6.5.На пути к водородной энергетике
В первые годы наступившего столетия становится все более очевидным, что ключевое место в развертывающейся в первой половине XXI в. глобальной энергетической революции займет водородная энергетика — производство водорода из воды и органических топлив и его использование на основе топливных элементов в промышленности, энергетике, на транспорте, в жилищно-коммунальном хозяйстве и в других сферах энергосектора.
Такого рода перспектива определяется несколькими важнейшими факторами.
Во-первых, демографическим фактором, быстрым ростом потребности в энергии из-за увеличения численности населения и роста среднедушевого энергопотребления, особенно в странах с низким уровнем доходов. По среднему варианту демографического прогноза ООН, население мира в 2050 г. составит 8919 млн. человек — на 47% больше, чем в 2000 г.; при этом в менее развитых регионах население вырастет на 58%, в том числе в наименее развитых — на 160% [15. Р. 40—44]. При среднем по миру душевом энергопотреблении в 2001 г. 1686 кг нефтяного эквивалента в странах с высокими доходами этот показатель составляет 5423 кг, в странах с низкими доходами (где проживает более 40% населения Земли) — 518 кг — вдесятеро меньше [17. Р. 142]. Прогнозируется, что в перспективе потребление энергии в странах с низкими доходами будет расти опережающими темпами, что усилит демографическую нагрузку на энергосектор. В более отдаленной перспективе, к концу XXI в., темпы прироста населения значительно снизятся, а в XXII в, при сохранении нынешних тенденций возобладает глобальная тенденция к депопуляции, что ослабит демографическую нагрузку на энергосектор.
Во-вторых, природно-экологическими факторами. Ресурсы ископаемого топлива, которое ныне удовлетворяет до 85% мировой потребности в энергоресурсах, не возобновляются, богатые и доступные месторождения быстро исчерпываются. К тому же растущие выбросы парниковых газов в атмосферу оказывают необратимое воздействие на климат планеты. Хотя мнения ученых о последствиях этого воздействия неоднозначны — одни предсказывают в ближайшее десятилетие глобальную экокатастрофу с повышением уровня мирового океана и затоплением густонаселенных прибрежных регионов, другие видят причины потепления в природных циклах, — главное направление глобальной энергетической стратегии на долгосрочную перспективу вырисовывается довольно отчетливо: все более широкая замена ископаемого топлива альтернативными, возобновляемыми, экологически безопасными источниками энергии, к которым относится и водородная энергия, отходом использования которой является обыкновенная вода.
В-третьих, к скорейшему осуществлению этой глобальной стратегии подталкивают экономические факторы. Добыча и переработка ископаемого топлива обходятся все дороже, на содержание энергосектора затрачивается растущая доля труда, инвестиций, других ресурсов. В 1970 г. средняя мировая цена барреля нефти составляла 2,11 долл. В 1980 г. она поднялась до 35,48 долл. [44. С. 71]. И хотя к 1997 г. она опустилась до 11 — 12 долл., однако в дальнейшем возобладала тенденция удорожания нефти, и в отдельные периоды 2004 г. она пробивала потолок в 50 долл. И хотя никто не может с уверенностью предвидеть дальнейшее поведение этого капризного показателя, определяющее погоду на мировом рынке, однако очевидно, что возврат к прежним низким ценам весьма мало вероятен. По оценке Международного энергетического агентства, спрос на энергию к 2040 г. вырастет на 23 по сравнению с 2003 г., и потребуется инвестировать 16 трлн. долл., чтобы обеспечить поддержание роста энергоснабжения. Логично предположить, что растущая часть этой огромной суммы (составляющая половину всего мирового ВВП 2002 г.) будет потрачена на разработку и инновационное освоение принципиально новых, альтернативных источников энергии, в том числе водорода и топливных элементов. И хотя пока эта энергия обходится дорого, но в перспективе можно ожидать ее стремительное удешевление.
В-четвертых, водородной энергетике благоприятствуют научно-технологические факторы. Жюль Верн около 140 лет назад в романе «Таинственный остров» предсказал, что в будущем вода будет применяться как топливо; содержащиеся в ней водород и кислород станут источниками тепла и света, и эти газы по своей производительности во много раз превзойдут основной энергоресурс той эпохи — уголь. Тогда это было лишь гениальной догадкой фантаста, поскольку открытий и изобретений, которые могли бы реализовать эту энергетическую мечту, не было и в помине. Однако в последней четверти XX в. положение кардинально изменилось, появились изобретения и технологии, которые позволяют производить в необходимых масштабах водородное топливо из разных ресурсов и эффективно использовать топливные элементы.
В-пятых, не стоит сбрасывать со счетов и геополитические факторы. Сейчас подавляющая часть запасов нефти и газа принадлежит трем цивилизациям — мусульманской, евразийской и латиноамериканской. От устойчивости поставок из этих цивилизаций зависит экономика других цивилизаций, в том числе развитых, а также китайской и индийской. Источники и пути поставок энергоресурсов подвергаются атакам международных террористов. В случае освоения водородной и другой альтернативной энергии резко уменьшится зависимость этих стран от импорта нефти и газа, в число лидеров мирового энергосектора выйдут высокотехнологичные страны, осуществляющие крупномасштабные водородные программы.
Все эти факторы обусловливают тенденцию выдвижения программ водородной энергетики в центр энергетической стратегии
XXI в.
Предпосылки для этого были заложены в последней четверти XX в. В 1974 г., в разгар мирового энергетического кризиса, была создана Международная ассоциация по водородной энергетике
(МАВЕ) со штаб-квартирой в Институте чистой энергии (Ко- рейл Гэйбл, США), который издает международный журнал и раз в два года организует всемирные конференции по водородной энергетике. 15-я конференция состоялась 27 июня — 2 июля
2004 г. в Иокогаме, Япония; в ней участвовали 2000 ученых, инженеров, бизнесменов, чиновников из 52 стран мира, была проведена презентация новейших топливных элементов, водородных автомобилей и автобусов, скутеров, мобильных водородозаправочных станций.
На состоявшейся в мае 2004 г. в Донецке Международной конференции «Водородная обработка материалов» был принят Меморандум о переходе от ископаемых топлив к водородной экономике и затем к водородной цивилизации. В Меморандуме, в частности, записано: «Реальный, научно обоснованный, исторически длительный переход к экологически чистой жизни, сохраняющей первозданность биосферы и экосистемы, может быть осуществлен только одним путем: постепенной заменой углеводородных энергоносителей на водород, единственно возможный энергоноситель, который при использовании не дает вредных выбросов в атмосферу. Переход к водородной экономике, а затем к водородной цивилизации — это единственно возможный, научно обоснованный путь для сохранения биосферы и экосистемы земли, пригодной для жизни». На конференции был создан Объединенный научный и координационный совет по перспективам перехода к водородной экономике.
Понимая энтузиазм пионеров в области водородной энергии, нельзя в то же время не сделать несколько уточняющих замечаний по поводу этих положений. Во-первых, первозданные биосфера и экосистемы давно уже не существуют; они преобразованы — и не всегда в лучшую сторону — человеческим разумом и трудом. Это убедительно доказали В. И. Вернадский и
Н. Н. Моисеев. Во-вторых, и в будущем водород вряд ли станет единственным источником энергии — сохранится множественность энергоисточников, хотя и в иной пропорции, чем сейчас. В-третьих, вряд ли правомерно говорить о водородной экономике и тем более о водородной цивилизации. И экономика, и цивилизация — многомерные, многоэлементные системы; энергосектор — лишь один из элементов этой системы. С таким же успехом можно говорить об информационной, биотехнологической и т. п. экономике и цивилизации. С нашей точки зрения, суть постиндустриальной цивилизации как раз состоит в освобождении человека от чрезмерной прикованности к машинной, технологической системе любого типа, в гуманистически-ноосферном интегральном характере отношений, открывающем путь к гармоничной коэволюции общества и природы.
Достижения последних лет (и даже десятилетий) состоят в поиске эффективных технологических решений в области водородной энергетики. Любопытно отметить, что поиск в этом направлении ведется более чем шесть десятилетий. На Международном симпозиуме «Безопасность и экономика водородного топлива» (Саров, Нижегородская область, август 2003 г.) было отмечено, что первый в мире водородный автомобиль был создан в конце 1941г. в блокадном Ленинграде воентехником Б. И. Шели- щем. Ряд российских и зарубежных ученых были награждены медалями имени Б. И. Шелища. Его сын П. Б. Шелищ является президентом Национальной ассоциации водородной энергетики и депутатом Государственной Думы.
Советские ученые с середины 60-х годов принимали активное участие в разработке проблем водородной энергетики. Они вошли в состав Международной ассоциации по водородной энергетике; эти работы велись на базе Института ядерной энергии им. И. В. Курчатова, Сибирского отделения АН СССР. В 1973 г. в Донецком политехническом институте была создана проблемная лаборатория водородных технологий; с 1979 г. на ее базе проводились Всесоюзные школы по водородной энергетике. Однако в 90-е годы эти исследования и разработки были свернуты, нарастало отставание от мирового уровня в этом важнейшем направлении энергетического будущего.
Лишь в последние годы внимание к этой проблеме вновь усилилось. В декабре 2003 г. по совместному постановлению Президиума РАН и правления горнометаллургической компании «Норильский никель» была утверждена комплексная программа научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по водородной энергетике и топливным элементам; создан совет по программе, на реализацию которой намечено выделить 40 млн. долл.; заключены договоры с рядом академических институтов. Ход выполнения программы был обсужден на Международном форуме «Энергия будущего» (Москва, 16—17 февраля 2004 г.).
К исследованиям и опытно-конструкторским работам в области водородной энергетики и топливных элементов подключились сотни компаний более чем в 40 странах мира, в том числе крупнейшие нефтяные и автомобильные компании. Исследуются различные способы производства водорода, в том числе атомными и гидроэлектростанциями, что позволит обеспечить более равномерную их суточную и сезонную загрузку. Разрабатываются принципиально новые материалы (в том числе с использованием нанотехнологий) для безопасного хранения, перевозки и применения водородной энергии и топливных элементов в различных сферах потребления — в автономных энергоустановках, в транспортных средствах, жилищно-коммунальном хозяйстве, разных промышленных производствах, бытовой радиоэлектронике и т. д. Изделия с топливными элементами уже появились на рынке.
К развитию водородной энергетики подключились правительства ряда стран и межгосударственные объединения, формируя национальные и международные водородные программы.
В США в 1996, 2001 и 2003 гг. были приняты законы «О водородном будущем». В 2003 г. Президент США провозгласил «Инициативу в области водородного топлива». Разработана программа деятельности в этой области на 15 лет, намечено выделить на реализацию инициативы 1,7 млрд. долл. бюджетных ресурсов и в еще больших размерах привлечь частный капитал. Для координации реализации программы создана межведомственная рабочая группа (включающая представителей 9 федеральных министерств) под руководством Управления по научно-технической политике при Президенте США.
В Европейском союзе в рамках шестой рамочной программы по научным исследованиям выделены 300 млн. евро на разработку проблем водородной энергетики. В 2004 г. провозглашена Европейская технологическая платформа в области водородной энергетики и топливных элементов, предусматривающая программу работ до 2050 г. На программу намечено выделить 2 млрд. евро. В Японии принята водородная программа на период до 2020 г. с выделением 4 млрд. долл.; уже в 2010 г. намечено поставить на рынок 10 тыс. автомобилей с водородным двигателем. Исландия планирует к 2020 г. полностью перейти на водородное топливо. Исследования в области водородной энергетики развернуты в Китае, Индии, Франции, Канаде, Швеции, Испании, Украине, Белоруссии и в других странах.
Европейская технологическая программа по водороду и топливным элементам ставит широкий круг целей:
• принятие политических решений по развитию водородных технологий в энергетике и на транспорте;
• значительное увеличение финансирования исследований по водородной тематике;
• создание системы демонстрации преимуществ водородной энергетики и пилотных проектов в этой области;
• привлечение частного капитала к разработкам технологий;
• организация европейской системы образования по этой проблематике, включая среднюю школу;
• создание центра по пропаганде этих инициатив.
Эта программа во многом напоминает программу действий, принятую в России по плану ГОЭЛРО.
Разработан график освоения водородной энергетики на европейском континенте:
• 2010 г. — начало серийного производства автомобилей на водородном топливе, создание водородных заправок;
• 2020 г. — достижение конкурентоспособности водородных автомобилей, появление дешевых высокотемпературных топливных элементов;
• 2030 г. — появление устройств длительного хранения водорода и производства электроэнергии домашними топливными элементами;
• 2040 г. — водородная энергетика станет доминирующей;
• 2050 г. — появление водородных самолетов.
Работы в этом важнейшем направлении энергетической революции XXI в. ведутся в России разрозненно, при слабом участии государства и недостаточном финансировании. В результате Рос
сия может отстать и оказаться на периферии инновационного прорыва глобального характера, формирующего сердцевину шестого технологического уклада, который будет определять конкурентоспособность на мировых рынках товаров и услуг через полтора-два десятилетия.
Представляется необходимым разработать и утвердить на высшем уровне национальную инновационную программу «Водородная энергетика» на перспективу 30—40 лет. Необходимость такой программы диктуется следующими обстоятельствами.
Во-первых, ныне эксплуатируемые богатые месторождения нефти и природного газа быстро исчерпываются и мало восполняются приростом разведанных запасов. Топливо занимает 56% в структуре российского экспорта (при 7% среднемировых) и служит основным источником доходов бюджета. Однако исчерпание запасов, рост внутренних издержек и цен, увеличение потребностей растущей экономики страны в энергоресурсах, ограниченность инвестиций в эту сферу поставят страну перед энергетическим кризисом. Замена ископаемого топлива водородом позволит в перспективе предотвратить этот кризис, уменьшить опасную зависимость экономики от колебаний конъюнктуры мирового топливного рынка.
Во-вторых, износ основных фондов на транспорте (их стоимость на начало 2003 г. 7592 млрд. руб.) составил 58%, в том числе транспортных средств — 70%. Предстоят огромные инвестиции в модернизацию и инновационное обновление транспорта, что целесообразно делать на принципиально новой энергетической основе.
В-третьих, в критическом состоянии находится жилищнокоммунальное хозяйство, стоимость основных фондов которого 6,2 трлн. руб. Ресурсов для реконструкции этого хозяйства на прежней технологической основе нет. Переход к водородной энергетике позволит осуществлять реконструкцию на базе автономных энергоисточников, многократно сократить потери энергии.
В-четвертых, национальная программа «Водородная энергетика» станет локомотивом инновационного обновления экономики России, перехода к инновационному пути развития, возрождения научно-технического потенциала, поскольку потребует разработки и производства принципиально новых материалов, машин и оборудования, средств транспорта, станет акселератором ускорения темпов экономического роста.
В-пятых, реализация программы на базе имеющегося научно-технического потенциала предоставляет России уникальный шанс стать одним из лидеров энергетической революции XXI в., объединить усилия стран СНГ, других заинтересованных стран (Китая, Индии и др.) в осуществлении инновационного прорыва в важнейшей сфере экономики, в формировании энергетической базы устойчивого развития.
Однако для достижения успеха эта программа не должна строиться по образу и подобию нынешних федеральных целевых программ, слабо обеспеченных ресурсами и не приносящих, как правило, обещанного результата. При ее формировании и реализации следует использовать советский опыт плана ГОЭЛРО, программы создания ракетно-ядерного щита в послевоенный период, освоения космического пространства, международных программ «Союз-Аполлон», создания и обеспечения функционирования Международной космической станции, европейской водородной программы.
Во-первых, это должна быть национальная программа, разработанная и осуществляемая по инициативе и под руководством Президента РФ, утвержденная Федеральным законом, с гарантированным выделением ресурсов, государственным контролем за эффективным использованием этих ресурсов
Во-вторых, программа должна носить комплексный характер, в ее структуре должны быть предусмотрены (рис. 6.10):
• фундаментальные исследования по узловым проблемам;
• прикладные исследования и ОКР по производству, хранению, транспортировке, использованию в разных сферах водорода и топливных элементов, обеспечению их безопасности;
• совокупность нарастающего числа инновационных проектов по освоению производства водорода, производства и эксплуатации топливных элементов;
• совокупность обеспечивающих подсистем и прежде всего подсистемы управления реализацией программы, координа-
ции деятельности всех ее участников, заказчиков, научных руководителей и исполнителей (рис. 6.11);
• региональные и муниципальные звенья, в наибольшей мере заинтересованные в реализации программы и ее крупных проектов (включая территории комплексного опытно-экспериментального внедрения программы);
Заказчики Научные Исполнительные
руководители структуры
• международный уровень — совместные программы заинтересованных стран-членов СНГ, а также двусторонние или многосторонние программы и проекты со странами вне СНГ — с Европейским союзом, Китаем, Индией, США, Японией и т. п.
Для реализации программы потребуется выделение управляющей компании, а в перспективе — создание международного стратегического технологического альянса либо международного консорциума; Государственным заказчиком программы, вероятно, должно быть правительство РФ.
В-третьих, разработка и реализация программы должны осуществляться на началах инновационного партнерства государства, науки и бизнеса.
Государство должно взять на себя разработку долгосрочной стратегии и программы, стартовые бюджетные вложения в крупные исследовательские и инновационные проекты, предоставление налоговых и таможенных льгот участникам реализации программы, организацию международного сотрудничества, защиту интеллектуальной собственности, поощрение изобретателей и поддержку патентования.
Научное сообщество — РАН, ученые вузов, общественные академии, исследовательские и конструкторские организации — должны формировать творческие коллективы, включая ученых и молодежь вузов, для пионерной разработки принципиально новых технологических процессов и установок, необходимых для реализации проектов, активно участвовать в инновационном освоении своих идей.
Крупные и мелкие компании должны осуществлять мониторинг и осваивать новые перспективные рынки, принимать активное участие в коммерциализации принципиально новых идей, их инновационном освоении, выделять средства на разработку и применение водородных технологий в сфере своих интересов.
В-четвертых, финансирование программы следует осуществлять на многоканальной основе, адекватной современной инновационно-ориентированной рыночной экономике. Возможно, потребуется создать национальный инновационно-инвестиционный фонд, который концентрировал бы выделяемые на программу ресурсы бюджета и внебюджетных фондов, частных компаний, а также средства, аккумулируемые через фондовую биржу путем выпуска и размещения акций фонда или управляющей компании. Полезными были бы венчурные фонды для поддержки малого и среднего бизнеса в регионах пионерного освоения водородной энергетики.
В-пятых, потребуются нормативно-правовая база для разработки и реализации программы, принятие федерального закона и других нормативных актов по программе:
• разработка и принятие федерального закона о национальной программе водородной энергетики, определяющей порядок разработки и реализации национальной программы, а также механизм ее финансирования, государственной поддержки и реализации;
• указы Президента РФ и постановления Правительства РФ, регламентирующие порядок разработки, реализации и государственной поддержки программы и проектов;
• межгосударственные соглашения по разработке и реализации международных программ и проектов.
Разработка и реализация национальной инновационной водородной программы позволят отработать механизм государственного воздействия на ключевые направления инновационного прорыва. Этот опыт будет полезен при разработке и реализации национальных программ по нанотехнологиям, информационным технологиям. Однако число национальных инновационных программы не должно быть большим — не более 3—4, иначе они девальвируются и будут приносить мало эффекта.
Еще по теме 6.5.На пути к водородной энергетике:
- Водородная энергетика
- Политика в области энергетики
- 9.2. Бюджетные расходы на поддержку отраслей промышленности, энергетики, строительства
- Энергетика и мировой кризис
- Ядерная энергетика 1958 - 1978 - ?..
- Украинская энергетика — встроенный дисбаланс
- Энергетика
- 9.2. Расходы на развитие промышленности, энергетики, строительства.
- 2.9. Ядерная (Атомная) энергетика
- Мировая энергетика и энергоресурсы
- Офицеров-Бельский Д.В. [324] Политико-экономические аспекты либерализации газовой энергетики ЕС в условиях мирового экономического кризиса
- Инвентаризация товаров в пути
- З.1. Концепции современного естествознания законы сохранения энергии в макроскопических процессах; принцип возрастания энтропии; химические системы; энергетика химических процессов; реакционная способность веществ
- 2. Пути повышения производительности труда
- Счет 020103000 «Денежные средства учреждения в пути»