Водородная энергетика и топливные элементы

Г. А. Месяц, M. Д. Прохоров

В сентябре 2003 г. было принято принципиальное решение о том, что Российская академия наук и ОАО "Горно-металлургическая компания «Норильский никель»" объединят свои усилия в исследовании проблем водородной энергетики и топливных элементов. 10 ноября 2003 г. было подписано Генеральное соглашение о сотрудничестве Российской академии наук и компании "Норильский никель". В соответствии с соглашением мы должны в течение месяца разработать и подписать программу наших совместных работ. За этот месяц вместе с представителем "Норильского никеля" В.А. Пивнюком мы посетили ряд ведущих научных организаций Российской академии наук и других ведомств. Побывали на Урале, провели три научных семинара - в Екатеринбурге, Санкт-Петербурге и в Москве, где заслушали около 40 научных докладов.

Мы договорились, что работы в основном будут идти в направлении водородной энергетики и топливных элементов, потому что понятие "водородная энергетика" значительно шире, чем просто получение электрической энергии. Кроме того, мы договорились (и это оговорено в соглашении), что многие исследования, которые сейчас осуществляются на двусторонней основе институтами РАН и компанией "Норильский никель", будут продолжаться. Некоторые из них находятся за рамками нашей совместной программы, но потом они могут влиться в нее.

Расскажу о современном состоянии водородной энергетики в мире, о том, что происходит в этой области исследований в России, какие имеются возможности и на что мы можем рассчитывать.

С 1900 по 2000 г. потребление энергии в мире увеличилось почти в 15 раз - с 21 до 320 экоДж (1 экоДж = 27 х 10⁶ м³ нефти). В качестве первичных источников используются нефтепродукты (34.9%), уголь (23.5%), природный газ (21.1%), ядерное топливо (6.8%) и возобновляемые источники - ветер, солнце, гидро- и биотопливо (13.7%). Это привело к тому, что за 50 лет выбросы углекислого газа в атмосферу возросли в 4.5 раза и сегодня составляют 20 х 10¹² м³ /год. Это тот самый углекислый газ, ради которого существует Киотский протокол и который, как уверяют многие ученые, вызывает парниковый эффект. Вообще энергетика, основанная на ископаемом топливе, создает очень много экологических проблем. Возникает дилемма: без энергии нельзя сохранить нашу цивилизацию, однако существующие методы производства энергии и высокие темпы роста ее потребления приводят к разрушению окружающей среды. Естественно, что одна из основных задач современной энергетики - поиски путей преодоления экологических проблем.

Вторая и, наверное, главная проблема состоит в том, что существующие источники энергии ограничены. Считается, что нефти и газа хватит не более чем на 100 лет, угля - примерно на 400 лет, ядерного топлива - на 1000 лет с лишним. Для того чтобы иметь топливо, когда на Земле будут исчерпаны запасы нефти и газа, и решить экологические проблемы, необходимо переходить к новым источникам энергии и иметь "чистую энергетику". И наша главная надежда - на водородную энергетику: использование водорода как основного энергоносителя и топливных элементов как генераторов электроэнергии. Одновременно резко сократится потребление ископаемых топлив, потому что водород можно получать из воды, разлагая ее на водород и кислород. Энергию для этого будут давать ядерная энергетика и возобновляемые источники.

Переход на водородную энергетику означает крупномасштабное производство водорода, его хранение, распределение (в частности, транспортировку) и использование для выработки энергии с помощью топливных элементов. Водород находит применение и в других областях, таких как металлургия, органический синтез, химическая и пищевая промышленность, транспорт и т.д. (рис. 1). Судя по современным темпам и масштабам развития водородной энергетики на нашей планете, мировая цивилизация в ближайшее время должна перейти к водородной экономике. Фактически задача состоит в том, чтобы создать топливные элементы и использовать водород для получения электрической энергии. Именно топливным элементам я уделю основное внимание.

Начну с производства водорода. Один из его источников - природное топливо: метан, уголь, древесина и т.д. При взаимодействии топлива с парами воды или воздухом образуется синтез-газ - смесь СО и Н₂ (рис. 2). Из нее затем выделяется водород. Другой источник - отходы сельскохозяйственного производства, из которых получают биогаз, а затем - синтез-газ. Промышленно-бытовые отходы тоже используются для производства синтез-газа, что способствует одновременно и решению экологических проблем, поскольку отходов много и их нужно утилизировать. В конечном счете образуются углекислый газ, водород и окись углерода. Дальше идет каталитическая очистка, электрохимическая конверсия и т.д. Водород можно получать также электролизом воды, то есть разложением ее под воздействием электрического тока. Очень важным элементом при преобразовании газа, содержащего водород, является очистка газа на палладиевых мембранах. В конечном счете получается чистый водород.

Теперь остановлюсь на способах хранения водорода. Самый эффективный из них - это баллоны. В таблице 1 приведено отношение (в процентах) массы водорода к массе тары для его хранения. Если баллон выдерживает 300 атм, то в нем можно хранить 13% (масс) водорода; 500 атм - 11%. В США разработаны баллоны, рассчитанные на 700 атм. Они хр