1. Концепция водородной энергетики

Роль топлива как источника и удобного "аккумулятора" энергии будет, по-видимому, непрерывно возрастать. Для ряда областей применения, например в авиации, топливо является незаменимым источником энергии. В связи с прогрессирующим дефицитом ископаемых топлив в настоящее время в литературе довольно детально обсуждается вопрос об их возможных заменителях. Речь идет о синтезе с затратой энергии веществ, которые можно было бы эффективно использовать в качестве топлива для нужд промышленности, автомобильного и авиационного транспорта. Согласно оценкам ряда экспертов, наиболее перспективным синтетическим топливом является водород [38-43].

Энергоемкость. Водород - достаточно энергоемкое соединение. В расчете на единицу массы он превосходит все соединения, могущие служить в качестве топлива. По энергоемкости на единицу массы водород в 2,6 раза превосходит природный газ; в 3,3 раза - жидкие углеводороды нефти; в 6,6 раза - метанол; в 8,3 раза - целлюлозу, природный продукт фотосинтеза.

Экологические особенности. Водород - экологически "чистое" топливо, не вызывающее загрязнение окружающей среды. Практически единственным продуктом сгорания водорода является вода. Полностью отсутствуют характерные для углеводородных топлив загрязняющие атмосферу соединения, такие как углекислота, окись углерода, двуокись серы, пары углеводородов и т. д. Единственным обнаруженным побочным продуктом при сгорании водорода в воздухе является окись азота, но это соединение образуется в ничтожных количествах. При условии получения водорода из воды энергетика, использующая в качестве топлива водород, в отличие от энергетики на основе углеводородов, является замкнутой (рис. 3).

Рис. 3. Водородная энергетика

Транспорт, распределение конверсии в электроэнергию. Особенностью водорода является возможность эффективного преобразования энергии топлива в электроэнергию с использованием электрохимических генераторов (топливных элементов). КПД преобразования энергии в разработанных уже в настоящее время топливных элементах достигает 70-80% [44-47]. Ожидается, что технология широкого использования водородных топливных элементов в ближайшие десятилетия получит большое развитие. Планируется создание электрохимических генераторов общей мощности до 26 мВт [47].

Преимущества энергетики, основанной на использовании водорода, достаточно очевидны. Однако на пути реализации этой идеи предстоит решить ряд принципиальных научных и технических задач. Эти задачи условно можно разбить на три категории: 1) поиск и разработка первичных источников энергии, которые можно использовать для синтеза водорода; 2) безопасное хранение, транспорт, распределение больших количеств газообразного и жидкого водорода [67]; 3) эффективное преобразование энергии водорода для целей автомобильного и авиационного транспорта, бытовых целей и т. д.

Работы в области водородной энергетики активно ведутся в Советском Союзе [37, 42].

Принципиальным вопросом водородной энергетики является вопрос об источнике первоначальной энергии, необходимой для синтеза топлива. Этот выбор достаточно ограничен. В литературе серьезно обсуждаются лишь три источника, которые могли бы обеспечить энергией в необходимом количестве экспоненциально развивающиеся потребности народного хозяйства. Речь идет о термоядерной, атомной и солнечной энергии. По-видимому, на определенном этапе развития значительный вклад в энергетику будет вносить разработка угля с получением газообразного и жидкого топлива [48-50].

Исследование способов освоения термоядерной энергии в настоящее время находится в развитии и, по-видимому, в течение ближайших 20-50 лет даже при благоприятном решении ряда принципиальных проблем не сможет достичь уровня промышленного освоения [29]. Наиболее широко используется энергия ядерного распада, которое в настоящее время перешло в ранг атомной промышленности. Анализ, проведенный в ряде работ (см., например, [29]), показывает, что в последние десятилетия в развитых научно-индустриальных стран атомная энергия является единственным реальным первичным источником, способным компенсировать прогрессирующий дефицит ископаемых топлив.

Достаточно надежное обоснование получил проект конверсии атомной энергии в энергию водорода [40, 45]. Различные аспекты атомно-водородной энергетики рассмотрены в работах [42, 51]. Предполагается, что водород можно будет получать путем электролиза воды на атомных электростанциях либо путем термического разложения воды с использованием различного рода термохимических циклов [52-58].