Выбор источника: можно ли говорить о конце нефтегазовой энергетики

Дата публикации: 13 июля 2016

Источник: www.rbc.ru/opinions/technology_and_media/13/07/2016/5784e0879a7947ba3bfe0405

Владимир Туманов,
Заведующий лабораторией «Накопители электрической энергии»
кафедры физической химии НИТУ «МИСиС»

Водород в отличие от солнечного излучения и ветра действительно может стать основным источником энергии, но это дело достаточно далекого будущего.

О предстоящем завершении эпохи углеводородов в энергетике говорят почти все. Спор идет скорее о сроках. Например, на недавнем Петербургском экономическом форуме министр энергетики Александр Новак говорил, что нефть и газ останутся основными источниками энергии до 2040 года. А по мнению главы Сбербанка Германа Грефа, они перестанут быть основными источниками энергии раньше — на рубеже 2030 года.

Нефть, газ, водород

По-моему, спор о том, какой источник энергии лучше, лишен смысла: природа создала их в большом количестве, и в зависимости от потенциала добычи и разработанных человечеством технологий тот или иной источник и будет основным.

Но на разных этапах развития технологического прогресса человечество не раз сталкивалось с необходимостью выбора в пользу новых источников энергии. Вместе с промышленной революцией на смену органике (проще говоря, дровам) пришел уголь, затем появились нефть и газ, разработки в области водородной энергетики. Сегодня, когда объемы потребления растут с каждым днем, все чаще возникают вопросы о будущем углеводородной энергетики. Идут споры об атомной энергетике, ведутся работы по управляемому термоядерному синтезу.

Однако говорить о конце углеводородной эпохи в перспективе ближайших 20 лет невозможно. Более того, все ресурсы, которыми природа обеспечила человечество, будут активно потребляться, несмотря на возникновение и развитие новых альтернативных источников. Тех ископаемых, что на сегодняшний день доступны человечеству, хватит на долгое время. Разговоры о том, что через 50 лет на Земле закончится нефть, глупость: процесс ее выработки бесконечен. Запасы угля и вовсе не будут исчерпаны еще примерно 400 лет. Нефть и газ останутся основными источниками энергии к 2040 году.

А вот в дальнейшей перспективе наиболее эффективным и экологически чистым источником энергии станет не солнечное излучение или ветер, о которых сейчас так много говорят, а первый элемент в таблице Менделеева — водород. Из 40 г водорода можно получить 1 кВт·ч​ энергии. Технически кислород и водород соединяются через топливный элемент, где через мембрану происходит преобразование их химической энергии в электричество. Продукт реакции — вода!

Водородный топливный элемент

Вопрос цены

Еще в конце XIX века возник спор, как будет дальше развиваться транспорт, на топливных элементах или на бензиновых моторах. Несмотря на то что водородная энергетика давала бóльший КПД, моторы победили из-за большей технологической готовности и наличия дешевого в сравнении с водородом моторного топлива из нефти. Вторая попытка внедрения топливных водородных элементов состоялась в конце ХХ века. Практически все ведущие мировые автогиганты разработали водородные модели экотранспорта. Однако до настоящего времени проблема получения дешевого водорода так и не решена. Резкое падение стоимости нефти также отодвигает время внедрения водородных технологий на транспорте и в стационарной энергетике.

Основным источником водорода в природе является вода. Воды в океанах огромное количество. Последние исследования показали, что объем структурных подземных вод на глубине порядка 480 км в разы больше, чем во всех океанах вместе взятых.

Получать водород обычным электролизом дорого: процесс требует большого количества энергии. Но есть Солнце — для нашей цивилизации это бесконечный источник световой энергии. Разлагать воду на водород и кислород наиболее эффективно путем фотолиза — процесс идет непосредственно в специальных ячейках под воздействии солнечного излучения.

Фотолиз воды

Такие ячейки были созданы в конце прошлого века в Физико-техническом институте им. Иоффе и Институте катализа СО РАН. К сожалению, эти разработки остались на уровне лабораторных образцов и диссертаций. Были попытки возобновить работы по программе водородной энергетики «Норильский никель — РАН», но в 2008 году эта программа была закрыта.

Практическая реализация таких устройств станет возможной при обеспечении КПД фотолиза хотя бы до уровня 10–15%. Пока рекорд — 11%. Это произведет революцию в области энергетики, отодвинув на задний план ветрогенераторы, наносящие непоправимый урон биосфере, и солнечные батареи, которые очень сложно утилизировать.

Для того чтобы водород стал превалирующим источником энергии, необходимо решить проблемы его производства и хранения. По оценке американских экспертов, если стоимость производства водорода составит не более $5 за килограмм, от другого топлива можно будет отказаться.

В таком случае будет решена и проблема создания топливных элементов для автомобильной промышленности. Сейчас у электромобилей хорошие перспективы на рынке, особенно в тех странах, где государство стимулирует разработки в данном направлении. В России ситуация иная. Здесь оптимальным мог бы стать гибридный автомобиль с электрическим приводом, работающий на газовом топливе или бензине. Ведь именно в России функционирует самая развитая система газозаправки в мире: 65% потенциальных потребителей имеют доступ и к бензину, и к газу.

Экономные гибриды

Не менее важной, чем поиск новых источников энергии, является задача ее экономии. Отсюда одно из направлений работы нашего университета МИСИС — повышение энергоэффективности. Одной из таких разработок являются суперконденсаторы, для которых у нас разрабатываются перспективные электродные и электролитные материалы.

Суперконденсаторы наиболее полезны в гибридном транспорте — колесном и рельсовом. Принцип его работы заключается в накоплении энергии, выработанной при торможении, которая затем расходуется на разгоне, что дает экономию порядка 30%. КПД суперконденсаторов сопоставим с КПД электрического мотора, то есть порядка 95–98%.

В ближайшем будущем мы надеемся, что эти разработки появятся в городских экобусах, составах метрополитена и в других областях техники. Кроме того, разработанные нами элементы позволят обеспечить бесперебойное движение поездов в метро. В ситуациях, когда происходит аварийное отключение электричества, накопленная энергия позволит составу проследовать несколько километров до станции за счет накопленной энергии.

Переход на стадию производства подобных систем должен произойти в ближайшие два года.



Наверх