Кузык Б.Н., Яковец Ю.В. Россия: стратегия перехода к водородной энергетике

Подождите немного. Документ загружается.

Россия: стратегия перехода к водородной энергетике

для производства водорода будут иметь высокотемператур-

ные ядерные реакторы и электролиз. Глобальное производс-

тво водорода достигнет своего пика (330 EJ в год) в 2080 г.

и затем пойдет на спад.

Согласно сценарию В1–Н

, производство электроэнергии

в значительной мере отойдет от традиционных технологий,

основанных на использовании ископаемых источников энер-

гии, в сторону альтернативных технологий. Этот переход

будет способствовать обеспечению целей устойчивого разви-

тия электрогенерирующих систем. К концу XXI в. водородные

топливные элементы, ядерные энергетические установки

и возобновляемые источники станут основными поставщи-

Рис. 2.4. Основные источники получения водорода

для промышленных целей

Здесь и далее приводятся рисунки из работы: Baretto L., Makihira A., Riahi K. The Hydrogen Economy in the

21-th Century: A Sustainable Development Scenario. The International Journal of Hydrogen Energy. March, 2002.

2000 2020 2040 2060 2080 2100

Производство водорода, EJ

Солнечная термическая энергия

Высокотемпературные ядерные реакторы

Реакторный электролиз

Газификация биомассы

Окисление топлива

Преобразование газовых потоков

Газификация угля

100

200

300

400

ГЛАВА 2

ками электроэнергии, в то время как электростанции на

угольном топливе или нефти полностью утратят свое зна-

чение. Единственным видом ископаемого топлива, который

сохранит свое место, останется природный газ, однако его

удельный вес будет существенно ниже, чем у новых альтерна-

тивных источников. На рис. 2.5 представлены доли различных

генерирующих технологий в глобальном производстве элект-

роэнергии к 2020, 2050 и 2100 гг.

Переход на новые виды топлива будет иметь существен-

ное значение для организации отрасли. На смену мощным

электростанциям придут маломасштабные генерирующие

системы, которые будут создаваться вблизи от потребителей

электроэнергии.

Рис. 2.5. Удельный вес различных генерирующих технологий в глобальном

производстве электроэнергии

Уголь

Нефть

Газ

ТЭ

Отходы

Водородные ТЭ

Атомная

Гидроэнергия

Солнечная

Тепловая

Биомасса

Геотермальная

Энергия ветра

Технологии на основе

ископаемых топлив

Технологии

без выбросов углерода

2020

2050

2100

Россия: стратегия перехода к водородной энергетике

К концу XXI в. децентрализованные системы, основанные

главным образом на использовании водородных топливных

элементов и преобразователях солнечной энергии, будут

обеспечивать почти половину потребностей рынка в электро-

энергии. В частности, доля водородных топливных элементов

по прогнозу достигнет к 2100 г. 38%.

Согласно принятому сценарию, на протяжении всего столе-

тия будет происходить сдвиг в конечном потреблении энергии

в сторону более экологически чистых, гибких и удобных для

потребителей энергоносителей (рис. 2.6). Твердые топлива

(уголь и биомасса) будут вытеснены с рынка конечных источ-

ников энергии. Доля превалирующих сегодня на этом рынке

нефтепродуктов существенно сократится. Доминирующую

роль в конечном потреблении станут играть электричество

и водород. Последний к концу XXI в. станет главным конеч-

ным энергоносителем, доля которого достигнет 49%.

Рис. 2.6. Доля различных источников энергии в конечном потреблении

Водород

Электричество

Природный газ

Централизован ное

теплоснабжение

Спирты

Нефтепродукты

Биомасса

Каменный уголь

2000 2020 2040 2060 2080 2100

100

Доля различных источников энергии

(Категория «Спирты» на графике включает этанол и метанол)

ГЛАВА 2

Ожидаемым изменениям будет способствовать развитие

технологии топливных элементов. Они станут играть ключе-

вую роль на транспорте (где будут вытеснять превалирующие

сегодня двигатели внутреннего сгорания), в ключевых про-

мышленных нишах, в быту и бизнесе. На рис. 2.7 показана

ожидаемая по сценарию В1–Н

глобальная динамика рынка

топливных элементов по сравнению с другими технологиями

на транспорте. Как видно из рисунка, агрегированная доля

топливных элементов превысит 51% в 2050 г. и вырастет до

71% к 2100 г. Основными среди них будут водородные топ-

ливные элементы, однако важное дополнение к ним составят

топливные элементы на спирте.

Столь широкое распространение топливных элементов

будет иметь важные последствия не только в энергетике и на

транспорте, но и в других секторах экономики. Однако для

этого необходимо преодолеть ряд проблем, связанных с их

хранением, транспортировкой и созданием необходимой для

2000 2020 2040 2060 2080 2100

100

Доля на мировом рынке

Прочие технологии

Технологии на основе

топливных элементов

Рис. 2.7. Рост доли технологии водородных топливных элементов

на транспорте

Россия: стратегия перехода к водородной энергетике

этого инфраструктуры. Одна из проблем – риски применения

водородных топливных элементов в быту и на транспорте.

Другим важным следствием перехода на водородные топ-

ливные элементы станет снижение выбросов углерода. Об

этом свидетельствует, в частности, сравнение сценария В1–Н

с построенным в 2000 г. сценарием В2, основанным на модели

Международного института прикладного системного анализа

(модель использует традиционные предположения о влиянии

технологического прогресса на окружающую среду).

Как видно из рис. 2.8, в традиционной модели эмиссия

углерода от использования энергии и промышленного произ-

водства увеличивается с 6,2 Гт углерода в 1990 г. до 14,2 Гт

углерода в 2100 г. В сценарии В1–Н

пик выбросов угле-

рода – 10,5 Гт – достигается к 2040 г. и затем снижается

к 2100 г. до уровня 5,5 Гт, что даже ниже, чем в 1990 г.

На основании полученных оценок авторы прогноза при-

ходят к выводу, что развитие водородной энергетики может

принести важные и глубокие изменения в функциониро-

Рис. 2.8. Два сценария динамики глобальных выбросов углерода

Глобальные выбросы СО

Использование

традиционных

технологий

Сдвиг

к водородным

технологиям

1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020 2040 2060 2080 2100

Исторические

данные

2020

2050

2100

B1 – H

6% водорода

29% водорода

50% водорода

ГЛАВА 2

вание современных энергетических рынков и привычные

методы ведения бизнеса. Особенно чувствительны к этим

изменениям рынки генерируемой электроэнергии и транс-

порта. Здесь ожидается появление новых продуктов, новых

стандартов сервиса, партнерств в области инновационного

бизнеса и пр. Крупномасштабная трансформация глобаль-

ной энергетической системы способна привести к чистому

с точки зрения окружающей среды и устойчивому будущему

человечества. Однако для ее осуществления сегодня необхо-

димы усилия во многих областях знаний и заинтересованное

участие в этой трансформации большинства социальных

групп общества. Прежде всего необходима совокупность

согласованных мер государства и бизнеса, направленных на

стимулирование роста водородной энергетики как устойчи-

вой отрасли.

Таким образом, можно говорить о том, что одной из наибо-

лее важных тенденций мирового научно-технологического

развития в настоящее время является концентрация усилий

на изучении путей замещения традиционных энергоносите-

лей на более доступные альтернативные и возобновляемые

источники энергии. В краткосрочной перспективе можно,

в частности, ожидать расширения использования различных

видов биотоплива. Ведущую роль в развитии этого направ-

ления будут играть США, страны ЕС и Бразилия. В более

долгосрочном плане одним из самых перспективных решений

многих энергетических и экологических проблем представля-

ется переход на водородное топливо и широкое использова-

ние водородных топливных элементов.

В случае успешного завершения проводимых в этом

направлении исследований и разработок можно ожидать

получения значимых коммерческих результатов в 2015–

2020 гг., что позволит заложить основы для перехода эконо-

мики ведущих индустриальных стран мира к новому техноло-

гическому укладу.

ГЛАВА 3

Стратегия научно-технического

и инновационно-технологического

освоения и продвижения

на рынок водородных технологий

и топливных элементов

Автор разделов 3.1–3.4 – первый заместитель генерального директора

НИК НЭП В.А. Пивнюк.

Водородная энергетика и топливные элементы (ТЭ) в бли-

жайшие годы способны стать устойчивой экономической аль-

тернативой традиционной энергетике. Хотя водород является

вторичным энергоносителем и пока стоит дороже ископаемых

углеводородных энергоносителей, его применение в качест-

ве топлива в электрохимических энергетических установках

с топливными элементами во многих случаях экономически

целесообразно уже сегодня.

Топливные элементы представляют собой принципиально

новую технологию прямого преобразования энергии водорода

(и отдельных видов углеводородного топлива) непосредст-

венно в электрическую энергию, минуя малоэффективные,

проходящие с большими потерями, процессы горения и меха-

нической работы, которые характерны для традиционных

(поршневых и турбинных) энергетических установок (ЭУ).

Мировая отрасль топливных элементов находится сей-

час на этапе бурного технологического развития. Регулярно

появляются новые, потенциально более конкурентоспособ-

ГЛАВА 3

ные технологии и энергетические установки со все более

эффективными топливными элементами.

Разрабатываемые топливные элементы работают в различ-

ных режимах, зависящих в основном от особенностей исполь-

зуемых конструкционных материалов, технологий изготовле-

ния и эксплуатационных требований. Топливные элементы

различных типов характеризуются отдельными сильными

и слабыми сторонами, обусловливающими области их при-

менения и рыночные ниши. Они являются ключевым узлом

электрохимических энергетических установок и в значитель-

ной степени определяют конструкцию (дизайн), надежность,

стоимость, компактность, удобство и режимы эксплуатации

электрохимических генераторов в целом.

3.1. Тенденции и проблемы мировой

энергетики в XXI веке

Потребности общества в энергии удовлетворяются за

счет ее первичных источников, которые разделяются на

возобновляемые и невозобновляемые. В свою очередь нево-

зобновляемые источники энергии делятся на традицион-

ные и нетрадиционные. Традиционные первичные источники

энергии – углеводороды (нефть и газ) месторождений на кон-

тинентах и в шельфовых зонах океанов, высококачественные

каменные угли, уран и торий (рис. 3.1). Нетрадиционные пер-

вичные источники энергии – нефтегазонасыщенные резер-

вуары в коллекторах с низкой проницаемостью, тяжелые

высоковязкие нефти, природные битумы и природный газ из

угольных месторождений, а также водорастворенные газы,

высоконасыщенные флюиды сверхбольших глубин, гидраты

метана, низкокалорийные высокозольные угли, торфы и рас-

сеянные урановые концентраты.

Возобновляемые первичные источники условно делятся

на два направления: первое ориентировано на гидроэнерге-

Россия: стратегия перехода к водородной энергетике

тику геотермальную, приливную и иные виды гидроресурсной

энергии; второе направление включает солнечную и ветро-

вую энергию, атомную и термоядерную энергию, энергию

биомассы и водород.

В XX в. преобладающим первичным источником энергии

было ископаемое топливо (уголь, нефть, газ). Использовалась

также гидроэнергия, а со второй половины века – атомная

энергия; доля дров и возобновляемых источников энергии

Рис. 3.1. Первичные источники энергии для получения водорода

Невозобновляемые Возобновляемые

Традиционные

месторождения

углеводородов (нефть

и газ) континентов

и шельфовых зон океанов

Нетрадиционные

Реальные к освоению

в XXI в.:

нефтегазонасыщенные

резервуары в коллекторах

с низкой проницаемостью;

тяжелые высоковязкие

нефти, природные

битумы;

природный газ угольных

месторождений

•

Гидроэнергия;

геотермальная;

приливная

и другие

виды гидро -

ресурс ных

источников

•

Высококачественные

каменные угли, включая

коксующиеся

Урановые месторождения

высококачественных руд

(130 долл. за 1 кг).

Месторождения тория

Гипотетические:

водорастворенные газы;

высокогазонасыщенные

флюиды сверхбольших

глубин;

гидраты метана;

низкокалорийные высоко -

зольные угли, торфы;

рассеянные урановые

концентраты бедных руд

•

Солнечная

энергия;

ветровая

энергия;

атомная

и термо-

ядерная

энергия;

энергия

биомассы;

водород

•

ГЛАВА 3

(ВИЭ) была незначительной и падала (рис. 3.2). В перспек-

тиве до 2050 г. в мире ожидается снижение доли первичного

топлива и повышение доли возобновляемых источников энер-

гии. Примерно те же тенденции изменения структуры топлив-

ного баланса ожидаются и в России.

На рис. 3.2 дана зависимость производства энергоресур-

сов в мире и в России в период 1900–2050 гг. Из диаграммы

видно, что в первой половине XXI столетия в России основ-

ным первичным источником энергии будет природный газ,

явно проявляются тенденции увеличения его потребления

и в мире. Потребление нефти к середине века должно ста-

билизироваться при одновременном росте возобновляемых

источников энергии, атомной энергии и энергии угля.

Согласно имеющимся прогнозам, потребление энергии

в мире к 2030 г. увеличится на 71% (2% в год).

Рис. 3.2. Производство энергоресурсов в мире и России

Млн т н. э.

Дрова и ВИЭ

Гидроэнергия

Атомная энергия

Газ

Нефть

Уголь

в мире;