16. Энергоноситель: Водород в качестве неограниченно доступной альтернативы ископаемым видам топлива, перспектива производства.

Водород является невероятно перспективным энергоносителем, так как он доступен в практически неограниченном количестве. Водород (химический знак H) древнейший, наиболее распространенный и самый легкий элемент во вселенной. Являясь компонентом воды и всех органических соединений, водород абсолютно безвреден для окружающей среды. Водород можно хранить в жидком (при глубоком охлаждении) или газообразном состоянии, а транспортировать его относительно просто. Как газ водород не ядовит, не имеет цвета и запаха. В жидком состоянии водород содержит в три раза большее количество энергии, чем в таком же по массе количестве бензина. Применение ископаемых источников энергии приводит к выбросу в атмосферу двуокиси углерода, а при сгорании водорода образуется практически только водяной пар. Производимый с помощью восстанавливаемых источников водород является единственным альтернативным видом топлива, который можно использовать в течение неограниченно длительного времени.

• Экологически чистое производство с помощью восстанавливаемых источников энергии.
• Производство водорода с использованием электричества, полученного из энергии ветра и Солнца: широкие возможности применения в Европе.
• Испытание новых технологий хранения.

Безвредность для экологии и независимость от ископаемых источников энергии являются основными причинами, по которым компания BMW первой среди мировых автопроизводителей уже в 80-х годах начала средне- и долгосрочные разработки автомобилей, работающих на водороде. Цель — избежать вредных выбросов в атмосферу и сделать получаемую из восстанавливаемых источников энергию доступной в большом количестве.

Уже 600 миллиардов кубических метров водорода в год.

Сейчас во всем мире производится более 600 миллиардов кубических метров водорода в год, в Германии — около 30 миллиардов. Чаще всего водород встречается в воде и углеводородах: уголь, нефть, природный газ. В чистом виде водород в природе практически не встречается. Поэтому для использования в качестве топлива водород сначала необходимо произвести. Его можно получить из воды, биомассы, нефти и природного газа. Наибольший интерес представляет собой постоянное производство водорода в рамках круговорота веществ в природе. Ведь водород, полученный из биомассы или с помощью энергии Солнца, ветра и воды, доступен в практически не ограниченном количестве.

Получение водорода из воды.

Одним из наиболее интересных и перспективных способов производства водорода является электролиз. С помощью электричества данный метод позволяет получать практически не ограниченное количество водорода из воды. Электрический ток позволяет разрушить химические связи воды и разложить ее на водород и кислород. В результате этого процесса на аноде (положительно заряженном электроде) образуется кислород, а на отрицательно заряженном катоде — водород. Данный принцип реализуется в так называемом электролизере с помощью последовательного подключения. Около двух процентов потребляемого во всем мире водорода производится таким способом. С экологической точки зрения данный метод имеет смысл только тогда, когда ток для электролиза получается с помощью возобновляемых источников энергии.

Получение водорода с помощью энергии Солнца.

Интересным вариантом является производство водорода с помощью энергии солнца. Солнце обладает наибольшим потенциалом возобновляемой энергии. В течение часа Солнце излучает на Землю столько энергии, сколько все человечество потребляет в год. Годовое количество энергии Солнца составляет 1,1 миллиарда терраватт-часов, что примерно в десять тысяч раз больше всемирного потребления энергии в год. Солнечную энергию можно, например, преобразовывать с помощью солнечных батарей, непосредственно производящих электричество. Для испытания данной технологии кампания BMW принимала участие в проекте по производству водорода с помощью солнечных батарей в баварском городе Нойнбург-форм-Вальд, где в сотрудничестве с другими кампаниями был испытан фотогальванический метод производства водорода и его применение в различных целях.

Исходя из современного уровня техники, наиболее интересным в экономическом плане является производство электричества с помощью солнечных тепловых электростанций с вогнутыми параболическими зеркалами. В фокальной линии зеркал до температуры 400°C нагревается масло. Оно в теплообменнике испаряет воду, которая на следующем этапе вращает паровую турбину, производящую электричество. Такие установки уже работают в калифорнийской пустыне Мохаве и производят экологически чистым путем электроэнергию, которую можно использовать для получения водорода. В самом большом в мире комплексе солнечных электростанций 2,3 миллиона квадратных метров зеркал производят 354 мегаватт электричества. Что соответствует потребности в энергии 200 000 человек.

Для развития технологий солнечных электростанций в Европе сейчас в Испании строится энергетическая установка, подобная калифорнийской электростанции. Возможности производства водорода с помощью энергии Солнца необычайно широки. По оценкам экспертов всемирный технический потенциал использования этого метода в 30 раз превосходит современную потребность всего человечества в топливе.

Широкие возможности применения в Европе.

Особенно пригодны для использования солнечных тепловых электростанций регионы, расположенные около 40-х широт. Наиболее большим потенциалом обладает Африка, где можно производить почти 1,5 миллиона терраватт-часов (ТВч), и Австралия — 1,1 миллиона терраватт-часов. Но и для Европы этот вид производства электроэнергии является интересной альтернативой. По оценкам экспертов ее потенциал составляет около 4 500 ТВч, что соответствует мощности более чем 12 миллионов вышеназванных калифорнийских комплексов электростанций. С помощью фотогальванических элементов, то есть солнечных батарей, в Европе можно получать еще 600 ТВч электроэнергии.

Сила ветра тоже может стать значительным источником энергии для производства водорода. Всемирный потенциал производства водорода с помощью энергии ветра примерно в 15 раз превосходит современную потребность в топливе. В Европе по оценкам экспертов с помощью ветряных электростанций расположенных в открытом море можно производить около 1800 ТВч, на материке потенциал этих установок составляет около 350 ТВч. Сейчас во все й Европе с помощью ветряных электростанций производится только 60 ТВч электроэнергии, что соответствует почти 2,4 процента общей потребности в энергии.

Водород из биомассы.

Альтернативным способом является производство водорода с помощью воспроизводимого сырья. Это единственная возможность производства водорода непосредственно из регенерируемого первичного энергоносителя. Кроме того, биомасса не приводит к увеличению выбросов CO₂, так как растения в результате фотосинтеза поглощают из воздуха примерно такое же количество двуокиси углерода, которое образуется при последующей переработке. Водород из биомассы получается с помощью сбраживания или газообразования. По мнению экспертов, определенную роль в производстве водорода могут сыграть биологические отходы. Всемирный потенциал производства водорода из биомассы составляет около 14 400 ТВч, что позволило бы покрыть современную потребность в топливе примерно на 60%. Производство водорода из биомассы может быть сравнительно выгодным в экономическом плане. Это подтверждает исследование, в ходе которого были подсчитаны затраты на производство и поставку водорода до заправочных станций. По этим подсчетам стоимость объема водорода, равного по содержанию энергии одному литру бензина составит 0,80 евро.

Различные возможности хранения.

В отличие от электроэнергии водород можно хранить в больших количествах, как в жидком, так и в газообразном состоянии. Хранение может осуществляться в газометрах или в ресиверах под давлением до 100 бар. Меньшие количества водорода можно хранить в газовых баллонах из стали или из композитных материалов, усиленных углеволокном, что позволяет создавать внутри давление до 350 бар. Новые системы топливных баков, которые могут заправляться под давлением до 700 бар, уже применяются на первых автомобилях.

В жидкой форме водород можно хранить при температуре —253°C. Другой возможностью хранения являются так называемые гидридные накопители, в которых водород под давлением хранится в металлическом порошке и с помощью подачи тепла снова высвобождается. Гидридные накопители могут принять количество водорода, составляющее лишь два процента от их собственной массы, что недостаточно для их применения в автомобилях. Кроме того, сегодня проводится исследование хранения водорода в нановолоконных структурах или аланатах — соединениях алюминия и водорода, легированных с помощью магния. Эти технологии открывают совершенно новые перспективы хранения водорода.