Отчет - Исследование отрасли альтернативной энергетики Республики Казахстан. Том 3 Перспективные сегменты отрасли альтернативной энергетики
Подождите немного. Документ загружается.
«Исследование отрасли альтернативной энергетики Казахстана»
IGM consulting company
151
6.2. Мировые тенденции развития водородной энергетики
Водородная энергетика является приоритетным направлением развития энергетики
большинства индустриальных стран мира. Правительства этих стран планируют
постепенное сокращение потребления углеводородного топлива и переход на
альтернативные источники энергии. Наиболее перспективным в этом направлении
считается водородная энергетика.
Работы по развитию данного направления ведут США, страны Европейского Союза,
Япония, Канада, а также Россия, Китай и другие.
6.2.1. Водородная программа США
По прогнозам экспертов США, спрос на нефть на внутреннем рынке этой страны должен
увеличиться к 2025 году примерно на 50%. Одновременно возрастет зависимость от
импорта: если в настоящее время за счет покупаемой за рубежом нефти удовлетворяется
55% внутренних потребностей американской экономики, то к 2025 году этот показатель
превысит 68%.
Серьезное беспокойство по этому поводу заставляет
правительство США ежегодно
направлять на реализацию программ в области водородной энергетики около 300 млн.
долл. США. В 2003 году по предложению президента США Джорджа Буша была принята
«Инициатива в области водородного топлива», задача которой заключается в ускорении
проведения необходимых исследований и разработок по созданию и демонстрации
возможностей новых технологий.
Программой предусматривалось выделение в течение 2004—2008 годов на работы в
области водородной энергетики в общей сложности 1,2 млрд. долл. США, из которых 720
млн. долл. США предназначено на проведение научных исследований и разработок.
Президентская инициатива призвана способствовать принятию частным сектором
решений о коммерциализации и выводу на рынок технологий водородного топлива к 2015
году и получению ощутимых результатов по замещению нефти и ослаблению вредного
воздействия на окружающую среду после 2030 года.
График 4 Этапы перехода к водородной энергетике в США
72
В вышеприведенном плане отображен поэтапный переход к водородной энергетике к
2030—2040 годам:
72
Примечание: графическое изображение Интегрированного плана проведения НИОКР и демонстраций в
области ВЭ, разработанный Министерством энергетики США, февраль 2004г.
«Исследование отрасли альтернативной энергетики Казахстана»
IGM consulting company
153
Этап I (Technology Development Phase) предусматривает проведение исследований
и отработку технологий c учетом требований потребителей и реализацию деловых
кейсов, способствующих принятию решений о коммерциализации;
Этап II (Initial Market Penetration Phase) связан с началом коммерциализации
переносных и стационарных энергетических систем или транспортных средств и
началом инвестирования в формирование инфраструктуры при политической
поддержке со стороны правительства;
Этап III (Infrastructure Investment Phase) предполагается, что
водородные
энергетические и транспортные системы должны стать коммерчески доступными.
Кроме того, будет реализован ряд коммерческих инфраструктурных проектов;
Этап IV (Fully Developed Market and Infrastructure Phase) предусматривает то
обстоятельство, что водородные энергетические и транспортные системы станут
коммерчески доступными во всех регионах страны, будет сформирована
национальная инфраструктура водородной энергетики.
Министерство энергетики США проводит активную работу по разъяснению политики
правительства
в рассматриваемом направлении частному сектору и различным
общественным организациям.
Основными ключевыми ориентирами, достижение которых необходимо для построения
водородной экономики, по оценке Министерства энергетики США, служат:
создание систем хранения водорода для автомобиля, вес которых не превышает 9%
от общего веса, а запасы топлива обеспечивают без перезаправки пробег не менее
300 миль;
производство водорода из природного газа или жидкого топлива по цене 1,5
доллара за галлон в бензиновом эквиваленте;
создание автомобильных топливных элементов на основе полимерных
электролитных мембран, которые вырабатывают энергию по удельной цене 30—45
долл. США на 1 кВт и гарантируют 5000 часов работы без дополнительного
обслуживания;
создание не дающих выбросов углерода предприятий по производству водорода из
угля по себестоимости 0,80 долл. США и цене поставки 1,8 долл. США за галлон в
бензиновом эквиваленте;
разработка технологии доставки водорода по цене 1 долл. США за галлон в
бензиновом эквиваленте.
73
73
Источник: Доклад «На пути к водородной энергетике», Российская Академия Наук http://energetika.onet.ru/
«Исследование отрасли альтернативной энергетики Казахстана»
IGM consulting company
154
6.2.2. Европейская программа водородной энергетики
Значительный интерес к развитию водородной энергетики проявляется в последние годы
в странах ЕС. Это во многом связано с отсутствием у них значительных собственных
запасов энергоресурсов, необходимых для обеспечения экономического роста. По данным
Европейской комиссии, зависимость стран региона от импорта нефти составляет уже
около 50%, а к 2025 году увеличится до 70%, что препятствует реализации целей
устойчивого развития. В этой связи Европейский Союз главным образом, ориентирован на
построение интегрированной водородной экономики к 2050 году, основанной на
использовании возобновляемых источников энергии.
Одним из вариантов для успешной реализации планов по формированию единой
водородной экономики в рамках Европейского союза, является объединение
государственных и частных ресурсов стран региона и достижение четкой координации их
использования. С этой целью в 2004 году состоялось Первое заседание участников новой
программы, которая получила название Европейской технологической платформы в
области водородной энергетики и топливных элементов (European hydrogen and fuel cell
technology platform). Основная цель программы - переход ЕС от использования
ископаемых топливных ресурсов к водородной экономике, которая позволит обеспечить
Европе энергетическую безопасность, приемлемое качество воздушной среды и
необходимые меры защиты на случай прогнозируемых климатических изменений. Более
конкретная цель связана с превращением ЕС в ведущего игрока на мировом рынке
водородных технологий.
«Исследование отрасли альтернативной энергетики Казахстана»
IGM consulting company
155
Таблица 11 Прогнозируемый уровень развития водородных технологий и
топливных элементов в странах ЕС к 2020 году
Показатель
Переносные
(для ручных
электронных
приборов)
Переносные
генераторы
Стационарные
(для выработки
тепла и
электроэнергии)
Для
дорожного
транспорта
Количество продаваемых в
странах ЕС за год
водородных топливных
элементов
∼ 250 млн. ∼ 100 тыс.
(∼1ГВт)
100-200 тыс. (2-4
ГВт)
0,4-1,8 млн
Прогноз суммарных продаж
в странах ЕС до 2020 году
Нет данных
∼ 600 тыс.
(∼6ГВт)
400-800 тыс. (8-
16 ГВт)
Нет данных
Ожидаемое к 2020 году
состояние рынка роста
Существует Существует Находится в
стадии роста
Массовый
выход на
рынок
Средняя мощность системы
топливных элементов
15 Вт 10кВт 3 кВт (микро)
350 кВт
----
Ценовой ориентир для
системы топливных
элементов
1-2 евро/Вт 500 евро/кВт 2000 евро/кВт
(микро), 1000-
1500 евро/кВт
< 1000
евро/кВт
В данной таблице приводятся основные результаты, которые ожидаются от реализации
программы ЕС в среднесрочной перспективе.
В Японии действует водородная программа, рассчитанная до 2020 года, на реализацию
которой было выделено 4 млрд. долл.США. Так уже в 2010 году намечено поставить на
рынок 10 тыс. автомобилей с водородным двигателем.
Исландия - первая в мире страна, решившая
отказаться от использования ископаемых
энергоносителей и перейти на водородную энергетику, причем как на суше, так и на море.
Здесь планируется оснастить топливными элементами 12 000 судов. Поставлена цель —
«Нулевое загрязнение воздуха к 2030 году».
Исследования в области водородной энергетики развернуты в Китае, Индии,
Франции, Канаде, Швеции, Испании, Украине, Белоруссии и в других странах.
Европейская технологическая программа по водороду и топливным элементам ставит
широкий круг целей:
принятие политических решений по развитию водородных технологий в
энергетике и на транспорте;
значительное увеличение финансирования исследований по водородной тематике;
создание системы демонстрации преимуществ водородной энергетики и пилотных
проектов в этой области;
привлечение частного капитала к разработкам технологий;
«Исследование отрасли альтернативной энергетики Казахстана»
IGM consulting company
156
организация европейской системы образования по этой проблематике, включая
среднюю школу;
создание центра по пропаганде этих инициатив.
Разработан график освоения водородной энергетики на европейском континенте:
2010 г. — начало серийного производства автомобилей на водородном топливе,
создание водородных заправок;
2020 г. — достижение конкурентоспособности водородных автомобилей,
появление дешевых высокотемпературных топливных элементов;
2030 г. — появление устройств длительного хранения водорода и производства
электроэнергии домашними топливными элементами;
2040 г. — водородная энергетика станет доминирующей;
2050 г. — появление водородных самолетов.
«Исследование отрасли альтернативной энергетики Казахстана»
IGM consulting company
157
6.3. Развитие водородной энергетики в России и странах СНГ
Активные исследования и разработки в области водородной энергетики и технологий
начались в России в середине 1970-х годов. Они проводились по многим направлениям
крупными научными коллективами под руководством В. А. Легасова, Н. Д. Кузнецова, A.
M. Фрумкина, Р. Е. Лозино-Лозинского, А. А. Туполева и многих других выдающихся
ученых и крупных организаторов науки.
Разрабатывались новые технологические процессы крупномасштабного производства
водорода и водородсодержащих газов из природных топлив, воды и нетрадиционного
сырья, методы и средства его хранения, транспортировки и распределения, технологии
использования водорода и искусственных топлив на его основе в энергетике (в т. ч.
автономной), автотранспорте, авиации, ракетной технике, металлургии, химической
промышленности и других отраслях народного хозяйства.
Главными задачами этих исследований и разработок являлись снижение токсичности
выбросов и повышение эффективности использования первичных энергоресурсов.
Поскольку в крупных городах число автомобилей весьма велико и существует развитая
инфраструктура их топливообеспечения, рациональным путем внедрения водородного
топлива в автотранспорт было признано создание на базе существующих моделей
автомобилей с ДВС, способных работать как на водороде, так и на бензоводородных
смесях различного состава. Одновременно с этим разрабатывались двигательные
установки для перспективных автомобилей с нулевым выбросом на базе водородо-
воздушных топливных элементов и элементы инфраструктуры.
74
Таким образом, можно
отметить, что Россия до середины 90-х годов занимала передовые позиции в НИОКР в
сфере водородной энергетики.
В настоящее время развитие водородной энергетики в России относится к одному из
приоритетных и привлекательных направлений научно-технического прогресса в силу
уникальности химических («энергонасыщенности» процесса горения, формирования
гидридов с металлами и
интерметаллидами и пр.), физических (молекула H
2
– самая
маленькая из всех известных молекул, который всегда находится в атомарном состоянии)
свойств водорода и его экологической безопасности.
75
В 2003 году была принята государственная комплексная «Программа научно-
исследовательских и опытно-конструкторских работ по водородной энергетике и
топливным элементам», подписанная Российской академией наук и горно-
74
Источник: статья «Из истории водородной энергетики», газета «Энергетика и промышленность России»
№15-16 (107-108) август 2008г. газета «Энергетика и промышленность России»;
http://www.eprussia.ru/epr/107/8367.htm
75
Источник: http://www.nanometer.ru
«Исследование отрасли альтернативной энергетики Казахстана»
IGM consulting company
158
металлургическим комбинатом «Норильский никель». Согласно условиям данного
партнерства, «Норильский никель» ежегодно вкладывает в реализацию программы 20-40
млн. долларов, которые направлены на развитие инфраструктуры рынка водородных
топливных элементов в России и за рубежом.
76
В 2003-2005 годах в Белоруссии проводились широкомасштабные фундаментальные
исследования в области водородной энергетики в рамках Государственной программы
ориентированных фундаментальных исследований «ВОДОРОД» под руководством акад.
С.А. Жданка. Полученные технические и научные решения в ходе исследования
продемонстрировали возможность экономии энергоресурсов, совершенствования
технологических процессов при использовании энергоустановок. В Академии Наук
Белоруссии ведутся исследования по различным направлениям, связанным с получением,
хранением и использованием водорода, методам конверсии углеводородного топлива с
использованием неравновесной плазмы и сверхадиабатического фильтрационного горения
в пористых средах, по синтезу углеродных наноматериалов для систем связанного
хранения водорода, по созданию низкотемпературных и высокотемпературных топливных
элементов, по метрологическому обеспечению работ в области водородной энергетики. В
настоящее время создан ряд демонстрационных установок, реализующих новые
высокоэффективные технологии получения и использования водорода из метана,
природных газов с помощью плазменно-мембранной технологии, разрабатываются
конструкции топливных элементов для прямого преобразования химической энергии в
электрическую, создаются системы связанного хранения водорода в металлогидридных
аккумуляторах.
77
76
Источник: http://www.gzt.ru/business/2003/12/22/123200.html
77
Источник: http://www.itmo.by/hydrogen_power/h_power.htm
«Исследование отрасли альтернативной энергетики Казахстана»
IGM consulting company
159
6.4. Перспективы развития водородной энергетики в Казахстане
В период функционирования СССР в Казахстане активно проводились исследования и
эксперименты в области водородной энергетики. В частности в казахстанских и
российских лабораториях интенсивно занимались разработкой и созданием катализаторов
для получения водорода.
78
Многие казахстанские эксперты признают тот факт, что молекулярный водород является
одним из наиболее перспективных видов топлива. Однако при всех существующих
достоинствах водородной энергетики, есть большой недостаток, который пока сдерживает
ее развитие. Это процесс получения водорода путем электролиза, который является очень
энергоемким и соответственно дорогостоящим. Подобный фактор сдерживает
широкомасштабное применение водородной энергетики, как в мировом масштабе, так и в
рамках Казахстана.
В республике проводятся работы, направленные на удешевление процесса электролиза,
путем разложения воды на кислород и водород за счет использования солнечной энергии
или ветровых и гидродвигателей.
79
78
Источник: http://ecosever.ru/eco_energ/898.html
79
Источник: материал «Проект века, или в поисках вечной энергии», основанный на интервью с первым
вице-президентом Национальной инженерной академии Н.Надировым;
http://www.kazpravda.kz/index.php?uin=1151984397&chapter=1183062640&act=archive_date&day=29&month=6
&year=2007
«Исследование отрасли альтернативной энергетики Казахстана»
IGM consulting company
160
6.5. Технологии, основанные на водородной энергетике
По многим направлениям уже началась коммерциализация водородной техники,
водородных технологий и водородных энергетических систем (водородные автомобили,
топливные элементы, усовершенствованные электролизеры, водород - никелевые батареи
и др.). Остановимся, как на наиболее ярком примере, на коммерциализации водородного
автомобиля.
В автомобильном двигателе водород может быть использован двумя способами: либо как
горючее для традиционного двигателя внутреннего сгорания, либо в так называемых
«топливных ячейках»
80
(водород реагирует с кислородом, в результате вырабатывается
электричество, которое приводит в действие мотор). Теоретически, водород может в
обозримом будущем заменить нефть в качестве топлива для автомобилей.
Рисунок 27 BMW 750hL Cle anEnergy
Concept
2
Рисунок 28 BMW H2R на водородном
топливе
4
Достоинства: 1. Водород полностью сгорает в кислороде, выделяя большое количество
энергии и оставляя после себя только водяной пар, что делает автомобиль идеально
экологически «чистым», 2. Водород легко транспортировать по трубопроводам
практически на любые расстояния, тем более что он не ядовит (хотя и взрывоопасен) и не
обладает коррозирующим действием. 3. Запасы водорода (как компонента воды)
практически неограничены и более или менее равномерно распределены по всем
континентам.
Недостатки: 1. Существуют лишь несколько перспективных моделей водородных
автомобилей обоих типов. Однако их коммерческая привлекательность остается низкой -
на сегодняшний день средняя стоимость автомобиля, оснащенного топливными ячейками,
составляет 100 тыс. долл. США; 2. В мире практически полностью отсутствует
водородная инфраструктура. Лишь недавно
три штата США и Федеральный Округ
Колумбия (столица страны - город Вашингтон) начали реализовывать проекты такого
рода, правда есть ряд альтернативных идей: так, компания Honda, создавшая достаточно
80
Примечание: fuel cell – топливный элемент