Перспективы водородных электростанций

Наверное, найдется мало людей, которых не беспокоило бы состояние окружающей среды на нашей планете. По мере накопления знаний и опыта ученые, инженеры и энтузиасты из всех стран стремятся обеспечить человечество «чистой» энергией – энергией, которая бы не оказывала отрицательное влияние на состояние почв, воды, здоровье человека и других живых организмов. Со временем эта тенденция трансформировалась в отдельную отрасль энергетики – альтернативную.

Периодически в наших статьях затрагивается тема альтернативной энергетики, к которой, надо отметить, многие относятся с недоверием. Поэтому сегодняшняя статья посвящена водородной энергетике, а именно – перспективам использования водородных электростанций.

Идея использования водорода в качестве энергоносителя не нова: уже в XIX веке сэр Уильям Роберт Гроув представил химический источник электрической энергии, принцип работы которого был основан на смешении водорода с кислородом. В чем преимущество водорода перед другими источниками энергии? Давайте посмотрим:

• Водород будет доступен даже тогда, когда ископаемые топлива исчезнут;
• Это первое по распространенности вещество во вселенной и десятое – на Земле;
• Его можно получить из воды, а продукт горения водорода – вода;
• Его легко использовать в двигателях внутреннего сгорания вместо бензина, дизеля, керосина и др.;
• Ни водород, ни продукты его горения не имеют запахов, вкуса, цвета и не токсичны;
• Теплота сгорания водорода более чем в 3 раза выше, чем у распространенных сегодня метана, природного газа, бензина, угля и т.д.

Наряду с этими несомненными достоинствами у водорода есть и очевидные недостатки, обусловливающие заметно высокие цены на электроэнергию, получаемую на водородных станциях:

• Из-за маленького размера и химических особенностей молекул водорода его сжижение, хранение и транспортировка на сегодняшний день сопряжены с рядом трудностей;
• В достаточно широком диапазоне соотношений концентраций водорода и кислорода (а соответственно, и воздуха) в газовой смеси существует вероятность образования взрывоопасного гремучего газа;
• Получение водорода из воды – сложный процесс, требующий больших затрат электроэнергии, в разы повышающих стоимость газа. Остальные методы получения – газификацией угля, из биомассы, конверсией метана или природного газа – сложно реализуемы в условиях частного дома.

По принципу работы водородные электростанции можно разделить на две большие группы: в первой водород просто заменяет собой горючее топливо, а во второй непосредственно участвует в получении электричества. Рассмотрим первую группу на примере.

В Фусине, что рядом с Венецией, Италия, в 2010 году закончили строительство первой в мире коммерческой электростанции на водороде, отличающейся от обычной ТЭС разве что видом топлива. Турбина на водороде имеет мощность 12 МВт и рассчитана на интегрированную работу с соседней угольной ТЭС на 4 МВт. Водород с содержанием примесей от 0 до 4% и под давлением 27 бар на станцию поступает по 2.5-километровому трубопроводу от химического завода. Снабжая энергией 20 000 домохозяйств, эта станция позволяет более чем на 17 000 тонн в год снизить выбросы углекислого газа. Водяной пар, полученный в результате окисления водорода кислородом, конденсируется и отправляется на очередной цикл и угольную станцию. Какие еще результаты?

Себестоимость генерируемой электроэнергии в 4-6 раз выше по сравнению с энергией обычных ТЭС. Выбросы оксидов азота NO_x в три раза больше этого показателя для природного газа из-за того, что температура горения водорода выше, чем у обычного природного газа.

Другая группа водородных электростанций считается более эффективной по причине того, что электрическая энергия получается сразу из химической. Идея таких электростанций состоит в объединении большого количества водородных топливных элементов, генерирующих постоянное напряжение, с последующим его преобразованием в переменное. Эти электрохимические источники – не что иное, как обычные батареи, где к отрицательному электроду поступает водород к положительному – кислород, которые, при взаимодействии превращаясь в воду, создают разность потенциалов. Ни одного такого проекта, имеющего индустриальное значение, не было реализовано на начало 2019 года, но они широко и успешно применяются в частных домовладениях, космических аппаратах и транспорте.

На сегодняшний день среди различных проектов альтернативной энергетики водородные электростанции, пожалуй, самое молодое направление, еще не вышедшее на международный уровень (зато вышедшее в открытое космическое пространство), в отличие от ветровых и солнечных электростанций. Однако технологии не стоят на месте, остро стоит потребность в уменьшении выбросов CO₂ и расхода воды, и именно в этой области у водородной энергетики нет конкурентов. Есть ли у нее перспективы? Бесспорно. Готов ли мир отказаться от углеводородов? Время покажет.