Перспективи водневої енергетики
В даний час спостерігається зростання інтересу великих компаній та державних структур до водневих паливних елементів (ТЕ). Можна виділити дві основні причини цього: високий ККД паливних елементів (70-80%) та їх екологічні переваги. З іншого боку, стримуючими факторами виступають висока вартість твердополімерних паливних елементів, відсутність розвиненої інфраструктури зберігання, транспортування та розподілу водню.
У багатьох країнах світу дослідження в галузі водневої енергетики є пріоритетним напрямком розвитку науки та техніки. Під цим терміном зазвичай розуміють такий спосіб організації паливно-енергетичного комплексу, при якому як основний енергоносій використовується водень, а для вироблення електроенергії на його основі застосовуються паливні елементи. Вони є електрохімічними пристроями, що виробляють електроенергію без процесу горіння, за рахунок реакції окислення водню киснем повітря. Крім водню як паливо можуть бути використані метанол, етанол, природний газ, біомаса, вугілля, аміак та ін. Використання перерахованих видів палив визначає конкретний тип паливного елемента та його особливості. Найбільше практичне значення мають зараз водневі та метанольні паливні елементи. Водень не є первинним джерелом енергії, як нафта або природний газ, але може бути використаний як енергоносій. Його питома енергоємність (у перерахунку на вагу та обсяг) представлена у таблиці порівняно з аналогічними показниками для інших видів палива.
Таблиця. Енергоємність різних видів палива
Енергоємність
Аналіз наведених даних свідчить про значну перевагу водню, порівняно з традиційнимиенергоносіями, за тепловою здатністю у перерахунку на одиницю ваги. Водночас він майже втричі поступається природному газу та бензину за об'ємними показниками. Ситуація практично не покращується при використанні стисненого або зрідженого водню. Його теплотворна здатність все одно істотно поступається характеристикам традиційних вуглеводнів та нижчих спиртів. Ця обставина є підставою для низки сучасних розробок у галузі транспортування та зберігання водню, основними джерелами якого є всі види вуглеводнів, а також вугілля, вода та біомаса. За оцінками Міністерства енергетики США, найближчим десятиліттям основними ресурсами для отримання водню залишатимуться нафта, вугілля та природний газ. Їх переробка у водень здійснюється методами каталітичної вступно-парової або окисної конверсії, що залишаються поки що найбільш технічно відпрацьованими та рентабельними процесами. Оскільки виробництво водню шляхом конверсії вугілля чи вуглеводнів супроводжується емісією двоокису вуглецю, екологічні проблеми у разі вирішуються лише у частині скорочення обсягів шкідливих викидів в атмосферу і централізації джерел двоокису вуглецю. Другий за масштабами метод виробництва водню – це електролітичне розкладання води. Переваги даної технології полягають у високій чистоті продукту і можливості його безпосереднього використання в ТЕ без стадій додаткового очищення. Однак на практиці ці переваги нівелюються високими енерговитратами. І все ж таки електроліз води залишається перспективним способом отримання водню, для цього можна використовувати енергію атомних електростанцій у період малих навантажень і відновлювані джерела енергії. Найбільш перспективний метод – виділення водню із біомаси за допомогоюбіотехнології. Потенційно цих цілей можуть бути використані будь-які види органічних відходів. Їхня обробка спеціальними штамами бактерій, для яких водень є одним із продуктів життєдіяльності, дозволяє його отримувати без нанесення шкоди навколишньому середовищу та без значних витрат електроенергії. Однак розвиток цього напряму вимагає створення нових високопродуктивних мікроорганізмів, стійких до жорсткіших температурних умов. За оцінками спеціально створеної робочої групи ЄС з питань водню, біотехнологічні методи почнуть відігравати помітну роль у сумарному виробництві водню до 2030 р. і зможуть стати основними його джерелами не раніше 2050 р. та зберіганням водню. Виходячи з низької об'ємної енергоємності цього виду палива, перехід на його використання вимагатиме 3-4 кратного збільшення обсягів транспортування, для чого необхідно буде побудувати нові дорогі трубопровідні системи. Одним із шляхів вирішення проблеми є використання для транспортування та зберігання водню гідридів металів. Однак у цьому випадку втрачається перевага енергоємності водню на одиницю ваги. Останнім часом збільшилася кількість публікацій і патентів з використання для подібних цілей вуглецевих нанотрубок, які значно легші металогідридів і мають більшу ємність водню.
Таким чином, воднева енергетика є привабливою, проте завдання, які доводиться вирішувати на шляху до неї, сьогодні поки що важко здійснити. Водень може стати масовим видом палива не раніше ніж через 20-30 років.