XI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Перспективы водородной энергетики
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Постепенно уходит в прошлое век нефти и газа в связи с истощением мировых запасов этих полезных ископаемых. И из-за этого как никогда остро стоит вопрос выбора наиболее перспективной технологии выработки энергии. И в настоящее время этот выбор оправдывается не только общей эффективностью производства и его рентабельностью, но и экологичностью данного способа выработки энергии и его безопасностью. Последнее вызывает особое беспокойство у экологов за сохранность окружающей среды. Крупнейшие антропогенные катастрофы послужили причиной этого беспокойства. Происходившие катастрофы на Чернобыльской АЭС и сравнительно недавняя на АЭС Фукусима-дайити. Память об этих событиях встала на пути строительства новых АЭС, хотя и причинами возникновения этих аварий стали стихийные бедствия.
Цель настоящей работы сравнить перспективы водородной и атомной энергетик.
Для достижения указанной цели необходимо выполнить следующие задачи:
Выяснить способы получения сырья и его использования в указанных технологиях;
Выделить преимущества и недостатки данных технологий;
Определить размеры вреда наносимого окружающей среде в процессе производства;
Определить степени риска возникновения катастроф в процессе производства;
Составить сравнительную характеристику водородной и атомной энергетик.
1. Водородная энергетика
Водородная энергетика - отрасль энергетики, основанная на использовании водорода в качестве средства для аккумулирования, транспортировки, производства и потребления энергии. Водород выбран как наиболее распространенный элемент, входящий в состав большинства веществ на поверхности земли и в космосе. Теплота сгорания водорода наиболее высока, а при сгорании водорода в кислороде выделяется вода [1].
1.1 Способы получения водорода
1.1.1Паровая конверсия природного газа (метана)
В настоящее время данным способом производится примерно 90-95% всего водорода. Водяной пар при температуре 700-1000 °C смешивается с метаном под давлением в присутствии катализатора. Себестоимость процесса $2–5 за килограмм водорода.
1.1.2 Газификация угля
Газификация угля - старейший способ получения водорода. Уголь нагревают с водяным паром при температуре 800-1300 °C без доступа воздуха. Первый газогенератор был построен в Великобритании в 40-х годах XIX века. Себестоимость процесса $2-2,5 за килограмм водорода.
1.1.3 Использование атомной энергии
Использование атомной энергии для производства водорода возможно в процессе электролиза воды. Себестоимость процесса $2,33 за килограмм водорода.
Электролиз воды
Себестоимость процесса $6-7 за килограмм водорода при использовании электричества из промышленной сети, $7-11 - при использовании электричества, получаемого от ветрогенераторов, $10-30 - при использовании солнечной энергии.
1.1.4Получение водорода, как побочного продукта
Возможно получение водорода также при дегидрировании органических соединений, например, метана при температуре свыше 1400°C:
1.1.5Водород из биомассы
Водород из биомассы получается термохимическим или биохимическим способом. При термохимическом методе биомассу нагревают без доступа кислорода до температуры 500-800 °C (для отходов древесины), что намного ниже температуры процесса газификации угля. В результате процесса выделяется H2, CO и CH4. Себестоимость процесса $5-7 за килограмм водорода.
Водород вырабатывают различные бактерии, например, Enterobacter cloacae1.
1.2 Возможности удешевления производства.
Снижение цены водорода возможно при строительстве инфраструктуры по доставке и хранению водорода. Распространение водородного транспорта сдерживается отсутствием инфраструктуры. В настоящее время правительствами разных стран и регионов принимаются программы строительства водородной инфраструктуры. В США действует 750 километров, а в Европе - 1500 километров водородных трубопроводных систем.
Трубопроводы функционируют при давлении 106-2·106 Паскаль. Они изготовлены из стальных труб диаметром 25-30 см. Старейший водородный трубопровод действует в районе германского Рура: 210 километров трубопровода соединяют 18 производителей и потребителей водорода. Трубопровод действует более 50 лет.
Самый длинный трубопровод длиной 400 километров проложен между Францией и Бельгией. Технологически имеет большое значение, что после небольших реконструкций водород может передаваться по существующим газопроводам природного газа.
1.3 Примеры государственных программ развития
Успехи в развитии водородных технологий показали, что использование водорода приведет к качественно новым показателям работы различных технических устройств и агрегатов. Результаты технико-экономических исследований свидетельствуют том, что применение водорода, несмотря на свою вторичность в качестве энергоносителя, во многих случаях экономически целесообразно. Поэтому работы в этой области в промышленно развитых странах, относят к приоритетным направлениям и находят всё большую поддержку со стороны как государственных структур, так и частного капитала. Лидируют считанное число государств, уделявших водороду серьезное внимание в течение многих лет или даже десятилетий - Япония, США, Германия, Великобритания и Южная Корея, которых постепенно догоняет Китай.
1.4 История водородной энергетики в России
В 1941 году техник-лейтенант войск ПВО, защищавших Ленинград во время Великой Отечественной войны, Борис Шелищ предложил использовать "отработанный" водород из заградительных аэростатов войск ПВО в качестве топлива для двигателей автомобилей ГАЗ-АА. Полуторки использовались в качестве транспортно-энергетической единицы поста противовоздушной обороны. Лебедка автомобиля, приводимая в движение от двигателя ГАЗ-АА позволяла осуществлять подъем-спуск аэростатов. Это предложение было внедрено в 1941-1944 годах в блокадном Ленинграде. Было оборудовано 400 водородных постов ПВО. В условиях блокады и отсутствия бензина перевод автомобилей с бензина на водород позволил эффективно защитить город от прицельного бомбометания самолетами вражеской авиации.
В 1979 году творческим коллективом работников НАМИ был разработан и испытан опытный образец микроавтобуса РАФ, работающий на водороде и бензине.
В конце 1980-х - начале 90-х проходил испытания авиационный реактивный двигатель на жидком водороде, установленный на самолёте Ту-154.
В 2003 году создана Национальная ассоциация водородной энергетики (НП НАВЭ). В 2004 году президентом ассоциации избран П. Б. Шелищ сын легендарного "Водородного лейтенанта".
В 2003 году компания «Норильский никель» и Российская академия наук подписали соглашение о ведении научно-исследовательских работ в сфере водородной энергетики; «Норильский никель» вложил в исследования 40 млн долларов. В 2006 году «Норильский никель» приобрел контрольный пакет американской инновационной компании Plug Power, являющейся одним из лидеров в сфере разработок, связанных с водородной энергетикой; компания вложила в разработку водородных установок 70 млн долл.
Начиная с 2008 года “локомотивом” развития электрохимических технологий в общем и водородной энергетики в частности, стало научное объединение единомышленников, которое уже сегодня воплотило свои идеи и разработки в АО «Группа компаний ИнЭнерджи». Организация, совместно с ведущими институтами РАН, занимается научно-исследовательской и опытно-конструкторской деятельностью. Предприятия группы имеют всю необходимую разрешительную документацию, включая лицензии ФСБ на работу со сведениями, представляющими государственную тайну [7-9].
Завершая первый раздел работы, следует отметить, что серьезные фундаментальные и прикладные работы по водородной энергетике начались еще в недрах атомного проекта. В 70 гг. лаборатория Михаила Ефимовича Ерошова НИИ Белорусской академии наук, которым руководил академик И. К. Кикоин, занималась проблемой развития водородной энергетики. Академики И.В. Курчатов и И. К. Кикоин непосредственно руководили атомным проектом Советского Союза. В связи с этим, мы полагаем, что сравнение водородной и ядерной энергетики должно строиться не только на противопоставлении, но и аналогиях.
Однако стоит отметить преимущества водородной энергетики:
рентабельность: Себестоимость процесса колеблется от 2 до 7 долларов за килограмм водорода при использовании электроэнергии из сети, тогда как при использовании электричества, получаемого от ветрогенераторов, - $7-11, и $10-30 при использовании солнечной энергии;
экологичность: снижение выбросов парниковых газов в мире, за счет отсутствия выбросов CO2 в ходе производства и эксплуатации;
безопасность: когда водород находится в баке нет опасности взрыва. Водород является источником энергии, который, как и в случае с любым другим топливом, легко воспламеняется при контакте с воздухом. Однако оценки риска показывают, что водород не более опасен, чем, например, бензин или природный газ [10];
использование газа возможно в различных сферах энергетики, начиная от заправки автомобиля и заканчивая отоплением жилых помещений.
2. Атомная энергетика
Атомная энергетика - отрасль энергетики, занимающаяся производством электрической и тепловой энергии путём преобразования ядерной энергии [1].
Обычно для получения ядерной энергии используют цепную ядерную реакцию деления ядер плутония-239 или урана-235. Ядра делятся при попадании на них нейтронов, при этом получаются новые нейтроны и осколки деления. Нейтроны деления и осколки деления обладают большой кинетической энергией. В результате столкновений осколков с другими атомами эта кинетическая энергия быстро преобразуется в тепло.
В любой области энергетики ядерная энергия представляет собой первичный - базовый источник энергии, который послужил началом всего существующего во вселенной. Энергия ядерных реакций, происходящих на солнце, лежит в основании всех способов получения энергии на нашей планете начиная с тепловой энергетики и других отраслей традиционной энергетики, использующих топливные ресурсы, и заканчивая солнечной, которая на прямую использует энергию световых волн. Однако к ядерной энергетике относится лишь использование управляемых реакций в ядерных реакторах, т. к. в данный момент человек не может контролировать термоядерную реакцию и использует энергию расщепления ядер плутония и других радиоактивных элементов в целях получения энергии. Эти реакции стали предметом изучения ядерной физики.
2.1 Топливный цикл
Ядерная энергетика основана на использовании ядерного топлива, совокупность промышленных процессов производства которого составляют топливный ядерный цикл. Хотя существуют различные типы топливных циклов, зависящие как от типа реактора, так и от характеристик конечной стадии цикла, но, в целом, у него существуют общие этапы:
Добыча урановой руды;
Измельчение урановой руды;
Отделение диоксида урана, т. е. жёлтого кека от отходов, которые также являющимися радиоактивными, но идущих в отвал;
Преобразование диоксида урана в газообразный гексафторид урана;
Обогащение урана - процесс повышения концентрации урана-235 производится на специальных заводах по разделению изотопов;
Обратное превращение гексафторида урана в диоксид урана в виде топливных таблеток;
Изготовление из таблеток тепловыделяющих элементов (сокр. твэл), которые в скомпонованном виде вводятся в активную зону ядерного реактора АЭС;
Извлечение отработанного топлива;
Охлаждение отработанного топлива;
Захоронение отработанного топлива в специальном хранилище.
В процессе технического обслуживания удаляются образующиеся слаборадиоактивные отходы. С окончанием срока службы производится вывод из эксплуатации самого реактора, демонтаж сопровождается дезактивацией и удалением в отходы деталей реактора.
2.2 Ядерный реактор
Ядерный реактор - устройство, предназначенное для организации управляемой самоподдерживающейся цепной реакции деления, которая всегда сопровождается выделением энергии [2].
Первый ядерный реактор был построен и запущен в декабре 1942 года в США под руководством Э. Ферми. Первым реактором, построенным за пределами США, стал ZEEP, запущенный в Канаде 5 сентября 1945 года. В Европе первым ядерным реактором стала установка Ф-1, заработавшая 25 декабря 1946 года в Москве под руководством И. В. Курчатова. К 1978 году в мире работало уже около сотни ядерных реакторов.
Существуют разные типы реакторов. Основные отличия в них обусловлены используемым топливом и теплоносителем, применяемым для поддержания нужной температуры активной зоны, и замедлителем, используемым для снижения скорости нейтронов, которые выделяются в результате распада ядер для поддержания нужной скорости цепной реакции.
Наиболее распространенным типом стал легко-водный реактор, использующий в качестве топлива обогащённый уран. В нём в качестве и теплоносителя, и замедлителя используется обычная вода, т. н. «легкая». У него есть две основные разновидности:
кипящий реактор, где пар, вращающий турбины, образуется непосредственно в активной зоне;
водо-водяной энергетический реактор, где пар образуется в контуре, связанном с активной зоной теплообменниками и парогенераторами.
Газоохлаждаемый ядерный реактор с графитовым замедлителем получил широкое распространение благодаря возможности эффективно вырабатывать оружейный плутоний и возможности использовать необогащённый уран.
В тяжело-водном реакторе в качестве теплоносителя и замедлителя используется тяжелая вода, а топливом является необогащённый уран. Он используется в основном в Канаде, имеющей собственные месторождения урановых руд [3].
2.3. Доля атомной энергетики в общем производстве электроэнергии
В 2010 году ядерная энергия по данным Международного энергетического агентства (IEA) обеспечивала 12,9 % от производства электроэнергии и 5,7 % от всей потребляемой человечеством энергии. Ядерный сектор энергетики наиболее значителен в промышленно развитых странах - во Франции, на Украине, в Бельгии, Финляндии, Швеции, Болгарии и Швейцарии. Эти страны производят от 20 до 76 % (во Франции) электроэнергии на АЭС.
В 2013 году мировое производство ядерной энергии выросло впервые с 2010 года. По сравнению с 2012 годом произошёл рост на 0,5 %, т.е. до 6,55 млрд МВт ч (562,9 млн тонн нефтяного эквивалента). Наибольшее потребление энергии атомных станций в 2013 году составило в США - 187,9 млн тонн нефтяного эквивалента. В России потребление составило 39,1 млн тонн нефтяного эквивалента, в Китае - 25 млн тонн нефтяного эквивалента, в Индии - 7,5 млн тонн.
Согласно отчёту Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ), на 2019 год насчитывалось 449 действующих ядерных энергетических (то есть производящих утилизируемую электрическую и/или тепловую энергию) реакторов в 34 стране мира; к середине 2019 года еще строились 54 реактора.
Примерно половина мирового производства электроэнергии на АЭС приходится на две страны - США и Францию. США на АЭС производят только 1/8 своей электроэнергии, но это составляет около 20 % мирового производства.
Абсолютным лидером по использованию ядерной энергии была Литва. Единственная Игналинская АЭС, расположенная на её территории, вырабатывала электрической энергии больше, чем потребляла вся республика. Например, в 2003 году в Литве всего было выработано 19,2 млрд кВт⋅ч, из них - 15,5 Игналинской АЭС, часть которой экспортировалась, поскольку с избытком покрывала потребности.
Однако, под давлением ЕС из-за сомнений в её безопасности, поскольку ИАЭС использовала энергоблоки того же типа, что и Чернобыльская АЭС, с 1 января 2010 года эта атомная электростанция была окончательно закрыта. Предпринимались попытки добиться продолжения эксплуатации станции и после 2009 года, но они не увенчались успехом. В настоящее время решается вопрос о строительстве на той же площадке АЭС современного типа.
2.4 Рентабельность
Рентабельность атомной энергетики зависит от проекта реактора, тарифов на электроэнергию и стоимости альтернативных источников энергии. Поэтому периодически в разных странах высказываются сомнения в рентабельности атомной энергетики. Например, для замещения 1 ГВт установленной мощности АЭС нужно потратить примерно 2,5 млрд куб. природного газа, стоимость которого в разных странах очень сильно отличается.
В США производство электричества на АЭС дорожает, а цена некоторых других источников электричества снижается: в условиях свободного рынка атомные станции становятся убыточными. Так, в США по причине нерентабельности были закрыты два реактора: АЭС Вермонт Янки и АЭС Кевони.
Стоимость строительства новых реакторов AR1000 поколения III+ по состоянию на 2018 год составляет:
в США - 27 млрд долл. за АЭС из 2-х реакторов по 1250 МВт (13,5 млрд долл. за реактор); строительство АЭС Вогтль продолжается;
в Китае - 7,3 млрд долл. за АЭС из 2-х реакторов по 1250 МВт (3,7 млрд долл. за реактор); строительство АЭС Саньмэнь и АЭС Хайян закончено;
в Великобритании - 18,5 млрд долл. за АЭС из 3-х реакторов по 1250 МВт (6,2 млрд долл. за реактор); в 2018 году строительство АЭС Moorside было отменено.
В Финляндии в 2005 году началось строительство третьего блока EPR1600 поколения III+ на АЭС Олкилуото. Стоимость строительства энергоблока оценивалась в 3 миллиарда евро, а сроки ввода в эксплуатацию планировались на 2010 год. По состоянию на 2019 год получена лицензия на эксплуатацию. На 2015 год затраты возросли на 2 миллиарда евро, а итоговая оценка полной стоимости выросла до 8.5 млрд долл. В итоге Финляндия отменила запланированное строительство четвёртого энергоблока на Олкилуото.
В Великобритании стоимость строительства АЭС Wylfa Newydd (2 ректора ABWR по 1350 МВт) выросла до 28 млрд долл. (21 млрд фунтов стерлингов), и строительство было отменено из-за экономической нецелесообразности.
В России стоимость строительства АЭС на российских реакторах ВВЭР-1200 поколения III+ обходится в 600 млрд руб. (9 млрд долл.) за АЭС из 4-х реакторов мощностью 1200 МВт каждый (Ленинградская АЭС-2, Нововоронежская АЭС-2); рентабельность подтверждается планами строительства 12 энергоблоков до 2030 года.
В других странах стоимость строительства АЭС на российских реакторах ВВЭР-1200 обходится примерно в 2-2,5 раза дороже (5.5 млрд долл. за каждый реактор на Белорусской АЭС и АЭС Аккую в Турции). Рентабельность подтверждается планами строительства 33 энергоблоков до 2030 года.
Правительства могут страховать электростанции от закрытия, гарантируя закупку электричества по установленной цене. Такие схемы подвергаются критике из-за ограничения конкуренции и чрезмерной растраты денег налогоплательщиков, но используются для всех видов электростанций [4-5].
2.5 Проблемы атомной энергетики.
Атомная энергетика остаётся предметом острых дебатов. Сторонники и противники атомной энергетики резко расходятся в оценках её безопасности, надёжности и экономической эффективности. Опасность связана с проблемами утилизации отходов, авариями, приводящими к экологическим и техногенным катастрофам, а также с возможностью использовать повреждение этих объектов (наряду с другими: ГЭС, химзаводами и тому подобным) обычным оружием или в результате теракта - как оружие массового поражения.
«Двойное применение» предприятий атомной энергетики, возможная утечка (как санкционированная, так и преступная) ядерного топлива из сферы производства электроэнергии и его возможное использование для производства ядерного оружия служат постоянными источниками общественной озабоченности, политических интриг и поводов к военным акциям (например, Операция «Опера», Иракская война).
Вместе с тем, выступающая за продвижение атомной энергетики Всемирная ядерная ассоциация опубликовала в 2011 году данные, согласно которым гигаватт·год электроэнергии, произведённой на угольных электростанциях, в среднем (учитывая всю производственную цепочку) обходится в 342 человеческих жертвы, на газовых - в 85, на гидростанциях - в 885, тогда как на атомных - всего в 8.
2.6 Тепловое загрязнение
Одной из проблем ядерной энергетики является тепловое загрязнение. По мнению некоторых специалистов, атомные электростанции «в расчёте на единицу производимой электроэнергии» выделяют в окружающую среду больше тепла, чем сопоставимые по мощности ТЭС. В качестве примера можно привести проект строительства в бассейне Рейна нескольких атомных и теплоэлектростанций. Расчеты показали, что в случае запуска всех запланированных объектов температура в ряде рек поднялась бы до +45°С, что имело бы негативные последствия для экологии этого бассейна [6].
Таким образом мы можем выделить некоторые преимущества атомной энергетики. Атомная энергетика не потребляет кислорода, и выбросы парниковых газовых при ее функционировании полностью отсутствуют.
Экологически чистыми районами Европы признаны страны с высокоразвитой атомной энергетикой. Мировая атомная энергетика снижает объем сжигаемого угля в мире на 440 млн т в год. В городах Российской Федерации, где расположены атомные объекты, профессиональные патологии ниже, чем в целом по стране, несмотря на то, что обследования в этих городах проводятся чаще и с большим охватом населения. Доля облучения при эксплуатации техногенных источников составляет 0,14 %, а при эксплуатации предприятий атомной энергетики – 0,01 % от суммарной дозы облучения, что в 100 раз ниже норматива. Доказано, что страхи, связанные с рисками использования атомной энергии, преувеличены [11].
Но при этом существуют и недостатки данной отрасли, такие как увеличение дозы радиоактивного облучения как отдельных людей, так и населения Земли в целом. Риск возникновения больших техногенных катастроф с многочисленными жертвами и непоправимым вредом окружающей природе. Проблема переработки радиоактивных отходов производства.
Заключение
При сравнении водородной и атомной энергетики целесообразно рассматривать не только их различие, но и подобие. Есть основания полагать, на что указывают исторические факты, водородная энергетика зародилась в недрах атомного проекта СССР. Радиолиз воды, осуществляемый на АЭС, стал одним из способов получения водорода. Кроме того, следует заметить, что у водородной и ядерной энергетик один и тот же объект получения энергии. В первом случае используется химическая реакция окисления водорода, а во втором случае - ядерная реакция слияния ядер водорода (изотопа массы 2). При таком сопоставлении водородная энергетика является предтечей управляемого термоядерного синтеза.
К сожалению, в настоящее время одной из проблем водородной энергетики является безопасность. Малейший сбой в налаженной системе может послужить причиной катастрофы, как это случилось с шаттлом «Челленджер». В этом космическом челноке была, казалось бы, незначительная неполадка - неплотное пролегание уплотнительного кольца, привела к катастрофе с человеческими жертвами. При всем этом водородная энергетика обладает такими достоинствами, как отсутствие проблемы переработки отходов и более высокой рентабельностью. И из этого следует перспективность водородной энергетики в настоящее время.
Список использованной литературы
Большая советская энциклопедия: [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров. - 3-е изд. М.: Советская энциклопедия. 1969-1978. -719с.
Большой энциклопедический словарь / Гл. ред. А. М. Прохоров. - 1-е изд. М.: Большая российская энциклопедия. 1991. - 862с. ISBN 5-85270-160-2.
Грешилов А. А., Егупов Н. Д., Матущенко А. М. Ядерный щит. М.: Логос. 2008. - 438 с. ISBN 978-5-98704-272-0.
Об утверждении схемы территориального планирования Российской Федерации в области энергетики (с изменениями на 10 ноября 2018 года), Распоряжение Правительства РФ от 01 августа 2016 года №1634-р.
Итоги деятельности государственной корпорации по атомной энергии «Росатом» за 2017 год. Публичный годовой отчет. Росатом -2017.
Родионов В. Г. Проблемы традиционной энергетики // Энергетика: проблемы настоящего и возможности будущего. М.: ЭНАС. 2010. - С. 22 -352. ISBN 978-5-4248-0002-3.
Козлов С. И. Водородная энергетика: современное состояние, проблемы, перспективы. М.: Газпром ВНИИГАЗ. 2009. - 520 с. ISBN 5-89754-062-4.
Кузык Б. Н., Яковец, Ю. В. Россия: стратегия перехода к водородной энергетике. М.: Институт экономических стратегий. 2007. - 400 с. ISBN 978-5-93618-110-8.
Рифкин Дж. Если нефти больше нет... Кто возглавит мировую энергетическую революцию? (The Hidrogen Economy: The Creation of the World-Wide Energy Web and the Redistribution of Power on Earth). М.: Секретфирмы. 2006. - 416 с. ISBN 5-98888-004-5.
Лесюкова В. В., Корсак Е. П. Экотопливо: энергия водорода //Инновационные технологии: теория, инструменты, практика. - 2019. Т. 1. С. 184-191.
Грачев В. А. Взаимосвязь глобальных экологических проблем, здоровья населения и развития атомной энергетики //Экология человека. - 2018. №2.
1Enterobacter cloacae (лат.) — вид грамотрицательных условно патогенных прямых палочковидных (0,6—1,0 × 1,2—3,0 мкм) бактерий. Располагаются одиночно, попарно или короткими цепочками. Подвижные за счёт перетрих. Факультативные анаэробы. Температурный оптимум 30-37 °C. Широко распространены в природе, встречаются в пресной воде, почве, сточных водах, на растениях, овощах, в испражнениях человека и животных.