Проблема преобразования

Ветер дует не всегда и не с постоянной силой, а значит, произведенную энергию целесообразно накапливать для бесперебойного потребления.
Фото Reuters

Проблема накопления произведенной энергии для ее последующего использования не является новой. Однако для таких альтернативных видов энергии, как солнечная или ветровая, подобное решение пока находится в стадии эксперимента. Дело в том, что, с одной стороны, потребление электроэнергии и тепла испытывает колебания, а с другой – природа вносит свою лепту в подобную неустойчивость кругооборота производства и потребления. Ведь солнце, как известно, светит не всегда и ветер дует не с постоянной силой. В настоящее время основное направление исследований направлено на изучение топливных элементов. Идея состоит в разложении с помощью произведенной энергии воды на ее составные части – водород и кислород – и организации последующего хранения водорода. Эту энергию в период растущего спроса можно будет снова получить с помощью топливного элемента.

Однако с экологической точки зрения подобный топливный элемент вызывает споры. Все дело в значительных потерях, связанных с хранением и транспортировкой водорода. КПД такого процесса, как получение водорода из ветровой энергии путем разложения воды, составляет всего 12–29%. Инфраструктура для хранения и транспортировки водорода представляет собой довольно сложную инженерную задачу. Водород может храниться либо под давлением в сотни бар, или при очень низких температурах в жидком состоянии. Значительный вес таких хранилищ представляет собой проблему для их транспортировки. Поэтому они вряд ли пригодны для транспорта, поскольку высокая стоимость полученного таким образом водорода пока не является рентабельной для использования топливного элемента в качестве хранилища возобновляемых источников энергии в транспортном средстве. Но они вполне подходят как стационары для хранения водорода.

В Германии активно проводятся исследования по созданию специальных накопительных станций на базе топливных элементов. Так, фирма Enertrak, владеющая 70 ветровыми агрегатами общей мощностью в 120 МВт, заказала в Высшей специализированной школе Штральзунда исследование по сооружению такой станции. Предполагается построить электролитическое устройство мощностью в 500 кВт, с помощью которого можно будет избыточную электроэнергию ветровых станций использовать для производства водорода. Подобное устройство дополняется емкостью для хранения водорода, топливным элементом на базе платины и электронным управляющим устройством, которое регулирует в зависимости от наличия определенных количеств ветровой электроэнергии объемы воды для получения водорода. В немецком Любеке уже сооружена и действует подобная демонстрационная установка мощностью в 4 кВт. Опыты показали, что, например, для насосной электростанции производительностью в 600 МВт-час потребуется хранилище водорода объемом с небольшое здание. Пока расходы по сооружению такой установки находятся в пределах 4 тыс. евро на кВт мощности. Но при переходе на поточное производство их можно, как полагает Роланд Хамельманн, эксперт из Высшей технической школы Любека, сократить до 500 евро на каждый кВт. В проектной стадии находятся и исследования ольденбургского консорциума ряда местных компаний и университета. Предполагается закачивать водород в 24 стальных резервуара размером около двух метров и расходовать его по мере надобности. Недостатком подобного варианта топливного элемента является его низкая мощность – всего 5 кВт. Это означает, что ветровой двигатель средней величины с мощностью в 2 МВт был бы слишком велик для подобной топливной батареи. Он мог бы за шесть минут заполнить водородом имеющиеся емкости.

Дальнейшие эксперименты в лабораториях многих стран мира направлены в основном на поиск новых материалов для накопителей водорода. В этом плане заслуживают внимания исследования ученых Мичиганского университета, которые решили применить металлоорганические кристаллы для водородных накопителей. Подобные соединения состоят из элементов оксида цинка и органических молекул, которые вместе создают своего рода кристаллическую решетку. Внутри этой решетки имеется, по мнению одного из разработчиков Натаниеля Росси, достаточно места для размещения других, более мелких молекул. Решетка под давлением будет их втягивать, как губка. А при снятии давления водород будет снова высвобождаться. Американские ученые создали даже прототип подобного накопителя из оксида цинка и нафталина – C10H8.

Другой метод, разработанный учеными из университета Вирджинии (США), предусматривает возможность поглощения водорода соединением титана и этилена. Подобное соединение способно поглощать водород в объеме до 12% своего веса. Однако эффективный путь для высвобождения водорода из «титаново-этиленового» плена пока не найден. Еще несколько лет назад в немецком исследовательском центре в Карлсруэ проводились эксперименты по поглощению водорода так называемым нанопорошком, сделанным также с использованием титана. 7% такого порошка мог составить поглощенный им водород.

Но, по подсчетам специалистов, до практического использования совокупности ветровых станций, водородного электролиза и топливных элементов пройдет не менее 10 лет.