في 9 ديسمبر 2003 ، تم عقد اجتماع مشترك لهيئة رئاسة الأكاديمية الروسية للعلوم ومجلس OJSC "شركة التعدين والفلزات" Norilsk Nickel "". واستمع المشاركون في الاجتماع للرسالة العلمية " طاقة الهيدروجينو خلايا الوقود"، الذي ألقاه بالنيابة عن المؤلفين المشاركين الأكاديمي G.A. Mesyats ، وخطاب المدير العام - رئيس مجلس إدارة OJSC" Mining and Metallurgical Company "Norilsk Nickel" "M.D. Prokhorov. أعمال البحث والتطوير في مجال الهيدروجين الطاقة وخلايا الوقود بين الأكاديمية الروسية للعلوم وشركة OJSC "Mining and Metallurgical Company" Norilsk Nickel ". نيابة عن الأكاديمية ، تم التوقيع على البرنامج من قبل رئيس الأكاديمية الروسية للعلوم ، الأكاديمي Yu.S. Osipov ، في جزء من الشركة ، المدير العام M. D. Prokhorov يتم نشر المواد الخاصة باجتماع هيئة رئاسة الأكاديمية الروسية للعلوم أدناه ، مع اختصارات طفيفة.
طاقة الهيدروجين
و
خلايا الوقود
جي إيه ميسياتس ، إم دي بروخوروف
شهر جينادي أندريفيتش- أكاديمي ، نائب رئيس الأكاديمية الروسية للعلوم ، مدير معهد الفيزياء الكهربية بفرع الأورال التابع لأكاديمية العلوم الروسية.
بروخوروف ميخائيل دميترييفيتش- المدير العام - رئيس مجلس إدارة OJSC MMC Norilsk Nickel.
في سبتمبر 2003 ، تم اتخاذ قرار أساسي بأن الأكاديمية الروسية للعلوم وشركة OJSC "Mining and Metallurgical Company" Norilsk Nickel "ستنضمان إلى جهودهما في البحث عن مشاكل طاقة الهيدروجين وخلايا الوقود. في 10 نوفمبر 2003 ، تم التوقيع على الاتفاقية العامة للتعاون بين الأكاديمية الروسية للعلوم ونوريلسك نيكل. وفقًا للاتفاقية ، يجب وضع برنامج عملنا المشترك والتوقيع عليه في غضون شهر. خلال هذا الشهر ، سويًا مع ممثل شركة Norilsk Nickel V.A. Pivnyuk ، قمنا بزيارة عدد من المنظمات العلمية الرائدة في الأكاديمية الروسية للعلوم والأقسام الأخرى. قمنا بزيارة جبال الأورال ، وعقدنا ثلاث ندوات علمية - في يكاترينبورغ وسانت بطرسبرغ وموسكو ، حيث سمعنا عن 40 تقريرًا علميًا.
لأسباب مختلفة ، كل من خطوط أنابيب الغاز الحالية والبنية التحتية غاز طبيعيغير مناسب لنقل الهيدروجين. توضح هذه الحقائق كيف يختلف الهيدروجين عن الغاز الطبيعي وكيف المشكلة الجديدة لاقتصاد الهيدروجين. في المستقبل ، سيتم تعويض الخسائر أيضًا بأسعار الطاقة. نظرًا لأن 50 ٪ فقط من الكهرباء اللازمة للتحليل الكهربائي يتم توفيرها للمستهلك كهيدروجين قابل للاستخدام ، يجب أن تكون الطاقة الموجودة في غاز الهيدروجين على الأقل ضعف تكلفة الكهرباء من المقبس.
اتفقنا على أن العمل سيتجه بشكل أساسي نحو طاقة الهيدروجين وخلايا الوقود ، لأن مفهوم "طاقة الهيدروجين" أوسع بكثير من مجرد توليد الطاقة الكهربائية. بالإضافة إلى ذلك ، اتفقنا (وهذا ما نصت عليه الاتفاقية) على أن العديد من الدراسات التي يتم إجراؤها حاليًا على أساس ثنائي من قبل معاهد الأكاديمية الروسية للعلوم وشركة نوريلسك نيكل ستستمر. بعضها خارج نطاق برنامجنا المشترك ، ولكن بعد ذلك يمكنهم الاندماج فيه.
سيكون التسخين بالكهرباء أرخص من التسخين بالهيدروجين. لذلك ، من غير المحتمل أن يتم استبدال الغاز الطبيعي بالهيدروجين. يتم استبدال زيت التدفئة والغاز الطبيعي بالعزل الحراري والسخانات الكهربائية ، ولكن ليس بالهيدروجين. تنطبق هذه الزيادة أيضًا على توليد الطاقة ، حتى مع وجود خلايا وقود فعالة ، يمكن تحويل 50٪ فقط من الطاقة الموجودة في الهيدروجين إلى طاقة كهربائية. وبالتالي ، يجب أن تكون الكهرباء المولدة أغلى أربع مرات على الأقل من الكهرباء.
سوف أخبركم عن الوضع الحالي لطاقة الهيدروجين في العالم ، وما يحدث في هذا المجال من البحث في روسيا ، وما هي الفرص الموجودة وما يمكننا الاعتماد عليه.
من عام 1900 إلى عام 2000 ، زاد استهلاك الطاقة في العالم 15 مرة تقريبًا - من 21 إلى 320 ecoJ (1 ecoJ = 27 × 10 6 م 3 من النفط). تستخدم المنتجات النفطية (34.9٪) والفحم (23.5٪) والغاز الطبيعي (21.1٪) والوقود النووي (6.8٪) والمصادر المتجددة - الرياح والطاقة الشمسية والمائية والوقود الحيوي (13.7٪) كمصادر أولية. أدى ذلك إلى حقيقة أن انبعاثات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي زادت 4.5 مرات على مدار 50 عامًا ، وهي اليوم تبلغ 20 × 10 12 م 3 / سنويًا. هذا هو نفس ثاني أكسيد الكربون الذي يوجد من أجله بروتوكول كيوتو والذي ، كما يؤكد العديد من العلماء ، يسبب تأثير الاحتباس الحراري. بشكل عام ، الطاقة القائمة على الوقود الأحفوري تخلق الكثير من المشاكل البيئية. تظهر معضلة: بدون الطاقة لا يمكن إنقاذ حضارتنا ، ولكن الأساليب الحالية لإنتاج الطاقة ومعدلات النمو العالية لاستهلاكها تؤدي إلى تدمير البيئة. بطبيعة الحال ، فإن أحد المهام الرئيسية للطاقة الحديثة هو البحث عن طرق للتغلب على المشاكل البيئية.
في ضوء الاتجاه المباشر أكثر ملاءمة محلول كهربائيلن يكون توليد الكهرباء باستخدام الهيدروجين وخلايا الوقود أمرًا جذابًا أبدًا. أي محاولة لبيع الكهرباء على شكل هيدروجين محكوم عليها بالفشل لأسباب اقتصادية. لا يوجد تعايش بين الهيدروجين والكهرباء ، لأن الهيدروجين نفسه لا يلبي متطلبات العميل. يحتاج المستهلك للكهرباء من خلية الوقود.
تنطبق هذه الحجج أيضًا على تطبيقات الهاتف المحمول. في بيئة طاقة مستدامة كثيفة الاستهلاك للطاقة ، تكون السيارات الكهربائية جذابة لأن كل وحدة من وحدات الطاقة تكلف كهرباء أقل بكثير من منفذها من الهيدروجين في المحطة. صيانة. السيارات الكهربائية مع استعادة طاقة الفرامل هي أيضًا فعالة للغاية. يتم توفير ما يصل إلى 80٪ من الطاقة الكهربائية "المشحونة" إلى العجلات. ومع ذلك ، في مركبة تعمل بخلايا الوقود أعلى بضعفين ، يتم استخدام الهيدروجين فقط بكفاءة ناقلة تبلغ حوالي 40٪.
المشكلة الثانية وربما الرئيسية هي أن مصادر الطاقة الحالية محدودة. من المعتقد أن النفط والغاز لن يدوم أكثر من 100 عام ، والفحم - حوالي 400 عام ، والوقود النووي - أكثر من 1000 عام. من أجل الحصول على الوقود عندما يتم استنفاد احتياطيات النفط والغاز على الأرض ، ولحل المشاكل البيئية ، من الضروري التحول إلى مصادر طاقة جديدة والحصول على "طاقة نظيفة". وأملنا الرئيسي هو طاقة الهيدروجين: استخدام الهيدروجين باعتباره الناقل الرئيسي للطاقة وخلايا الوقود كمولدات للكهرباء. في الوقت نفسه ، سيتم تقليل استهلاك الوقود الأحفوري بشكل حاد ، لأنه يمكن الحصول على الهيدروجين من الماء ، مما يؤدي إلى تحللها إلى هيدروجين وأكسجين. سيتم توفير الطاقة لهذا من خلال الطاقة النووية والمصادر المتجددة.
تتطلب السيارة المجهزة بخلية وقود الهيدروجين كهرباء أكثر بأربعة أضعاف من السيارة الكهربائية ، أو تتسبب في زيادة تكاليف الوقود بأربعة أضعاف. من المرجح أن يتم استخدام المركبات الكهربائية المزودة بمحرك هجين في التنقل. عمر الخدمة لهذه البطاريات هو عشر سنوات. اليوم ، يمكن للمركبات التي تعمل بخلايا الوقود تحقيق هذه القيم ، وإن كان ذلك بتكاليف تشغيل أعلى بكثير.
سيتم استخدام الوقود الاصطناعي المشتق من الكتلة الحيوية في النقل لمسافات طويلة والشاحنات والجو والبحر. مع تأثير منخفض نسبيًا على بيئةتتفوق ناقلات الطاقة هذه على الهيدروجين من حيث القدرة على التحكم وكثافة الطاقة والسلامة والتكلفة. يرتبط إدخال الهيدروجين المجدول في قطاع النقل بمخاطر اقتصادية عالية بالنظر إلى هذه الاتجاهات الجديدة.
يعني الانتقال إلى طاقة الهيدروجين إنتاجًا واسع النطاق للهيدروجين وتخزينه وتوزيعه (على وجه الخصوص ، النقل) واستخدامه لتوليد الطاقة باستخدام خلايا الوقود. يستخدم الهيدروجين أيضًا في مجالات أخرى ، مثل علم المعادن والتوليف العضوي والصناعات الكيماوية والغذائية والنقل وما إلى ذلك. (رسم بياني 1). انطلاقا من الوتيرة الحالية وحجم تطوير طاقة الهيدروجين على كوكبنا ، يجب أن تتحول الحضارة العالمية قريبًا إلى اقتصاد الهيدروجين. في الواقع ، المهمة هي إنشاء خلايا وقود واستخدام الهيدروجين لتوليد الطاقة الكهربائية. إنها خلايا الوقود التي سأركز عليها.
يوضح المثال التالي عواقب اقتصاد الهيدروجين. يتطلب إنتاج كيلوغرام واحد من الهيدروجين 9 كيلوغرامات من الماء وحوالي 100 كيلوواط ساعة من الكهرباء. في مطار فرانكفورت ، يتم تحميل 50 طائرة يوميًا ، تحمل كل منها 130 طنًا من الغازات المحمولة جواً. نفس كمية الطاقة موجودة في 50 طنًا من الهيدروجين السائل. لتزويد جميع طائرات المطار بالهيدروجين ، سيكون من الضروري استخدام استهلاك المياه في مدينة فرانكفورت وطاقة ما لا يقل عن 25 محطة طاقة كبيرة.
لا تأتي طاقة الهيدروجين من "مصادر متجددة" ، كما يتخيل أنصار اقتصاد الهيدروجين بسعادة. أسئلة "من أين من الماء؟" و "من أين من الكهرباء؟" تحتاج إلى الإجابة أولاً قبل بناء بنى تحتية جديدة. هناك العديد من المناطق في العالم حيث يجب استخدام المياه ذات الكثافة السكانية المنخفضة لإنقاذ حياة الإنسان.
سأبدأ بإنتاج الهيدروجين. من مصادره الوقود الطبيعي: الميثان ، والفحم ، والخشب ، إلخ. عندما يتفاعل الوقود مع بخار الماء أو الهواء ، يتشكل الغاز التخليقي - خليط من CO و H 2 (الشكل 2). ثم يتم إطلاق الهيدروجين منه. مصدر آخر هو النفايات الزراعية ، والتي يتم الحصول منها على الغاز الحيوي ، ثم الغاز التخليقي. تُستخدم المخلفات الصناعية أيضًا لإنتاج الغاز المركب ، والذي يساهم في نفس الوقت في حل المشكلات البيئية ، نظرًا لوجود الكثير من النفايات ويجب التخلص منها. في النهاية ، يتكون ثاني أكسيد الكربون والهيدروجين وأول أكسيد الكربون. يأتي بعد ذلك التنقية التحفيزية ، والتحويل الكهروكيميائي ، وما إلى ذلك. يمكن أيضًا الحصول على الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي للماء ، أي تحللها تحت تأثير التيار الكهربائي. عنصر مهم للغاية في تحويل الغاز المحتوي على الهيدروجين هو تنقية الغاز على أغشية البلاديوم. النتيجة النهائية هي هيدروجين نقي.
إن الانتقال من اقتصاد الطاقة الذي يهيمن عليه النفط اليوم إلى الكهرباء المستدامة والمتجددة لا يتعلق ببساطة باستبدال الوقود الأحفوري بالهيدروجين الاصطناعي. يجب أن تؤخذ التغييرات المعقدة في الاعتبار في جميع مجالات الطاقة: يجب دائمًا مراعاة الإنتاج والتوزيع والتخزين والاستخدام. لقد انقلبت صناعة الطاقة رأساً على عقب. في حين أن المصادر الكيميائية اليوم هي نقطة البداية ، إلا أنها في المستقبل ستكون كهرباء من مصادر متجددة.
الكهرباء اليوم هي شكل من أشكال الطاقة الثانوية ، وغدا هي حاملة طاقة مخلوقة صناعيا. في حين أن أسعار الغاز الطبيعي والنفط هي التي تحركها الأسعار اليوم ، فستكون الكهرباء في المستقبل من مصادر متجددة. أصبحت الكهرباء "عملة رئيسية" في سوق الطاقة. لذلك ، فإن الهيدروجين المنتج من الكهرباء سيكون دائمًا أغلى من الكهرباء المتجددة. لا يمكن أن تهتز هذه القرارات السياسية أو برامج التنمية المعقدة.
الآن سأركز على طرق تخزين الهيدروجين. أكثرها فعالية هي البالونات. يوضح الجدول 1 النسبة (بالنسبة المئوية) من كتلة الهيدروجين إلى كتلة الحاويات لتخزينها. إذا كانت الأسطوانة قادرة على تحمل 300 ضغط جوي ، فيمكن تخزين 13 ٪ (كتلة) من الهيدروجين فيها ؛ 500 صراف آلي - 11٪. في الولايات المتحدة الأمريكية ، تم تطوير أسطوانات مصممة لـ 700 جهاز صراف آلي. يخزنون 9٪ هيدروجين. من الملائم تخزين الهيدروجين في حالة تسييل. الطرق الجيدة لتخزينه هي امتزاز الهيدروجين في هيدرات المعادن (حوالي 3٪) وفي المركبات المعدنية (حتى 5٪). هناك أفكار وتجارب يتم تنفيذها بالفعل حول طرق تخزين الهيدروجين مثل المواد النانوية الكربونية والأنابيب النانوية والكرات الزجاجية الدقيقة. ألاحظ أنه من المناسب تنسيق عمليات إنتاج الهيدروجين من الوقود التقليدي واستهلاكه قدر الإمكان في الوقت المناسب لتقليل الحاجة إلى تخزين الهيدروجين.
لذلك ، لن يلعب الهيدروجين الاصطناعي دورًا مهمًا في صناعة الطاقة المستدامة ، نظرًا لأن "الكهرباء المباشرة" توفر دائمًا أفضل الحلول. لا يمكن أن يتداخل ناقل طاقة الهيدروجين الثانوي مع تدفق ناقلات الطاقة التي تشكلت منها بشكل مصطنع. في عالم مستدام ، تفقد القوانين البيئية قوتها أيضًا بسبب كهرباءنقي مثل الهيدروجين المنتج منه. على العكس من ذلك ، نظرًا لعدم كفاءة سلسلة الهيدروجين ، من الضروري إنشاء المزيد من محطات الطاقة المتجددة لتوفير الطاقة النهائية المطلوبة مقارنةً بالتوزيع والاستخدام المباشرين للكهرباء.
أنتقل إلى توليد الكهرباء باستخدام الهيدروجين ، أي مباشرة إلى خلايا الوقود. هذه خلية كلفانية تولد الكهرباء بسبب تحولات الأكسدة والاختزال للكواشف القادمة من الخارج. أثناء تشغيل خلية الوقود ، لا يتم استهلاك الإلكتروليت والأقطاب الكهربائية ولا تخضع لأية تغييرات. في ذلك ، يتم تحويل الطاقة الكيميائية للوقود مباشرة إلى كهرباء. من المهم جدًا عدم وجود تحويل للطاقة الكيميائية للوقود إلى طاقة حرارية وميكانيكية ، كما هو الحال في الطاقة التقليدية. عندما يتم حرق الغاز أو زيت الوقود أو الفحم في الغلاية ، يتم تسخين البخار ، والذي يدخل التوربين تحت ضغط عالٍ ، ويقوم التوربين بالفعل بتدوير المولد الكهربائي.
يشكو علماء البيئة بالفعل من تدمير المناظر الطبيعية بواسطة مزارع الرياح. إذا تم توزيع الطاقة باستخدام الهيدروجين ، فإن عدد توربينات الرياح سيتضاعف أربع مرات. من يوفر المشهد؟ من أين تأتي الطاقة لإنتاج الهيدروجين والماء؟ يجب أن يستمر تقديم الإجابة الكمية على هذا السؤال من قبل مؤيدي اقتصاد الهيدروجين.
إن الدخول المبكر في اقتصاد الهيدروجين لن يجعل الانتقال إلى الاستدامة أمرًا صعبًا للغاية فحسب ، بل ربما يكون مستحيلًا أيضًا. بالنسبة لجميع المدافعين عن مستقبل مستدام ، من الواضح أن تطوير مصادر طاقة جديدة يسبق تقديم ناقل طاقة جديد. يتضمن هذا أيضًا مسألة عدد الكائنات البشرية التي يمكن أن تأخذها. المستقبل يتطلب تغييرات كبيرة في قطاع الطاقة. نحن بحاجة إلى التحرك بشجاعة وتصميم مباشرة نحو مجال طاقة مستدامة ، وليس تجربة اقتصاد الهيدروجين.
في أبسط خلية وقود ، حيث يتم استخدام الهيدروجين النقي والأكسجين النقي ، يتحلل الهيدروجين ويتأين عند الأنود (الشكل 3). ينتج جزيء الهيدروجين اثنين من أيونات الهيدروجين وإلكترونين. عند الكاثود ، يتحد الهيدروجين مع الأكسجين لتكوين الماء. في الواقع ، هذه هي الفائدة البيئية الرئيسية: يتم إطلاق بخار الماء في الغلاف الجوي بدلاً من كمية ضخمةيتولد ثاني أكسيد الكربون أثناء تشغيل محطات الطاقة الحرارية التقليدية.
الطريق يؤدي إلى كفاءة استخدام الكهرباء من مصادر متجددة. لا يوجد مستقبل لاقتصاد الهيدروجين. خيارات كفاءة الطاقة لإنتاج واستخدام الهيدروجين المتجدد في النمسا ، مع تحديد المشاريع النموذجية التي توضح دور الهيدروجين المتجدد في نظام طاقة مرن وفعال من حيث الطاقة.
يتم إنتاج حوالي 520 مليار نيوتن متر مكعب من الهيدروجين سنويًا ، والذي يستخدم بشكل أساسي كمواد خام كيميائية وفي علم المعادن. يمكن توليد الهيدروجين في عمليات مختلفة باستخدام مصادر الطاقة الأحفورية أو المتجددة. كحامل للطاقة ، يمكن استخدام الهيدروجين بعدة طرق: يمكن تخزين الهيدروجين ونقله واستخدامه لتوليد الكهرباء والحرارة والكهرباء في التطبيقات الثابتة والمتنقلة. تتم دراسة ومناقشة ما إذا كان الهيدروجين قد يصبح مهمًا في أنظمة الطاقة في المستقبل وإلى أي مدى ، مع مراعاة الإمكانات التقنية والتكاليف والإمكانيات واستراتيجيات التنفيذ.
تم الحصول على الطاقة الكهربائية الأولى باستخدام خلية وقود في وقت مبكر من عام 1839. ومع ذلك ، حدثت الطفرة حول طاقة الهيدروجين عندما بدأ استكشاف الفضاء. في الستينيات من القرن الماضي ، تم إنشاء خلايا وقود بقوة تصل إلى 1 كيلوواط لبرامج الجوزاء وأبولو ، في السبعينيات والثمانينيات - خلايا وقود بقدرة 10 كيلووات للمكوك. في بلدنا ، تم تطوير مثل هذه التركيبات لبرنامج Buran في NPO Energia ، والتي عملت كمنسق للبرنامج بأكمله ، ولكن خلايا الوقود القلوية نفسها تم إنشاؤها في Novouralsk في مصنع كهروكيميائي. في نفس السنوات ، تم بناء محطات طاقة بسعة حوالي 100 كيلوواط على خلايا وقود حامض الفوسفوريك. تمتلك اليابان والولايات المتحدة محطات طاقة تجريبية بقدرة 10 ميغاوات.
أساس هذا النشاط البحثي الدولي هو رؤية اقتصاد الهيدروجين العالمي ، حيث يمكن اعتبار الهيدروجين أحد أكثر ناقلات الطاقة "أنظف". وأهم شرط مسبق لذلك هو إنتاجه من مصادر الطاقة المتجددة.
الهدف من هذه الدراسة هو تحليل ما إذا كان الهيدروجين البيئي في النمسا سيكون مصدرًا للطاقة في المستقبل وتحت أي ظروف. تحقيقا لهذه الغاية ، يتم النظر في مزايا وعيوب الهيدروجين البيئي وتقييمها مقارنة بمصادر الطاقة الأخرى ، مع مراعاة الجوانب التكنولوجية والاقتصادية والبيئية والاجتماعية. يتعلق هذا بمسألة كيفية إنتاج الهيدروجين الصديق للبيئة ، وكذلك مكان وكيفية استخدامه. تعتبر تقنيات إنتاج الهيدروجين الصديق للبيئة من الطاقة المتجددة: تغويز الكتلة الحيوية ، وإصلاح البخار للغاز الحيوي من السماد وسيلاج الذرة ، والتحليل الكهربائي بالكهرباء من الطاقة الكهرومائية ، وطاقة الرياح ، والخلايا الكهروضوئية.
من التسعينيات إلى الوقت الحاضر ، تم تطوير خلايا الوقود بسعة 1 كيلوواط إلى 1 ميغاواط للطاقة الثابتة المستقلة. يجب أن يؤخذ في الاعتبار أن خلايا الوقود تستخدم أيضًا في السيارات ، وتستخدم المحركات الكهربائية كحمل لها. بالإضافة إلى ذلك ، يتم تطوير مصادر الكهرباء المحمولة (طاقة أقل من 100 واط) لأجهزة الكمبيوتر والهواتف المحمولة والكاميرات. كوقود ، يستخدمون ، كقاعدة عامة ، الميثانول ، الذي يتم الحصول على الهيدروجين منه. تتم إعادة شحن العناصر مرة واحدة فقط في الشهر.
استنادًا إلى المبادئ التوجيهية السبعة لتقنية الاستدامة من برنامج الاندفاع للاقتصاد المستدام ، يتم تقييم أنظمة طاقة الهيدروجين الصديق للبيئة لإظهار الفوائد المحتملة لهذا "المحور" نحو الاستخدام المباشر للطاقة المتجددة لتوليد الكهرباء والحرارة والوقود.
إن أهم خيار لتوفير الطاقة للهيدروجين الصديق للبيئة في النمسا على المدى المتوسط والطويل هو توفير خدمات النقل بواسطة المركبات التي تستخدم غاز الهيدروجين من التحليل الكهربائي إلى الكهرباء من المياه وطاقة الرياح. في قطاع النقل ، يمكن للهيدروجين الصديق للبيئة من الكهرباء الخضراء أن يقدم مساهمة كبيرة على المدى المتوسط والطويل كوقود. إذا تم استخدام التحليل الكهربائي مباشرة في محطة التعبئة ، فيمكن استخدام البنية التحتية للشبكة الكهربائية الحالية.
تتكون خلية الوقود من موصل أيوني (إلكتروليت) وموصلان إلكترونيان (قطبان) متصلان بالمحلول بالكهرباء. يتم توفير الوقود والمواد المؤكسدة باستمرار للأقطاب - تتم إزالة الأنود والكاثود ، والمنتجات (المكونات الخاملة وبقايا المؤكسد ، وكذلك منتجات الأكسدة) منها باستمرار. الأنواع الرئيسية لخلايا الوقود موضحة في الجدول 2. وفقًا لنوع الإلكتروليت ، يتم تصنيفها إلى قلوية ، بوليمر صلب ، فوسفات ، كربونات منصهرة وأكسيد صلب ؛ درجة حرارة التشغيل - درجات حرارة منخفضة ومتوسطة وعالية. ألاحظ أن استخدام الأقطاب الكهربائية المصنوعة من معادن مجموعة البلاديوم والبلاتين يؤدي إلى زيادة في الخصائص المحددة وزيادة موارد خلايا الوقود. يتم إنتاج غشاء Nafion البوليمر المستخدم في خلايا وقود البوليمر الصلب في الولايات المتحدة الأمريكية وكندا بواسطة شركة DuPont ، في روسيا يتم إنتاج أغشية مماثلة بواسطة شركة Plastpolymer.
على المدى القصير والمتوسط ، تتمتع المركبات ذات محركات الاحتراق الداخلي لغاز الهيدروجين ، إذا لزم الأمر في عملية ثنائية التكافؤ بالبنزين ، بأفضل الظروف. لن يتم استخدام المركبات التي تعمل بخلايا الوقود إلا بعد مزيد من التطوير التقني المقترن بتخفيضات كبيرة في التكلفة. من وجهة نظر الاقتصاد الكلي ، ليس من الممكن تحقيق اقتصاد طاقة هيدروجين بيئي شامل في النمسا على المدى القصير ، لأن الاستخدام المباشر لمصادر الطاقة المتجددة لتوفير خدمات الطاقة أكثر فعالية من حيث التكلفة.
أعطيت مثالاً لخلية وقود يتم فيها نقل الشحنة بواسطة أيونات الهيدروجين في الإلكتروليت (انظر الشكل 3). في خلايا الوقود الأخرى ، يمكن أن يعمل أيون الأكسجين كحامل شحنة ، ويمكن أن يكون جذري OH - أو CO 3 - أكسجين أو هواء كمؤكسدات (الشكل 4).
يوضح الجدول 3 متطلبات نقاء الهيدروجين لمختلف خلايا الوقود. القلوية والبوليمر الصلب والإلكتروليتات الفوسفاتية حساسة جدًا لثاني أكسيد الكربون. في خلايا وقود الكربونات والأكسيد الصلب ، يكون ثاني أكسيد الكربون هو الوقود. كما أن حساسية الخلايا القلوية لثاني أكسيد الكربون عالية جدًا ، لكن لا يؤثر ثاني أكسيد الكربون على أداء خلايا الوقود الأخرى. تظهر جميع خلايا الوقود حساسية عالية بدرجة كافية للشوائب مثل H 2 S و COS. تصنف الشوائب على أنها سامة إذا أدى وجودها إلى فشل خلايا الوقود بسبب تسمم الأقطاب الكهربائية أو الإلكتروليتات. في النهاية ، تقصر الشوائب الموجودة في الهيدروجين من عمر خلايا الوقود.
يتم حاليًا تطوير خلايا وقود البوليمر الصلب القائمة على الهيدروجين بنشاط في العالم (الشكل 5 أ). ويعتقد أنها ستستخدم بشكل أساسي في المركبات. حتى الآن ، تكلفتها عالية جدًا: 1 كيلوواط من الطاقة المركبة في أفضل العينات تكلف (3-5) آلاف دولار.من الضروري خفض تكلفة 1 كيلوواط إلى 100 دولار لجعل خلايا الوقود البوليمرية الصلبة قادرة على المنافسة في النقل . بالنسبة للطاقة الذاتية ، فإن خلايا وقود الأكسيد الصلب مخصصة لها بشكل أساسي (الشكل 5 ب). تبلغ تكلفة الطاقة المركبة التي تبلغ 1 كيلوواط التي يولدونها الآن 3000 دولار ؛ 
خلية الوقود - فقط عنصرمولد كهروكيميائي ، والذي يحتوي أيضًا على أنظمة تكييف الهواء ، وإعداد الوقود ، والتخلص من النفايات ، وما إلى ذلك (الشكل 6). يمكن أن يكون الوقود الأساسي هو الميثان ، وبخار الميثانول ، والكيروسين ، والغاز الاصطناعي ، وما إلى ذلك. تتراوح كفاءة المولدات المزودة بخلايا الوقود (الشكل 7) من 30٪ (محركات الاحتراق الداخلي والتوربينات الغازية) إلى 60-65٪ (محطات توليد الطاقة بخلايا وقود الأكسيد الصلب).
سأعود مرة أخرى إلى مسألة الانبعاثات في الغلاف الجوي لفهم أهمية الجانب البيئي لطاقة الهيدروجين. يوضح الجدول 4 الحد الأقصى المسموح به للانبعاثات من محطات الطاقة الحالية. إذا انتقلنا إلى طاقة الهيدروجين ، فإن بعض الانبعاثات (NO x و CO) ستنخفض بأعداد كبيرة ، وبعضها (SO 2 والجسيمات) لن يكون موجودًا على الإطلاق.
ضع في اعتبارك محطة طاقة تعتمد على بطارية شمسية. لا يتزامن توافر ضوء الشمس والحاجة إلى الطاقة دائمًا. عندما يكون استهلاك الطاقة ضئيلاً ، يمكن استخدام الطاقة الكهربائية من الألواح الشمسية لتحليل الماء وإنتاج الهيدروجين. يدخل الهيدروجين إلى المركب ، وعند الضرورة ، يستخدم لتوليد الكهرباء في مولدات الهيدروجين الكهروكيميائية. ربما يكون مثل هذا النظام الهجين أساس صناعة الطاقة الكهربائية المستقلة في المستقبل.
الآن بإيجاز حول آفاق استخدام خلايا الوقود في النقل والطاقة اللامركزية (الجدول 5). تستخدم محطات الطاقة اللامركزية ميغاواط الفوسفات وخلايا وقود الكربونات الذائبة والميثان كوقود ثم تحوله إلى هيدروجين الطرق الكيميائية. في النقل ، يتم استخدام محطات توليد الطاقة بالكيلوواط مع أكسيد صلب وخلايا وقود بوليمر صلب.
في اليابان ، تم إنشاء محطة طاقة تعمل بخلايا الوقود بسعة 100 كيلو وات ، في ألمانيا - محطة بسعة 250 كيلو وات ، تعمل كمحطة طاقة صغيرة مستقلة. طورت شركة Siemens Westighaus محطة طاقة هجينة تعتمد على خلايا وقود الأكسيد الصلب. في ذلك ، يتم استخدام نفاثة قوية من غازات العادم لتشغيل التوربينات الغازية ، أي أن الطاقة الكهربائية الناتجة عن التوربين تضاف إلى الطاقة الكهربائية التي تولدها خلايا الوقود. تقوم أكبر شركات السيارات في العالم بتطوير السيارات الكهربائية. في مدن مثل أمستردام وبرشلونة ولندن وهامبورغ ومدريد ، تم إجراء اختبارات توضيحية لحافلات المدينة على خلايا الوقود. تم تنظيم أول مظاهرة من هذا النوع في عام 1993 ، وكان أكبر عدد في 1999-2003: 60 مظاهرة من قبل 17 شركة سيارات و 11 مظاهرة من قبل 7 شركات حافلات. تعتزم شركتا جنرال موتورز ودايملر كرايسلر عرض سيارة كهربائية في عام 2004 (من المفترض الحصول على الهيدروجين من البنزين) ، وشركات Ballard Power System و Daimler-Chrysler - في عام 2005.
كيف تسير الامور مع طاقة الهيدروجينوخلايا الوقود في روسيا؟
يجب أن أقول إننا منخرطون في طاقة الهيدروجين لفترة طويلة ، لأن هذه الأعمال كان لها تأثير كبير أهمية عظيمةللطاقة المستقلة في الفضاء وأسطول الغواصات. كان الفضاء وأسطول الغواصات هما المصدران الفعليان للأموال لتطوير طاقة الهيدروجين. قام ما يقرب من 20 معهدًا من أكاديمية العلوم في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية ، ثم أكاديمية العلوم الروسية (في موسكو وإيكاترينبرج ونوفوسيبيرسك) بحل بعض قضايا طاقة الهيدروجين. في السنوات الأخيرة ، تم دعم البحث بشكل رئيسي من خلال عقود مشتركة مع شركات أجنبية (تم إجراء عدد من التطورات التي ذكرتها إلى حد ما بمشاركة علماء روس).
على مدار 20 عامًا ، أجرت العشرات من المؤسسات الأكاديمية أبحاثًا في هذا المجال. في معهد الحفز. يدرس GK Boreskov SB RAS ، الذي يمتلك قاعدة تجريبية جيدة ومعدات اختبار ، إمكانية استخدام معادن مجموعة البلاتين (البلاديوم ، البلاتين ، إلخ) لإنتاج الهيدروجين. تم إنشاء عدد من المحفزات هنا لإنتاج الهيدروجين من الميثان وتنقيته لاحقًا باستخدام الأغشية. بقدر ما يتعلق الأمر بالأغشية ، فقد تم تحقيق نتائج جيدة للغاية في NS. AV Topchiev RAS. في معهد الفيزياء الكهربية التابع لفرع الأورال التابع للأكاديمية الروسية للعلوم ، في إطار برنامج مشترك مع معهد الكيمياء الكهربية عالية الحرارة التابع لفرع الأورال التابع لأكاديمية العلوم الروسية ، تم تطوير طرق للحصول على مساحيق نانوية وخزف نانوي عن طريق المغناطيسية إلحاحا. يتم توليد الطاقة الكهربائية في خلايا وقود الأكسيد الصلب عند درجة حرارة 950 درجة مئوية وبكثافة قدرة 470 ميغاواط / سم 2.
يعتبر مصنع الأورال الكهروكيميائي رائداً في إنشاء المولدات الكهروكيميائية بسعة عشرات الكيلوواط. في عام 1971 ، تم تطوير مولد Volna الكهروكيميائي (بقوة 1.2 كيلو واط) بناءً على خلية وقود قلوية لبرنامج القمر المحلي ، وفي عام 1988 ، تم تطوير نظام فوتون (بقوة 10 كيلو واط) لبوران. يمكن للمصنع إنتاج العديد من هذه الوحدات سنويًا. في عام 1999 ، تم إنشاء وحدات من بطاريتي تخزين من النيكل والهيدروجين لمركبة يامال الفضائية ، أي يمكن استخدام الهيدروجين ليس فقط لخلايا الوقود ، ولكن أيضًا لمراكم الطاقة.
في عام 1982 ، زودت شركة NPO Kvant سيارة سلاح الجو الملكي البريطاني بخلية وقود قلوية هيدروجينية لأول مرة. في عامي 2001 و 2003 عرض مصنع الأورال الكهروكيميائي و RSC Energia و AvtoVAZ سيارة Lada بمحرك كهربائي ومولد فوتون كهروكيميائي في معارض السيارات في موسكو. في النظام الأول ، كان الأكسجين بمثابة عامل مؤكسد ، وفي النظام الثاني ، تم تنقية الهواء من ثاني أكسيد الكربون ، مما سهل إلى حد كبير تصميم السيارة. ومع ذلك ، في كلتا الحالتين ، تم استخدام الهيدروجين المخزن في اسطوانات. في محطة وقود واحدة ، يمكن لهذه السيارات أن تقطع مسافة 300 كيلومتر.
في بلدنا ، من أجل الطاقة الذاتية ، تم إنشاء العديد من التركيبات بمولدات كهروكيميائية بسعة من 1 إلى 16 كيلو واط ، بما في ذلك تلك الموجودة على ظهر السفن بسعة 150 كيلو واط أو أكثر.
* * * لماذا خلايا الوقود جذابة ولماذا ليست في السوق؟ من بين المزايا: الكفاءة العالية ، السمية المنخفضة ، الصمت ، التصميم المعياري (على سبيل المثال ، خلايا الوقود بالكيلوواط ، من الممكن تجميع محطات عالية الطاقة منها) ، مجموعة متنوعة من الوقود الأساسي ، مجموعة واسعة من الطاقة. تغلغلهم في السوق مقيد في المقام الأول بسبب التكلفة العالية للكهرباء والموارد الصغيرة. تتمتع خلايا الوقود البوليمر الصلب بأكبر قدر من الموارد - (2-5) ألف ساعة من التشغيل ، بينما تبلغ مدة الخدمة المطلوبة (20-30) ألف ساعة.
أما بالنسبة لتسويق مولدات خلايا الوقود الكهروكيميائية ، تشارك حوالي 100 شركة في اختباراتها التوضيحية ، وقد تم تحقيق قدرة مركبة تبلغ 50 ميغاواط. الطلب على الطاقة الثابتة اللامركزية (طاقة المولدات الكهروكيميائية من 5 كيلوواط إلى 10 ميغاواط) - 100 ألف ميغاواط لمدة 10 سنوات. تبلغ تكلفة السعة المركبة الآن 1 كيلوواط أكثر من 3000 دولار ، والسعر المقبول هو 1000 دولار ، وتحتاج المركبات إلى 500000 من مولدات خلايا الوقود الكهروكيميائية (سعة 15-100 كيلوواط) سنويًا. الآن تبلغ تكلفة أحد هذه المولد أكثر من 3 آلاف دولار ، والسعر المقبول هو 50-100 دولار ، وبالتالي من الضروري تقليل تكلفة خلايا الوقود الثابتة عدة مرات وعشرة أضعاف تكلفة خلايا الوقود للنقل.
بالنظر إلى احتياجات السوق ، يقترح برنامج الاستثمار في الميزانية الأمريكية استثمار 5.5 مليار دولار في تطوير تكنولوجيا طاقة الوقود على مدى السنوات العشر القادمة ، والشركات الصناعية - ما يقرب من 10 مرات أكثر.
روسيا على مستوى الفهم المنهجي لمشكلة خلايا الوقود ليست بأي حال من الأحوال أدنى من الغرب. وتعمل عشرات المؤسسات المحلية على حل هذه المشكلة بشكل أو بآخر بالتعاون مع شركات عالمية. تعتزم الشركة المحلية "بلاستبوليمر" بناء مصنع في أوروبا لإنتاج غشاء بوليمر لخلايا وقود بوليمر صلبة. في مؤتمر عقد مؤخرا في واشنطن ، قال الأمريكيون إنهم يشترون فيلم بوليمر من إسبانيا ، مصنوع وفقًا للتكنولوجيا الروسية.
نحن متخلفون عن الغرب في مجال التقنيات التقليدية. لكن التقنيات التقليدية ، على الرغم من الاستثمارات الضخمة ، لم تسمح بعد للغرب واليابان بإنشاء خلايا وقود من الدرجة التجارية. نحن بحاجة إلى تجاوز الغرب دون اللحاق بالركب. لهذا ، يبدو لي ، لدينا بداية جيدة في مجال تكنولوجيا النانو ، التوليف الموجه للمواد ، الأغشية الرقيقة ، تقنيات الشعاع. من الضروري الجمع بين إمكانات قوية بما فيه الكفاية لأكاديمية العلوم الروسية ومعاهد الصناعة ووزارة الطاقة الذرية في الاتحاد الروسي من أجل المضي قدمًا بسرعة.
يخطط البرنامج الشامل للاستكشاف والبحث والتطوير في طاقة الهيدروجين وخلايا الوقود لدراسة البلاديوم. يعد البلاديوم المعدني لمجموعة البلاتين أحد المواد الرئيسية لخلايا الوقود وكل طاقة الهيدروجين. يتم تصنيع المحفزات وأجهزة الغشاء لإنتاج الهيدروجين النقي والمواد ذات الخصائص الوظيفية المحسنة وخلايا الوقود والمحللات الكهربائية وأجهزة الاستشعار لتحديد الهيدروجين على أساسها. يمكن للبلاديوم تخزين الهيدروجين بكفاءة ، وخاصة مسحوق نانو البلاديوم.
بالإضافة إلى طاقة الهيدروجين ، يستخدم البلاديوم في المحفزات للمعالجة اللاحقة لغازات العادم من المركبات التقليدية ؛ المحلل الكهربائي لإنتاج الهيدروجين والأكسجين عن طريق تحلل الماء ؛ خلايا الوقود المحمولة ، ولا سيما الميثانول ؛ المحلل الكهربائي للأكسيد الصلب مع أقطاب كهربائية أساسها البلاديوم ؛ أجهزة للحصول على الأكسجين من الهواء ، بما في ذلك للأغراض الطبية ؛ مجسات لتحليل مخاليط الغازات المعقدة.
مهام الأكاديمية الروسية للعلوم في تطوير طاقة الهيدروجين وتقنيات البلاديوم ، في رأينا ، هي كما يلي:
تطوير تقنيات جديدة لطاقة الهيدروجين ؛سأدرج مجالات العمل ذات الأولوية للمؤسسات الأكاديمية في إطار الاتفاقية العامة بين الأكاديمية الروسية للعلوم وشركة OJSC "Mining and Metallurgical Company" Norilsk Nickel "":بحث ودراسة المواد والعمليات الجديدة الواعدة في مجال طاقة الهيدروجين ؛
البحث عن الاستخدام الرشيد والفعال للبلاديوم ومعادن مجموعة البلاتين في الطاقة والحفز ؛
الدعم العلمي من المعاهد الأكاديمية لتطوير التقنيات الصناعية (لا يمكننا تنظيم الإنتاج الضخم ، لكننا ملزمون بتنظيم الدعم العلمي) ؛
تطوير توقعات لتطوير طاقة الهيدروجين في روسيا ؛
خلق مفهوم اقتصاد الهيدروجين.
إنشاء بوليمر صلب وخلايا وقود الأكسيد الصلب ، بالإضافة إلى مزيد من الدراسة لإمكانيات خلايا الوقود القلوية ، ومعالجات الوقود لإنتاج الهيدروجين من الوقود الهيدروكربوني ؛في الختام ، أود أن أشير إلى أن لحظة مهمة قد حانت بالنسبة لأكاديمية العلوم الروسية: فالصناعة والشركات الخاصة الكبرى تبدي اهتمامًا بتطوراتها الأساسية من أجل زيادة القدرة التنافسية لمنتجاتها. لقد قلنا دائمًا: بمجرد أن تبدأ صناعتنا في الانتعاش ، سوف ينتعش العلم أيضًا. تعد مشاركة أكاديمية العلوم في البرنامج المشترك مع نوريلسك نيكل ، بمعنى ما ، تجربة رائدة في منظمة جديدة للبحوث الأساسية والتطبيقية.تطوير مجمعات إنتاج الهيدروجين وتنقيته وتكديسه وتخزينه ونقله ؛
إنشاء محطات طاقة عالية الكفاءة وصديقة للبيئة ومولدات كهروكيميائية من فئة واسعة تعتمد على خلايا الوقود ، بما في ذلك تلك المستخدمة في الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية ؛
تطوير العناصر الرئيسية للبنية التحتية للطاقة الهيدروجينية ؛
تطوير العمليات التكنولوجية المتقدمة وتصنيع منتجات عالية التقنية على أساس استخدام معادن مجموعة البلاديوم والبلاتين.
يعد تنفيذ الاتفاقية العامة والبرنامج الذي سيتم التوقيع عليه اليوم أحد اتجاهات التطوير المستقبلي لأكاديمية العلوم. أعلم أن الشركات الأخرى مهتمة أيضًا بالتعاون مع الأكاديمية الروسية للعلوم وتعمل بالفعل مع معاهدنا على أساس ثنائي. اسمحوا لي أن أذكركم أنه في عام 2002 ، حصلت أكاديمية العلوم ، بفضل الاتفاقيات الاقتصادية ، على 5 مليارات روبل ، والأموال التي تم تخصيصها لها من الميزانية بلغت 10 مليارات روبل. آمل أن يضع الاجتماع المشترك الحالي لهيئة رئاسة الأكاديمية الروسية للعلوم ومجلس إدارة شركة نوريلسك نيكل الأساس لأساليب جديدة لنشاط الابتكار لأكاديمية العلوم الروسية.
ثم تم إعطاء الكلمة للمدير العام - رئيس مجلس إدارة OJSC MMC Norilsk Nickel M.D. بروخوروف.
د. بروخوروف:سأبدأ حديثي بكلمات الامتنان للأكاديمية الروسية للعلوم للطاقة والحماس اللذين شارك بهما ممثلوها في التطوير المشترك لموضوع الهيدروجين وخلايا الوقود. أود أن أتحدث عن موضوع إستراتيجية روسيا في مجال الطاقة الهيدروجينية وخلايا الوقود ، وكذلك مناقشة القاعدة التي ننطلق منها والمتطلبات التي يجب أن تعرض على تطوراتنا.للأسف الشديد ، فقدت روسيا مكانة القوة الاقتصادية العظمى: من حيث الناتج المحلي الإجمالي ، نحن في ثاني عشرة بلدان في العالم ، من حيث دخل الفرد - وحتى أكثر ؛ يعتمد اقتصادنا بشكل كبير على تصدير واستيراد التكنولوجيا العالية ؛ المنتج المضاف غير مطور في الدولة ، نحن نستورد أشياء كثيرة. كل هذا يجب أن يؤخذ في الاعتبار عند تطوير برنامج طاقة الهيدروجين حتى يكون ناجحًا.
رئيس روسيا ف. وضع بوتين هدفاً طموحاً: مضاعفة الناتج المحلي الإجمالي بحلول عام 2010. لكن هذا الهدف يقوم على المضاعفة الخطية. في رأيي ، مع نمو الناتج المحلي الإجمالي بنسبة 8٪ سنويًا ، لن نحل المشكلة العالمية - لن نعيد روسيا إلى مصاف القوى الاقتصادية الرائدة في العالم. سنقوم فقط بتقليل الأعمال المتراكمة من هذه البلدان قليلاً. إذا نما ناتجنا المحلي الإجمالي بنسبة 8٪ سنويًا ، ونما الناتج المحلي الإجمالي الأمريكي بنسبة 1٪ سنويًا ، فسنصل إلى إمكاناتهما خلال 236 عامًا.(تم تسليط الضوء عليه من قبلنا - في. )
أدت دراسة المشكلات الاقتصادية والعمل المشترك مع الأكاديمية الروسية للعلوم بشركتنا إلى نتيجة مثيرة للاهتمام للغاية. نعتقد أن تطوير تكنولوجيا الطاقة الهيدروجينية وخلايا الوقود هو السبيل الوحيد لبلادنا لتصبح واحدة من القوى الاقتصادية الرائدة في العالم. سأقدم ثلاث حجج أساسية.
الحجة الأولى.يواجه العالم خيار الانتقال إلى نظام تكنولوجي جديد. وليس من الضروري على الإطلاق أن تنجح البلدان التي تسير على ظهور الخيل بشكل خاص في تحقيق هذا التحول. على العكس من ذلك ، قد لا تسمح الاستثمارات الكبيرة في البنية التحتية الكبيرة والمكلفة (حوالي 1 تريليون دولار) بإعادة التوجيه في الوقت المناسب والانتقال إلى أسلوب حياة جديد. لكن لدى بلدنا الفرصة لمحاولة إحداث اختراق فوري في الاقتصاد الجديد.
الحجة الثانية.الهدف الرئيسي لتكنولوجيا الهيدروجين هو تقليل الاعتماد على مصادر الطاقة الحالية ، أي النفط والغاز. إن ناقلات الطاقة هذه هي أساس اقتصادنا الحالي وميزانيتنا. إذا انخفض استهلاك النفط والغاز بشكل حاد في غضون 15 عامًا ، نتيجة لإدخال اقتصاد الهيدروجين ، فسيكون لدينا نموذج تطوير مكتئب. لذلك ليس لدينا بديل للانتقال إلى اقتصاد الهيدروجين.
الحجة الثالثة.من أجل المنافسة ، تحتاج إلى مزايا تنافسية. في هذه الحالة ، فهي واضحة: التطورات الأساسية للأكاديمية الروسية للعلوم ومعدن المستقبل - البلاديوم ، الذي تسيطر روسيا على 50 ٪ من الإنتاج العالمي منه.
تقنعني كل هذه الحجج الثلاث بأن لدينا عملياً فرصة تاريخية لنقترح على رئيس الدولة والحكومة برنامجنا الشامل المشترك كفكرة اقتصادية وطنية لإعادة روسيا إلى وضع القوة الاقتصادية العظمى. وهذا يجب أن يتم ، في رأيي ، باستخدام المجلس تحت إشراف رئيس الاتحاد الروسي للعلوم والتقنيات العالية.
ما هي المتطلبات التي سيفرضها الاقتصاد العالمي على تطوراتنا؟
بادئ ذي بدء ، يجب أن نتقدم على زملائنا الغربيين. الحقيقة هي ، للأسف ، أن المنتج المضاف لا يتم تطويره في الدولة ، مما يعني أن سعة السوق الروسية صغيرة جدًا. وفي المرحلة الأولى ، يجب بيع منتجاتنا بدقة في الأسواق الغربية ، لذلك يجب أن تتجاوز تطوراتنا نظيراتها الغربية حتى يقبلها السوق. يجب أن نعطي الأولوية للبحث والتطوير الذي لن يكرر مشاريع أجنبية مماثلة ، ولكنه سيسمح لنا بالوصول إلى الصدارة في العالم وإنشاء منتجات تنافسية في مجال طاقة الهيدروجين ، متجاوزة النماذج والتقنيات الغربية من حيث معاييرها. من أجل اللحاق بالركب ، يجب عليك التجاوز على الفور.
لدينا قناعة عميقة بأن مجرد تحسين تقنيات اليوم لا يلبي المتطلبات الضرورية لاقتصاد الهيدروجين في المستقبل. يجب حل المشكلات الفنية في هذا المجال من خلال البحث الأساسي الجاد في مختلف مجالات الكيمياء والفيزياء وعلوم المواد وتكنولوجيا النانو ، وكذلك من خلال دمج البحث نفسه مع احتياجات الإنتاج والأعمال الموجودة بالفعل مرحلة مبكرةتنفيذها.
مشكلة أخرى كبيرة هي التمويل. بطبيعة الحال ، لن تكون أموال نوريلسك نيكل كافية للبرنامج الشامل بأكمله. هذا هو مجرد رأس مال للبدء في العمل. من الضروري استقطاب موارد الدولة في إطار البرنامج الوطني ، وكذلك موارد شركات النفط والغاز والطاقة.
في رأيي ، لا يكفي وجود أموال لتمويل التطورات العلمية ، بل من الضروري وجود حالة واضحة<аказ на покупку и внедрение уже достигнутого. Все мы знаем, что во многих случаях новая экономика внедряется крайне тяжело, инфраструктура не готова, поэтому отдельная строчка должна быть по внедрению тех продуктов, которые мы с вами совместно наработаем. И естественно, нужно готовить кадры для новой системы экономических отношений.
بضع كلمات عن برنامجنا الشامل. وتتمثل مهمتها الرئيسية في إنشاء سلسلة من البحث العلمي الأساسي إلى أعمال التطوير في مجال طاقة الهيدروجين. هناك مهمة أخرى ، في رأيي ، مهمة للغاية وهي اختيار الاتجاهات الرئيسية في تطوير طاقة الهيدروجين وخلايا الوقود. لا يقل أهمية عن تنسيق أنشطتنا ، دعنا نقول ، صقل العقليات ، ويتم تعيين دور كبير جدًا هنا لمجلس البرنامج المتكامل ، برئاسة الأكاديمي جينادي أندرييفيتش ميسياتس. وأخيرًا ، نخطط لإنشاء مركز للبلاديوم على أساس المؤسسات العلمية التابعة لأكاديمية العلوم ، والتي ستشارك في البحث المتقدم حول منتجات المعالجة المتقدمة للبلاديوم ومركباته. سنقوم بالترويج لهذه المنتجات في الأسواق العالمية ، وكذلك استبدالها بالتطورات الأجنبية المستخدمة حاليًا في اقتصادنا.
في ختام حديثي القصير ، أود أن ألفت انتباهكم إلى حقيقة أنني مقتنع تمامًا بأن لدينا بين أيدينا بالضبط الفكرة الوطنية لإعادة روسيا إلى صفوف القوى الرائدة في العالم. ويعتمد مستقبل بلدنا على مدى نجاحنا وسرعتنا في تطبيقه. نحن على استعداد للعمل الجاد.
نقاش
الأكاديمي Yu.A. أوسيبيان:قام جينادي أندريفيتش ميسياتس بمراجعة شاملة ومفيدة للغاية لمشكلة طاقة الهيدروجين. كما فهمت من خطاب ميخائيل دميتريفيتش بروخوروف ، يأمل نوريلسك نيكل في تحقيق نوع من الاختراق في هذا المجال ، والذي يمكن تحقيقه بمساعدتنا. نحن بحاجة إلى التفكير في الخطوات الأساسية التي نحتاج إلى اتخاذها لضمان تحقيق اختراق في المستقبل. في هذا الصدد ، أود أن أتناول مسألتين كان معهدنا لفيزياء الحالة الصلبة يعمل عليهما لفترة طويلة. أولاً ، نحن قادرون على خلق ضغط مرتفع جدًا للهيدروجين ، والذي يعد بحد ذاته إنجازًا ثوريًا تقنيًا. كما تفهم ، من المستحيل ضغط الهيدروجين بضاغط بسيط ، لأنه "يزحف" عبر كل الحديد. من المستحيل إنشاء ضغط هيدروجين ميكانيكيًا يزيد عن 5000 ضغط جوي. تحتاج إلى التفكير في بعض الأساليب الأخرى. لأكثر من 10 سنوات ، كان معهدنا يستخدم تقنية "رائدة" تمامًا: يتم الحفاظ على ضغط هيدروجين يبلغ حوالي 100000 ضغط جوي بواسطة طريقة ديناميكية كيميائية بحتة. السؤال هو: لماذا هذا ضروري؟ باستخدام مثل هذا الضغط العالي للهيدروجين ، يمكننا تحديد كمية الهيدروجين التي يمكن أن تتراكم بواسطة مواد مختلفة ، أي التصديق عليها للتراكم المحتمل للهيدروجين. أنا مقتنع تمامًا (أعتقد أنه لن يجادلني أحد) أن المستقبل ينتمي إلى بطاريات الهيدروجين الصلبة. ندرس تراكم الهيدروجين بواسطة الفوليرين والأنابيب النانوية. يجب أن أقول إن مثل هذا العمل يتم تنفيذه في جميع أنحاء العالم. واتضح أن الضغط المرتفع للهيدروجين يساعد في "زرع" الكثير من الهيدروجين في هذه الهياكل ، والذي يحتفظ فيه بدرجة حرارة تصل إلى حوالي 450-600 درجة مئوية. عندما يبدأ الهيدروجين في الانفجار ، يمكن أن يحترق. يجب القول أن كمية كبيرة نسبيًا من الهيدروجين (أكثر من 200٪) يمكن أن تتراكم عند الضغط العالي في الفوليرين والأنابيب النانوية. موظف في معهدنا ، متخصص معروف في مجال فيزياء الضغط العالي ، الأستاذ إي. Poniatowski هو قائد المشروع الياباني لإنشاء بطاريات هيدروجين للمركبات ، والذي يعمل عليه العلماء اليابانيون لصالح Mitsubishi. السؤال الثاني الذي أريد أن أتطرق إليه هو الكيمياء الكهربائية الكلاسيكية. هناك إلكتروليتات الحالة الصلبة ، ما يسمى superionics - الموصلات الفائقة الأيونية ، والتي في المستقبل المنظور يمكن أن تحل محل الإلكتروليتات السائلة. في علم الأيونات الفائقة ، لا تتحقق الموصلية بسبب الإلكترونات ، ولكن بسبب الأيونات التي تتمتع بحركة عالية جدًا. وتجدر الإشارة إلى أن هذا الاتجاه واعد للغاية. يبدو لي أن البرنامج الشامل الذي قدمه Gennady Andreevich يجب تعزيزه من خلال جانب مادي ، على وجه الخصوص ، يجب أن يتضمن مشاكل أساسية مثل تخزين الهيدروجين في بطاريات الحالة الصلبة وأنواع جديدة من الموصلات. أعتقد أنه من الضروري استكمال تكوين مجلس البرنامج المتكامل بممثلين عن قسم العلوم الفيزيائية بأكاديمية العلوم الروسية. |
لدى حكومة موسكو وجهة نظر مختلفة قليلاً عن مشكلة النقل. من المفترض أن السيارات لن تعمل على الهيدروجين ، ولكن على الأثير. ولكن حتى في هذه الحالة ، سيتعين عليك إنشاء مصادر الطاقة الخاصة بك. إذا أردنا استيراد السيارات ، فسنحتاج إلى إنشاء هيكل آخر يوفر الوقود. بالنسبة للوقود ، يبدو لي أنه سيكون غازًا طبيعيًا في المستقبل القريب ، وفي المستقبل وقودًا نوويًا. تم اعتماد المفاعل عالي الحرارة المبرد بالغاز كمصدر رئيسي للطاقة. ومع ذلك ، فإن إنشائها ، وكذلك تنفيذ برنامج تطوير الطاقة النووية ، سيتطلبان عملا جادا. إذا تحدثنا عن الواردات المحتملة ، فسأقدم مثالًا مضحكًا إلى حد ما. في موسكو ، أوشك بناء مصنع لمعالجة النفايات الحضرية بطريقة البلازما على الانتهاء. من المخطط الحصول على 70 كجم من الهيدروجين من طن واحد من القمامة. بالنسبة لروسيا ، فإن مثل هذه الكمية الصغيرة من الهيدروجين ليست مثيرة للاهتمام بعد. لكن بالنسبة لدول مثل اليابان وإسرائيل ، حيث يوجد الكثير من القمامة ، فهذا أمر مهم. في تقدير تقريبي للغاية ، في بلد صناعي متقدم ، تنتج الأسرة ما يكفي من القمامة سنويًا بحيث يمكن للسيارة تشغيل سيارة لمدة عام باستخدام الهيدروجين الذي يتم الحصول عليه من نفايات الأسرة. واحدة من أهم القضايا هي النقاء النهائي للهيدروجين الناتج ، لأنه يمكن أيضًا استخدام تحويل البلازما لتحويل الميثان إلى الهيدروجين. لذلك يبدو لي أنه من الضروري تقييم جميع تقنيات الطاقة الهيدروجينية من وجهة نظر اقتصادية ، ودون تأخير ، وإعداد نوع من التقرير المنهجي حول المشكلة. |
يجب أن يقال أن تطوير طاقة الهيدروجين اليوم مقيد باعتبارات اقتصادية. تزيد تكلفة كيلوواط من القدرة المركبة على (3-4) ألف دولار - وهو ترتيب من حيث الحجم أكبر من الطاقة التقليدية. بالإضافة إلى ذلك ، فإن سعر الهيدروجين أعلى من الوقود التقليدي. ومع ذلك ، فمن الواضح للجميع أن سعر الوقود التقليدي سيرتفع ، بينما ستنخفض الطاقة التي تنتجها أجهزة الهيدروجين. لذلك ، فإن احتمالات طاقة الهيدروجين مرضية تمامًا. يبدو لي أنه في البرنامج المعقد حول طاقة الهيدروجين الذي نناقشه ، يجب الانتباه إلى المكون الاقتصادي. قال ذلك ذات مرة مهندس الطاقة المتميز الأكاديمي ميخائيل أدولفوفيتش ستريكوفيتش "الطاقة هي الفيزياء والاقتصاد ، ولا شيء أكثر من ذلك."يجب أن تخضع كل تقنية جديدة لتحليل موضوعي دقيق ، بما في ذلك التحليل الاقتصادي ، خاصة فيما يتعلق بالمنافسة مع التقنيات الأخرى. مشكلة أخرى خطيرة للغاية هي سلامة كل طاقة الهيدروجين. نتذكر جميعًا جيدًا كيف أدت مشكلة الأمان التي لم يتم حلها وحادث تشيرنوبيل الناتج عن ذلك إلى تأخير تطوير الطاقة النووية. وفقًا لأحد السيناريوهات ، كان الهيدروجين هو الذي انفجر في الكتلة الرابعة من محطة تشيرنوبيل للطاقة النووية. للهيدروجين خواص فيزيائية وكيميائية تجعل استخدامه شديد الخطورة. معدل انتشار الهيدروجين في الفضاء المفتوح 2 م / ث (للغاز العادي 20 سم / ث). علاوة على ذلك ، فإن حد التركيز لاحتراق وتفجير الهيدروجين هو أعلى بكثير من غاز الوقود وأبخرة البنزين. والأهم من ذلك ، أن الهيدروجين له أعلى قيمة حرارية ، واعتمادًا على المخطط الهيدروديناميكي لتطور الانفجار ، يمكن أن يكون أعلى بعشر مرات من مكافئ TNT لثلاثي نيتروتولوين. يتطلب التعامل مع الهيدروجين أعلى ثقافة يصعب توفيرها في الظروف الروسية. من الضروري مراقبة الانفجار والسلامة من الحرائق لجميع هذه الأنظمة بعناية. ليس من قبيل المصادفة أن برامج طاقة الهيدروجين في الولايات المتحدة والدول الأخرى تولي اهتمامًا كبيرًا للتعامل مع الهيدروجين. أود أن أقترح في برنامجنا الشامل تقوية العنصر المتعلق بسلامة إنتاج الهيدروجين وتخزينه واستخدامه ، لأن التركيب غير المفكوك في محرك الهيدروجين في مرآب تحت ناطحة سحاب يمكن أن يتسبب في انفجار ووضع حد لكامل طاقة الهيدروجين صناعة. في الختام ، أرى أنه من الضروري أن أشير إلى أن برنامج الطاقة الهيدروجينية هو مثال جيد للتقنيات المبتكرة بمشاركة الأكاديمية الروسية للعلوم والشركات الخاصة. |
لا شك أن الطاقة والإلكترونيات هي الاتجاهات الرئيسية للتطور التقني. بالطبع الفكرة الوطنية هي الانتقال إلى اقتصاد يعتمد على التقنيات العالية. للمقارنة: 1 جرام من دائرة متكاملة كبيرة جدًا بحجم طوبولوجي 0.1 ميكرومتر تكلف نفس تكلفة 1 طن من الزيت ؛ 1 جرام من الدائرة المتكاملة على الهياكل غير المتجانسة يماثل 10 أطنان من النفط. في هذه المخططات ، تتحقق إمكانات فكرية هائلة ، وهي أكثر المعدات تطوراً. تم إعداد التقدم التكنولوجي في مجال الطاقة (سواء في مجال خلايا الوقود أو في مجال الطاقة الشمسية ، الذي أشارك فيه) إلى حد كبير من خلال الأموال الكبيرة التي تم استثمارها في البرامج العسكرية والنووية والفضائية. إذا لم تكن موجودة ، فسنظل نتحدث عن الطاقة النووية كما نتحدث عن طاقة المستقبل. الآن تغير الوضع: يتم توفير الأموال الكبيرة للاستثمار من قبل الأعمال التجارية الخاصة. مرة أخرى ، أود التأكيد على أنه تم إنشاء احتياطي علمي كبير إلى حد ما في أكاديمية العلوم. ترتبط المرحلة التالية في التطوير دائمًا باختراق تكنولوجي جديد ، يتم إعداده من خلال بحث أساسي جاد. على سبيل المثال ، تبلغ السعة الإجمالية للطاقة الشمسية الحالية 1 جيجاواط ، وفقًا للتقديرات القائمة على التقنيات القياسية ، في عام 2030 ستكون 10 جيجاوات. بالفعل اليوم ، بفضل استخدام الأفكار الجديدة في الهياكل غير المتجانسة ، من الممكن زيادة الكفاءة مرتين أو ثلاث مرات ، في السنوات العشر القادمة ستزيد الكفاءة إلى 50-60٪ (نظريًا ، الكفاءة 93٪). أعلم أن خلايا الوقود كانت موجودة منذ فترة طويلة جدًا ، على سبيل المثال ، المنظمات التي تطور تكنولوجيا الفضاء. لكن في هذا المجال ، نحتاج إلى البحث عن فرص جديدة لاختراق تكنولوجي ، وإلا سنظل على نفس المستوى لسنوات عديدة قادمة. لذلك ينبغي إيلاء اهتمام خاص للبحث الأساسي الاستكشافي. |
أثار فلاديمير إيفجينيفيتش فورتوف بحق مسألة سلامة طاقة الهيدروجين. يستخدم الهيدروجين كوقود في روسيا لفترة طويلة. في القرن الماضي ، اثنان من الأكاديميين لدينا ، أ. Tupolev and N.D. كوزنتسوف ، الطائرة الوحيدة في العالم التي حلقت بالهيدروجين. كانت طائرة فريدة من نوعها ، تم عرضها في نيس ولندن. كان علي أن أطير عليها ، ويجب أن أخبرك أن هذه الرحلات أعطت انطباعًا بوجود خطر دائم على وجه التحديد لأنك ظللت تفكر: "هل تم إحكام كل البراغي هناك؟ هل تسرب الهيدروجين؟" والآن يتحدثون عن طاقة الهيدروجين في المنازل ، حيث ينفجر الغاز الطبيعي كل ثلاثة أسابيع في الشقق. تخيل تسرب الهيدروجين في المنزل. يقولون: "حسناً ، الهيدروجين خفيف. سوف يرتفع". نعم ، صعد ، وهناك أشعلوا سيجارة ... والسؤال الثاني. إذا كانت خلية الوقود عبارة عن هيدروجين - أكسجين ، فبسبب الشوائب التي يمكن أن تكون في الهيدروجين والأكسجين ، فإنها لا تعمل بعد بالنسبة للموارد الكبيرة. اليوم ، تمتلك أفضل خلايا الوقود موارد لا تزيد عن بضعة آلاف من الساعات. ولكن منذ أكثر من 25 عامًا ، عضو مراسل في أكاديمية العلوم في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية N.S. Lidorenko في موسكو والأكاديمي في أكاديمية العلوم في جمهورية أوكرانيا الاشتراكية السوفياتية A.N. ابتكر Podgorny في خاركوف سيارات كهربائية. كنت أقودهم بنفسي - في كل من نهر الفولغا ورفيق ، تم تشغيل ثماني سيارات كهربائية فقط. لماذا لم يذهبوا أبعد من المظاهرة؟ لم يكن هناك مورد ، لأن المركبات الكهربائية لم تعد تعمل على الأكسجين النقي ، بل تعمل على الهواء ، حيث الكبريت ، والمعادن الثقيلة ، وجميع أنواع القذارة. من هنا يتبع ثاني أهم مهمة لأكاديمية العلوم: كيفية تنقية الهواء المستخدم في خلايا الوقود بحيث يكون لها مورد. لذا ، فإن مشاكل السلامة وعمر الخدمة لخلايا الوقود ، في رأيي ، يجب أن تؤخذ في الاعتبار في برنامج شامل لطاقة الهيدروجين. |
يمكن الحصول على الهيدروجين بطرق مختلفة - التحليل الكهربائي ، الانحلال الحراري ، التحلل الإشعاعي والتفاعلات الكيميائية. من الضروري مقارنة هذه العمليات بعناية شديدة ، لتحديد ما هو مربح وما هو غير مربح ، لأن كفاءة هذا النظام بأكمله تعتمد عليها في الواقع. أخيرًا ، في أي شكل يجب استخدام الهيدروجين. إذا كان مجرد غاز بدون ضغط ، فهو يحتوي على نسبة منخفضة جدًا من السعرات الحرارية ، وإذا كان تحت ضغط مرتفع ، فمن الصعب جدًا القيام بذلك. علم التبريد هو أيضًا شيء معقد. من الممكن تخزين الهيدروجين في هيدرات معدنية لتسخينها لاحقًا وإنتاج الهيدروجين. هناك فكرة للحصول على الهيدروجين وقت الاستخدام وليس تخزينه. يجب ألا ننسى انفجار الهيدروجين. يجب عليك أيضًا التأكد من أنه عند حرق الهيدروجين في الهواء ، لا تتشكل مركبات النيتروجين الخطرة. أود أيضًا أن أشير إلى أنه باستخدام الهيدروجين والكربون ، من الممكن إنتاج وقود هيدروكربوني غازي وسائل. يتيح الهيدروجين الحصول على وقود عالي الجودة من زيت الوقود. يبدو لي أننا بحاجة إلى وضع برنامج عمل كبير بهدوء ودقة مع الهيدروجين. |
في كثير من الأحيان ، يظهر اهتمام الصناعة عندما تظهر فكرة جديدة تمامًا بعد البحث الأساسي. على وجه الخصوص ، في عام 2002 ، عندما عملنا مع AvtoVAZ ومدينة Sarov على إنشاء معالج وقود للسيارة ، أثناء الاختبارات ، تم اقتراح إرسال خليط رخيص جدًا من الهيدروجين وأول أكسيد الكربون الذي تم الحصول عليه في المعالج مباشرة إلى محرك الاحتراق الداخلي من خلال المكربن بالإضافة إلى البنزين العادي. واتضح أن هذه المادة المضافة للبنزين تعطي نفس النتيجة المتوقعة من خلايا الوقود بشكل عام ، أي أن انبعاثات المحرك الضارة قد انخفضت بمقدار مرة ونصف من حيث الحجم. تصبح الحارق اللاحقة لعوادم السيارات غير ضرورية. والأهم من ذلك ، في حالة الخمول ، زادت كفاءة المحرك مرة ونصف ، لأن الهيدروجين وأول أكسيد الكربون استقر بشكل حاد في تشغيل محرك النظام بأكمله. تم الحصول مؤخرًا على تأثيرات مماثلة في التوربينات الغازية. لذلك ، إذا كان البرنامج الشامل يوفر فرصة لإجراء بحث أساسي واستكشافي ، فإن "الاكتشافات" المهمة عمليًا المتوقعة من أكاديمية العلوم تكون حقيقية تمامًا. بضع كلمات عن المعادن النبيلة. هناك حادثة في المهمة قيد البحث. في السنوات السوفيتية ، كان معهد الحفز ، الذي أترأسه ، تحت ضغط كبير من الحكومة لاستبدال المعادن الثمينة بالمعادن الأساسية في المحفزات الصناعية ، وهو ما نجحنا في القيام به. هذا لا يعني أنه بسيط للغاية ، لأن المعادن النبيلة عادة ما يكون لها خصائص تحفيزية أفضل بكثير من الكوبالت والنيكل والمعادن الأساسية الأخرى. الآن المهمة مختلفة تمامًا - لجعل المعادن الثمينة تجد سوقًا أكبر بكثير. أود على الفور أن ألفت الانتباه إلى حقيقة أن السوق الأكثر إثارة للاهتمام في بلدنا لاستخدام المعادن الثمينة لن يتم توفيره من خلال الصناعة الكيميائية ، ولكن من خلال الإسكان والخدمات المجتمعية التي تم إصلاحها ، والتي يجب أن يكون أساسها الطاقة المستقلة . لن تدخن بيوت الغلايات الصغيرة المجهزة بمحفزات قائمة على البلاديوم وستفي بأفضل المعايير العالمية من حيث الأداء البيئي. |
الأكاديمي ن. لوحة:لقد قيل هنا بحق أنه من الضروري إنفاق الطاقة لإنتاج الهيدروجين ، لذلك نحن بحاجة إلى التفكير في كيفية تعويض التكاليف. على ما يبدو ، فإن أحد الاحتمالات هو صياغة العمليات المزدوجة في الكيمياء. في مثل هذه العمليات ، يتم إنفاق الطاقة للحصول على شيء ما ، ويتم تعويض التكاليف بحقيقة أن الطاقة الإضافية يتم إطلاقها في المرحلة التالية. لقد عملنا مع الأكاديمي A.I. شيندلين والأكاديمي أنا. مويسيف حول اقتران التفاعلات الكيميائية. اتضح أنه من الممكن تحقيق ليس فقط التعويض ، ولكن أيضًا زيادة الطاقة. أعني إنتاج الهيدروجين ، على سبيل المثال ، من المواد الخام المحتوية على الهيدروجين - الهيدروكربونات أو الكحول. بضع كلمات عن البلاديوم في حد ذاته. بالطبع ، دور البلاديوم كأساس للعوامل الحفازة عظيم. يعد البلاديوم أغلى قليلاً من الكوبالت والنيكل ، ولكنه في نفس الوقت أكثر فاعلية. لذلك ، نحن بحاجة إلى إيجاد طرق لعدم استخدام الكثير من البلاديوم ، والذي يمكن القيام به دائمًا ، على سبيل المثال ، عن طريق وضع طبقات رقيقة تحتوي على البلاديوم على السيليكا. ثم يتم فتح مجال كامل من التوليف العضوي الثقيل والرائع لمجموعة المنتجات الوظيفية التي أنتجتها الصناعة لفترة طويلة جدًا. أود بشكل خاص أن ألفت الانتباه إلى إمكانية استخدام البلاديوم في صناعة الزيوت والدهون. حتى الآن ، تم استخدام مركبات النيكل في هدرجة الدهون النباتية. وهذه هي الطريقة التي رتب بها الرب الإله: البلاديوم ومركباته أكثر توافقًا حيويًا مع جسم الإنسان من مركبات النيكل. وفي الوقت نفسه ، لا يمكن تنظيف منتجات الصناعات الغذائية تمامًا من بقايا المحفز. إذا كانت المحفزات هي البلاديوم ، فيمكن لمنتجات الصناعات الغذائية اجتياز حواجز الاعتماد ، وإذا كانت من النيكل ، فإن متطلبات الاعتماد صارمة للغاية. وأخيراً ، المواد الطبية المحتوية على البلاديوم. يوجد برنامج جيد جدًا لتطوير دواء لعلاج السرطان ، والذي أطلقه نوريلسك نيكل بالفعل مع معهد الكيمياء العامة وغير العضوية التابع لأكاديمية العلوم الروسية ومع معهد الفيزياء الكيميائية الحيوية التابع لأكاديمية العلوم الروسية . لقد مرت بعض الأدوية بالفعل بتجارب سريرية أظهرت أن الأدوية المحتوية على البلاديوم أكثر فعالية من أنظمة البلاتين. بالطبع ، يستخدم البلاديوم أيضًا على نطاق واسع كمعدن في صناعة السبائك للمواد الإنشائية. إذا كانت المادة الهيكلية تحتوي على ما يصل إلى 1-3 ٪ من البلاديوم ، فإن مقاومتها للتقصف تزداد بشكل حاد ، وتتحسن الخصائص الميكانيكية المهمة ، ويمكن أن تكون هذه المادة مجدية اقتصاديًا. |
الأكاديمي ن. بونوماريف ستيبني:أود أن ألفت الانتباه إلى حقيقة أنه في عام 1974 ، بدأ رئيس أكاديمية العلوم ، أناتولي بتروفيتش ألكساندروف ، في تطوير العمل بنشاط في الأكاديمية تحت عنوان "طاقة الهيدروجين" أو "الهيدروجين الذري". تم النظر في جميع جوانب طاقة الهيدروجين ، التي ذكرها غينادي أندرييفيتش ميسياتس اليوم ، في هذا البرنامج ، وحققت بلادنا في ذلك الوقت بالفعل نتائج جيدة جدًا في مجال طاقة الهيدروجين. للأسف ، تم تجميد البرنامج ونسيانه. في أواخر الثمانينيات ، عقد هنا في موسكو آخر مؤتمر عالمي حول طاقة الهيدروجين. يتم تعريف موضوع اجتماع اليوم لهيئة رئاسة الأكاديمية الروسية للعلوم على أنه "طاقة الهيدروجين وخلايا الوقود" ، على الرغم من أنها ليست مرادفات بأي حال من الأحوال. تطرق العرض إلى مجموعة متنوعة من الموضوعات ، لكننا نفهم بالتأكيد أن التركيز ينصب على فوائد استخدام البلاديوم في خلايا الوقود. بالمناسبة ، أحببت خطاب ميخائيل دميترييفيتش بروخوروف ، الذي قال إن هذه هي المهمة الأولى للبرنامج المقترح - لتمديد السلسلة من البحث الأساسي إلى أعمال التصميم التجريبية. وفقط بعد تحليل تقنيات الهيدروجين الحديثة يجب إنشاء برنامج للطاقة الهيدروجينية ككل. يجب أن أشير إلى أنه تم بالفعل توقيع اتفاقية شراكة دولية بشأن اقتصاد الهيدروجين ، ولكن ليس بشأن طاقة الهيدروجين. هذا هو بالفعل الخط المستقبلي لتطبيق الهيدروجين في مجموعة متنوعة من المجالات ، بالإضافة إلى إنتاج ومعالجة الهيدروجين. على الأرجح ، سيكون من الصواب عمل برنامج محلي حول طاقة الهيدروجين أو الاقتصاد ، والذي سيشمل جوانب المشكلة ، وفي اتفاقية مع شركة Norilsk Nickel ، ينبغي للمرء أن يركز على خلايا الوقود. الآن بشكل أكثر تحديدًا حول إنتاج الهيدروجين. نحن ندرك جيدًا أن إنتاجه الحالي يعتمد على احتراق الغاز الطبيعي وتحويل الميثان. نقترح استخدام طاقة المفاعلات النووية في إنتاج الهيدروجين ، ثم يمكننا توفير حوالي نصف الغاز الطبيعي المستهلك. لكن ، بالطبع ، الحلم المشرق للمستقبل هو إنتاج الهيدروجين من الماء باستخدام طاقة المفاعلات النووية. ثم نأتي حقًا إلى الطاقة النظيفة. في الولايات المتحدة ، التي توقظ الآن موجة اقتصاد الهيدروجين ، تجري مناقشة قرار لبناء مفاعل لإنتاج الهيدروجين. ومن المقرر تخصيص حوالي مليار دولار لهذا المفاعل.واحد من الفرق التي تدعي إنشاء مثل هذا المفاعل يضم منظمات روسية - مكتب تصميم الهندسة الميكانيكية ومعهد كورتشاتوف. حتى الآن ، نهدف لمثل هذا المفاعل لبدء العمل في عام 2015. أعتقد أن مشاكل إنتاج الهيدروجين يجب أن تنعكس بشكل كامل في البرنامج الشامل. قضية سلامة الهيدروجين ، التي أثارها هنا الأكاديمي ف. Fortov ، مهم للغاية في جميع مراحل إنتاج ومناولة واستخدام الهيدروجين. تتمتع روسيا بخبرة كبيرة - من الناحية النظرية والعملية على حد سواء - في تفجير المخاليط المختلفة ، والانتقال من الاحتراق إلى التفجير ، وما إلى ذلك. يتم تطوير هذه المشاكل في معهد كورتشاتوف بالاشتراك مع معاهد أكاديمية العلوم. يقوم معهد كورشاتوف أيضًا بتنفيذ أعمال على خلايا الوقود ، ودراسة إمكانية إنتاج الهيدروجين من الوقود العضوي ، والذي سيتم استخدامه مباشرة على متن السيارة ، وكذلك في محطات الوقود. اليوم ، بدأنا للتو في مناقشة اقتصاد الهيدروجين ، وربما ينبغي تصميم البرنامج بطريقة تجعل ، في النهاية ، روسيا ، التي تمتلك قاعدة جيدة جدًا ، تأخذ مكانها الصحيح في هذا الشأن. ملاحظة واحدة حول ما حدث في تشيرنوبيل. في الواقع ، كان هناك هروب نووي على النيوترونات السريعة ، وارتفاع درجة الحرارة ، وتكوين البخار ، ثم تفاعل البخار والزركونيوم الذي ينتج الهيدروجين. كما أثر على عملية التفجير في المفاعل. بالمناسبة ، حدثت إحدى العمليات الكيميائية في مفاعل تشيرنوبيل ، مما يجعل من الممكن الحصول على الهيدروجين من الماء. |
أود أن ألفت انتباه الحاضرين إلى حقيقة أن الهيدروجين السائل هو سائل مبرد ، تبلغ درجة حرارته 20 كلفن ، وعندما نصنع التركيبات المناسبة ، ونصنع نظام تحكم وتنظيم ، تنشأ عدد من المشاكل بسبب الحالة المبردة لسائل العمل. لذلك ، من المهم جدًا تضمين القضايا المتعلقة بالتخزين والنقل وإنشاء الأجهزة لضمان قابلية تشغيل أنظمة الهيدروجين في برنامج طاقة الهيدروجين ، والذي تتم صياغته حاليًا. هذه هي الخزانات والتجهيزات. إنها مهمة جدًا للحصول على آلة تعمل. تتوفر إنجازات كبيرة في هذا المجال في مجمع سمارة العلمي والتقني. الأكاديمي ن. كوزنتسوف ، في جامعة سامارا للفضاء وفي NPO Energia. تم تجميع خبرة جيدة بدرجة كافية في فرع فولغا التابع لشركة NPO Energia. |
الأكاديمي O.M. نيفيدوف:في الواقع ، نحن ندرس اليوم شكلًا واعدًا للغاية من التفاعل بين العلم والصناعة وبرنامج مهم للغاية - سواء من حيث المحتوى والنتائج المتوقعة ، والأهم من ذلك ، في تنظيم البحث واستخدامه العملي في المستقبل. إذا اتبعنا مبدأ "التجاوز دون اللحاق بالركب" ، فأنا أرى أنه من الضروري أن أذكر تطورًا فريدًا تمامًا قام به الأستاذ S.D. فارفولومييف. اقترح مبدأ جديدًا لإنشاء خلايا وقود تعتمد على التحفيز الحيوي. إن النموذج الأولي لخلية الهيدروجين والأكسجين ، التي تستخدم إنزيمات ثابتة ورخيصة الثمن ، تجعل من الممكن تحقيق كفاءة تصل إلى 95٪. علاوة على ذلك ، تم توضيح الإمكانية الأساسية لاستخدام الإيثانول والكربوهيدرات وحتى الألمنيوم المعدني كناقلات للطاقة في مثل هذه الأنظمة. أوصت لجنة سياسة العلوم والتكنولوجيا التابعة لحكومة موسكو بإدراج هذا العمل في خطة تطوير العلوم والتكنولوجيا في موسكو. بدأ التمويل الجزئي بالفعل. يتم تنفيذ العمل بالاشتراك مع عدد من الشركات الأمريكية بدعم مالي من حكومة موسكو. بالطبع ، من المهم جدًا ملء البرنامج الشامل المقترح حول طاقة الهيدروجين بالتطورات المتوفرة في المؤسسات الأكاديمية ، وتوسيع تكوين مجلس البرنامج. من وجهة نظري ، قال الأكاديمي أ. م. كلديش. أما بالنسبة للتطورات المثيرة للاهتمام ، فهي موجودة في معهد مشاكل الفيزياء الكيميائية. معهد الكيمياء العضوية والعديد من الآخرين. على وجه الخصوص ، اقترح معهد الكيمياء العضوية طرقًا لتنقية الهيدروجين من شوائب الغازات السامة وتخزين الهيدروجين باستخدام مبدأ اقتران تفاعلات الهدرجة ونزع الهدرجة. يبدو لي أنها ستكون مفيدة في تنفيذ برنامج شامل والتنفيذ اللاحق للنتائج التي تم الحصول عليها. |
اسمحوا لي أن أذكركم أن رواسب نوريلسك اكتشفها ممثلو أكاديمية العلوم ، الذين شاركوا في دراسة المناطق القطبية في بلدنا. وعندما نشأ موقف حرج في الستينيات من القرن الماضي مع قاعدة المواد الخام في Norilsk Combine ، كان بفضل عمل المؤسسات الأكاديمية وبعثة Norilsk التابعة لوزارة الجيولوجيا اكتشاف رواسب جديدة ومشكلة تم حل عملية تزويد شركة Norilsk Combine بموارد معدنية عالية الجودة. تم ضمان نجاح الاكتشاف إلى حد كبير من خلال النظرية التي تم إنشاؤها في ذلك الوقت لتشكيل رواسب هذه الخامات الفريدة متعددة الفلزات. رواسب نوريلسك هي الظاهرة الوحيدة في العالم. حتى الآن ، لم يتمكن أحد من اكتشاف مثل هذه الرواسب في أي مكان ، على الرغم من حقيقة أن هذه الرواسب قد تمت زيارتها من قبل جميع الجيولوجيين الرائدين في العالم تقريبًا. علاوة على ذلك ، أقيمت هنا بشكل متكرر رحلات المشاركين في المؤتمرات البلاتينية التي عقدت في بلدنا. بالنظر إلى محدودية موارد البلاديوم ، أود أن أقترح على ميخائيل دميترييفيتش بروخوروف تحليل إمكانيات استخدام النفايات من مجموعة نوريلسك. مثل هذا التحليل سيساعد أيضًا في حل المشكلات البيئية. في مصنع نوريلسك ، من الممكن التوسع في استخدام أحدث طرق التعدين واستخراج وإثراء الخامات ، بما في ذلك الفرز الإشعاعي وترشيح المعادن ، مما يجعل من الممكن الاستفادة الكاملة من الموارد وفي نفس الوقت حل مشكلة مشكلة بيئية. لسوء الحظ ، أدى الاستخدام طويل الأمد للخامات الغنية بالكبريتيدات ، دون حماية بيئية مناسبة ، إلى تدمير الغطاء النباتي في منطقة شاسعة من شمال سيبيريا. هذا هو السبب في أنه من المهم للغاية حل مشاكل نوريلسك ككل. الآن حول موارد الهيدروجين. كما تعلم ، لا يزال لدينا ما يكفي من موارد الغاز الطبيعي. يمكن إنتاج الهيدروجين من الغاز الطبيعي. على مدار القرن الماضي وفي السنوات الثلاث الأولى من هذا القرن ، استخدمنا 7٪ فقط من موارد الغاز الطبيعي المستكشفة وما يسمى بموارد الغاز الطبيعي المتوقعة. يشكل الغاز اليوم أكثر من 50٪ من رصيد الوقود في البلاد ، لكن على الرغم من ذلك ، لن يكون الغاز الطبيعي رادعًا لتطوير الطاقة التقليدية لفترة طويلة قادمة. بضع كلمات حول معدات المختبرات التجريبية ، والتي تم الحصول عليها في وقت من الأوقات بواسطة Norilsk Combine لأحد معاهدنا (معهد جيولوجيا رواسب الخام ، علم الصخور ، علم المعادن والكيمياء الجيولوجية التابع لأكاديمية العلوم الروسية). نحن نتحدث عن الميكروبات الإلكترونية والمجاهر ، المستخدمة على نطاق واسع لدراسة تكوين الخامات ، وأشكال العثور على العناصر المفيدة في الأنواع المعدنية ، وتوزيعها في منتجات معالجة الخامات في جميع المراحل - من المواد الخام إلى ما يسمى المخلفات - نفايات الإنتاج . بدون هذه التكنولوجيا ، من المستحيل المضي قدمًا في الابتكارات التكنولوجية. هناك حاجة إلى أجهزة من أجيال جديدة ، على الرغم من أن الأجيال القديمة لا تزال موجودة ، بفضل Norilsk Nickel ، يتم استخدامها بعد الإصلاح لحل المشكلات الأبسط. أعتقد أن النتيجة الرئيسية للمناقشة اليوم هي أن البرنامج قيد التطوير يجب أن يتضمن القائمة الكاملة للبحوث الأساسية والتطبيقية الضرورية في مجال طاقة الهيدروجين ، بما في ذلك ليس فقط خلايا الوقود ، ولكن أيضًا مشاكل الموارد والبيئة. من أجل حلها الناجح ، على ما يبدو ، من الضروري إشراك المعاهد الفرعية من الأقسام المختلفة بشكل أكثر فاعلية في العمل على البرنامج. |
بعد كل الكلمات ، رئيس اجتماع هيئة رئاسة الأكاديمية الروسية للعلوم ، رئيس الأكاديمية الروسية للعلوم الأكاديمي يوس. أعطى Osipov الكلمة للأكاديمي G.A. شهر للرد على التعليقات والاقتراحات.
الأكاديمي G.A. شهر:الزملاء الأعزاء ، أشكركم جزيل الشكر على تعليقاتكم واقتراحاتكم. أشعر أن الاهتمام بالمشكلة كبير جدًا وأوافق تمامًا على أن التقدم ممكن فقط على أساس التطورات الأساسية الجادة. إن أهم مشكلة يجب حلها كنتيجة للعمل الأساسي هي زيادة العمر التشغيلي لخلايا الوقود وتقليل تكلفتها. ويتم تحديد التكلفة من خلال نوع المعدن المستخدم ، وكيفية إنتاج الهيدروجين وخلية الوقود المستخدمة. أعتقد أن معاهد أكاديمية العلوم لديها إمكانات كبيرة جدًا لحل كل هذه المشكلات.تم تلخيص نتائج الاجتماع المشترك لهيئة رئاسة الأكاديمية الروسية للعلوم ومجلس إدارة شركة التعدين والفلزات "نوريلسك نيكل" "في خطاب قصير ألقاه الأكاديمي يو رئيس الأكاديمية الروسية للعلوم. س. أوسيبوف.أتفق تمامًا مع ما قيل هنا حول سلامة طاقة الهيدروجين. لكن ما يقرب من نصف البرنامج يهدف إلى الحصول على الهيدروجين في المكان الذي سيتم استخدامه فيه. وببساطة لن تكون هناك مشاكل في تخزين الهيدروجين في الاسطوانات والنقل. أنشأ معهد الكيمياء الكهربائية ذات درجة الحرارة العالية خلايا وقود عالية الحرارة على غاز الميثان أو الغاز الطبيعي ، والذي يتم تحويله إلى هيدروجين داخل النظام مباشرةً. وكما أنا متأكد ، فإن سلامة وقوة مثل هذه التركيبات هي نفسها تقريبًا مثل موقد الغاز الذي يعمل في العديد من شققنا. لذلك لن أبالغ في تقدير خطر استخدام طاقة الهيدروجين.
إذا تحدثنا عن المهام المحددة التي حددناها للمستقبل القريب ، فهذه هي طاقة الهيدروجين المستقلة.
الآن عن تنظيم العمل. منذ أن تم اقتراح برنامج الأكاديمية الروسية للعلوم ونوريلسك نيكل ، فمن الطبيعي أن يتكون مجلس البرنامج من موظفي RAS وممثلي نوريلسك نيكل. ولكن لتحقيق الهدف ، يجب ألا نستخدم نتائج أكاديمية العلوم فقط.
سيتم تحديد تكوين المشاركين بعد توقيع العقد. بالطبع ، المنظمات والمؤسسات التي لها نتائج جيدة في مجال طاقة الهيدروجين ستشارك في العمل. أعتقد أن البرنامج الشامل الذي سيتم التوقيع عليه الآن سيجعل من الممكن أن تأخذ بالفعل في الاعتبار التعليقات المقدمة هنا كجزء من عمل العقد الاقتصادي.
يجب أن أقول أنه ، في جوهره ، تمت مناقشة البرنامج بتفصيل كبير. اعتبره ثمانية أو تسعة أعضاء من أكاديمية العلوم ، تعرف عليها جميع المنفذين الرئيسيين وأجروا تغييراتهم الخاصة على المشروع الذي اقترحه نوريلسك نيكل. بالمناسبة ، لدى الشركة خدمة معلومات راسخة. وأعتقد أن التعاون مع هؤلاء الشركاء سيكون مثمرا.
الأكاديمي يوس. أوسيبوف:على مدى السنوات الماضية ، كنا نشكو من حقيقة أن الشركات الكبرى وصناعتنا لا يهتمان بالعلوم ، ولا يوجد طلب على نتائج البحوث الأساسية. اليوم ، ولأول مرة ، شعرنا باهتمام واضح من أكبر شركة صناعية في بلدنا بالتطورات الأساسية. بالطبع ، لا يتعلق الأمر فقط بالتطورات الأساسية ، بل يتعلق بكيفية إنشاء منتج تجاري ، كنتيجة لهذه التطورات ، من شأنه تأمين روسيا بين القادة في مجالات علمية وتقنية معينة. بالطبع ، تم إنجاز الكثير في مجال طاقة الهيدروجين وخلايا الوقود في البلاد. تم استبدال فترات الاهتمام المتزايد بهذه المشكلة بفترات من التراجع ، ولكن لدينا الآن فرصة فريدة أخرى للوصول بالعمل إلى نهايته المنطقية. لكن الاختراق التكنولوجي ، كما لاحظ Zhores Ivanovich Alferov بشكل صحيح ، ممكن فقط عندما يكون هناك اختراق في البحث الأساسي.الآن على وجه التحديد حول البرنامج. تبادلنا أنا وميخائيل دميترييفيتش بروخوروف الآراء ، وأعتقد أنه سيكون من الصواب المضي قدمًا على النحو التالي. يجب أن يؤخذ البرنامج الذي تم إعداده الآن كأساس لتعاوننا المشترك ، ومن ثم نحتاج إلى إجراء تعديلات. يوجد مجلس برنامج لهذا الغرض ، وسوف نوضح عضويته في الوقت المناسب مع نوريلسك نيكل. إن المجلس هو الذي سيجري تغييرات وإضافات محددة على البرنامج الشامل. بالطبع ، ستؤخذ جميع المقترحات التي قدمت في اجتماعنا بعين الاعتبار. لا ينبغي أن يكون البرنامج وثيقة مجمدة ، بل وثيقة تعكس فهمنا للأولويات مع تقدم كل هذا العمل الضخم.
رئيس الأكاديمية الروسية للعلوم الأكاديمي يوس. Osipov والمدير العام - رئيس مجلس إدارة شركة JSC "Mining and Metallurgical Company" Norilsk Nickel "M.D. وقع Prokhorov برنامج البحث والتطوير الشامل للطاقة الهيدروجينية وخلايا الوقود بين الأكاديمية الروسية للعلوم وشركة Norilsk Nickel Mining and Metallurgical Company.
خاتمة
وافقت هيئة رئاسة الأكاديمية الروسية للعلوم ومجلس إدارة شركة Norilsk Nickel Mining and Metallurgical على الاتفاقية العامة للتعاون المشترك ، والبرنامج الشامل للاستكشاف والبحث والتطوير في الطاقة الهيدروجينية وخلايا الوقود ، فضلاً عن البحوث التطبيقية برنامج لتوسيع مجالات الاستخدام الصناعي للبلاديوم ومعادن مجموعة البلاتين والمعادن غير الحديدية التي تنتجها نوريلسك نيكل. تمت الموافقة على مجلس تنفيذ البرنامج الشامل لأعمال البحث والبحث والتطوير في مجال الطاقة الهيدروجينية وخلايا الوقود (رئيس المجلس الأكاديمي G.A. Mesyats). وضمت ممثلين عن الأكاديمية الروسية للعلوم وشركة OAO للتعدين والمعادن Norilsk Nickel.
أعدت مواد المناقشة للنشر بواسطة T.V. مافرينا
مقدمة
الفصل 1. آفاق استخدام الهيدروجين
الفصل 2
الفصل 5
خاتمة
مقدمة في الأدب اليوم ، تنظر العديد من الدول المتقدمة اقتصاديًا بشكل متزايد إلى الهيدروجين ليس فقط في مجالات استخدامه التقليدي المذكورة أعلاه ، ولكن أيضًا كأساس لطاقة الغد. على خلفية التدهور الكارثي للحالة البيئية للكوكب واستنفاد الموارد الهيدروكربونية ، من المغري استخدام الهيدروجين كوقود غير ضار تمامًا للمركبات ، وتدفئة المنازل في المناطق النائية ، في مصادر مستقلة وثابتة للطاقة الثانوية. في الوقت نفسه ، فإن الطريقة الأكثر إغراءً لإنتاج الهيدروجين هي التحليل الكهربائي للماء. بعد كل شيء ، حرق ، سيعطي الهيدروجين نفس الماء مرة أخرى. مصدر وقود لا ينضب حقًا! ولكن هنا تبرز مشكلة أخرى: التحليل الكهربائي يتطلب كهرباء ، وأصبح إنتاجه من مصادر متجددة الآن حصة ضئيلة من إجمالي إنتاج الكهرباء. وهنا نتذكر شمسنا ونجوم أخرى. تفاعل حراري نووي ومرة أخرى هيدروجين. لقد صنع الإنسان بالفعل قنبلة نووية حرارية (هيدروجينية). ولكن فيه ، يتم إطلاق طاقة هائلة على نطاق الأرض في جزء من الثانية ، مما يؤدي إلى الدمار والموت. على الشمس ، استمر التفاعل لمليارات السنين ببطء وثبات ، مما أدى إلى الحياة والحرارة. يكافح العلماء مع مشكلة كبح الاندماج النووي الحراري ، والوقت ليس بعيدًا عندما تخففنا الطاقة الحرارية النووية التي يتم التحكم فيها ، إلى جانب الوقود الصديق للبيئة ، إلى الأبد من مخاوفنا بشأن محدودية موارد الطاقة لكوكبنا وتدمير البيئة ، الفصل الأول. آفاق استخدام الهيدروجين - المفتاح لحل العديد من المشاكل الاقتصادية والاقتصادية.
بادئ ذي بدء ، دعونا ننظر في المصادر التي تستمد البشرية منها حاليًا الطاقة من أجل نشاطها الاقتصادي:
فيما يلي بيانات العديد من الباحثين.
وفقًا لمنظمة السلام الأخضر ، بدا هيكل استهلاك الطاقة العالمي في أوائل التسعينيات كما يلي:
أرز. 1. هيكل استهلاك الطاقة في العالم
وبحسب "مركز كورجينيان" ، مطلع عام 1997. كانت حصص المصادر المختلفة من إجمالي استهلاك الطاقة العالمي: النفط - 38٪ ، الغاز - 29٪ ، الفحم - 22٪ ، وحوالي 10٪ فقط تمثل جميع مصادر الطاقة الأخرى مجتمعة.
مجلة "فاكتور" الروسية رقم 5 لعام 2001 ، بالإشارة إلى مجلس الطاقة العالمي ، تقدم البيانات التالية لعام 2000: الوقود الأحفوري يمثل 90٪ من استهلاك الطاقة العالمي ، بما في ذلك النفط - 40.1٪ ، الفحم - 27.8٪ ، الغاز الطبيعي - 22.9٪.
لذلك ، حوالي 90٪ من الطاقة التي يتلقاها العالم عن طريق حرق الوقود الأحفوري: النفط والغاز والفحم. قبل الخوض في تفاصيل مصدر طاقة الهيدروجين ، من الضروري مناقشة الطاقة الذرية. يزعم المدافعون عنها أنها رخيصة وآمنة (بشكل غير مؤكد إلى حد ما بعد أبريل 1996). نحن ندرك أنه من الممكن ضمان سلامة محطات الطاقة النووية. لكن الأمر أكثر صعوبة مع الرخص. دعونا نواجه الأمر: الدافع الرئيسي للتخلي عن محطات الطاقة النووية في جميع أنحاء العالم ليس قضية السلامة ، ولكن قضية التكلفة.
يرى العديد من الشخصيات في الصناعة النووية أن "تكلفة الكهرباء من محطات الطاقة النووية هي بالفعل 15٪ - 20٪ أقل من تكلفة الكهرباء من المحطات الحرارية" (برنامج استثمار الطاقة النووية 2002-2005 وللفترة حتى 2010 ). هذا ليس صحيحا. من الصعب أن نطلق على طريقة حساب الكفاءة الاقتصادية "للذرة السلمية" خلاف ذلك غير النزيه. يلاحظ الأكاديمي يابلوكوف أن "نفقات إعادة تأهيل مواقع التلوث الإشعاعي تُنفق في روسيا على بنود أخرى غير نشر البرامج النووية. إذا قمنا بحسابها جميعًا معًا ، فإن فعالية تطوير المجمع النووي ستكون بائسة . يجب تزجيج النفايات أو بطريقة أخرى تنظيم تخزينها على المدى الطويل. وفي الوقت نفسه ، تزداد تكلفة المشروع بشكل كبير. في المستقبل ، نحتاج إلى إيجاد أموال لتفكيك محطات الطاقة النووية التي تم إيقاف تشغيلها ، من أجل تنظيف المساحات الكبيرة ومناطق المياه من التلوث الإشعاعي ".
فكر الآن في سؤال أقل وضوحًا: لماذا تبحث عن بدائل لطاقة النفط والغاز؟
لنبدأ بحقيقة أن النفط والغاز ليسا أبديين. هناك العديد من التقديرات لاحتياطيات النفط التي تتراوح من 30 إلى 100 عام من الاستخدام.
لا يمكنني مقاومة تكرار اقتباس شائع لدميتري إيفانوفيتش مينديليف بأن تسخين الفرن بالزيت يماثل تسخينه بالأوراق النقدية: بعد كل شيء ، يعتبر الزيت مادة خام كيميائية فريدة وقيمة ، يُصنع منها حتى الكافيار الأسود.
يتسبب احتراق الهيدروكربونات في مشاكل بيئية كبيرة ، خاصة عند استخدامها لأغراض النقل. ولكن إذا كان تحسين التكنولوجيا يمكن أن يحل مشاكل الانبعاثات السامة ، فإن انبعاثات ثاني أكسيد الكربون ، التي تؤدي إلى تغير المناخ العالمي ، هي مرافق لا مفر منه لاستخدام الوقود الأحفوري.
ثم السؤال الذي يطرح نفسه: إن لم يكن الوقود الهيدروكربوني وليس محطات الطاقة النووية ، فماذا إذن؟
الجواب: مصادر الطاقة المتجددة.
هذا القطاع يمثل أقل من 10٪. هذا الرقم لا يعني ندرة هذه المصادر ، ولكن انخفاض مستوى تنفيذ التقنيات لاستخدامها.
ما هي هذه المصادر؟ هذه هي الشمس بالدرجة الأولى: بمعدل 1 كيلو واط / م 2 من سطح الأرض ، وهو إجمالي 100 مرة (!) أكثر من كمية الطاقة التي تنتجها البشرية. يجب ألا ننسى مشتقات طاقة الشمس: الطاقة المائية ، طاقة الرياح ، أمواج البحر.
في المرتبة الثانية من حيث الأهمية والتوقعات هي الطاقة الحرارية الأرضية. إنه عمليا لا ينضب ولا ينضب ، لكن مشكلة تكلفته حادة للغاية. نلاحظ أيضًا طاقة المد والجزر ، واستخدام الطاقة من الكتلة الحيوية.
لماذا توفر مثل هذه الإمكانات الغنية أقل من 10٪ من الطاقة المولدة؟
لأن هذه المصادر غير مستقرة في الوقت المناسب وموزعة بشكل غير متساو في الفضاء. لذلك ، فإن استخدامها المباشر مناسب (على مستوى تقنيات اليوم) فقط في مصادر الطاقة الصغيرة اللامركزية. على سبيل المثال ، سخانات المياه بالطاقة الشمسية. لذلك ، توجد بالفعل في شبه جزيرة القرم صناعة لتركيب الأنظمة التي تسخن المياه حتى 95 درجة مئوية بسبب طاقة الشمس (على الرغم من أنك لست بحاجة إلى إحضار زيت الوقود من تيومين لهذا الغرض ...). ولكن لتزويد المصانع بالكهرباء (والمؤسسات الكبيرة الأخرى اقتصاد وطني) الاستخدام المباشر لهذه المصادر سخيف.
الفصل 2
في الحالة الحرة وتحت الظروف العادية ، يكون الهيدروجين غازًا عديم اللون ، عديم الرائحة والمذاق. بالنسبة للهواء ، كثافة الهيدروجين 1/14. عادة ما يوجد في تركيبة مع عناصر أخرى ، مثل الأكسجين في الماء ، والكربون في الميثان ، والمركبات العضوية. نظرًا لأن الهيدروجين شديد التفاعل ، نادرًا ما يوجد كعنصر غير مجمع.
عند تبريده إلى الحالة السائلة ، يحتل الهيدروجين 1/700 من حجم الحالة الغازية. يحتوي الهيدروجين ، عند دمجه مع الأكسجين ، على أعلى محتوى للطاقة لكل وحدة كتلة: 120.7 جيجا جول / طن. هذا هو أحد أسباب استخدام الهيدروجين السائل كوقود للصواريخ وقوة المركبات الفضائية ، حيث يكون للوزن الجزيئي المنخفض ومحتوى الطاقة النوعي العالي للهيدروجين أهمية قصوى.
عندما يتم حرقها في الأكسجين النقي ، فإن المنتجات الوحيدة هي الحرارة والماء بدرجة حرارة عالية. وبالتالي ، عند استخدام الهيدروجين ، لا تتشكل غازات الدفيئة وحتى دورة المياه في الطبيعة لا تتأثر.
لا ينضب.
لاحظ مزايا الهيدروجين كوقود.
يحتوي المحيط العالمي على 1.2 1017 طن من الهيدروجين ، و 2 1013 طن من الديوتيريوم ، وتبلغ الكتلة الكلية للهيدروجين 1٪ من الكتلة الكلية للأرض ، وعدد الذرات 16٪. من المهم بشكل خاص هنا حقيقة أنه عند حرقه ، يتحول الهيدروجين إلى ماء ويعود تمامًا إلى دورة الطبيعة. في الوقت نفسه ، وفقًا لأكثر التوقعات تفاؤلاً ، ستُستنفد موارد الوقود الهيدروكربوني في أكثر من 100 عام ، بينما ستُستنفد موارد الفحم في قرون عديدة. قيمة احتياطيات الفحم مهمة أيضًا في سياق طاقة الهيدروجين: سيكون أقرب احتمال صناعي لإنتاج الهيدروجين هو إنتاجه أثناء تغويز الفحم.
قيمة السعرات الحرارية للوزن للهيدروجين (28630 كيلو كالوري / كجم) هي 2.8 مرة أعلى من البنزين.
طاقة الاشتعال 15 مرة أقل من طاقة الوقود الهيدروكربوني.
السرعة القصوى للانتشار الأمامي للهب أسرع 8 مرات مقارنة بالهيدروكربونات.
إشعاع اللهب أقل بعشر مرات مقارنة باللهب الهيدروكربوني.
الحفاظ على البيئة
عند استخدام الهيدروجين كوقود ، يتم استبعاد إمكانية تعزيز تأثير الاحتباس الحراري ، ولا تنبعث مواد ضارة (ينبعث محرك السيارة 45 مادة سامة ، بما في ذلك المواد المسرطنة ، ولا يوجد خطر من تكوين مناطق هيدروجين راكدة - تتطاير بسهولة.
لاحظ الصفات السلبية للهيدروجين. هذه هي قيمة حرارية منخفضة الكثافة وحجمية ، وحدود متفجرة أوسع ودرجة حرارة اشتعال أعلى مقارنة بالهيدروكربونات. سيؤدي تطبيق مفهوم مواد تخزين الطاقة (EAS) ، الموصوف أدناه ، إلى تقليل التأثير السلبي لهذه العيوب للهيدروجين كوقود ، والتي تتداخل بشكل ملحوظ مع مزاياها.
الفصل 3. مفهوم تخزين الطاقة
كيف تحصل على الهيدروجين وكيف تتجنب انفجاراته؟
باستخدام EAV ، تم حل هذه المشكلات تمامًا. يتكون مخطط تدفق العملية من ثلاث مراحل:
1. الحصول على EAS باستخدام أحد مصادر الطاقة المسماة.
2. الحصول على الهيدروجين باستخدام EAS.
3. استخدام الهيدروجين كوقود.
لنتذكر تجربة المدرسة: إنك ترمي الصوديوم في الماء ، ويبدأ الهيدروجين في الانطلاق. تخيل أن هذا يحدث في غرفة الاحتراق: يظهر الهيدروجين الحر فقط حيث يُفترض أن ينفجر. لكنه ليس على متن السفينة - إنه مقيَّد في الماء. في هذا المثال التوضيحي ، تم استخدام الصوديوم كـ EAV.
بالطبع ، هذه ليست تقنية صناعية - إنها توضيح. لكني سأقدم انتباهكم إلى تكنولوجيا صناعية تم تطويرها في وقت من الأوقات في الاتحاد السوفيتي لغزو القمر.
كان يقوم على ردود الفعل التالية
1. Q + C + SiO2> Si + CO2 ^ + H2O - اختزال السيليكون بالكربون
2. Si + 2H2O> SiO2 + 2H2 ^ + Q - إنتاج الهيدروجين
3. 2H2 + O2> 2H2O + Q - احتراق الهيدروجين
باستخدام مصدر حرارة (مثل فرن شمسي) يتم تقليل السيليكون من أكسيد (تفاعل 1). السيليكون عبارة عن نظام EAS ممتاز لا يتطلب ظروف تخزين خاصة. يتم توصيله إلى المكان الذي يحتاج إلى الطاقة (بما في ذلك محرك النقل). في مفاعل خاص ، يحدث تفاعل إزاحة الهيدروجين (التفاعل 2). أخيرًا ، يدخل الهيدروجين إلى المحرك كوقود. يمكن استخدام أكسيد السيليكون المتكون نتيجة التفاعل الثاني بشكل متكرر.
أرز. 2. رسم تخطيطي للمفاعل (1 - مفاعل ، 2 - محرك احتراق داخلي بمكبس ، 3 - مكثف ، 4 - مشعاع تبريد ، 5 - محرك تدفق ، 6 - محرك تدفق ، 7 - محرك تدفق ، 8 - مبرد سيليكون)
كبريتيد الهيدروجين (H2S) هو ، في الواقع ، هيدروجين أحفوري "أصلي" في عبوة كثيفة للغاية: طاقة تكوين كبريتيد الهيدروجين أقل بحوالي 14 مرة من طاقة تكوين الماء. هذا يعني أنه بعد أن أنفقنا كيلو وات / ساعة من الطاقة لتحلل كبريتيد الهيدروجين ، فإننا سنحصل على 14 كيلو وات / ساعة من الطاقة من احتراق الهيدروجين المنطلق. وهذا يعني ، في هذه الحالة ، أننا بمنأى عن التفاعل 1 (الحصول على EAS لإنتاج الهيدروجين). لم يتبق لنا سوى تفاعلين:
H2S + Q> H2 ^ + S.
2H2 + O2> 2H2O + 14Q
من الناحية التشغيلية ، يتم تسييل كبريتيد الهيدروجين عند ضغوط حقيقية (حوالي 20 ضغط جوي) في درجة حرارة عادية ، مما يسمح ، بالإضافة إلى الحصول على كثافة محددة أعلى بكثير من كثافة الهيدروجين المضغوط وحتى السائل ، بإجراء عملية تحلل H2S في المحلل الكهربائي. ومع ذلك ، فمن الممكن أن يكون التحليل الكهربائي لكبريتيد الهيدروجين بسبب خبث القطب بالكبريت الأولي صعبًا للغاية بحيث يجب إجراؤه من خلال الهالوجينات.
لذا ، فارشافسكي ، ماكسيمينكو أ. (أوكرانيا) و Tereshchuk في عام 1997 حصلوا على قرار إيجابي في براءة اختراع الدولة للاتحاد الروسي بشأن طريقة واعدة للغاية للحصول على الهيدروجين واستخدامه من خلال تحلل كبريتيد الهيدروجين ، المستخرج بطريقة أصلية من الطبقات العميقة لبعض المسطحات المائية ، على وجه الخصوص ، البحر الأسود. لا تتطلب هذه الطريقة بالضرورة تكاليف على المستوى الوطني ، ويمكن تطبيقها ليس فقط في نظام الطاقة الوطني ، ولكن أيضًا بشكل مستقل.
الفصل 4
احتياطيات الهيدروجين المرتبطة بالمواد العضوية والمياه عمليا لا تنضب. يسمح كسر هذه الروابط بإنتاج الهيدروجين ثم استخدامه كوقود. تم تطوير العديد من العمليات لتحليل المياه إلى العناصر المكونة لها.
عند تسخينه فوق 2500 درجة مئوية ، يتحلل الماء إلى هيدروجين وأكسجين (تحلل حراري مباشر). يمكن الحصول على درجة حرارة عالية ، على سبيل المثال ، باستخدام مكثفات الطاقة الشمسية. تكمن المشكلة هنا في منع إعادة تركيب الهيدروجين والأكسجين.
في الوقت الحاضر ، ينتج معظم العالم النطاق الصناعييتم الحصول على الهيدروجين في عملية إعادة تشكيل بخار الميثان (SCM). يستخدم الهيدروجين الذي يتم الحصول عليه بهذه الطريقة ككاشف لتكرير النفط وكمكون من مكونات الأسمدة النيتروجينية ، وكذلك لتقنية الصواريخ. يلزم البخار والطاقة الحرارية عند درجات حرارة 750-850 درجة مئوية لنزع الهيدروجين من العمود الفقري للكربون في الميثان ، وهو ما يحدث في أجهزة الإصلاح البخارية الكيميائية على الأسطح التحفيزية. تقسم المرحلة الأولى من عملية PCM الميثان وبخار الماء إلى هيدروجين وأول أكسيد الكربون. ويلي ذلك الخطوة الثانية "تفاعل التحول" الذي يحول أول أكسيد الكربون والماء إلى ثاني أكسيد الكربون والهيدروجين. يحدث هذا التفاعل عند درجات حرارة 200-250 درجة مئوية.
بدءًا من السبعينيات من القرن الماضي ، تم الانتهاء من مشاريع مفاعلات الهليوم ذات درجة الحرارة العالية (HTGR) لمحطات تكنولوجيا الطاقة النووية (AETS) للصناعة الكيميائية والمعادن الحديدية وحصلت على التبرير العلمي والتقني اللازم والتأكيد التجريبي في البلد. من بينها ABTU-50 ، ولاحقًا - مشروع محطة طاقة نووية بمفاعل VG-400 بسعة 1060 ميجاوات (طن) لمجمع كيميائي نووي لإنتاج الهيدروجين والمخاليط القائمة عليه ، من أجل إنتاج الأمونيا والميثانول ، فضلا عن عدد من المشاريع اللاحقة بهذا الاتجاه.
كان أساس مشاريع HTGR هو تطوير محركات الصواريخ النووية التي تعمل بالهيدروجين. أثبتت مفاعلات الاختبار عالية الحرارة ومحركات الصواريخ النووية التي تم إنشاؤها في بلدنا لهذه الأغراض قدرتها على العمل عندما يتم تسخين الهيدروجين إلى درجة حرارة قياسية تبلغ 3000 كلفن.
المفاعلات عالية الحرارة المبردة بالهيليوم هي نوع جديد من مصادر الطاقة النووية العالمية الصديقة للبيئة ، خصائص فريدة من نوعهاوالتي - القدرة على توليد الحرارة عند درجات حرارة أعلى من 1000 درجة مئوية ومستوى عالٍ من الأمان - تحدد الاحتمالات الواسعة لاستخدامها في إنتاج الكهرباء في دورة التوربينات الغازية بكفاءة عالية ولإمداد حرارة عالية الحرارة و الكهرباء لعمليات إنتاج الهيدروجين وتحلية المياه والعمليات التكنولوجية للصناعات الكيماوية وتكرير النفط والمعادن وغيرها من الصناعات.
أحد أكثر المشاريع تقدمًا في هذا المجال هو مشروع GT-MGR الدولي ، الذي يتم تطويره بالاشتراك مع المؤسسات الروسية (OKBM ، RRC "Kurchatov Institute" ، VNIINM ، NPO "Luch") وحملة GA الأمريكية ، التي تديرها وتمولها وزارة الطاقة الذرية في الاتحاد الروسي ووزارة الطاقة الأمريكية. يتعاون Framatom و Fuji Electric أيضًا مع المشروع.
تين. 3. مفاعل الهليوم المعياري مع إعادة تشكيل بخار الميثان
حتى الآن ، تم تطوير مشروع لمفاعل هيليوم معياري لتوليد الكهرباء (بكفاءة تصل إلى حوالي 50٪) باستخدام دورة توربينات غازية مباشرة. تتكون محطة توليد الكهرباء GT-MGR من كتلتين متصلتين ببعضهما: مفاعل الهليوم المعياري ذو درجة الحرارة العالية (MGR) ومحول الطاقة ذو الدورة المباشرة للتوربينات الغازية (GT). العمل في مرحلة التصميم الفني مع اختبار مقاعد البدلاء التجريبي للتقنيات الرئيسية: نظام تحويل الوقود والطاقة. حاليًا ، يتم تقييم التطبيق التكنولوجي لهذا المشروع لإنتاج الهيدروجين باستخدام الدورات الحرارية الكيميائية ، بما في ذلك الدورات القائمة على PCM (انظر الشكل 3،4). إن إنشاء مثل هذا الترادف (VTGR-PKM) يفتح الطريق أمام الاستخدام الواسع للطاقة النووية في الصناعة كثيفة الاستهلاك للطاقة: الكيمياء ذات السعة الكبيرة ، والتعدين ، وأيضًا يجعل ذلك ممكنًا ، من خلال توليد ناقل طاقة ثانوي (هيدروجين نقي أو خليطها مع ثاني أكسيد الكربون ، لإنشاء مجمعات تكنولوجية للطاقة النووية للتدفئة الإقليمية وإمدادات الطاقة مع وقود التوصيل للنقل والحرارة المنخفضة الدرجة للاحتياجات المحلية والقطاع التجاري.
الشكل 4. مخطط مفاعل هيليوم معياري في مبنى
تستخدم العملية الكيميائية الحرارية لإنتاج الهيدروجين من الماء دورة من التفاعلات مع المركبات النشطة كيميائيًا ، مثل مركبات البروم أو اليود ، ويتم إجراؤها في درجات حرارة عالية. يستغرق الأمر عدة خطوات - عادة ثلاث خطوات - لإكمال العملية برمتها. تم اقتراح عدة مئات من الدورات الممكنة ويتم النظر فيها. في البلدان الرائدة في العالم ، تُولى هذه العملية اهتمامًا خاصًا باعتبارها التقنية الأكثر كفاءة لإنتاج الهيدروجين من الماء باستخدام HTGR. يمكن أيضًا بناء مثل هذه الدورة على أساس PCM ، حيث أنه في عملية الإصلاح البخاري للميثان ، لا يتم إنتاج نصف الهيدروجين من الميثان ، ولكن من الماء. في هذه الدورة ، يمكن زيادة نسبة الهيدروجين الناتج عن شطر الماء إلى 100٪ ، وبالتالي ، يمكن تجنب استهلاك الميثان تمامًا إذا تم الحصول على الميثانول كمنتج وسيط ، متبوعًا بالاختزال الكهروكيميائي للميثان العائد إلى رأس العملية . قد يصبح مثل هذا التطوير للتكنولوجيا فيما يتعلق بسندات VTGR-PKM مربحًا إذا ارتفعت أسعار الغاز الطبيعي فوق 120-150 دولارًا / 1000 نيوتن متر مكعب.
التحلل الالكتروليتي للماء (التحليل الكهربائي). الهيدروجين الإلكتروليتي هو المنتج الأكثر توافراً ولكنه باهظ الثمن. في المصانع الصناعية والتجريبية ، تكون كفاءة المحلل الكهربائي ~ 70-80٪ بكثافة تيار أقل من 1 أمبير / سم 2 ، بما في ذلك التحليل الكهربائي تحت الضغط. طور باحثون يابانيون كتلًا تجريبية من غشاء - قطب كهربائي باستخدام إلكتروليت بوليمر صلب يوفر تحليلًا كهربائيًا للماء بكفاءة (من حيث الكهرباء)> 90٪ بكثافة حالية تبلغ 3 أمبير / سم 2.
في العالم ، تعتبر أجهزة التحليل الكهربائي القلوية الكندية المصنعة من قبل شركة Stuart Energy Corporation من أفضل أجهزة التحليل الكهربائي القلوية المائية الصناعية. إنها توفر باستمرار استهلاكًا محددًا أقل من 5 كيلو واط * ساعة / متر مكعب من H2 لمورد طويل ، مما يجعلها (بتكلفة منخفضة للكهرباء المستهلكة والأسعار العالمية للميثان) قادرة على المنافسة مع إنتاج الهيدروجين عن طريق تحويل الغاز الطبيعي باستخدام دورة قصيرة الامتزاز. بالإضافة إلى ذلك ، تسمح لك هذه الخلايا بتغيير الحمل في النطاق من 3٪ إلى 100٪ ، بينما يؤدي تغيير الحمل على الخلايا من النوع FV-500 إلى انخفاض كبير في حياتها.
من الأهمية بمكان التحليل الكهربائي بالاشتراك مع مصادر الطاقة المتجددة. على سبيل المثال ، طور مركز أبحاث الطاقة بجامعة هومبولت نظامًا قائمًا بذاته للطاقة الشمسية والهيدروجين يستخدم خلية كهروضوئية بقوة 9.2 كيلو وات لتشغيل الضواغط لتهوية مزارع الأسماك ومحلل كهربائي قلوي ثنائي القطب بسعة 7.2 كيلو وات قادر على إنتاج 25 لترًا من الماء / دقيقة. يعمل النظام بشكل مستقل منذ عام 1993. في حالة عدم وجود ضوء الشمس ، يعمل الهيدروجين المخزن على تغذية 1.5 كيلو وات من مخطط كهربية القلب الذي يعمل على تشغيل الضواغط.
الفصل 5. الاستخدام المحتمل للهيدروجين في أوروبا في أواخر القرن التاسع عشر ، قاموا بحرق وقود يُدعى "الغاز الحضري أو المركب" ، وهو خليط من الهيدروجين وأول أكسيد الكربون (CO). لا تزال العديد من البلدان ، بما في ذلك البرازيل وألمانيا ، تستخدم هذا الوقود في بعض الأماكن. تم استخدام الهيدروجين أيضًا للتنقل في الهواء (المناطيد والبالونات) ، بدءًا من الرحلة الأولى في فرنسا في 27 أغسطس 1784 بواسطة جاك تشارلز في منطاد مملوء بالهيدروجين. حاليًا ، تستخدم العديد من الصناعات الهيدروجين لتكرير النفط وتخليق الأمونيا والميثانول. يستخدم نظام مكوك الفضاء الهيدروجين كوقود للمعززات. يستخدم الهيدروجين أيضًا لإطلاق مركبة الإطلاق Energia ، المصممة لنقل البضائع الثقيلة جدًا إلى المدار ، ولا سيما مركبة Buran الفضائية ، حيث يتم تحويل المركبات ذات المحركات وغرف احتراق الطائرات بسهولة نسبيًا لاستخدام الهيدروجين كوقود. في بلدنا ، ولأول مرة ، عمل محرك سيارة يعمل بالهيدروجين في مدينة لينينغراد المحاصرة عام 1942. في الثمانينيات ، أطلق المجمع العلمي والتقني للطيران (ANTK) على اسم A.N. أنشأ Tupolev مختبرًا للطيران (يعتمد على الطائرة TU-154V) ، باستخدام الهيدروجين السائل كوقود. نتيجة لذلك ، تم إنشاء أول طائرة في العالم تعمل بالوقود المبرد - الهيدروجين السائل والغاز الطبيعي المسال (LNG) - TU-155. محطة لينينغراد للطاقة النووية ، والهيدروجين مهم أيضًا لمحطات الطاقة النووية كأداة لتخزين الطاقة. في المشروع ، الذي طوره المركز العلمي الروسي "معهد كورشاتوف" ، Leningrad NPP1 والشركات الكندية AECL ("Atomic Energy of Canada Limited") و "Stuart Energy" في 1990-1992 ، في المرحلة الأولى كان من المفترض أن إنتاج الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي للماء بقدرة 30 ميغاواط ، هؤلاء. بسعة 14.5 طن من الهيدروجين يومياً. نصت المرحلة الثانية من المشروع على زيادة سعة ورشة التحليل الكهربائي إلى 300 ميجاوات. وبالطبع ، تم التخطيط لاستخدام كهرباء الجزء الفاشل من الحمل في محطات الطاقة النووية. اليوم ، تنتج LNPP أقل من 400 مليون كيلوواط ساعة / سنة ، مما يجعل من الممكن إنتاج حوالي 8 آلاف طن من الهيدروجين. كان من المفترض بيع الهيدروجين الناتج إلى فنلندا واستخدامه في وسائل النقل العام في مدينة سوسنوفي بور. تم اعتبار خيار آخر لاستخدام الهيدروجين الناتج هو تسليمه إلى مصفاة نفط كيريشي. يمكن أن يصبح الأكسجين الناتج أساسًا لإنتاج الأوزون لتنقية مياه الصرف الصناعي في سانت بطرسبرغ ، والآن هناك زيادة جديدة في الاهتمام بالطاقة النووية الهيدروجينية على نطاق واسع ، والتي كان البادئ الرئيسي لها عمالقة السيارات. يتمتع الهيدروجين بالعديد من المزايا كوقود للمركبات ، وقد أصبحت صناعة السيارات منخرطة بنشاط في استخدامه ، ومع ذلك ، فإن خلايا الوقود تجتذب أكبر قدر من الاهتمام من الباحثين والمطورين والصناعة والمستثمرين. خلايا الوقود (المولدات الكهروكيميائية - ECG) - نوع من التكنولوجيا التي تستخدم تفاعل أكسدة الهيدروجين في عملية كهروكيميائية غشائية تنتج الكهرباء ، طاقة حراريةو الماء. تستخدم برامج الفضاء الأمريكية والسوفيتية ECG منذ عقود. يتم تطوير خلايا الوقود (FCs) لقيادة السيارات والحافلات بنجاح للجيل القادم من المركبات ، وكذلك لأنظمة الإمداد بالطاقة الذاتية. خلايا وقود البوليمر الصلب (TP) على وشك التسويق من حيث المستوى التقني. ومع ذلك ، في الوقت الحاضر ، فإن تكلفتها العالية (محطة توليد الكهرباء ~ 104 دولار / كيلوواط) تعيق هذه العملية إلى حد كبير. تتوقع العديد من الشركات انخفاضًا في تكلفة محطات الطاقة التي تحتوي على خلايا الوقود الحرارية بترتيب كبير أو أكثر في إنتاجها الضخم. بالنسبة للتطبيق الشامل لخلايا الوقود HF في المركبات ، يجب تخفيض تكلفتها إلى 50-100 دولار / كيلوواط (مع التكلفة الحالية للبنزين وغياب الآليات المالية التي تأخذ في الاعتبار الأضرار الناجمة عن غازات العادم). في المستقبل القريب ، نتيجة لتشديد معايير الانبعاث وزيادة تكلفة البنزين وتقليل تكلفة خلايا الوقود ، من المتوقع أن يتغير الوضع لصالح السيارات ومحطات الطاقة الذاتية بسعة تصل إلى 100-300 كيلوواط مع خلايا الوقود. في هذه المناطق ، يتطور البحث والتطوير بنشاط متزايد. في الولايات المتحدة الأمريكية ، وألمانيا ، واليابان ، وكندا ، تم إنشاء محطات تجريبية لتعبئة الهيدروجين ويتم تشغيلها. أول مبيعات سيارات الهيدروجينالمخطط للسنوات القادمة. يُطلق على البرنامج ، الذي يمول البحث والتطوير في الولايات المتحدة ، والذي يهدف إلى إنشاء سيارة سيدان عائلية بمسافة تعادل ثلاثة أضعاف الأميال التي قطعتها سيارة السيدان العائلية الأمريكية عام 1993 ، اسم الشراكة من أجل جيل جديد من المركبات (PNGV). يمول البرنامج (PNGV) عمل 800 شخص في 21 مختبرات من سبعة وكالات فيدرالية، بما في ذلك أولئك الذين شاركوا سابقًا في إنشاء أسلحة نووية ، وكذلك في مراكز الأبحاث التابعة لثلاثي ديترويت والعديد من الشركات التي تصنع المكونات. منذ عام 1995 ، أنفق البرنامج 1.7 مليار دولار ، وقد تم توجيه معظم الأموال لإنشاء مركبات هجينة وخلايا وقود. يدور البرنامج حول صنع سيارة مماثلة في الحجم والوزن لسيارات شيفروليه لومينا ودودج باسلت وفورد توروس (الطول - 500 سم ، الوزن الفارغ - 1500 كجم) وزمن تسريع يصل إلى 100 كم / ساعة - لا يزيد عن 10 ق. تم تقديم النماذج المفاهيمية الأولى لسيارات السيدان ذات الأربعة أبواب ذات الخمسة مقاعد بالقرب من المهمة للاختبار في نهاية عام 2001. قدمت شركة دايملر كرايسلر Dodge ESX3 ، Ford Motor - Ford Prodigy ، General Motors - GM Precept. لتقليل الوزن في جميع الطرازات ، حاول المصممون تحقيق أقصى استفادة من سبائك الألمنيوم والمغنيسيوم الخفيفة والمواد البلاستيكية المركبة مثل تلك المستخدمة في أجسام الصواريخ. الشكل 1. 5. سيارة Daimler Chrysler NECAR 5 تعتمد على مرسيدس بنز فئة A في وايومنغ خلال سباق عبر الولايات المتحدة (20 مايو - 4 يونيو ، 2002). لتزويد جهاز ECG بقدرة 75 كيلو وات بالهيدروجين ، يتم استخدام الميثانول ، والذي يسميه المطورون "الهيدروجين المتحلل بالميثانول أو MH2". استخدمت العينات الأولى التي تم إنشاؤها الهيدروجين في الأسطوانات. ثم جاءت السيارات المربوطة كيميائياً بالهيدروجين في كحول الميثيل (الميثانول). في عام 2002 ، تم عرض أول أنواع السيارات التي يتم فيها توليد الهيدروجين من البنزين (الشكل 5). وقد تم عرض أول سيارة تعمل بخلايا الوقود بواسطة شركة Daimler-Benz في عام 1994. وبحلول عام 2000 ، كانت عينة NECAR-4 المحسنة هي الإنتاج التجريبي منذ ذلك الحين 2004. توجد خلايا وقود وخزان يحتوي على 100 لتر من الهيدروجين السائل تحت الأرضية ، مما يوفر مساحة كافية في المقصورة للركاب والأمتعة. قوة المحرك الكهربائي 74 حصان ، السرعة القصوى 160 كم / ساعة ، نطاق الإبحار 450 كم. تبدأ الحركة فور الضغط على دواسة الوقود. يتم الوصول إلى 90٪ من قوة المحرك القصوى في ثانيتين. سيارة بالوقود. العناصر لها ديناميكيات مماثلة للسيارات المجهزة بمحركات البنزين أو الديزل.
يتم إعداد مجموعة من سيارات الركاب المزودة بخلايا وقود الهيدروجين السائل على أساس طراز Ford Focus الشهير لإطلاقها في عام 2004 من قبل مركز الأبحاث التابع لشركة Ford Motor Company الأمريكية. قامت الشركة الألمانية التابعة لشركة Ford Forschungszentrum Aachen ، بالتعاون مع 40 جامعة من 12 دولة ، بإنشاء مونديو P2000 HFC استنادًا إلى منصة سيارات السيدان العائلية Ford Taurus. يقع خزان الهيدروجين السائل خلف المقعد الخلفي ، ويبلغ المدى بين حشوتين 160 كم ، وسيتم أيضًا تجميع دفعة من مونديو P2000 HFC للتشغيل التجريبي في الولايات المتحدة الأمريكية. وتبلغ التكلفة التقديرية 35 ألف دولار أمريكي ، ويظهر الاهتمام البافاري BMW في العديد من البلدان سيارة BMW 750hl سيدان بخزان 140 لترًا من الهيدروجين السائل. السرعة القصوى 200 كم / ساعة ، ومدى الإبحار 350 كم. تم بناء محطة تعبئة آلي للهيدروجين السائل في عام 1999 في ميونيخ بالقرب من المطار. غطت 16 ميجاوات 750hls إجمالي 65000 ميل منذ 1999. بدأت شركة صناعة السيارات اليابانية تويوتا في إنتاج الدفعة الأولى من السيارات بخلايا وقود الهيدروجين السائل بسعر 75 ألف دولار ، والمشترين المحتملين هم الحكومة والشركات الكبرى. على ال المرحلة الأوليةسيتم تشغيل الآلات فقط في طوكيو ، حيث تم بناء محطات تعبئة خاصة. ترجع التكلفة العالية لمركبات خلايا الوقود التي تحتوي على الهيدروجين السائل إلى المتطلبات العالية للعناصر المكونة لتركيبات مخطط كهربية القلب ونظام تخزين الهيدروجين المعقد عند درجة حرارة منخفضة جدًا. تظهر مشاكل إضافية عندما تكون السيارة متوقفة ، عندما يبدأ فقدان الهيدروجين المتبخر. يؤدي تخزين الهيدروجين تحت الضغط أيضًا إلى مشاكل أخرى.
من المحتمل أن يكون تخزين الهيدروجين في الهيدريدات أكثر كفاءة. الهيدريدات هي مركبات كيميائية للهيدروجين مع مركبات أخرى العناصر الكيميائية. يجري حاليًا تطوير أنظمة تخزين تعتمد على هيدرات المغنيسيوم. تمتص بعض السبائك المعدنية مثل سبائك المغنيسيوم والنيكل والمغنيسيوم والنحاس وسبائك الحديد والتيتانيوم الهيدروجين بشكل نسبي. كميات كبيرةثم حررها عند تسخينها. ومع ذلك ، تخزن الهيدريدات الهيدروجين بكثافة طاقة منخفضة نسبيًا لكل وحدة وزن ، وعمليات التزويد بالوقود بطيئة بشكل غير مقبول. الهدف من البحث المستمر هو إنشاء تركيبة تخزن كمية كبيرة من الهيدروجين بكثافة طاقة عالية ، وتحرره بسهولة وتكون فعالة من حيث التكلفة. من وجهة النظر هذه ، فإن تقنيات تصنيع المركبات الكيميائية الحاملة للهيدروجين - الأمونيا والميثانول وبعض الأنواع الأخرى ، المتقنة بالفعل في كيمياء الأحمال الكبيرة ، تجعل من الممكن تقليل تكاليف البنية التحتية اللازمة للتسليم والتزود بالوقود من الهيدروجين ، واستخدام أنظمة التخزين المثلى على ظهر المركب. من حيث كثافة حجم تخزين الهيدروجين ، يكون الميثانول أعلى بمقدار 1.5 مرة من الهيدروجين السائل. تشتمل هذه الأنظمة على ثنائي ميثيل الأثير (DME) ، المنتج من الميثانول للاستخدام في المركبات بدلاً من وقود الديزل.
في هذا الصدد ، يبدو أن الأنظمة التي يكون فيها مصدر الهيدروجين سائلًا (عند الضغط الجوي) كحول الميثيل أو البنزين واعدة أكثر. عند استخدام الميثانول ، يتم تبسيط نظام تخزين ونقل الوقود. إنه أسهل مع البنزين ، لكن جميع مشاكل إنشاء محول غير مكلف وموثوق به لتحلل الهيدروكربونات بتكوين الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون لم يتم حلها بعد. تعتزم شركة Daimler Chrysler إنتاج مجموعة من مركبات NECAR-3 للتشغيل التجريبي مع خلايا وقود الميثانول ونطاق تجول بين محطتي وقود يبلغ طولهما 400 ميل. طراز Ford Mondeo P2000 FC5 ، الذي تم إنشاؤه في مركز الأبحاث الأوروبي لشركة Ford Forschungzentrum Aachen ، يحتوي على 400 خلية وقود ميثانول تزن 172 كجم وتقع أسفل غطاء المحرك. عند درجة حرارة مرتفعة ، يبدأ تفاعل تكوين الهيدروجين من الميثانول. محرك كهربائي 120 حصان يوفر سرعة قصوى تبلغ 145 كم / ساعة. قبل دخولها حيز الإنتاج في عام 2004 ، توقع مبتكرو السيارة خفض السعر إلى 15 ألف دولار ، وتعتبر السيارات ذات المحركات الكهربائية وخلايا الوقود من السيارات الصديقة للبيئة. لكن تنشأ مشاكل تقنية واقتصادية جديدة عند إنشاء محطات محمولة لإنتاج الهيدروجين مباشرة في وحدة الطاقة في السيارة. على سبيل المثال ، اليوم ، بعد إيقاف تشغيل المحرك ، يستغرق النظام بأكمله ما يصل إلى دقيقتين لبدء العمل مرة أخرى. عرضت شركة جنرال موتورز في أبريل 2002 أمام الصحفيين شاحنة بيك أب شيفروليه S10 مزودة بخلايا وقود ، ومصدر الهيدروجين من أجله البنزين. تتوقع جنرال موتورز أن تكون أول شركة تنتج مليون سيارة تعمل بخلايا الوقود. لتنفيذ المشروع ، من الضروري إنتاج البنزين في الدولة بدون أو مع محتوى ضئيل من الكبريت. سيكلف جالون من هذا البنزين 5 سنتات أكثر. لا يمكن أن يكون سعر المحول لتوليد الهيدروجين في الإنتاج الضخم أكثر من 3000 دولار.
لإنشاء مركبة تعمل بخلايا الوقود ، تتعاون AvtoVAZ الروسية مع شركة Energia للصواريخ والفضاء والشركات التابعة لوزارة الطاقة الذرية الروسية.
تهدف العديد من شركات صناعة السيارات إلى إطلاق الدُفعات الأولى من مركبات خلايا الوقود في عام 2004 ، أو على الأقل في عام 2005. أعلنت شركتا تويوتا وهوندا اليابانيتان أنهما بدأتا الإنتاج التجريبي لسيارات الركاب التي تعمل بخلايا الوقود. من أجل اكتساب الخبرة اللازمة لحل المشكلات التقنية الناشئة ، في عام 2000 ، بدأ تشغيل ست حافلات في شيكاغو وفانكوفر (كولومبيا البريطانية ، كندا). وسوف يستغرق الأمر عدة سنوات للتشغيل التجريبي وتطوير أكثرها أمانًا والأكثر تقنية. نظام متقدم. بحلول عام 2010 ، سيتم تجميع الكثير من الخبرة في تشغيل وصيانة الآلات ذات المحركات الهجينة. ستؤدي مجالات العمل المختلفة للتخلص من استخدام البنزين في المركبات أو الحد منه بشكل كبير إلى تغيير جذري في هيكل أسطول المركبات. في الوقت نفسه ، سيتم تقليل التأثير السلبي على البيئة بشكل كبير ، وسيتم إدخال معايير بيئية أكثر صرامة. سيتم تحديد مجالات تطبيق فعالة من حيث التكلفة لأنواع مختلفة من المحركات. ونتيجة لذلك ، سينخفض إجمالي حاجة الدول الصناعية إلى الوقود الهيدروكربوني ، وستنخفض تكلفته ، وسيقل النفوذ السياسي لكبار منتجي النفط ، وخاصة في الشرق الأوسط.
في يونيو 2002 ، أعلنت الحكومة الأيسلندية عن تحويل أنظمة النقل البري وأسطول الصيد إلى أنظمة الهيدروجين. في هذا البلد ، تعتمد جميع إمدادات الطاقة والحرارة على أنواع جديدة من الطاقة النظيفة ، وخاصة الطاقة الحرارية الأرضية. ظل استهلاك المنتجات البترولية في مجال النقل بالسيارات وصيد الأسماك فقط. وبعد إجراء المقارنات اللازمة وإعداد المشروع ، توصلت الحكومة الأيسلندية إلى استنتاج مفاده أنه في السنوات القادمة سيتم تحويل أسطول السيارات وسفن الصيد بالكامل إلى البيئة وقود الهيدروجين الصديق. بناءً على تجربة تشغيل العشرات من حافلات الهيدروجين في أوروبا في ريكيافيك ، في بداية عام 2003 ، أطلقت شل أول محطة لملء الحافلات بالهيدروجين الإلكتروليتي المضغوط بسعة 60 نانومتر مكعب في إطار مشروع ECTOS. تستخدم أجهزة التحليل الكهربائي الخزفية ذات درجة الحرارة العالية كأساس لإنتاج الهيدروجين من الماء.
خاتمة
الطاقة هي أحد القطاعات الرئيسية للاقتصاد الوطني ؛ ويمكن استخدام مستوى تطورها والفرص المحتملة للحكم على القوة الاقتصادية للبلاد.
يمكن وصف حالة الطاقة الحالية في العالم بأنها مواتية نسبيًا نظرًا لوجود احتياطيات كبيرة من الوقود الأحفوري ، واستقرار الأسعار ، والتقدم المطرد في مجال الحفظ والاستخدام الرشيد للطاقة ، وتحسين تقنيات الطاقة ، والاستخدام الأكثر كفاءة للسوق المنظمين. يشير تحليل الوضع الحالي واستخدام موارد الطاقة إلى أن البلدان الصناعية فقط هي التي وصلت إلى مستوى عالٍ من استهلاك الطاقة.
بعد أزمة الطاقة العالمية ، تم اتخاذ تدابير للحفاظ على الطاقة واستخدامها بشكل رشيد ، مما ساهم في انخفاض كبير في كثافة الطاقة لإنتاج المواد. ونتيجة لذلك ، انخفض إجمالي كثافة الطاقة لكل وحدة من الناتج المحلي الإجمالي في البلدان الصناعية بنسبة 22 ٪ من من عام 1973 إلى أوائل التسعينيات ، بينما كان النفط بنسبة 38٪.
ساهم نمو الاستثمارات ليس في توليد الكهرباء ، ولكن في التقنيات الموفرة للطاقة ، في تقليل استهلاك الطاقة في البلدان الصناعية ، مما أدى بدوره إلى انخفاض التأثير السلبي على البيئة.
إن ظاهرة الأزمة في تطوير قطاع الطاقة العالمي ، والتي تجلت في منتصف عام 2000 ، في رأينا ، يمكن أن تسبب جولة جديدة في نمو وفورات الطاقة وتغيرات في هيكل استهلاك الطاقة.
على مدى العقود الثلاثة الماضية ، خضع هيكل استهلاك الطاقة على المستويين العالمي والوطني لتغييرات كبيرة ، لكن الوقود الأحفوري لا يزال ذا أهمية استثنائية ، والذي شكل في أواخر التسعينيات أكثر من 90٪ من استهلاك الطاقة العالمي ، بما في ذلك النفط - 40.1٪ فحم - 27.8٪ غاز طبيعي 22.9٪.
على الرغم من الزيادة بمقدار ثلاثة أضعاف تقريبًا في إنتاج الطاقة من خلال استخدام المياه والمصادر النووية ، إلا أن حصتها في ميزان الطاقة العالمي لا تزال ضئيلة وبلغت حوالي 5٪ و 6٪ في أواخر التسعينيات على التوالي.
وفقًا لمعدلات النمو الحالية في استهلاك الوقود الأحفوري ، ستستمر احتياطيات النفط 75 عامًا على الأقل ، والغاز الطبيعي - أكثر من 100 عام ، والفحم - أكثر من 200 عام.
وفقًا لتوقعات وكالة الطاقة الدولية (IEA) ، مع الحفاظ على الاتجاهات الحالية في قطاع الطاقة العالمي في الفترة حتى عام 2020 ، قد يزيد الاستهلاك العالمي لموارد الطاقة الأولية بنسبة 65٪. يجب أن ينخفض ميزان الطاقة بحلول عام 2020 إلى 76٪ وبحلول عام 2050 - حتى 45٪.
الشكل 6. تنبؤات ميزان الطاقة العالمي
الآمال التي تم وضعها على مصادر الطاقة الجديدة أو البديلة ، مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح والطاقة الحيوية والطاقة الحرارية الأرضية وغيرها ، لم تتحقق حتى الآن ، دون إجراء تغييرات جوهرية في هيكل توازن الطاقة العالمي جاذبية معينةجديد أو مصادر بديلةالطاقة ، باستثناء الطاقة الكهرومائية ، في إنتاجها العالمي بحلول عام 2020 ستكون حوالي 2٪.
كجزء من إستراتيجية الطاقة الشاملة ، حددت دول الاتحاد الأوروبي هدفًا لزيادة حصة الكهرباء المولدة من مصادر الطاقة المتجددة بحلول عام 2010 إلى 22٪.
الأدب 1. Varshavsky I.L. مواد تخزين الطاقة وبعض مبادئ استخدامها في النقل والطاقة والصناعة. - م: نوكا ، 1970. - 51 ص 2. http://www.businessweek.com/common_frames/gb.htm؟/2000/00_38/b3699304. htm3. http://www.kurginyan.ru/publ.shtml؟cmd=sch&cat=588&vip=134. الاحتباس الحراري: تقرير غرينبيس / إد. J. ليجيت. لكل. من الانجليزية. - م: دار النشر بجامعة موسكو الحكومية 1993. - 272 صفحة 5. http://www.mamok.mesi.ru/busines_club_analitics_energy_ru.htm6. http://www.infoatom.ru/Win/info/info-060502.htm7. "الطاقة" 2003 ، العدد 7. S. 33-39. مقال بقلم S.P. ماليشينكو
8. مجلة العامل رقم 5 - 2001