CC BY
54
ЭКОЛОГИЯ
УДК 504
ВОДНЕВ1 ТЕХНОЛОГИ - 1ННОВАЦ1ЙНА СКЛАДОВА ЕНЕРГЕТИЧНО1
СТРАТЕГИ УКРА1НИ
А.В. Гриценко, професор, д.геогр.н., В.В. Соловей, професор, д.т.н., ХНАДУ
Анотаця. Розглянуто тенденцп змти структури споживання енергоносИ'в у контекстi збшьшення масштабiв використання екологiчно чистих альтернативних палив i вiдновлюваних джерел енергИ'. Запропоновано тновацтш водневi технолога, що забезпечують зниження споживання оргатчних палив i, як на^док, зменшення техногенного навантаження на навколишне середовище.
Ключов1 слова: водень, енерготехнологИ', паливт ресурси, екологiя.
ВОДОРОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ - ИННОВАЦИОННАЯ СОСТАВЛЯЮЩАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СТРАТЕГИИ УКРАИНЫ
А.В. Гриценко, профессор, д.геогр.н., В.В. Соловей, профессор, д.т.н., ХНАДУ
Аннотация. Рассмотрены тенденции изменения структуры потребления энергоносителей в контексте увеличения масштабов использования экологически чистых альтернативных топ-лив и возобновляемых источников энергии. Предложены инновационные водородные технологии, которые обеспечивают снижение потребления органических топлив и, как следствие, уменьшение техногенной нагрузки на окружающую среду.
Ключевые слова: водород, энерготехнологии, топливные ресурсы, экология.
HYDROGEN TECHNOLOGIES - AS INNOVATIVE COMPONENT OF UKRAINE'S
ENERGY STRATEGY
A. Hrytsenko, Professor, Doctor of Geography Science, V. Solovei, Professor, of Technical Science, KhNAHU
Abstract. The article considers the trends and changes in the energy resource consumption pattern in the context of increased usage of environmentally clean alternative fuels and renewable energy sources. It graphically illustrates that the introduction of hydrogen technologies in energy, industry and transport is an important element of fuel/energy resource diversification. It offers innovative hydrogen technologies that help reduce the levels of organic fuel consumption and, consequently, the levels of technogenic stress on the environment.
Key words: hydrogen, energy technologies, fuel resources, environment.
Вступ
Бшьшють сценарив розвитку енергетики спирасться на гшотезу еволюцшного характеру технолопчних змш, що вщбуваються у сферi виробництва, розподшу й споживання енергп.
Аналiз публжацш
Зпдно i3 прогнозом експерпв Мiжнародного енергетичного агентства [1], розвиток св^ового паливно-енергетичного ринку у найближчш перспективi буде базуватися на замщенш викопних палив (яю забезпечують
на цей час бшьше шж 90 % потреби св^ового спiвтовариства в енергоресурсах) альтернативними паливами та
поновлюваними джерелами енерги, в iнфраструктурi яких важливе мiсце належить водню [2] (рис. 1).
1мпорт (58 %)
Власне виробництво (42 %)
сонце. (тепло) бiомаса
• сонце (ел.)
• пдроенергетика
• вiтер
• геотермальш
ВИРОБНИЦТВО
природнии газ
вугшля ДВЗ
ПЕ
ядерна (електр.)
ядерна (тепло)
Вугшля, ПриродниИ газ, Нафта, Ядерне млн. т. млрд. м3 млн.т паливо, т
енергоустановки на турбшах i ДВЗ
офiси
XiMiЧHi
процеси
енерго-посточання
СПОЖИВАННЯ
Рис. 1. Схематичне подання концепци водневих енергосистем
Нестабiльна ситуащя в паливно-енергетич-ному комплексi Украши пов'язана зi значними обсягами iмпорту енергоресурсiв, особливо в газовому сектор^ е додатковим стимулом для прискорення темпiв переходу до воднево! економши [3].
Мета та постановка задачi
У зв'язку з тим, що Украша мае у своему розпорядженш великi запаси кам'яного И бурого вугшля, як перспективы технологи одержання водню варто розглядати методи, що базуються на парофазнiИ плазмохiмiчнiИ конверси водню з кам'яного И бурого вугшля, а також з торфу (рис. 2). Особливо! уваги заслуговуе метод одержання водню шляхом шдземно! газифшаци вугшля. У цьому випадку Иого вартють знижуеться в 23 рази у порiвняннi з шшими технологiями. Крiм того, перспективним е споаб одержання водню за допомогою енергоакумулюючих речовин, зокрема тих, якi отримано з мшерально! складово! енергетичного вугiлля.
Застосування таких енерготехнологiчних схем дозволить рiзко скоротити, а в окремих випадках повнiстю замiнити природнi органiчнi палива з енергоемних виробництв.
8,5 %
83,5 %
100 %
86,5 %
100 0
Рис. 2. Споживання первинних
енергоресурав в Украш
Оскшьки обсяг природних оргашчних енергоресурсiв обмежениИ, а в перспективi газ i нафта будуть дорожчати швидше, нiж вугiлля i ядерне паливо, варто очшувати, що навт достатньо енергоемнi способи виробництва водню, таю як електролiз, можуть устшно конкурувати iз традицiИними енергоносiями за питомою вартiстю енерги у водш, якиИ генеруе. При цьому економiчний ефект виявляеться наИбiльшим, якщо одночасно виршуються як технологiчнi, так i енерго-екологiчнi завдання.
Говорячи про еколопчно бiльш сприятливиИ вплив водню на бюсферу в порiвняннi iз традицшними енергоносiями, не слiд забувати про те, що технологи виробництва водню не повинш шюдливо впливати на навколишне середовище. Не можна допустити, щоб екологiчно чистиИ енергоносiИ вироблявся iз забрудненням довкiлля, завдаючи збиток, що знижуе економiчний ефект вщ впровадження водневих технологiИ. Тому як перспективы первиннi джерела енергil для виробництва водню, у першу чергу, варто розглядати вщновлюваш види енергil, включаючи бюре-сурси рослинного походження, значш обсяги яких характернi для багатьох репошв Укра!ни [4].
Водневi технологи як шновацшна складова процесу енергозабезпечення
Як вщзначалося, штерес до водню як ефективного, екологiчно чистого енергоносiя мае досить багатоплановий характер, що охоплюе широкий дiапазон вiд чисто наукових до суто практичних завдань. 1нтенсивний розвиток фундаментальних i прикладних дослщжень у цiй галузi зумовлено економiчною й соцiальною важливiстю проблеми замши вуглеводневих викопних палив альтернативними енергоносiями, серед яких водень займае особливе мюце, завдяки сво!м унiкальним фiзико-хiмiчним властивостям [5, 6].
У перелшу водневих технологiй у першу чергу заслуговують на увагу плазмохiмiчнi методи його одержання, яю базуються на комплексному використаннi електрично! енерги й хiмiчного потенцiалу вхщних продуктiв, що застосовуються для одержання водню. У цих технолопях електроенерпя необхiдна лише для iнiцiювання хiмiчних реакцiй конверси водневмiсних композицiй, а основний енерговнесок у здшснення реакци робиться одним з реагентiв. Як вхщна сировина можуть бути використаш некондицiйне вугiлля, продукти
вуглезбагачення, оргашчш вiдходи рослинного й тваринного походження, комунально-побутовi стоки та iншi вуглеводневмiснi речовини. У цьому випадку за рахунок утилiзацil вiдходiв знижуеться антропогенне навантаження на навколишне середовище, а також виробляеться еколопчно чистий енергоносiй, здатний замшити природний газ у сферi промислового й комунального споживання.
Одним з перспективних проекпв, який спрямовано на полшшення ситуаци у паливно-енергетичному комплексi Укра!ни, е реалiзацiя концепци, в основi яко! лежить виробництво водню шляхом газифшаци вугiлля, а також електролiзу води з використанням електроенерги, яку вироблено на атомних i теплових електростанцiях. На початковому еташ водень можна ефективно використати як замiнник природного газу в енергетищ, зокрема для «пiдсвiчування» на енергоблоках ТЕС, що використовують низькосортне вугшьне паливо [7]. Наступний процес реконструкци й замiни наявного теплоенергетичного устаткування повинен включати поступове впровадження нових високоефективних енерготехнологш, що
базуються на використаннi водню й паливних елементiв для цшей когенераци в комунально-побутовiй сферi, а також на транспорт в якост екологiчно чистих енергетичних установок (рис. 3).
Вагомий внесок у диверсифшащю енергопотоюв може забезпечити розвиток децентралiзованих енергосистем на основi вiдновлюваних джерел енерги й водню, доля яких в енергобаланш кра1ни може бути збшьшена до 2 %, а разом з пдроенергетикою - до 6-7 %, що у значнш мiрi вирiшить проблему дефiциту шкових i високоманеврових електричних
потужностей.
Рис. 3. Принципова схема воднево1 системи енергозабезпечення на базi
використання вiдновлюваних джерел енергil
При юнуючш кон'юнктурi цiн на природний газ i стiйкiй тенденцil до И збшьшення вартiсть одиницi енерги у водш, який одержано шляхом електролiзу в установках, розроблених в 1ПМаш НАНУ й хНАДУ, стае порiвнянною з вартiстю аналогiчного показника природного газу за умови, що для виробництва водню використовуеться електроенерпя, що вщбираеться для забезпечення власних потреб
електрогенеруючих шдприемств (ТЕС, АЕС, ГЕС) [8]. Оригшальними ланками в розроблюванiй технологil е елементи електролiзноl технiки, що дозволяють знизити енергоемшсть виробництва водню на 15-20 %, а також спещальш паливш пристро1, що працюють за схемою паровугшьно1 конверсil.
На сьогодш вже е об'eктивнi передумови для реатзацп в рамках енергетично1 стратеги Украши конкретних водневих технологш i водневих енергетичних систем. Основними аргументами, що свiдчать на користь розширення масштабiв виробництва й використання водню, е:
- наявнiсть в Украш великих запасiв бурого й кам'яного вугшля, якi можуть бути ресурсною й технолопчною базою для одержання товарного водню й синтетичних палив на його основу
- наявний значний, але фактично не використовуваний в Украш потенцiал поновлюваних джерел енерги, у тому чи^ бiоенергетичних ресурсiв для одержання еколопчно чистого енергоносiя - водню.
В якост перших крокiв щодо реатзаци в Укрш'ш запропоновано! концепци необхщно розглянути комплекс питань, що стосуються перспектив великомасштабного
технологiчного й енергетичного
використання водню з урахуванням конкретних умов функщонування
територiально-промислових мегаполiсiв (мiста Ки!в, Харкiв, Донецьк, Днiпропетровськ, Луганськ, Львiв, Микола!в, Одеса, АР Крим), орiентуючись на енергетичну й технологiчну шфраструктури цих регiонiв.
На пiдставi результат аналiзу свiтового досвiду можна зробити висновок, що програму робiт у галузi воднево! енергетики доцiльно сформувати з окремих цiльових пiдпрограм, яю являють собою технологiчно замкнений цикл галузевого або територiально-виробничого характеру, що мають самостiйне економiчне значення i пов'язанi мiж собою не стшьки науково-технiчними рiшеннями, скшьки
методологiчними пiдходами до 1хньо1 реатзаци.
Висновки
Як першочерговi проекти, що мають важливе значення для економши Украши i можуть бути реалiзованi в найкоротший термiн з максимальною економiчною й екологiчною ефективнiстю, можна видшити наступнi роботи.
1. Пiдвищення ефективносп експлуатаци потужних енергоблокiв ТЕС (N3 >300 МВт) за рахунок використання водневих енерго-акумулуючих систем. (Приклад галузевого пiдходу до формування програми. Вiн забезпечуе роботу енергоблокiв у базовому режим^ пiдвищуючи надiйнiсть i економiчнiсть експлуатаци устаткування. Додатковим ефектом е виключення споживання природного газу для «mдсвiчування» на твердопаливних електростанцiях).
2. Пiдвищення ефективносп використання нетрадицiйних i вiдновлюваних енергоресурсiв в iнфраструктурi паливно-енергетичного комплексу АР Крим на основi використання водневих технологш. (Приклад територiально-промислового шдходу. Вiн забезпечуе рiшення енергетичних i екологiчних проблем регiону).
3. Використання шфраструктури металургшно1 й коксохiмiчноl галузей промисловостi Донецького регiону для одержання водневовмюних газiв. (Приклад регюнально-галузево1 програми, при реалiзацil яко! доменнi печi й коксохiмiчнi батаре1 можуть бути використаш як газифiкацiйнi установки для одержання з вугшля синтез-газу, що мютить водень iз наступним його видшенням iз сумiшi для використання в енергетичних i технологiчних цшях, у тому числi й для одержання рщких палив для ДВЗ).
Важливим фактором, що дае надт на позитивне вирiшення поставлено1 проблеми, е можливють супроводу цих проекпв власними iнтелектуальними й матерiально-техшчними ресурсами, якими володiють цi регюни. Виконання цих проектiв забезпечить створення необхiдних методичних й органiзацiйно-технiчних передумов для докоршно1 перебудови застарiлих енергоемних виробництв, у першу чергу хiмiчних i металургiйних, що забезпечують у цей час до 60 % валютних надходжень до бюджету Украши. Перехщ до реалiзацil концепци воднево1 енергетики дозволить вирiшити ряд життевоважливих сощально-економiчних i полiтичних проблем та забезпечить шдвищення стiйкостi
функщонування енергетично1 системи Ук-ра1ни шляхом переорiентацil И на власнi енергоресурси. Iнновацiйнi водневi
технологи покликаш з^ати важливу роль у cnpaBi диверсифшаци потокiв енергоносив в iнфраструктурi паливно-енергетичного
комплексу, що ютотно знизить залежнiсть Укра1ни вiд iмпорту вуглеводневих палив i дозволить полшшити стан навколишнього природного середовища в найбшьш несприятливих в еколоIiчному вщношенш територiально-промислових реIiонах.
Лiтература
1. World Energy 0utlook-2006. Представлен 7 ноября 2006 г. http://www.iea.org.
2. Россия : стратегия перехода к водородной энергетике / Б.Н. Кузык, Ю.В. Яко-вец; авт. предисл. С.М. Миронов. - М. : Институт экономических стратегий, 2007. - 400 с.
3. Мацевитый Ю.М. Обеспечение устойчивого функционирования энергетического комплекса Украины на основе инновационных технологий / Ю.М. Мацевитый, В.В. Соловей, Н.Г. Шульженко, А.В. Русанов, В.Н Голощапов // Компрессорное и энергетическое машиностроение. - 2008. - № 3 (13). - С. 9-13.
4. Solovey V. Autonomous energy technological complex with hydrogen as the secondary energy carrier / V. Solovey, M. Muminov, A. Basteev // International Scientific Journal «Alternative Energy and Ecology». - 2004. - № 1(9). - Р. 60-64,
5. Мацевитый Ю.М. Применение водородных технологий для повышения
энергоэффективности энергоблоков ТЭС в условиях дефицита природного газа / Ю.М. Мацевитый, В.В. Соловей, П.М. Канило // Вюн. 1нж. Академп наук. - 2007. - № 2. - С. 148-152.
6. Соловей В.В. Активация водорода и во-дородсодержащих энергоносителей /
B.В. Соловей, М.А. Оболенский, А.В. Бас-теев. - К. : Наук. думка, 1993. - 168 с.
7. Мацевитый Ю.М. Перспективы использования водородных технологий для замены природного газа и мазута на твердотопливных ТЭС Украины / Ю.М. Мацевитый , В.В. Соловей, А.Л. Шубенко и др. // Энергосбережение. Энергетика. Энергоаудит. - Харьков. - 2006. - № 9. -
C.10-18.
8. Мацевитый Ю.М. Повышение энергоэффективности работы турбоустановок ТЭС и ТЭЦ путем модернизации, реконструкции и совершенствования режимов их эксплуатации / Ю.М. Мацеви-тый, Н.Г. Шульженко, В.Н. Голщапов и др. ; под общ. ред. ак. Ю.М. Мацевито-го; НАН Украины, Институт проблем машиностроения. - К. : Наук. думка, 2008. - 366 с.
Рецензент: М.А. Подригало, професор, д.т.н.,
ХНАДУ.
Стаття надшшла до редакцп 12 серпня 2010 р.
