне, Гамбурге, Лондоне, Люксембурге, Порто, Стокгольме, Штутгарте и Рейкьявике на городских маршрутах эксплуатируются автобусы, работающие на водороде.
В Амстердаме в реализации этого проекта участвуют следующие компании: Shell, которая предоставила результаты своих разработок по получению водородного топлива и установила водородные заправки, GVB – городская транспортная компания, эксплуатирующая три водородных автобуса, NUON, обеспечивающая необходимое для получения водорода электричество, и местные власти, поскольку для успешной реализации проектов такого масштаба требуется поддержка государственных структур.
Автобусы марки Mercedes-Benz внешне мало отличаются от дизельных. Они выше, чем обычные, потому что все довольно громоздкое водородное оборудование находится на крыше автобуса, а это почти три тонны. Кроме того, количество посадочных мест в нем меньше, так как часть салона пришлось использовать под двигатель. Говорить об экономической выгоде от использования нового водородного транспорта пока не приходится, ведь это штучный товар. Стоимость одного автобуса – €3 млн, и только в случае повсеместного перехода на водородный транспорт стоимость его будет сопоставима с бензиновым или дизельным. Кроме того, производство водорода очень энергоемко, что сводит на нет всю экологическую привлекательность проекта: в атмосферу будут поступать все те же парниковые газы – только образуются они на стадии производства топлива, а не в процессе эксплуатации автотранспорта.
То, что еще не все проблемы с водородным транспортом решены, подтверждает факт, что амстердамский эксперимент по программе CUTE, который должен был завершиться в этом году, продлен еще на год. Хотя это можно трактовать и по-другому: производство автобусов, работающих на водороде, показало себя как перспективное направление, требующее некоторой доработки.
Практически все плюсы и минусы водородного топлива можно отнести и к жидкому азоту. Экологически чистое в процессе эксплуатации, оно требует больших затрат энергии при производстве. Вполне жизнеспособные модели уже созданы в США, Великобритании и на Украине (в Харьковском национальном автомобильно-дорожном университете). К сожалению, они пока далеки от того, что может использоваться в повседневной жизни, и больше похожи на концепткары, но сама идея использования жидкого азота не кажется такой безумной.

В Осло на одной заправке
Проектами по альтернативным видам автотранспорта занимается и подразделение Statoil под названием New Energy. Его усилия будут сосредоточены на уменьшении выброса парниковых газов за счет использования более чистых энергоносителей и разработки новых энергетических решений, основанных на применении водорода, возобновляемых источников энергии, на повышении КПД энергетического оборудования.
Впрочем, в New Energy пока также не пришли к единому мнению, станет ли водород важным энергоносителем, несмотря на то большое внимание, которое уделяется ему международным сообществом. Для того чтобы водород стал реальным конкурентным топливом на транспортном рынке, необходимо преодолеть как технические, так и коммерческие препятствия. Однако в случае развития рынка Statoil может стать поставщиком водорода, производя его на раннем этапе из природного газа.
Statoil является участником проекта HyNor, который представляет собой национальный пилотный проект, созданный с целью продвижения применения водородного топлива в транспортном секторе экономики Норвегии. Цель его заключается в развитии инфраструктуры заправочных станций, с тем чтобы к 2008 году обеспечить возможность проехать на автомобиле с водородным топливом от Ставангера до Осло (около 500 км). В августе первая водородная заправочная станция в Норвегии будет введена в строй в Ставангере. Среди участников проекта HyNor такие компании, как Hydro и Statkraft.
Примечательно, что эта автозаправочная станция будет продавать не только чистый водород, но и смесь природного газа с водородом. Дело в том, что New Energy принимает также участие в проекте, называемом FYK, который направлен на получение экологически чистых видов топлива и развитие технологий, способствующих охране окружающей среды. Проект ориентирован на разработку автомобиля, который в качестве топлива будет использовать именно смесь водорода и природного газа. Эта смесь, по мнению разработчиков, обеспечивает более чистое сгорание по сравнению с чистым природным газом.

Россия идет своим путем
В России эксперименты по использованию водородного топлива начались в конце 1941 года, когда был создан первый автомобиль на водородном топливе. С 70-х годов велись активные исследования в области разработки топливных элементов, использующих водород в качестве горючего. Однако в 90-е годы эти работы полностью прекратились.
В 2003 году по инициативе ГМК "Норильский никель" и РАН эти работы были возобновлены. Реализуется комплексная программа исследований и экспериментальных работ по производству и использованию водорода и топливных элементов, в которой принимают участие десятки НИИ и вузов. Институт экономических стратегий, Международный институт Питирима Сорокина–Николая Кондратьева и кафедра Российской академии государственной службы при президенте РФ разрабатывают концепцию национальной научно-инновационной программы "Водородная энергетика". Сейчас эта программа проводится при поддержке национальной инновационной компании "Новые энергетические проекты" (НИК НЭП).
Одно из направлений программы "Водородная энергетика" – это разработка портативных водородных топливных элементов для автотранспорта, в которой участвуют НИК НЭП, РАН, федеральные научные центры, ядерные центры, конструкторские организации в области промышленности и космического строения. Разработчики признают, что главная проблема, стоящая на пути внедрения топливных элементов,– слишком высокая их цена.
Поэтому водороду в автомобильном транспорте России придумали еще одно применение. По оценке Национальной ассоциации водородной энергетики, добавление в автомобильный бензин одной четверти массовой доли водорода позволит сократить расход топлива в два с половиной раза и во много раз снизить загрязнение окружающей среды. Однако сейчас в связи отсутствием массового производства водорода расходы на такое топливо буду в несколько раз выше, чем на бензин или газ. Впрочем, и автомобильные двигатели, которые будут работать на таком топливе, в России только разрабатываются.
В отличие от развитых стран, где основной упор делается на освоение водородных топливных элементов в транспортной сфере, для России такой первоочередной сферой является инфраструктура. Это объясняется тем, что действующие энергоустановки, теплотрассы и линии электропередачи достигли предельного износа. Проблема может быть решена, в частности, с помощью перехода к энергетическим установкам на основе водородных топливных элементов. В эту тенденцию вписывается и направление в оборонной промышленности, связанное с водородной энергетикой. Сюда входят стационарные энергетические установки, которые в будущем можно будет использовать для энергообеспечения военных городков и баз.
Россия также является участником международных проектов по созданию современных систем хранения водорода и разработке портативных топливных элементов. Эти работы, в свою очередь, подкрепляются со стороны НИК НЭП. В этом году планируется запустить крупномасштабные двусторонние проекты совместно с США и Германией. Также ведутся переговоры с Италией, Китаем и Индией.