В настоящее время наблюдается рост интереса крупных компаний и государственных структур к водородным топливным элементам (ТЭ). Можно выделить две основные причины этого: высокий КПД топливных элементов (70-80%) и их экологические преимущества. С другой стороны, сдерживающими факторами выступают высокая стоимость твердополимерных топливных элементов, отсутствие развитой инфраструктуры хранения, транспортировки и распределения водорода.

Во многих странах мира исследования в области водородной энергетики являются приоритетным направлением развития науки и техники. Под этим термином обычно понимают такой способ организации топливно-энергетического комплекса, при котором в качестве основного энергоносителя используется водород, а для выработки электроэнергии на его основе применяются топливные элементы. Они представляют собой электрохимические устройства, производящие электроэнергию без процесса горения, за счет реакции окисления водорода кислородом воздуха. Помимо водорода в качестве топлива могут быть использованы метанол, этанол, природный газ, биомасса, уголь, аммиак и пр. Использование перечисленных видов топлив определяет конкретный тип топливного элемента и его особенности. Наибольшее практическое значение имеют в настоящий момент водородные и метанольные топливные элементы.

Водород не является первичным источником энергии, как нефть или природный газ, но может быть использован в качестве энергоносителя. Его удельная энергоемкость (в пересчете на вес и объем) представлена в таблице в сравнении с аналогичными показателями для других видов топлива.

Анализ приведенных данных свидетельствует о значительном преимуществе водорода, по сравнению с традиционными энергоносителями, по тепловой способности в пересчете на единицу веса.

В то же время он почти в три раза уступает природному газу и бензину по объемным показателям. Ситуация практически не улучшается при использовании сжатого или сжиженного водорода. Его теплотворная способность все равно существенно уступает характеристикам традиционных углеводородов и низших спиртов. Это обстоятельство служит основанием для ряда современных разработок в области транспортировки и хранения водорода, основными источниками которого являются все виды углеводородов, а также уголь, вода и биомасса.По оценкам Министерства энергетики США, в ближайшее десятилетие основными ресурсами для получения водорода будут оставаться нефть, уголь и природный газ. Их переработка в водород осуществляется методами каталитической вводно-паровой или окислительной конверсии, остающимися пока наиболее технически отработанными и рентабельными процессами. Поскольку производство водорода путем конверсии угля или углеводородов сопровождается эмиссией двуокиси углерода, экологические проблемы в этом случае решаются лишь в части сокращения объемов вредных выбросов в атмосферу и централизации источников двуокиси углерода.Второй по масштабам метод производства водорода – это электролитическое разложение воды.

 

 

 Потенциально для этих целей могут быть использованы любые виды органических отходов. Их обработка специальными штаммами бактерий, для которых водород является одним из продуктов жизнедеятельности, позволяет его получать без нанесения ущерба окружающей среде и без значительных затрат электроэнергии. Однако развитие данного направления требует создания новых высокопроизводительных микроорганизмов, устойчивых к более жестким температурным условиям. По оценкам специально созданной рабочей группы ЕС по вопросам водорода, биотехнологические методы начнут играть заметную роль в суммарном производстве водорода к 2030 г. и смогут стать основными его источниками не раньше 2050 г.

 

Немедленному массовому внедрению ТЭ препятствует весь комплекс вопросов, связанных с производством, транспортировкой и хранением водорода. Исходя из низкой объемной энергоемкости этого вида топлива, переход на его использование потребует 3-4 кратного увеличения объемов транспортировки, для чего будет необходимо построить новые дорогостоящие трубопроводные системы.Одним их путей решения проблемы является использование для транспортировки и хранения водорода гидридов металлов. Однако в этом случае утрачивается преимущество энергоемкости водорода на единицу веса. В последнее время увеличилось число публикаций и патентов по использованию для подобных целей углеродных нанотрубок, которые значительно легче металлогидридов и обладают большей емкостью по водороду.

Таким образом, водородная энергетика привлекательна, однако задачи, которые приходится решать на пути к ней, сегодня пока трудновыполнимы. Водород может стать массовым видом топлива не раньше, чем через 20-30 лет.



По материалам Центра исследований и разработок ЮКОC