Водород: основные свойства. Водород как химический элемент был открыт в ХVIII веке. Французский химик Лавуазье в 1783 г. обнаружил, что неизвестный газ, образующийся при каталитическом I высокотемпературном разложении воды, сгорая в кислороде, воду же и образует, и назвал его I "hydroge n e" (в переводе с греческого - "рождающий воду"). Интересно, что этот вложенный в название смысл сохранился во всех европейских языках: водород, hydroge n (англ.), Wasserstoff (нем.).

Водород является наиболее распространенным элементом во Вселенной (более 90 атм.%), а на Земле его доля оценивается в 17 атм.%, уступая лишь кислороду. В земных условиях водород может находиться либо в виде химических соединений, львиная доля которых приходится на воду, либо в виде прочной двухатомной молекулы Н₂ с энергией связи 432 кДж/моль. При этом содержание свободного молекулярного водорода крайне мало и не превышает 0,00005%. В индивидуальном состоянии водород - это бесцветный, не имеющий запаха, не токсичный газ с очень низкой плотностью (около 90 грамм в кубическом метре при Нормальных условиях). Температура кипения водорода -2530С, Т.е. всего на 20 градусов выше абсолютного нуля.

Водород обладает уникальным набором свойств, с одной стороны, определяющих его широкое использование в различных областях промышленности, и, с другой стороны, порождающих ряд технических проблем. Способность водорода вступать при повышенных температурах в каталитические реакции гидрирования широко используется в химической (синтез аммиака и метанола), нефтехимической (гидрокрекинг) и пищевой (гидрирование растительных жиров) промышленностях, а также в ряде других отраслей. Восстановительные свойства водорода используются в химической технологии, металлургии, микроэлектронике.

           Водород обладает максимальной среди всех известных веществ теплотворной способностью. При его сжигании (окислении кислородом с образованием воды) выделяется 142 кДж/г, что в 2-3 раза больше, чем у традиционных газообразных и жидких углеводородных топлив. Это качество обуславливает повышенную пожаро- и взрывоопасность водорода. Он имеет широкие концентрационные пределы горения и детонации высокую скорость распространения пламени (в 8 раз выше, чем у метана), а также низкую (в 14,5 раза ниже, чем у метана) минимальную энергию воспламенения. Вместе с тем, низкая плотность и высокая скорость диффузии водорода способствуют быстрому снижению его концентрации на открытой местности и в вентилируемых помещениях. К тому же водород имеет достаточно высокую нижнюю границу детонации (в 2 раза выше, чем у метана), что существенно снижает его взрывоопасность в реальных условиях. Следует отметить, что распространенное представление о том, что горение водорода - процесс абсолютно экологически чистый, поскольку продуктом его является вода, не совсем верно. При сжигании водорода (как и любых других горючих веществ) в воздухе, в котором более 80%  приходится на азот, вследствие высокой температуры процесса образуются окислов азота. И, если широко обсуждаемый в последнее время экологический вред от антропогенных выбросов в атмосферу углекислого газа - продукта сгорания углеводородного сырья - многими специалистами оспаривается, то высокая токсичность азот-кислородных соединений давно доказана.

Среди известных газов водород имеет самую низкую вязкость и самую высокую теплопроводность. Так, при комнатной температуре и атмосферном давлении теплопроводность водорода (0,182 Вт/(м^.К)) в 1,24 раза выше теплопроводности гелия, в 5,9­ метана, в 7,2 - азота и кислорода, в 10,7 - аргона. В тех же условиях коэффициент динамической вязкости газообразного водорода составляет 8,92^.10^-6 Па^.с, что в 2,11 раза ниже, чем у гелия в тех же условиях. Благодаря данному обстоятельству он применяется для уменьшения трения и охлаждения в движущихся частях установок (например в турбогенераторах в тепловой и атомной энергетике). В то же время низкая вязкость водорода повышает вероятность его утечек через уплотнения, что ужесточает требования к качеству водородной газовой арматуры.

Как было отмечено выше, количество свободного водорода на Земле крайне мало, поэтому любое его широкомасштабное использование связано с получением из водородсодержащих химических соединений. Этот факт вопреки часто встречающемуся в популярной литературе заблуждению не позволяет рассматривать водород как идеальный источник энергии. При практически неисчерпаемых ресурсах, высокой энергонасыщенности, экологической чистоте (относительной) водород - это всего лишь энергоноситель, переносчик энергии, который надо сначала произвести, затратив на это значительное количество энергии.

Производство водорода. К настоящему времени технологии промышленного производства и переработки водорода хорошо освоены. Масштабы мирового производства водорода весьма значительны и по разным источникам оцениваются в 50-80 млн. тонн, что эквивалентно 20-25% ежегодной мировой добычи природного газа.

Существующие способы производства водорода базируются на использовании и исходного сырья воды (электролиз, фотолиз и радиолиз), угля и природного газа (паровая и парокислородная конверсии), сероводорода (химическое и плазмохимическое разложение) и некоторых других веществ. Основное направление совершенствования всех процессов производства водорода состоит в увеличении их эффективности, уменьшении капитальных затрат и эксплуатационных расходов, увеличении надежности и технологической гибкости.

    Получение водорода из природных органических топлив в настоящее время наиболее широко освоено. Основной технологией является паровая конверсия метана:

СН₄ + Н₂О = СО + 3Н₂

СО + Н₂0 = С0₂ + Н₂

По указанной технологии получают около 85% производимого в мире водорода, что обусловлено достаточно высокой (более 80%) эффективностью процесса, приемлемой на настоящий момент стоимостью и отлаженной инфраструктурой транспортировки исходного сырья. Основным недостатком получения кислорода из природного газа является зависимость от поставок сырья и выбросы в атмосферу больших количеств СО₂. Правда, в последнее время активно разрабатываются методы утилизации выделяющегося углекислого газа, в частности, технология CCS (carbon capture and storage), предполагающвя сжатие и сжижение СО₂ с последующей закачкой в подземные хранилища. Кроме этого, метод паровой конверсии метана плохо адаптируется на установки малой производительности для децентрализованного производства водорода (например, заправочной станций, автономных энергосистем и т.п.). Еще одним недостатком метода является наличие в водороде примесей оксидов углерода, что предъявляет дополнительные требования к его очистке, особенно при использовании в топливных элементах.

Активно развиваемым направлением в технологиях производства водорода является переработки газификация биомассы с последующей переработкой биогаза. Содержание водорода в биогазе достигает 5-10%, основой же его является метан с примесью СО и СО₂. Химические принципы переработки биогаза аналогичны используемым при получении водорода из газа природного с той лишь разницей, что используется сырье из возобновляемых источников и не требуется привязка к месторождениям (или транспортировка на большие расстояния).

Электролиз воды является наиболее перспективной технологией получения водорода в будущем, хотя в настоящее время из-за высокой стоимости электроэнергии доля этого метода в мировом производстве водорода не превышает 5%. Наиболее привлекательными особенностями электролиза воды являются относительная экологическая чистота (по сравнению с конверсией метана), возможность создания установок с широким диапазоном производительности (от нескольких литров до сотен м³ водорода в час), простота эксплуатации и удобство в работе, высокая чистота производимого водорода и наличие ценного и экологически чистого побочного продукта - газообразного кислорода. В настоящее время существуют три способа реализации электролизной технологии производства водорода, отличающиеся типом используемого электролита и условиями проведения электролиза (таблица 30).

Таблица 30.

Основные характеристики процессов получения водорода в различных электролизерах

Другие методы производства водорода в настоящее время находятся на стадии технологических разработок. К ним, в частности, можно отнести следующие.

Ø Расщепление воды на основе термохимических циклов с использованием тепловой энергии (Т~800⁰С) от ядерных реакторов или гелиоустановок.

Ø Биохимическое расщепление воды (фотосинтез) с использованием специально выведенных типов водорослей и микроорганизмов.

Ø Фотокаталитическое расщепление воды на основе полупроводниковых материалов (смешанные оксиды, сульфиды и селениды, нитриды и оксинитриды).

Ø Производство энергоаккумулирующих веществ (сплавы кремния и алюминия) с последующей генерацией из них водорода путем разложения водой на месте потребления.

Транспортировка и хранение. Более 80% получаемого в настоящее время в мире водорода потребляется непосредственно на месте производства. Отсюда зачастую возникает ошибочное представление о том, что для активного развития водородной энергетики всю инфраструктуру, связанную с транспортировкой и хранением, надо разрабатывать практически с нуля. На самом деле только в CШA уже сейчас транспортируется в день около 3 тыс. тонн водорода. В первую очередь, это относится к перераспределению водорода на небольшие расстояния внутри крупных нефтехимических комплексов или между смежными предприятиями. Наиболее удобным для решения таких задач является трубопроводный транспорт. Соответствующие технические решения хорошо отлажены для природного газа и адоптируются под водород при минимальной доработке. В то же время еще в 1960-1 970-ые годы при реализации космических программ (именно там впервые водород был использован в качестве эффективного энергоносителя) в СССР и США была создана эффективно функционирующая инфраструктура по производству жидкого водорода и его транспортировке на сотни километров.

Потребность в оптимизации систем хранения и транспорта водорода в рамках развития водородной энергетики обусловлена необходимостью его поставки множеству рассредоточенных потребителей при обеспечении энергетической эффективности, компактности и безопасности. Учитывая отмеченную выше чрезвычайно низкую плотность водорода, объем этого газа (при нормальных условиях), необходимого, например, для обеспечения 100-километрового пробега автомобиля достигает 11 м³. Чтобы увеличить плотность водорода, его необходимо либо сжимать до сотен атмосфер, либо сжижать при экстремально низких температурах, либо переводить в связанное состояние с использованием химических или физико-химических методов. Чаше всего при оценке существующих и создании новых методов хранения водорода используются критерии, разработанные Министерством энергетики США (Department of Energy, DОЕ). В соответствии с требованиями DОЕ система хранения должна удовлетворять многочисленным параметрам (более 10), которые в совокупности не реализуются (и, по всей видимости, не могут быть реализованы в обозримой перспективе) ни в одном техническом решении. Приходится признать, что не существует идеального универсального метода хранения водорода, поскольку каждый из вариантов, лидируя по одному из показателей, уступает альтернативным по другим характеристикам.

В различных областях применения водорода предъявляются различные требования к системам его хранения. Низкая общая масса системы, т.е. высокое массовое содержание водорода, принципиальна для автотранспорта и аэрокосмических аппаратов, но не так важна для водных (подводных) и стационарных приложений. Для портативных устройств наиболее существенна компактность "хранилища", а значит требуется высокая объемная плотность водорода. В бытовых приложениях весьма проблематично применение высоких или сверхнизких температур, в космической же и некоторых видах специальной техники этот параметр не столь критичен. Оптимальный выбор для каждого конкретного случая может быть сделан лишь на основе четкого представления о преимуществах и недостатках различных способов.

Физические методы. Газообразный водород обычно хранят и перевозят под давлением 150-350 атм. В баллонах емкостью от нескольких литров до нескольких кубических метров. Поскольку в баллонах находится только сжатый газ, такой метод характеризуется предельно высоким содержанием водорода - 100%. Эффективность системы в целом определяется максимально достижимым давлением и весом самого баллона. Традиционная технология хранения сжатых газов (давление 150-200 атм., стальной баллон) для водорода крайне невыгодна: при весе самого баллона объемом 40 литров около 60 кг количество содержащегося в нем водорода составляет 500 грамм. Прогресс в материаловедении позволил заменить при сохранении прочностных характеристик тяжелые стальные баллоны на облегченные композитные. Они представляют собой тонкую алюминиевую или пластиковую гильзу с внешним упрочняющим покрытием из полимерного материала, армированного стеклянным или углеродным волокном. Такие баллоны позволяют хранить водород под давлением до 700 атм. и обеспечивают объемную плотность до 30 кг/м³. Основным преимуществом баллонного метода являются простота выдачи газа потребителю и отсутствие при этом дополнительных энергозатрат. К недостаткам следует отнести инженерную сложность сжатия водорода до столь высоких давлений, существенную энергоемкость этого процесса (до 10-15% от теплотворной способности запасаемого водорода), а также аспекты, связанные с безопасностью, которые остро стоят при бытовом применении любых сосудов под высоким давлением, а в данном случае усугубляются взрыво- и пожароопасностью самого водорода.

Криогенный метод хранения водорода - в жидком состоянии при низкой температуре ­относится к числу наиболее технологически проработанных. Криорезервуары с экранно­-вакуумной теплоизоляцией позволяют достичь максимальной по сравнению с альтернативными методами массовой плотности водорода. Для малых (например, автомобильных) баков этот параметр достигает 15-20 масс.%, а в крупных аэрокосмических системах может повышаться до 86%.

    Легко испаряющийся жидкий водород можно хранить либо в открытых системах, либо закрытых резервуарах со специальными устройствами сброса газа при превышении определенного порогового давления. В противном случае давление в результате испарения может возрасти до тысяч атмосфер. Такая особенность хранения жидкого водорода обуславливает неизбежные и довольно значительные потери на испарение. Несмотря на существенный прогресс в области теплоизоляционных материалов и конструкций такие потери достигают для резервуаров небольшого объема десятых долей процента в день.

Принципиальным недостатком криогенного хранения водорода является энергоемкость процесса ожижения. Даже теоретически для идеальной холодильной машины затраты энергии на превращение газообразного водорода при комнатной температуре в жидкий при температуре      кипения (-253°С) составляют  20 кДж/г или около 20% теплотворной способности водорода. В реальных устройствах эта величина может достигать 30-50%, существенно снижая общую энергетическую эффективность криогенных систем хранения.

Адсорбционные методы. Условно можно разделить все методы перевода водорода в связанное состояние по величине энергии взаимодействия с сорбентом. Физическая адсорбция, основанная на слабых ван-дер-ваальсовых силах между молекулами водорода и поверхностными атомами твердофазного материала, характеризуется наименьшей энергией связи - до 10 кДж/моль. Исходя из этого, основными требованиями к адсорбционным системам хранения являются наличие большой удельной поверхности сорбента и осуществление процесса при пониженной температуре (вплоть до -190°С). Исторически первыми веществами, для которых экспериментально доказана высокая водородсорбционная емкость, были углеродные материалы. Еще в начале ХХ века было показано, что активированные низкоплотные угли способны поглощать при температуре жидкого азота (-196°С) до 4-5 масс.% водорода. В конце 1990-х годов большие надежды возлагались на только открытые к тому времени углеродные наноматериалы - фуллерены, нанотрубки, нановолокна. Появилась даже информация о том, что некоторые материалы из этой группы адсорбируют более 60(!) масс.% водорода, что в два с лишним раза больше, чем содержится в самом богатом водородом химическом соединении ­метане. Впоследствии эти оказались недостоверными, и их не удалось подтвердить ни в одной из многочисленных лабораторий мира, специализировавшихся в данной области. К настоящему времени следует признать, что первоначальный оптимизм в отношении использования углеродных материалов для хранения водорода недостаточно обоснован.

В качестве альтернативных углеродным сорбентам водорода в последние годы активно исследуются металлоорганические каркасные полимеры (Metal-Organic Frameworks - MOF). Благодаря прогрессу в области "химического дизайна" были синтезированы ажурные полимерные конструкции, сочетающие высокую удельную поверхность (до нескольких тысяч м²/г) с регулируемым в широких пределах размером внутренних пор. Принципиальным преимуществом MOF по сравнению с углеродными материалами является возможность химическим путем модифицировать поверхность этих материалов с целью повышения энергии связи с адсорбируемым водородом. Это должно обеспечить сорбционную способность материала в области температур, близких к комнатной. Пока же привлекательная по величине водородная емкость (до 4.5 и даже 7 масс.%), обнаруженная для лучших образцов, реализуется лишь при температуре -100°С и ниже.

Большой интерес вызывает хранение водорода в клатратных гидратах. Хорошо известно, что в присутствии некоторых газов и легко летучих жидкостей вода может кристаллизоваться в необычных для нее пористых структурах, пустоты которых занимают молекулы "гостя". Оказалось, что подобные гидратные фазы может образовывать с водой и водород, причем ие его достигает 5,3%. Очевидно, что вода являлась бы идеальным со всех точек зрения контейнером для водорода, однако, гидраты водорода крайне неустойчивы и разлагаются при давлениях ниже 1000 атм. Выходом могло бы быть введение в воду малых добавок третьего компонента, который стабилизировал бы водный каркас при более мягких условиях, оставляя при этом достаточно места для размещения молекул Н₂. Обещающие результаты в этом направлении были получены при использовании в качестве такой добавки некоторых органических соединений (тетрагидрофуран) или неорганических солей (например, на основе четвертичных аммонийных оснований). Таким образом, удалось снизить давление существования водородсодержащих фаз в таких многокомпонентных системах до 30-50 атм., но с одновременной заметной потерей его общего содержания в соединении. Работы по поиску оптимальных гидратообразующих композиций активно продолжаются.

Химические методы. Химическое связывание водорода в соединения обеспечивает существенный выигрыш по сравнению с физическими и адсорбционными методами хранения по такому параметру как объемная плотность. Даже в чистом жидком водороде содержится около 0.07 г в кубическом сантиметре. Объясняется это тем, что двухатомные водородные молекулы не поддаются плотной упаковке, в том числе, и при приложении очень высоких давлений или низких температур. В химических соединениях водород присутствует в диссоциированном атомарном состоянии, обеспечивая тем самым возможность более компактного расположения в жидкой или твердой фазе. В результате плотность водорода в ряде его соединений в 2-3 раза превосходит плотность жидкого Н₂.

Среди многочисленных водородсодержащих химических соединений можно выделить несколько групп, различающихся степенью обратимости и условиями выделения-поглощения водорода. К первой группе можно отнести аммиак, ряд углеводородов и спиртов, имеющих очень большое содержание водорода (до 15-25 масс.%), но способных лишь необратимо разлагаться, причем при высоких температурах (сотни градусов) в присутствии катализаторов. Исключением здесь являются некоторые ненасыщенные углеводороды, для которых можно реализовать обратимые процессы каталитического гидрирования/дегидрирования, хотя и в достаточно жестких условиях.

Отдельную большую группу образуют соединения водорода с металлами - гидриды. Гидриды известны практически для всех металлов периодической системы, однако большинство из них либо слишком сильно связывают водород, т.е. обратимо с ним взаимодействуют при неприемлемо высоких температурах (щелочные и редкоземельные металлы), либо, наоборот, требуют для гидрирования приложения очень высоких давлений. Из бинарных гидридов - соединений индивидуальных металлов МеН_х - лишь гидриды магния и ванадия характеризуются обратимым выделением и поглощением водорода в реальных для практического использования термобарических условиях при привлекательной сорбционной емкости (в гидриде магния MgH₂ содержание водорода превосходит 7.5 масс.%).

Для ряда приложений более перспективными представляются гидриды интерметаллических соединений, образованных двумя или более металлами, часть которых образуют стабильный бинарный гидрид, а другие в обычных условиях с водородом не взаимодействуют. Из большого числа семейств гидридообразующих ИМС наибольшее практическое значение имеют соединения, отвечающие стехиометрии AB₅, АВ₂, АВ и А₂В. В соединениях AB₅ в качестве компонента А используются редкоземельный металл и/или кальций, в АВ₂ И АВ - элементы подгруппы титана, в А₂В - главным образом магний. Компонент В во всех семействах преимущественно включает переходные металлы (Fе, Со, Ni, V, Мn, Cr и т.д.). В зависимости от природы гидридообразующего металла или ИМС сорбция водорода может быть реализована в чрезвычайно широких диапазонах температур. С прикладной точки зрения удобно разделить металлогидриды на две группы "низкотемпературные" (до 100°С) и "высокотемпературные" (250-350⁰С).  Компактность – ­основное преимущество гидридного метода хранения водорода. В металлическом гидриде находится больше водорода, чем в том же объеме жидкого водорода, при этом гидридному аккумулятору можно придавать произвольную форму, что облегчает применение его в энергетических и технологических установках, работающих в условиях дефицита свободного объема. Металлогидридный метод уступает традиционным методам (сжатие и сжижение) по массо-габаритным показателям. Показатель массы существенно выше для гидридов легких элементов, однако их использование в большинстве случаев проблематично, поскольку разложение некоторых из таких гидридов (ВеН₂, LiBH₄) - необратимый процесс, а образование или разложение других (МgН₂) происходит при слишком высоких температурах и требует значительных энергозатрат.      

Селективность реакции образования гидридов металлов по отношению к водороду позволяет реализовать с их помощью процесса очистки водорода от газообразных примесей и его извлечения из газовых смесей без применения дорогостоящих устройств типа палладиевых мембранных фильтров. Возможность управления давлением десорбированного водорода путем направленного теплового воздействия на металлогидрид позволяет использовать эти системы для высокоточного регулируемого напуска водорода потребителю. Важное преимущество металлогидридного метода хранения водорода - высокая безопасность. Действительно, при комнатной температуре давление газообразного водорода над большинством металлогидридов редко превышает несколько атмосфер. Данная особенность, наряду с многофункциональностью металлогидридных систем, делает их незаменимыми в лабораторной практике. Различного масштаба металлогидридные системы хранения водорода емкостью от десятков литров до нескольких десятков кубических метров Н в настоящее время выпускаются промышленностью.

В отдельную группу можно отнести энергоаккумулирующие вещества, не всегда содержащие химически связанный водород в своем составе, но способные генерировать его в процессе окисления водой. Пример - губчатое железо, взаимодействующее с водяным паром при 550-600⁰С с выделением водорода. Другие энергоаккумулирующие вещества (алюминий, кремний) выделяют водород из воды в более мягких условиях - вплоть до комнатной температуры. Наиболее перспективны сплавы с небольшими добавками металла-активатора, например AI-Ga. Варьируя состав сплава и условия в реакторе, можно добиться достаточно быстрого и легкого управляемого выделения водорода. Данный метод весьма перспективен в ряде применений, например в автономных генераторах водорода.

Использование водорода для получения энергии. Конвертация химической энергии окисления водорода кислородом в необходимую потребителю механическую или электрическую энергию может быть реализовано двумя путями. Традиционный подход состоит в сжигании водорода аналогично углеводородам или углю с последующим преобразованием выделяющегося тепла в классической тепловой машине. Принципиальным недостатком такой классической схемы является низкий коэффициент полезного действия, не превосходящий в реальных установках 15-20%. Альтернативным вариантом является использование водорода в электрохимических генераторах энергии - топливных элементах (ТЭ), где электроэнергия вырабатывается непосредственно в результате электрохимического окисления. Возможность такого процесса была продемонстрирована еще в XIX веке, но первые используемые в практике ТЭ были созданы лишь в 1950-х годы. Важнейшим преимуществом электрохимического принципа преобразования энергии (по сравнению с тепловой машиной) является отсутствие теоретического ограничения по к.п.д. и к настоящему времени действующие ТЭ уже обладают энергетической эффективностью, превышающей 50%.

В зависимости от вида используемого электролита существуют ТЭ различных типов. В щелочных ТЭ применяют 35-50%-ный водный раствор щелочи (КОН или NaOH) в качестве электролита. Эти ТЭ обычно эксплуатируют при температуре до 100-120°С; при работе на концентрированных растворах щелочи температуры могут быть повышены до 250°С. Щелочные ТЭ наиболее разработаны, они широко применяются в автономных энергосистемах в космонавтике и военно-морском флоте. Их основным недостатком является недопустимость наличия СО₂ как в топливе, так и в окислителе.

В ТЭ с электролитом на основе полимерной ионообменной мембраны с протонной проводимостью. Мембрана представляет собой тонкую пленку на основе фторированных кислотных полимеров с нанесенным на обе стороны катализатором (обычно металлы платиновой группы). Рабочая температура ТЭ данного типа составляет 60-80⁰С. Хотя использование таких ТЭ допускает наличие СО₂ в топливе или окислителе (это, в частности, обусловливает возможность их длительной работы с использованием в качестве окислителя атмосферного воздуха), присутствие других примесей (СО, соединения серы) нежелательно. Кроме этого, подаваемые топливо/окислитель должны быть увлажнены, поскольку высыхание мембраны выводит ее из строя. Данные ТЭ несмотря на относительную дороговизну могут успешно применяться в малых и средних автономных энергоустановках благодаря малым габаритам и удобству использования.

В ТЭ с фосфорнокислым электролитом используют несущую матрицу из карбида кремния, которую пропитывают концентрированной фосфорной кислотой. Диапазон рабочих температур 150-220⁰C. В настоящее время эти ТЭ вытесняются другими, более эффективными и экономичными. 

Электролитная часть ТЭ на основе расплавов карбонатов представляет собой керамическую матрицу (LiAI0₂), пропитанную расплавом смеси карбонатов щелочных металлов (лития, натрия, калия). ТЭ данного типа работают при 600-700⁰C, не требуя для работы применения электрокaтaлизаторов. По своим характеристикам данный вид ТЭ аналогичен фосфорнокислым. В силу простоты производства и доступности компонентов его планируют применять в будущем для создания стационарных энергоустановок.            

Твердооксидные ТЭ используют в качестве электролита керамику на основе оксида циркония, модифицированного добавками оксида иттрия. Данный вид ТЭ работает при 900-1000⁰C и наиболее перспективен для работы в составе крупных стационарных энергоустановок. Высокотемпературные ТЭ используют в качестве окислителя атмосферный воздух и в качестве топлива - водород, метан и многие другие топлива, причем крайне неприхотливы к их качеству. Единственным недостатком данных видов ТЭ, как и электролизеров с твердооксидным электролитом, является нежелательность частых пусков/остановок, сопряженных с разогревом до рабочей и охлаждением до комнатной температуры.       

Основными задачами в направлении оптимизации ТЭ являются повышение ресурса их работы и к.п.д., снижение стоимости. В последние годы интенсивность разработок в области топливных элементов резко возросла. ТЭ различных типов выпускаются промышленностью мелкими и средними сериями, включая довольно крупные (до нескольких мeгaвaтт). Следует признать, что с момента зарождения концепции водородной энергетики - а за точку отсчета можно принять середину 1970-х годов, когда были сформулированы основные Принципы комплексного подхода к получению, транспорту, хранению и применению водорода для производства энергии, - в этой сфере был достигнут ощутимый прогресс. Во всех развитых странах активно функционируют и координируют между собой ассоциации водородной энергетики. Реализуются государственные программы поддержки работ в области водородных технологий с финансированием на уровне миллиардов долларов. Значительные успехи были достигнуты в области производства водорода с использованием возобновляемых источников энергии. Были усовершенствованы и доведены до опытно-промышленных демонстрационных образцов базовые технические решения электролизеров различных типов с улучшенными характеристиками, разработаны принципиально новые экологически чистые технологии производства водорода, например биохимическая и фотокаталитическая. Параллельно разрабатывались топливные элементы с более высокой эффективностью, сроком службы и надежностью, чем существовавшие ранее образцы. Появились принципиально новые технические решения электрохимических систем, использующих водород. Круг коммерциализированных устройств с применением ТЭ в качестве источника энергии, расширяется с каждым днем. Это автономные зарядные устройства для портативной электронной техники (сотовые телефоны и mp3 плееры, ноутбуки), стационарные компактные системы энергообеспечения для дома и офиса, транспортные средства, начиная с легких мопедов и автомобилей, и, заканчивая самолетами и подводными лодками. С 1999 г. в Японии действует экспериментальная электростанция на топливных элементах мощностью 4 МВт и для нее запускается новый энергоблок мощностью 11 МВт.

Наиболее наглядны достижения в автомобилестроении и смежных с ним технологиях. В 1993 г. появился первый автомобиль, работающий на топливных элементах, а уже к середине 2000-х годов все крупные автомобильные фирмы выпустили свои водородные модели. В США, Японии и Западной Европе создана реально функционирующая достаточно широкая сеть водородных заправочных станций.

Безусловно, в ближайшей перспективе не следует рассчитывать на значительное вытеснение водородными автомобилями своих классических бензиновых предшественников. Предстоит большая работа по совершенствованию водородных технологий, прежде всего, в направлении снижения себестоимости и повышения эффективности и надежности. Узким местом остается и система хранения водорода, не удовлетворяющая в должной мере всей совокупности требований по компактности, легкости и безопасности.

И, наконец, масштабная реализация водородных энергосистем в том виде, в каком она задумывалась в рамках концепции водородной энергетики, невозможна без выхода на качественно новый уровень экологически чистых и эффективных технологий производства водорода, в первую очередь, с использованием возобновляемых источников. И здесь, наряду с требующими своего решения чисто техническими проблемами, ключевыми являются экономический и политический факторы. Динамика последних лет указывает на то, что уже в обозримой перспективе водород займет достойное его место в ряду классических энергоносителей, а водородная энергетика из полуфантастической альтернативной перейдет в разряд обыденной.

СЛАНЦЕВЫЙ ГАЗ

В последние несколько лет произошли определённые события, которые сделали этот «мусор» вполне коммерческим классом активов (By popular demand).

Если вы совсем не слышали слов «сланцевый газ», то фабула вкратце такова — внезапно выяснилось, что, казалось бы, давно энергонедостаточные США оказались крупнейшим в мире производителем этого газа в 2009 году, легко спихнув Россию с этой роли. Что США могут даже начать экспортировать газ. А источник всей этой благодати — именно сланцевый газ.

Этого сланца, как выясняется, очень много в Китае и немало в Европе, хотя подробных изысканий не проводилось, и результаты могут оказаться скромнее, но даже поделенные на 2 или 3 потенциальные объемы добычи начинают внушать уважение. Совсем это все, конечно, Газпром не повредит, но составит серьёзную конкуренцию.

Еврокомиссия приняла новую версию энергетической стратегии. Поставленные еще в 2007 году цели (до 2020 года сократить на 20% выбросы CO2, увеличить до 20% долю энергии, получаемой из возобновляемых источников, и на 20% повысить эффективность использования энергии) начинают воплощаться в конкретных шагах.

P . S .: В последнее время приставки «эко-» и «био-» становятся всё более популярными. И это неудивительно — на фоне научно-технического прогресса и угрозы глобального потепления наша планета подвергается мучительной пытке. Недавно учёные сделали открытие: оказывается, коровы выделяют больше парниковых газов, чем все транспортные средства мира.