05 января 2016г.
Как известно, энергетическая проблема имеет два аспекта: обеспечение будущих потребностей и расширение масштабов потребления. При анализе этой проблемы надо учитывать то, что истощение месторождений происходит во много раз быстрее, чем их образование. Так, для каменного угля продолжительность периодов расходования и образования характеризуется отношением 1 : 106. То, что создавалось в течение сотен миллионов лет, потребляется за столетия. Как долго могут сохраняться такие высокие темпы потребления ?
Пополнение запасов за счет открытия новых месторождений не является решением проблемы. Нехватка первичных источников энергии ожидается повсюду. Согласно прогнозам, истощение месторождений нефти и газа произойдет в течение жизни нескольких поколений.
Когда рассматриваются вопросы объемов добычи нефти или другого ископаемого топлива, часто ссылаются на «пирамиду Хабберта» – график зависимости объемов добычи ископаемого топлива от времени, который представляет собой кривую в форме колокола. Она поднимается, затем, достигнув максимума, переходит в небольшое плато, а затем полого сходит на нет. Сейчас мы находимся на кривой, почти вертикально идущей вверх. Но чем выше пик на этой кривой, тем круче она падает вниз. «Пирамида Хабберта» несколько раз уточнялась, но в принципе остается верной и сейчас. Момент перелома кривой от подъема к падению в настоящее время, по оценкам специалистов, придется примерно на 2025 год. А период, за который будут исчерпаны основные запасы легкодоступной нефти, принимается за 40 лет, природного газа – чуть больше 60 лет [1; 24].
На значительно больший срок хватит угля, однако в большинстве стран его запасы будут израсходованы уже в обозримом будущем. Этот процесс прогрессирует в таких промышленно развитых странах, как Франция, Бельгия, Япония.
Итак, рассмотрение временного аспекта энергетической проблемы вскрывает очень сложные вопросы. Безусловно, цифры, приведенные выше, в реальном времени могут корректироваться. Однако очевидно то, что эра дешевой нефти заканчивается. Поэтому прогнозы экспертов о природных запасах различных видов ископаемого топлива находятся в диапазоне от «проблематично» до «катастрофично».
Поскольку ни одна страна не планирует в связи с исчерпанием природных запасов топлива вернуться на уровень развития XIX века, активно идет поиск технологий использования новых возобновляемых источников энергии, которые могут стать альтернативой нефтяному топливу.
Альтернативными источниками энергии обычно считают солнечную, ветровую энергию, энергию, получаемую за счет перепада уровней воды в реках, а также приливов и отливов в прибрежных районах морей и океанов, тепло геотермальных источников, энергию морских волн, биомассу. Большинство из них позволяют получать тепловую и электрическую энергию. Но наибольший объем нефти, который желательно заменить альтернативным энергоносителем, используется при производстве моторного топлива для транспорта; только 10% нефти перерабатывается в химической промышленности. Поэтому наиболее важным вопросом в использовании альтернативных источников энергии представляет замещение нефтяного моторного топлива.
Возможности использования водородного топлива для сокращения объемов потребления нефти и выбросов соединений углерода в атмосферу.
В последние годы все острее ставится задача передачи энергии на большие расстояния с помощью так называемой водородной технологии. Кроме того, как утверждают специалисты, водород может стать наиболее перспективным вариантом замещения нефтяного топлива. Иначе говоря, одной из наиболее актуальных и сложных задач, стоящих перед учеными в ближайшие годы, остается создание двигателей для транспортных средств, исспользующих в качестве топлива водород.
Во-первых, водород можно получать методом электролиза воды с использованием возобновляемых источников энергии, а также из природного газа и угля. Во-вторых, источник водорода на земле неограничен, это вода морей и океанов. В-третьих, водород является экологически чистым моторным топливом, так как при его сгорании образуются только пары воды.
Известно, что страны, расположенные на экваториальных широтах и получающие электроэнергию с помощью солнечных коллекторов, могут использовать ее для разложения воды на водород и кислород. Полученный в результате электролиза водород в сжиженном виде доставляется в любое нужное место, где путем взаимодействия с кислородом воздуха вновь превращается в воду. Выделяемая при образовании воды энергия может быть использована для различных технических целей, а окружающей среде при этом не наносится никакого ущерба.
В принципе электролитически полученный водород можно транспортировать по трубопроводам или в цистернах. Для сжижения водорода необходимо применение криогенной техники, так как водород при нормальном давлении становится жидким при температуре около 20 К. Трубопроводы, танкеры и цистерны, предназначенные для перевозки или хранения сжиженных газов должны отвечать высоким требованиям термоизоляции, а это потребует очень больших затрат. Однако низкотемпературная технология, необходимая для получения и хранения жидкого водорода, уже существует. Для промышленного применения такой технологии не требуется никаких новых физических знаний. В этом состоит ее основное отличие от таких экзотических технологий, как например, управляемая термоядерная реакция.
В этой связи за последнее десятилетие на научные разработки по водородной тематике 17 стран мира потратили не один миллиард долларов. В США и Канаде действуют региональные программы по данному направлению, а компании Honda, Toyota и General Motors уже планируют внедрить коммерчески выгодный автомобиль на топливных батареях к 2020 г. Автопроизводители совместно с топливными гигантами Shell, Chevron и ВР работают над созданием парка водородных машин и инфраструктуры для них. Первые водородные заправочные станции уже строятся в США, в Европе и Китае.
Такой высокий интерес к водородным системам объясняется не только бережным отношением к окружающей среде, но и тем, что они будут способствовать развитию передовых технологий. Вместе с тем нужно отметить, что на пути широкого использования водородных автомобилей пока стоят технические и финансовые трудности. Так, ученые из Калифорнийского университета в Дэвисе пришли к выводу, что для широкого использования водорода необходимо оснастить топливным оборудованием 5-10 % городских заправочных станций. По расчетам специалистов компании General Motors для заправки 1 млн. американских автомобилей новым топливом потребуется 12 тыс. заправочных станций, каждая из которых стоит 1 млн. долларов США. Создание инфраструктуры для обслуживания 100 млн. автомобилей может стоить нескольких миллиардов долларов и на ее строительство уйдет несколько десятков лет. В эти затраты войдут также мощности для производства, транспортировки и хранения топлива.
По мнению специалистов Всемирного энергетического совета, переход к водородной экономике обойдется США в ближайшие 30 лет в 1,3 трлн. долларов США. Половина этих средств будет вложена в экономику нефтедобывающих стран. Около 300 млн. долларов уйдут на создание терминалов для перекачки нефти, трубопроводов и танкерного флота [2; 74-75].
Новые инновационные технологии, как известно, стоят дорого. Но таковы законы бизнеса. Несмотря на то, что переход к эксплуатации водородных автомобилей может занять несколько десятилетий, этот процесс будет способствовать защите окружающей среды. Поэтому утверждать, что водород не сможет быть заменителем нефтяного топлива, нет оснований. Это может произойти в определенных благоприятных условиях. В частности, Исландия планирует к 2050 г. перевести все свои автомобили и морские суда на водород, который будет производиться на электроэнергии, производимой на основе возобновляемых ресурсов.
Для этого есть благоприятные перспективы. Исландия – островное государство. Население страны не превышает 250-300 тыс. человек, а крупнейшего города и столицы Рейкьявика – 100 тыс. человек. Из природных энергетических ресурсов Исландия обладает только гидроэнергией за счет использования стока рек, питаемых ледниками, расположенными в центральной и южной частях острова. Ресурс гидроэнергии страны оценивается в 30 миллиардов кВт × ч, а к 90-м годам XX века было освоено только 3,9 миллиарда кВт× ч (то есть около 13 %).
Общая мощность электростанций – 916 тыс. кВт, из них гидравлических – 752 тыс. кВт (82 %), геотермальных – 89 тыс. кВт (10 %), тепловых – 57 тыс. кВт, то есть почти 92 % электроэнергии в стране производится за счет использования возобновляемых источников энергии. Теплоснабжение городов и тепличных комплексов осуществляется от геотермальных источников тепловой энергии [1; 25].
Следовательно, при развитии гидроэнергетики страна приобретает перспективу получать водород электролизом воды, чтобы выполнить программу перевода автомобильного транспорта и морских судов на водород. Здесь следует отметить, что такие проблемы использования водорода в качестве моторного топлива, как сложность его хранения, высокая текучесть, взрывоопасность, образование оксидов азота при сгорании водорода в цилиндрах двигателей остаются. Кроме того, в Исландии отсутствует собственное моторостроение и двигатели для работы на водороде потребуется заказывать в других странах. Водород в ДВС пока используется только в отдельных случаях и нет опыта его массового применения. Поэтому интересно будет проследить, как Исландия реализует программу замещения моторного топлива водородом.
Немецкая фирма БМВ планирует производить водородные автомобили в Китае. По всей видимости, Китай планирует получать электролитический водород в большом масштабе. Китай имеет развитую гидроэнергетику, являясь пятой страной по объему производства электроэнергии на ГЭС после Канады, США, Бразилии и России. Суммарная мощность ГЭС в Китае – 32 ГВт. В Китае строится крупнейшая в мире ГЭС «Плотина трех ущелий» мощностью 18,2 ГВт. После ее ввода мощность ГЭС в стране возрастет почти на 60 %. По-видимому, этот факт позволяет Китаю рассматривать водород как возможный заменитель моторного топлива на автотранспорте, своевременно решая вопросы производства автомобильных двигателей на водороде, используя в этом направлении опыт немецкой фирмы [1; 26].
Как видим, и в этом случае решение проблемы получения водорода как заменителя нефтяного моторного топлива базируется на уникальных природных ресурсах страны и большом потенциале гидравлической энергии. Но даже при таких благоприятных условиях имеется много еще нерешенных проблем.
Одним словам, идея полного замещения нефтяного топлива альтернативными источниками энергии продолжает во всем мире развиваться.
Список литературы
1. Некрасов В., Макаров А. Перекуем мечи на орала. Азотный вариант водородной энергетики // Промышленность Казахстана. – 2007. – № 3 (42). – С. 24-29.
2. Джоан Огден. Большие надежды // В Мире науки. – 2007. – № 1. – С. 69-75.
