Жуль Верн і воднева енергетика

Жуль Верн і воднева енергетика

Історія знає багато випадків, коли у літературних творах вперше представляли прототипи винаходів, які у майбутньому мали практичне втілення.

Один з таких прикладів, це «Таємничий острів», який вийшов з-під руки Жуль Верна у 1874р., і у якому за півстоліття до цивільного використання дирижаблей[1] описується довга подорож на повітряній кулі, що наповнена воднем. Більше того, один із героїв цієї книги фактично пророкує майбутній тренд розвитку енергетики говорячи: «Вода – це вугілля наступних століть».

Хоча, цілком ймовірно, що Жуль Верн на час написання твору вже був знайомий із винаходами французького вченого Шарля, який у далекому 1783 році вперше піднявся на повітряній кулі, наповненій воднем.

Якби там не було, а книга «Таємничий острів», як і багато інших творів Верна стали пророчими. 

 

Від літературного твору до перших елементів водневої енергетики

Вперше перевірити висловлену в романі гіпотезу взялись британські вчені у 1925 році. Дослід пройшов вдало, і у Канаді, протягом десятиріччя до 1936 року, виконувались дослідження по розробці водневих енергосистем на базі гідроелектростанцій. Така програма була закрита через потребу економіки у використанні більш дешевого викопного палива.

Дослідження можливостей водневої енергетики проводились також в Німеччині, зокрема вчені підтвердили можливість використання водню (за умови зміни паливної системи), як додаткової суміші до моторного палива для двигунів внутрішнього згорання[2].

Збільшення інтересу до водневої енергетики припало на часи Другої світової війни. Базуючись на власних дослідженнях, Німеччина, широко використовувала синтетичне моторне паливо[3], а в Радянському Союзі експлуатувався дослідний парк грузових автомобілей на водні. Причому, паливо вироблялось із аеростатів військ протиповітряної оборони, що відпрацювали свій технічний ресурс.

У той же час, окрім цивільного застосування водню, було розроблено проект автономної енергосистеми для дизельного підводного човна, який мав би використовувати у якості палива стиснутий водень та кисень отриманий після електролізу води.

Пік наукових розробок та випробувань припав на середину 70-х років ХХ століття, під час нафтової кризи. Сприяла цьому, створена у 1974 році Міжнародна асоціація по водневій енергетиці. Таким чином, були досягнуті значні успіхи в частині виробництва водню із ВДЕ, його використання в якості палива у всіх секторах транспортної[4] та космічної галузі[5].

Результатом успішних досліджень стала розробка стандартів водневої енергетики[6] та перехід до реалізації комерційних проектів[7]. Для прикладу, вже у 1994р. запрацювала перша установка по виробництву водню від енергії сонця, яка розташовувалась в Саудівській Аравії[8].

 

Властивості водню та основи його виробництва

Водень – найбільш поширений хімічний елемент, який формує основну масу зірок, які випромінюють світло під час термоядерного згорання саме цієї сполуки. При звичайних умовах водень – це газ без кольору та запаху, який майже в 15 разів легше повітря і має надзвичайно високу температуру згорання – більше 2700 С.

Однак, у чистій формі у природі він не існує, тому його можливо отримати в лабораторних[9] або промислових умовах шляхом виділення зі складу інших хімічних сполук.

Для цього можуть бути використані наступні способи: парова конверсія метану і природного газу; газифікація вугілля; електроліз[10]; піроліз; часткове окислення. Відтак широка різноманітність способів отримання водню є однією з основних переваг водневої енергетики.

Проте, кожен спосіб має свої недоліки. Для прикладу, електроліз пов'язаний із великими затратами енергоресурсів, а застосування технології газифікації вугілля потребує додаткового очищення кінцевого продукту перед його використанням. Такий водень прийнято називати сірим, адже його отримання супроводжується викидами вуглекислого газу.

Водночас, застосування технології газифікації разом із пристроєм уловлювання вуглекислого газу дозволяє зменшити емісію шкідливих викидів, тому отриманий водень називають голубим.

Альтернативою сірому та голубому водню може бути зелений, який отримують внаслідок піролізу за допомогою енергії отриманої із відновлювальних джерел.

Атомно-воднева енергетика

Концепція атомно-водневої енергетики була розроблена спеціалістами Курчатовського інституту в 70-ті роки ХХ століття та полягає у виробництві водню із води за допомогою високотемпературних ядерних реакторів.

Роботи по атомно-водневим програмам проводяться із 2003 року в США, а нещодавно влада РФ заявили про готовність апробовувати технології по виробництву водню на Кольській АЕС, яка фігурувала в ЗМІ, як потенційне джерело радіаційного забруднення ЄС.

Про свою зацікавленість в розвитку атомно-водневої енергетики заявляють компанії PBMR Ltd. (Південно-Африканська республіка); JAERI (Японія); Westinghouse Electric (США); Інститут ядерних і нових енергетичних технологій (Китай) та інші.

Однак, компанія EDF - оператор атомних електростанцій Франції, у 2019р. заявила про відкриття дочірнього підприємства Hynamics, який лише спеціалізуватиметься на виробництві, постачанні та обслуговуванні електролізерів і заправки воднем транспорту.

Виробництво водню із ВДЕ

Сонце. Вода розкладається на водень і кисень при температурі 1730 0С, яка може бути досягнута за рахунок використання параболічного віддзверкалювача або лінзи, що фокусує сонячні промені. Базуючись на такому принципі, швейцарська компанія Clean Hydrogen Producers (CHP), розробила установку, яка за світовий день виробляє 10 кг водню[11].

Ізраїльські вчені із Weizmann Institute of Science, у 2005р. апробували пристрій по виробництву чистого цинку в сонячній вежі, який легко транспортувати і в потрібному місці, під час реакції з водою отримувати водень та оксид цинку. Ефективність такого пристрою також підтвердили експерти Institute for the Energies and Applied Research із Канади.

Вітер. Дослідження по виробництву водню із енергії вітру найбільш інтенсивно проводяться у США із 2006р. Результатом праці вчених стало спорудження вітро-гідролізної установки потужністю 100 кВт. Експериментальним шляхом було встановлено, що собівартість виробництва 1 кг водню таким методом складає $3,4.

Побутове сміття. Британські вчені ще у 2006р. успішно провели експериментальні дослідження та довели економічну доцільність виробництва водню із побутового сміття шляхом піролізу або анаеробного бродіння. Ринком збуту для водню виробленого із сміття може стати муніципальний транспорт. 

Біомаса. Для виробництва водню із даного виду відновлювальних ресурсів може бути використано термохімічний або біохімічний спосіб. Відповідноперший метод полягає у нагріванні біомаси без доступу кисню до 800 0С, після чого виділятимуться водень, метан і оксид вуглецю. Інший спосіб передбачає виробництво водню від дії бактерій при нормальному атмосферному тиску та температурі 30 0С.

Хімічна реакція металів та води. Першими такий метод апробували вчені із американського університету Purdue в 2007р., які розташувавши сплав алюмінія із галієм у воді отримали водень та оксид алюмінію. 

 

Зберігання і транспортування водню

Зберігання

Масштабне споживання водню передбачає його безпечне та ефективне зберігання. Існуючі методи умовно можливо розділити на дві групи.

Перша група включає фізичні методи, які базуються на фізичних процесах спрямованих на переведення водню із газоподібного в рідкий стан. На практиці реалізовані наступні методи зберігання: стиснутий газоподібний водень (газові балони; підземні резервуари; трубопроводи; скляні мікросфери) та рідкий водень (кріогенні контейнери).

Друга група включає хімічні методи, які полягають у використанні певної групи матеріалів, що вступають в реакцію із воднем та забезпечують його зберігання: адсорбційний водень; абсорбція в об’ємі матеріалу; хімічна взаємодія.

Вибір методу зберігання залежить від техніко-економічних показників проекту, зокрема обсяг добового виробництва та споживання.

Вцілому водень може зберігатись у чотирьох станах: зріджений; стиснутий переохолоджений; стиснутий охолоджений; стиснутий.

Транспортування

Водень можливо транспортувати автовозами, трубопроводом, залізничними цистернами та кораблями. Від типу транспорту залежатиме застосування способу його зберігання та фізико-хімічний стан, а відтак це впливатиме на кінцеву вартість ресурсу.

Наземний вид транспортування водню успішно апробований вже протягом двох десятиліть і на сьогоднішній день вчені працюють над збільшенням ключових показників процесу транспортування для збереження конкуруючих позицій.

Трубопровідний транспорт застосовується для забезпечення стабільних поставок водню визначеним обсягом на промислові потреби. Варто зауважити, що на сьогоднішній день безпечно експлуатується більше 5 тисяч кілометрів газогонів по яким постачається водень. Окрім магістральних трубопроводів деякі країни використовують локальні газорозподільні мережі[12], у яких допускається збільшення частки водню в природному газі до 15%. Варто зазначити, що за різними експертними оцінками, змішування водню та природного газу в системі трубопроводів, призведе до зменшення викидів парникових газів розглядуваною системою до 8%.

Для трансконтинентального транспортування застосовуються танкери, які в середньому за один прохід можуть перевезти до 5 тон водню на відстань не більше 3 тисяч кілометрів. Обсяги перевезень одним танкером можуть бути збільшені за рахунок вдосконалення конструкції посудин в частині зменшення їх матеріаломісткості. На сьогоднішній день, вартість транспортування водню танкерами дорожча щонайменше в 2 рази за перевезення блакитного палива через LNG-судна.

Окрім морських перевезень практикується транспортування водню річковим транспортом, що може користуватись попитом серед споживачів центральної та східної Європи, які мають доступ до портів на річках Дунай, Вісла, Рейн, Одер.

 

Сфери споживання водню

Водень, як енергоносій може використовуватись в побуті, промисловості, генерації електроенергії та у якості моторного палива для всіх видів транспорту.

За своєю сферою застосування водень аналогічний ринку споживання природного газу, відтак він може споживатись в побуті для приготування їжі, опалення житлових приміщень та виробництва електроенергії для власних потреб.

Генерувати електроенергію з водню можливо і у промислових масштабах, що дозволить у перспективі замістити вугільні та газові станції, які характеризуються низьким рівнем екологічності. Окрім цього, альтернативною атомним електростанціям, які споживають ядерне паливо у найближчому майбутньому можуть стати установки, що функціонуватимуть за принципом термоядерного синтезу із використанням водню. 

Окрім цього, водень може споживатись хімічною та металургійною промисловістю, яка на сьогоднішній день використовує викопні види палива у технологічних процесах, що негативно впливає на загальну ефективність виробництва та вартість кінцевої продукції.

Сфера застосування водню на транспорті охоплює усі засоби: від легкових машин до ракетоносіїв, але існує два принципові підходи – це змішування з існуючим паливом та паливні елементи, які характеризуються високим рівнем безпечності, екологічності та ефективності вцілому.  

 

Паливні елементи – основа водневої економіки

Десятиліття випробувань довели, що паливні елементи - це саме та складова водневих енергосистем, навколо якої можливо розвивати принципово нову модель економіки та зменшувати викиди парникових газів.

Що таке паливні елементи? Це простий електрохімічний пристрій, який перетворює хімічну енергую в електричну і конструктивно складається із двох електродів та електроліту, який забезпечує переміщення іонів, причому в ролі палива використовується водень, а окислювачем виступає кисень. Високий коефіцієнт корисної дії (до 90%) та простота конструкції дозволяють широко використовувати паливні елементи, як джерело електроживлення для машин та механізмів.

Фактично на цьому ґрунтується воднева економіка, яка розглядає водень, новим носієм енергії, що поряд із атомними електростанціями та відновлювальними джерелами енергії має замістити викопні види палива і сформувати нову архітектуру глобальних енергетичних ринків.

Стратегічно, збільшення частки водню у світовому енергобалансі збільшить резервну міцність енергосистем.

 

Геополітика та слабкі сторони водневої енергетики

Поточна заполітизованість глобальних енергетичних ринків, а також зловживання країнами-виробниками викопних ресурсів своїм положенням мотивують споживачів змінювати діючу модель взаємовідносин, лідерів та правила.

Це сприяло тому, що на сьогоднішній день Австралія[13], Франція, Німеччина, Японія[14], Корея[15] та Норвегія нещодавно видали національні водневі стратегії. Однак, поточний статус розвитку водневої енергетики виглядає досить локальним, адже більше 80% водню споживається на місці його виробництва.

Окремі країни вже активно просувають власні водневі інтереси через енергетичну дипломатію[16]. Все вказує на те що тенденція двосторонніх договорів буде розвиватись, і може у перспективі повторити еволюцію поставок LNG-газу[17] на глобальні ринки. Тоді одним із основних драйверів росту ринку зрідженого газу була Японія, яка може сьогодні повторити той самий підхід тепер вже у поставках водню[18].

Карта маршрутів поставок водню до країн ЄС вже сьогодні складається із кількох потенційних джерел, якими заплановано наповнювати діючі газорозподільні мережі. Європейські країни найбільшу перевагу надають поставкам водню із Африки[19] та України.

Водень, для країн-експортерів нафти в середньостроковій перспективі може стати одним із джерел диверсифікації доходів державної скарбниці. Проте, лідери по видобутку вуглеводнів, що знаходяться в регіонах Близького Сходу та Африки будуть обмежені у виробництві через низький гідротехнічний потенціал річок та водойм.

У глобальному вимірі, ринок водню вже у 2050р. може досягти рівня $900 млрд. і покривати четверту частину світових потреб в енергоресурсах. Масштаб розвитку світового ринку водню буде напряму залежати від обсягу першочергових інвестицій, державних дотацій та вартості технологій.

Таким чином, забезпечення конкурентоспроможності водню на енергетичних ринках поряд із врегулюванням проблеми оптимального використання водних ресурсів та нормування питань безпечної експлуатації об’єктів нових енергосистем є найбільш слабкою стороною.

 

Небезпека може стати новим багатством України

Бельгійські вчені із Льєжського університету чотири роки тому опублікували сенсаційне дослідження[20], в якому стверджується що за шістедсят крайніх років кисневий шар у Чорному морі зменшився на третину, натомість збільшилась частка сірководню[21]. Через це відбулось суттєве скорочення фауни (до 40%) і в перспективі може призвести до глобальної екологічної катастрофи.

Врегулювати цю проблему можливо шляхом безпечного розвантаження Чорного моря від сірководню. Технологічно таку задачу можливо вирішити за рахунок підйому газорідинної суміші газліфтним способом із використанням хвильових імпульсів для наступного виділення сірководню у газоподібному стані. Після цього існує два сценарії утилізації. Перший – це безпосереднє його використання у якості енергоресурсу, оскільки дана хімічна сполука є висококалорійним з’єднанням. Другий сценарій полягає в розчепленні сірководню та отриманні водню та сірки, яку споживає промисловість. 

Отже, Україна має унікальну можливість одночасно зберегти екосистему та отримувати прибутки від збуту водню через існуючу газотранспортну інфраструктуру[22] на міжнародних ринках. Який шлях обере держава буде залежати лише від нашого вміння і бажання ефективно управляти власними ресурсами та вміло провадити енергетичну дипломатію.



[1] Перший комерційний виліт дирижабля відбувся у 1936 році.

[2] Експерименти продемонстрували збільшення потужності двигунів на 15% з одночасним зменшення шкідливих викидів із відпрацьованими газами.

[3] Вироблялось шляхом гідрогенізації вугілля.

[4] У квітні 1988 року було здійснено успішне випробування літака експериментальної моделі Ту-155, у якого один з трьох двигунів працював на водневому паливі.

[5] Програма «Space Shuttle» у США та «Буран-Енергія» в СССР.

[6] Починаючи з 1989р. в Цюріху (Швейцарія) по ініціативі Міжнародної організації по стандартам створюється відповідний комітет.

[7] Над ними працювали компанії Toyota, General Motors, Shell, Norsk Hydro, Tokyo Electric Utility.

[8] Проект «HYSOLAR» реалізовувався спільними зусиллями Німеччини та Саудівської Аравії.

[9] Цей хімічний елемент був відкритий британським вченим Кавендишем у 1766 році.

[10] Був відкритий у 1800 році, однак промислова реалізація розпочалась у 1888 році при появі генераторів постійного струму.

[11] Площа дзеркал 100 кв.м., температура у фокусі концентратора складала 2200 С.

[12] Історія розвитку трубопровідного транспорту США, європейських держав та України, в період другої половини XIX – 30-х років XX cтоліття свідчить про застосування газогонів для транспортування блакитного палива, який отримували з вугілля і у якому частка водню складала близько 40-45%.

[13] Стратегія розвитку водневої енергетики в Австралії. Режим доступу: https://www.industry.gov.au/data-and-publications/australias-national-hydrogen-strategy

[14] Японія перша у світі оголосила про свій стратегічний курс в частині розвитку водневої енергетики. Зокрема, акцент робиться на створення розподіленої теплової генерації та переведення транспорту, який працюватиме на паливних елементах.

[15] Режим доступу: https://www.msit.go.kr

[16] Уряд Нідерландів призначив омбудсмена з питань водневої енергетики, а влада Японії проводить перемовини про закупівлю водневого палива із Австралії, Норвегії та Саудівської Аравії. Окрім цього, Німеччина вже підписала угоду про постачання водню із Марокко. Водночас Нідерланди та Бельгія проводять перемовини про поставки водню із Португалією, Оманом та Чилі.

[17] Перша поставка скрапленого природного газу із США до Великобританії була здійснена у 1959 році на модифікованому танкері часів Другої світової війни, який носив назву «Methane Pioneer». В тому ж році газ був поставлений із США до Японії.

[18] Японія отримала першу поставку рідкого водню з Брунею на початку 2020 року, а інший транспортний маршрут із Австралії заплановано відкрити у IV кварталі 2020р.

[19] Зокрема обговорюється проект створення в пустелі Сахара у Африці сонячних електростанцій великої потужності із подальшим електролізом водню і транспортування його за існуючими газопроводами або новими трубопроводами до Європи для наступного виробництва енергії.

[21] Загальна кількість сірководню в Чорному морі оцінюється у 50 млрд.тон, причому річний приріст складає щонайменше 0,1 млрд.тон.

[22] Одинадцять європейських операторів газотранспортних мереж розробили план трансформації магістральних газопроводів у інфраструктуру для транспортування водню. Україна розглядається, як один із учасників майбутнього ринку водню ЄС, який потенційно має запрацювати до 2030р. Режим доступу - https://gasforclimate2050.eu/sdm_downloads/european-hydrogen-backbone/

Поділитись