Водородные топливные ячейки: сегодня пока дороговато, а завтра будет в самый раз
В последнее время нередко высказывается следующее мнение: как каменный век закончился не из-за недостатка в камне, так и нефтяной век закончится задолго до того момента, когда будут исчерпаны мировые запасы нефти.
Наверно, его можно было бы назвать утопичным, если бы оно раздавалось со стороны экологов. Но автор этого высказывания не имеет к ним никакого отношения — это не кто иной, как Шейх Заки Йамани, бывший министром нефтедобывающей промышленности Саудовской Аравии три десятка лет назад. Его фигура привлекла к себе всемирное внимание во время введения США эмбарго в отношении арабской нефти, изменившего дальнейший ход мировой истории.
Шейха Йамани сложно заподозрить в предвзятости: мировая энергетика до сих пор преимущественно зависит от ближневосточной нефти. Поэтому, если он говорит о близком окончании нефтяного века, значит, этому есть основательные причины. Переход на новые источники энергии будет нелегок и недешев, но правильный подход может существенно упростить эту задачу. Однако пока ведущие мировые державы, и в первую очередь США, не торопятся делать в этом направлении решительные шаги.
Есть ли практический смысл в переходе на новые источники энергии, принимая во внимание связанные с этим затраты? Несомненно, есть. Сложившаяся сейчас практика преимущественного использования нефти как энергоносителя тоже создает ряд проблем. Во-первых, политически неразумно ограничиваться одним крупнейшим источником поставок нефти — Организацией стран — экспортеров нефти (ОПЕК). Нефтяная энергетика полностью зависит от эффективной работы транспорта. Любой перебой в поставке нефти приведет к кризису западной экономики, тем более, что большая часть мировых ресурсов нефти сосредоточена в небольшом по площади регионе — Саудовской Аравии и четырех соседних странах. Во-вторых, ОПЕК в течение последних 30 лет поддерживает необоснованно высокие цены на нефть. В-третьих, нефть и ее продукты наносят огромный ущерб окружающей среде и здоровью человека.
Единственный способ разрешить эти проблемы — снизить долю нефти в мировой энергетике. Когда-то это казалось невыполнимым. Сегодня же появилась реальная альтернатива нефтяному топливу — водородные топливные ячейки. Они представляют собой батареи, которые могут поставлять энергию до тех пор, пока не прекратится подача водорода. Водород же, в отличие от нефти, может быть получен различными способами: из природного и каменноугольного газа, из возобновляемых источников и другими способами. Вторая альтернатива — так называемый биоэтанол. Уже сейчас некоторые автомобильные двигатели работают на смеси бензина с этанолом.
Естественно, переход на новые источники энергии не может произойти в один день. Пройдет одно-два десятилетия, прежде чем водородное топливо или биоэтанол займут сколь-нибудь заметное место в мировой энергетике. Но тем не менее это первые серьезные реально воплотимые альтернативы. Водород может производиться в любой точке мира, что исключает какую бы то ни было монополистическую деятельность и региональную концентрацию.
Изобретатель из США Стэнли Мэйер разработал электрическую ячейку, которая позволяет разделять обыкновенную водопроводную воду на водород и кислород с гораздо меньшей затратой энергии, чем требуется при обычном электролизе. В то время, как обычный электролиз воды требует тока, измеряемого в амперах, ячейка Мэйера производит тот же эффект при миллиамперах. Более того, обыкновенная водопроводная вода требует добавления электролита, например, серной кислоты, для увеличения проводимости; ячейка же Мэйера действует при огромной производительности, имея дело лишь с чистой водой. Самым поразительным аспектом ячейки Мэйера является то, что она остается холодной даже по прошествии нескольких часов после начала производства газа.
Ячейка Мэйера имеет много общего с электролитической ячейкой, за исключением того, что она работает при высоком потенциале и низком токе лучше, чем модели, реализующие другие методы. Электроды сделаны из параллельных пластин нержавеющей стали, образующих либо плоскую, либо концентрическую конструкцию. Выход газа обратно пропорционален расстоянию между ними. Приемлемый результат достигается при расстоянии 1,5 мм.
Значительны отличия, касающиеся питания ячейки. Мэйер использует внешнюю индуктивность, которая образует колебательный контур с емкостью ячейки (чистая вода, по-видимому, обладает диэлектрической проницаемостью около 5), чтобы создать параллельную резонансную схему. Таковая возбуждается мощным импульсным генератором, который вместе с емкостью ячейки и выпрямительным диодом составляет схему накачки. Высокая частота импульсов производит на электродах ячейки ступенчато растущий потенциал до тех пор, пока не достигается точка, в которой молекула воды распадается и возникает кратковременный импульс тока. Схема измерения тока питания выявляет этот скачок и запирает источник импульсов на несколько циклов, позволяя воде восстановиться. Фиксируемый при этом выход газа достаточен для того, чтобы поддержать водородно-кислородное пламя, которое мгновенно плавит сталь.
Результат позволяет говорить о возможности эффективного и управляемого производства газа, кроме того, производства, быстрого и безопасного в функционировании. Управление осуществляется путем увеличения и уменьшения потенциала. Сам изобретатель говорит об искажении и поляризации молекулы воды под действием электрического поля как об усиливающем эффект резонансе. Не считая обильного выделения кислорода и водорода и минимального нагревания ячейки, очевидцы также сообщают, что вода внутри ячейки быстро исчезает, переходя в свои составные части в виде аэрозоля из огромного количества крошечных пузырей, покрывающих поверхность ячейки.
Мэйер заявил, что у него в течение последних 4 лет работает конвертер водородно-кислородной смеси, использующий цепочку из 6 цилиндрических ячеек. Он также сообщил, что фотонное стимулирование пространства реактора светом лазера посредством оптоволокна способствует увеличению объема производимого газа.
Руководитель Федерального агентства по атомной энергии академик Александр Румянцев (Россия) полагает: шансы на успех у водородной энергетики достаточно велики, так как запасы водорода в природе неисчерпаемы. При сжигании водорода образуется вода — экологи могут быть счастливы. В США это национальное направление, в его рамках предусмотрено создание высокотемпературных реакторов. В России главным энтузиастом водородной энергетики стал академик Анатолий Коротеев. Уже созданы мегаваттные сборки на таких элементах, хотя стоят они пока дорого. Главная проблема — безопасность, так как водород является чемпионом по склонности к взрыву. Но Коротеев успокаивает: проблема может быть решена, ведь бензобак же не взрывается.
Сам Коротеев — ведущий специалист России в области рабочего процесса в ракетных двигателях различных типов. Именно в данной связи он и продвигает водородную энергетику. Сама по себе идея еще не могла бы быть реализована, говорит он, если бы не удалось показать, что водород можно нагреть до 2000°С, что материалы при этом выдержат, что они не разрушатся, и водород можно будет хранить нужное время (ведь точка кипения у него составляет -250°С — его нужно хранить так, чтобы он при этом не испарялся). Очень помогли, подчеркивает академик, работы советских ученых в области ядерных ракетных двигателей, выполненные в 60-е и 70-е гг. Тогда-то и были проведены обширные исследования, показывающие, что водород может нагреваться до высокой температуры и храниться.
Что же касается использования водородных топливных ячеек в качестве автономных источников электроэнергии для жилища, то здесь прогресс продвигается не столь очевидно. В начале 90-х сразу несколько американских компаний объявили о прорыве в технологии, который позволяет снизить цену домашнего электрогенератора на основе топливных ячеек до $5 тыс., то есть сделать устройство доступным для большинства американских семей. Одного такого генератора мощностью 5 кВт хватает, чтобы обеспечить электроэнергией все домашнее хозяйство. Прототип устройства даже был установлен в отдельно взятом доме неподалеку от Нью-Йорка, что дало повод The New York Times возвестить о начале эпохи домашней водородной энергетики. Однако спустя два года выяснилось, что демонстрация возможностей новой установки обошлась ее устроителям в $30 тыс.
Главное препятствие коммерциализации топливных ячеек (независимо от того, где они применяются) — высокая себестоимость. Разработчики водородной энергетики, как правило, умалчивают о том, что для изготовления самой ячейки и сопутствующего устройства — реформера (он извлекает водород, например, из метанола или природного газа) — необходим дорогостоящий платиновый катализатор. Только в прошлом году цена на платину выросла с $400 до $650 за унцию. А за 5 прошедших лет конструкторам удалось снизить необходимое количество дорогостоящего металла в топливных ячейках лишь на 12%. В ход шли различные ухищрения: применялись сплавы платины с менее дорогостоящими металлами, совершенствовалась конструкция реформера. Тем не менее, сегодня говорить о массовом производстве автомобилей или домашних электрогенераторов на топливных ячейках все же рано.
Десятилетия научных изысканий в области водородной энергетики (топливные ячейки были применены еще в космических кораблях проекта "Аполлон", который NASA начала в середине 60-х гг.) пока не привели к масштабной коммерциализации этой технологии. Поэтому скептики зачастую сравнивают топливные ячейки с солнечными батареями — иной концепцией безопасной энергии, но с похожей судьбой.
Однако, в отличие от солнечных батарей, топливные ячейки все же более обласканы вниманием инвесторов. Только крупные компании вроде 3M, DuPont, Toshiba, General Motors ежегодно инвестируют в новую технологию около $1 млрд.
Сергей ЗОЛОТОВ
Наверно, его можно было бы назвать утопичным, если бы оно раздавалось со стороны экологов. Но автор этого высказывания не имеет к ним никакого отношения — это не кто иной, как Шейх Заки Йамани, бывший министром нефтедобывающей промышленности Саудовской Аравии три десятка лет назад. Его фигура привлекла к себе всемирное внимание во время введения США эмбарго в отношении арабской нефти, изменившего дальнейший ход мировой истории.
Шейха Йамани сложно заподозрить в предвзятости: мировая энергетика до сих пор преимущественно зависит от ближневосточной нефти. Поэтому, если он говорит о близком окончании нефтяного века, значит, этому есть основательные причины. Переход на новые источники энергии будет нелегок и недешев, но правильный подход может существенно упростить эту задачу. Однако пока ведущие мировые державы, и в первую очередь США, не торопятся делать в этом направлении решительные шаги.
Есть ли практический смысл в переходе на новые источники энергии, принимая во внимание связанные с этим затраты? Несомненно, есть. Сложившаяся сейчас практика преимущественного использования нефти как энергоносителя тоже создает ряд проблем. Во-первых, политически неразумно ограничиваться одним крупнейшим источником поставок нефти — Организацией стран — экспортеров нефти (ОПЕК). Нефтяная энергетика полностью зависит от эффективной работы транспорта. Любой перебой в поставке нефти приведет к кризису западной экономики, тем более, что большая часть мировых ресурсов нефти сосредоточена в небольшом по площади регионе — Саудовской Аравии и четырех соседних странах. Во-вторых, ОПЕК в течение последних 30 лет поддерживает необоснованно высокие цены на нефть. В-третьих, нефть и ее продукты наносят огромный ущерб окружающей среде и здоровью человека.
Единственный способ разрешить эти проблемы — снизить долю нефти в мировой энергетике. Когда-то это казалось невыполнимым. Сегодня же появилась реальная альтернатива нефтяному топливу — водородные топливные ячейки. Они представляют собой батареи, которые могут поставлять энергию до тех пор, пока не прекратится подача водорода. Водород же, в отличие от нефти, может быть получен различными способами: из природного и каменноугольного газа, из возобновляемых источников и другими способами. Вторая альтернатива — так называемый биоэтанол. Уже сейчас некоторые автомобильные двигатели работают на смеси бензина с этанолом.
Естественно, переход на новые источники энергии не может произойти в один день. Пройдет одно-два десятилетия, прежде чем водородное топливо или биоэтанол займут сколь-нибудь заметное место в мировой энергетике. Но тем не менее это первые серьезные реально воплотимые альтернативы. Водород может производиться в любой точке мира, что исключает какую бы то ни было монополистическую деятельность и региональную концентрацию.
Изобретатель из США Стэнли Мэйер разработал электрическую ячейку, которая позволяет разделять обыкновенную водопроводную воду на водород и кислород с гораздо меньшей затратой энергии, чем требуется при обычном электролизе. В то время, как обычный электролиз воды требует тока, измеряемого в амперах, ячейка Мэйера производит тот же эффект при миллиамперах. Более того, обыкновенная водопроводная вода требует добавления электролита, например, серной кислоты, для увеличения проводимости; ячейка же Мэйера действует при огромной производительности, имея дело лишь с чистой водой. Самым поразительным аспектом ячейки Мэйера является то, что она остается холодной даже по прошествии нескольких часов после начала производства газа.
Ячейка Мэйера имеет много общего с электролитической ячейкой, за исключением того, что она работает при высоком потенциале и низком токе лучше, чем модели, реализующие другие методы. Электроды сделаны из параллельных пластин нержавеющей стали, образующих либо плоскую, либо концентрическую конструкцию. Выход газа обратно пропорционален расстоянию между ними. Приемлемый результат достигается при расстоянии 1,5 мм.
Значительны отличия, касающиеся питания ячейки. Мэйер использует внешнюю индуктивность, которая образует колебательный контур с емкостью ячейки (чистая вода, по-видимому, обладает диэлектрической проницаемостью около 5), чтобы создать параллельную резонансную схему. Таковая возбуждается мощным импульсным генератором, который вместе с емкостью ячейки и выпрямительным диодом составляет схему накачки. Высокая частота импульсов производит на электродах ячейки ступенчато растущий потенциал до тех пор, пока не достигается точка, в которой молекула воды распадается и возникает кратковременный импульс тока. Схема измерения тока питания выявляет этот скачок и запирает источник импульсов на несколько циклов, позволяя воде восстановиться. Фиксируемый при этом выход газа достаточен для того, чтобы поддержать водородно-кислородное пламя, которое мгновенно плавит сталь.
Результат позволяет говорить о возможности эффективного и управляемого производства газа, кроме того, производства, быстрого и безопасного в функционировании. Управление осуществляется путем увеличения и уменьшения потенциала. Сам изобретатель говорит об искажении и поляризации молекулы воды под действием электрического поля как об усиливающем эффект резонансе. Не считая обильного выделения кислорода и водорода и минимального нагревания ячейки, очевидцы также сообщают, что вода внутри ячейки быстро исчезает, переходя в свои составные части в виде аэрозоля из огромного количества крошечных пузырей, покрывающих поверхность ячейки.
Мэйер заявил, что у него в течение последних 4 лет работает конвертер водородно-кислородной смеси, использующий цепочку из 6 цилиндрических ячеек. Он также сообщил, что фотонное стимулирование пространства реактора светом лазера посредством оптоволокна способствует увеличению объема производимого газа.
Руководитель Федерального агентства по атомной энергии академик Александр Румянцев (Россия) полагает: шансы на успех у водородной энергетики достаточно велики, так как запасы водорода в природе неисчерпаемы. При сжигании водорода образуется вода — экологи могут быть счастливы. В США это национальное направление, в его рамках предусмотрено создание высокотемпературных реакторов. В России главным энтузиастом водородной энергетики стал академик Анатолий Коротеев. Уже созданы мегаваттные сборки на таких элементах, хотя стоят они пока дорого. Главная проблема — безопасность, так как водород является чемпионом по склонности к взрыву. Но Коротеев успокаивает: проблема может быть решена, ведь бензобак же не взрывается.
Сам Коротеев — ведущий специалист России в области рабочего процесса в ракетных двигателях различных типов. Именно в данной связи он и продвигает водородную энергетику. Сама по себе идея еще не могла бы быть реализована, говорит он, если бы не удалось показать, что водород можно нагреть до 2000°С, что материалы при этом выдержат, что они не разрушатся, и водород можно будет хранить нужное время (ведь точка кипения у него составляет -250°С — его нужно хранить так, чтобы он при этом не испарялся). Очень помогли, подчеркивает академик, работы советских ученых в области ядерных ракетных двигателей, выполненные в 60-е и 70-е гг. Тогда-то и были проведены обширные исследования, показывающие, что водород может нагреваться до высокой температуры и храниться.
Что же касается использования водородных топливных ячеек в качестве автономных источников электроэнергии для жилища, то здесь прогресс продвигается не столь очевидно. В начале 90-х сразу несколько американских компаний объявили о прорыве в технологии, который позволяет снизить цену домашнего электрогенератора на основе топливных ячеек до $5 тыс., то есть сделать устройство доступным для большинства американских семей. Одного такого генератора мощностью 5 кВт хватает, чтобы обеспечить электроэнергией все домашнее хозяйство. Прототип устройства даже был установлен в отдельно взятом доме неподалеку от Нью-Йорка, что дало повод The New York Times возвестить о начале эпохи домашней водородной энергетики. Однако спустя два года выяснилось, что демонстрация возможностей новой установки обошлась ее устроителям в $30 тыс.
Главное препятствие коммерциализации топливных ячеек (независимо от того, где они применяются) — высокая себестоимость. Разработчики водородной энергетики, как правило, умалчивают о том, что для изготовления самой ячейки и сопутствующего устройства — реформера (он извлекает водород, например, из метанола или природного газа) — необходим дорогостоящий платиновый катализатор. Только в прошлом году цена на платину выросла с $400 до $650 за унцию. А за 5 прошедших лет конструкторам удалось снизить необходимое количество дорогостоящего металла в топливных ячейках лишь на 12%. В ход шли различные ухищрения: применялись сплавы платины с менее дорогостоящими металлами, совершенствовалась конструкция реформера. Тем не менее, сегодня говорить о массовом производстве автомобилей или домашних электрогенераторов на топливных ячейках все же рано.
Десятилетия научных изысканий в области водородной энергетики (топливные ячейки были применены еще в космических кораблях проекта "Аполлон", который NASA начала в середине 60-х гг.) пока не привели к масштабной коммерциализации этой технологии. Поэтому скептики зачастую сравнивают топливные ячейки с солнечными батареями — иной концепцией безопасной энергии, но с похожей судьбой.
Однако, в отличие от солнечных батарей, топливные ячейки все же более обласканы вниманием инвесторов. Только крупные компании вроде 3M, DuPont, Toshiba, General Motors ежегодно инвестируют в новую технологию около $1 млрд.
Сергей ЗОЛОТОВ
Строительство и недвижимость. Статья была опубликована в номере 34 за 2004 год в рубрике энергетика
