Главная цель для всего человечества на ближайшие 50 лет - нахождение новых сравнительно дешевых видов энергоресурсов, которые заменят иссякающие горючие углеводороды (нефть, уголь, газ). Эксперты предсказывают наступление эры водорода, но …

… главное - то, что сокрыто после союза «но» - в материале Ф.И. Сацыперова.

---

Toyota Mirai на водородной заправке

 

От перекиси до наших дней

В последние два столетия человечество активно использует водород и его свойства в промышленности и в быту. Развитие идет большими темпами. Перекись водорода и её дезинфицирующие свойства были открыты в 1818 году. В 1937 году из-за утечки водорода (из находящихся на борту баллонов) и его дальнейшего возгорания потерпел крушение дирижабль «Гинденбург», это событие прервало развитие дирижаблестроения, но не дальнейшее использование водорода. В 1953 году было успешно испытано первое промышленное устройство термоядерного синтеза - водородная бомба.

Сегодня водородная энергетика развивается по двум самостоятельным направлениям. Использование водорода, как источника энергии, предусматривает атомная энергетика со строительством термоядерных реакторов уже в ближайшей перспективе. Водород в качестве временного носителя энергии применяется в топливных элементах и батарейках.

При этом, чтобы не произошло подмены понятий, и в голове осталось понимание происходящего, нужно четко отделять атомную энергетику (пусть даже её и называют атомно-водородной, но именно она производит всё от атомных батареек до термоядерных реакторов) и популистские высказывания о «водородной эре», в которой водород будет получаться из воды в домашних условиях, а присоединенные к такой установке двигатели станут почти вечными.

Так как водород имеет высокую энергоемкость (39,45 кВт-час/кг), в 3–5 раз превышающую аналогичный показатель для бензина (13,36 кВт-час/кг) и нефти (9,5 кВт-час/кг), то следующим шагом стала разработка идеи повсеместного применения двигателей, как использующих водородную топливную смесь (КПД водородно-воздушной смести – 60 – 85% против 40-45% у современных дизельных двигателей внутреннего сгорания), так и отдельные батареи из водородных топливных элементов. Расширяется и область применения источников питания на водороде: от элементов транспортной сети (в двигательных установках автомобилей, поездов, воздушных и морских судов: прогнозируется, что к 2040 году 7-10% всех легковых автомобилей будут ездить на водородном топливе, в США и Европе для свыше 9000 выпущенных легковых авто уже функционируют водородные заправочные станции; в Японии к 2020 году должно быть около 40 тыс. легковых автомобилей и автобусов на топливных батареях, использующих водород) до батареек для искусственного сердца или кардиостимуляторов. Мирный атом от «грязных» урановых технологий стремится перейти к «чистому» термоядерному синтезу.

Тем временем, топливные элементы, выпускаемые во многих странах, совсем скоро сформируют конкурентный рынок.

Сторонники идеи наступления «эры водорода» строят свои предсказания на двух допущениях. Первое: водород легко добывать из окружающей среды (в том числе из воды или как производную промышленных процессов – синтез-газ, образующийся при конверсии метана, парциального окисления метана, плазменной газификации отходов и сырья, газификации угля). Второе: повсеместное использование водородных энергетических носителей (с помощью создания межотраслевой инфраструктуры, обеспечивающей широкомасштабное использование водорода) снизит их стоимость при более высокой энергетической эффективности, чем у современных топлив.

Но в себестоимости водорода на сегодняшний день более 70 % приходится на затраты электроэнергии, которую нужно использовать, чтобы произвести водород, и, как следствие, водородные топлива пока уступают в конечной стоимости традиционным. Стоимость водородного топлива составляет около 9 евро за кг. Поэтому о повсеместном использовании данных энергоносителей говорить еще рано.

Хотя, например, Opel Zafira с силовой установкой на водородных топливных элементах мощностью 94 кВт в условиях эксплуатации в крупных городах потребляет 1,83 кг водорода на 100 миль (160 км) пробега, то есть 6,4 литра бензинового эквивалента. Бензиновый аналог Opel Zafira с двигателем объёмом 1,6 л мощностью 85 кВт потребляет 5,8 л бензина на 100 км в условиях трассы. Таким образом, в примере показано, что стоимость поездки на разном топливе все-таки может быть сопоставимой (17 евро за водород и 12,8 евро за бензин) и в какой-то момент, при массовом производстве водородных топливных элементов и систем их многоразовой перезарядки (заправки) может сравняться, а, учитывая разницу в КПД этих двигателей, автомобиль на водородном топливе проедет без дозаправки больший путь.

Но есть ряд технических проблем, которые пока не позволяют перейти к массовому производству автомобилей на водородном топливе. Это невозможность эксплуатации при отрицательных температурах окружающей среды (зимой), быстрый износ аккумуляторных водородных батарей (заряжаемая хотя бы один раз в сутки батарея прослужит 3-5 лет) и высокая (около 3000 евро) стоимость их замены, так как сами батареи содержат драгоценные металлы, например, платину. Тема безопасности при эксплуатации водородных топливных элементов также остается открытой и пока еще недостаточно изученной.

Что происходит в России?

После отказа от сооружения собственного водородомобиля на основе гибридной модели «Лада» (он был очень тяжелым, как и все подобные современные автомобили, в которых только двигатель весит около 600 кг, а «топливный бак» занимал половину салона), внимание ученых было переключено на создание и производство компактных мощных источников питания, основанных на тритии – сверхтяжелом водороде (азарт разработки которых уже через несколько лет захватил почти всю Россию).

О прототипе компактного атомного источника питания всерьез заговорили в 2015 году, хотя первые идеи озвучивались еще в 70-х годах прошлого столетия.  

Весной 2018 года специалисты ВНИИНМ предложили использование в качестве источника энергии радиоактивного изотопа водорода – трития, который позволит новой батарейке работать до 15 лет. Компактный и бесперебойный источник энергии, практически независящий от внешних условий, будет востребован и может сформировать достаточно широкий спрос, как в космической, так и в других отраслях науки и техники. По словам директора отделения АО «ВНИИНМ» Алексея Лизунова этот источник необходим предприятиям Роскосмоса в тех ответственных узлах, где требуется обеспечение стабильного бесперебойного электроснабжения в течение многих лет. Создать опытный образец планируется в 2019 году.

Сегодня в России перспективы развития водородной энергетики оценивают следующим образом.

«Существуют два основных направления: получение водорода из газов (паровой риформинг позволяет выделять чистый водород из метана, пропан-бутановой фракции (и даже из сырой нефти) – прим. авт.) и угля (с помощью газификации); получение водорода из воды с помощью электролиза. Для электролиза необходима электроэнергия, которая составляет порядка 85% от себестоимости полученного водорода. Хотя этот способ и дорог, но является самым простым из существующих. Себестоимость килограмма водорода, полученного электролизом, составляет примерно 100-120 рублей, тогда себестоимость энергии будет равна 3 рубля/квт*ч. Для бензина и газа эти цифры - 2,8 рубля/квт*ч и 0,4 рубля/квт*ч соответственно. Но если посмотреть на КПД установок, то можно заметить, что у водородного топливного элемента этот показатель выше, чем у остальных почти в 2 раза. И, пересчитав себестоимость соответственно КПД, можно сделать вывод, что использование водорода вместо бензина экономически обоснованно уже в настоящий момент, а замещение водородом газа – это вопрос времени», - высказывает мнение Пётр Арефьев, доцент кафедры «Макроэкономика» Финансового университета при Правительстве РФ.

Топливные элементы на основе водорода привлекают сегодня большое внимание исследователей, разработчиков, промышленности и инвесторов. Однако в настоящее время их высокая стоимость, порядка 104 долларов за киловатт, в значительной степени сдерживает этот процесс. Для массового применения ТЭ в автотранспорте их стоимость должна быть снижена до 50–100 долларов за киловатт.

Но специалисты атомной отрасли России, видят будущее страны не в скором производстве новых типов батареек и водородомобилей, а в масштабной ядерной энергетике, которую также можно назвать водородной.

«В национальную программу развития крупномасштабной ядерной энергетики необходимо включить атомно-водородную энергетику. Ее развитие обеспечит производство нового ключевого продукта — водорода, что решает задачу внедрения ядерной энергетики в технологические процессы металлургической, химической, нефтяной и других отраслей промышленности и обеспечит транспорт экологически чистым топливом. Создание продуктовой линейки водорода должно базироваться на разработанных в России ядерных технологиях нового поколения. Поэтому также необходимо открыть инвестиционный проект «Атомный химико-технологический кластер с модульными гелиевыми реакторами для производства водорода из природного газа». Этот проект должен быть основан на внедрении в ядерную энергетику ВТГР (высокотемпературного газоохлаждаемого реактора – прим. авт.) и технологий переработки углеводородов в водород и его производные без выбросов в атмосферу СО2», - полагает академик РАН Николай Пономарев-Степной.

В 2014 году международный научный форум “Generation IV” подтвердил статус высокотемпературного газоохлаждаемого реактора (ВТГР) как одного из шести инновационных проектов реакторов 4-го поколения. Специалисты ожидают промышленное внедрение таких реакторов уже в 2030-х годах. Высокотемпературный газоохлаждаемый реактор способен вырабатывать тепло с температурой до 950-1000 °С, что позволяет получать водород и другие полезные продукты без как-либо выбросов CO2. Генерация электричества в реакторе ВТГР осуществляется в одноконтурной турбине с гелием.

На шаг ближе к термоядерному синтезу

Пока во Франции строится международный экспериментальный термоядерный реактор ITER, а в Китае  - термоядерные реакторы EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak) и CFETR (Chinese Fusion Engineering Test Reactor), в Институте ядерной физики им Г.И. Будкера (ИЯФ) СО РАН ведутся работы по конструированию нового поколения установок для работы с плазмой (уже достигнуты рекордные показатели по нагреву плазмы до температуры в 10 млн оС.), которые позволят подготовить проект чистого термоядерного реактора. «Температура плазмы в 10 миллионов градусов - это ключевой параметр, который определяет качество реактора. Надеемся повысить температуру плазмы во вновь созданном реакторе в два или в три раза. На таком уровне мы сможем использовать установку как нейтронный драйвер для энергетического реактора. На основе нашей модели могут создаваться безнейтронные реакторы на тритии-дейтерии. Другими словами, созданные нами установки позволят создавать безнейтронное топливо», — пояснил заместитель директора ИЯФ СО РАН по научной работе Александр Бондарь. По мнению ученых ИЯФ СО РАН, подобное устройство может стать реальностью в ближайшие 20 лет.

Термоядерный синтез. Схема

Управляемый термоядерный синтез – синтез более тяжёлых атомных ядер из более лёгких с целью получения энергии, который, в отличие от взрывного термоядерного синтеза (используемого в термоядерных взрывных устройствах), носит управляемый характер. Управляемый термоядерный синтез отличается от традиционной ядерной энергетики тем, что в последней используется реакция распада, в ходе которой из тяжёлых ядер получаются более лёгкие ядра. В основных ядерных реакциях, которые планируется использовать в целях осуществления управляемого термоядерного синтеза, будут применяться дейтерий (2H) и тритий (3H), а в более отдалённой перспективе гелий-3 (3He) и бор-11 (11B). При реализации проекта ITER будет возможна ядерная реакция дейтерия (D) – тяжелого стабильного изотопа водорода с тритием (T) - тяжелым радиоактивным изотопом водорода. В результате образуются 4He - основной изотоп гелия и нейтроны (n): D + T = n (14,07 МэВ) + 4He (3,52 МэВ). Проблема радиоактивного загрязнения относится и к синтезу D + T, хотя опасные отходы в этом случае меньше, чем при делении урана. Реакция дейтерия с гелием-3 требует более жестких условий, т.е. очень высоких температур. Однако энергетически она весьма эффективна: D + 3He = p (14,68 МэВ) + 4He (3,67 МэВ), где p - протон. А самое удивительное: синтез, основанный на использовании изотопа 3He, может быть экологически чистым. Кажется фантастическим, что существует термоядерный процесс, практически не несущий радиоактивность. Но это - факт.

Работы идут параллельно и в других НИИ. В Курчатовском институте ведется модернизация экспериментальной термоядерной установки Токамак Т-15. В июле 2016 г. в эксплуатацию запущена воздухоразделительная установка, которая является одним из этапов модернизации системы криогенного обеспечения Токамак Т-15. Завершение капитальной модернизации Токамак Т-15 ожидается в 2018 г.

Но самым эффективным способом обеспечения страны энергией, предложенным советскими учеными еще в 1980-х годах, является использование для термоядерного синтеза абсолютно нерадиоактивного изотопа «гелий-3», одна тонна которого дает столько же энергии, сколько и 14 млн тонн нефти. «Гелия-3» на Земле практически нет, зато огромные его запасы имеются на Луне. Там Россия и собирается (в столетней перспективе и даже раньше) построить шахту и добывать «гелий-3». Один рейс российского космического корабля «Прогресс» обеспечит всю Россию «гелием-3» на целый год.

Проект «Луна - Гелий3» находится в разработке, так как требуется сначала наладить проживание и работу людей на Луне, создать пути доставки больших грузов на спутник Земли и обратно. И абсолютно не урегулирован вопрос международного космического права относительно лунных природных ископаемых.

Атомная экономика

Экономку гелиевой энергетики просчитать сейчас не представляется возможным. Зато можно утверждать, что водородные топливные элементы (аккумуляторы, генераторы энергии) при массовом производстве очень скоро, в ближайшей (50 лет) перспективе при массовом производстве полностью вытеснят своих алкалиновых, литий-ионных, бензиновых и прочих предшественников. Выход на рынок будет происходить примерно так же, как произошло замещение ламп накаливания светодиодными лампами. Конечная стоимость атомных источников питания будет сопоставима с аккумуляторными батареями сегодня – на уровне 200 евро за батарею, которая прослужит около 5 лет.                                                

При развитии масштабной атомной энергетики стоимость потребляемой электроэнергии можно будет существенно снизить, что приведет к росту промышленных производств.

Но есть вероятность, что более перспективная гелиевая энергетика разовьется раньше срока, назначенного ей экспертами отрасли, а водородная энергетика (о которой говорят давно, но так и не приступили к её повсеместному внедрению), будет похоронена наступающим прогрессом.

Сацыперов Фёдор Игоревич