Використання не традиційних видів енергії (енергія сонця, вітру, біоенергія,..) в Україні та світі

     Використання ядерної енергії. 

     Вперше  на уран як нове джерело енергії  звернув увагу академік В. І. Вернадський  у 1914 р. Він писав:

       «... Джерело величезної енергії  в мільйон разів перевищує  всі джерела сил, які малювалися  людській уяві. Чи зуміє людина  скористатися цією силою, спрямувати її на добро, а не на самознищення? ».

     Використання  атомної енергії стимулюється насамперед тим, що вже на першому етапі її використання вартість електроенергії, одержуваної від атомних і  вугільних станцій, приблизно однакова. 

     Економічна  перевага атомних електростанцій над  тепловими безперервно зростатиме як внаслідок їхнього удосконалення, так і внаслідок подорожчання кам'яного вугілля, торфу, нафти і  природного газу, запаси яких у верхніх  шарах Землі швидко зменшуються. При сучасних темпах зростання використовування енергії цих запасів палива може вистачити на 100—150 років, використання ж ядерних реакцій поділу урану, торію і плутонію зможе збільшити цей строк ще на 200—300 років. 

     Лише  оволодіння термоядерними реакціями  синтезу забезпечить людство енергією в необмеженій кількості і на необмежений термін.

     Першу в світі атомну електростанцію було збудовано в СРСР і пущено 27 червня 1954. 

     У 1959 в СРСР закінчено будівництво  першого в світі криголама  «Ленин» з атомним двигуном. Будується кілька атомних електростанцій — у Воронезькій обл. потужністю 420 тис. квт, на Уралі потужністю 400 тис. квт, в Ленінградській обл. потужністю 420 тис. квт та ін. У вересні 1958 пущено першу чергу атомної електростанції. Загальна проектна потужність станції становить 600 тис. кет. 

     Воднева енергетика 

     Багато  фахівців висловлюють побоювання по приводу все зростаючій тенденції  до суцільної електрифікації економіки  і господарства: на теплових електростанціях  спалюється все більше хімічного  палива, а сотні нових атомних електростанцій, як і сонячні, вітряні і геотермальні станції, що зароджуються, у все ширшому масштабі (і врешті-решт виключно) працюватимуть для виробництва електричної енергії. Тому учені зайняті пошуком принципово нових енергетичних систем.

     Передача  електроенергії по проводах обходиться дуже дорого: вона складає біля третини  собівартості енергії для споживача. Щоб понизити витрати, будують лінії  електропередачі все більш високої  напруги – воно скоро досягне 1500 кВ. Але повітряні високовольтні лінії вимагають відчуження великої земельної площі, до того ж вони уразливі для дуже сильних вітрів і інших метеорологічних чинників. А підземні кабельні лінії обходяться в 10 – 20 разів дорожче, і їх прокладають лише у виняткових випадках (наприклад, коли це викликано міркуваннями архітектури або надійності).

     Серйозну  проблему складає накопичення і  зберігання електроенергії, оскільки електростанції найекономічніше працюють при постійній потужності і повному  навантаженні. Тим часом попит  на електроенергію міняється протягом доби, тижні і роки, так що потужність електростанцій доводиться до нього пристосовувати. Єдину можливість зберігати про запас великі кількості електроенергії в даний час дають гідроакумулюючі електростанції, але і вони у свою чергу пов'язані з безліччю проблем.

     Всі ці проблеми, що стоять перед сучасною енергетикою, могло б – на думку  багатьох фахівців – вирішити використання водню як паливо і створення так  званого водневого енергетичного  господарства.

     Водень, найпростіший і легший зі всіх хімічних елементів, можна вважати ідеальним паливом. Він є усюди, де є вода. При спалюванні водню утворюється вода, яку можна знову розкласти на водень і кисень, причому цей процес не викликає ніякого забруднення навколишнього середовища. Водневе полум'я не виділяє в атмосферу продуктів, якими неминуче супроводжується горіння будь-яких інших видів палива: вуглекислого газу, окислу вуглецю, сірчистого газу, вуглеводнів, золи, органічних перекисів н т.п. Водень володіє дуже високою теплотворною здатністю: при спалюванні 1 г водню виходить 120 Дж теплової енергії, а при спалюванні 1 г бензину – тільки 47 Дж.

     Водень  можна транспортувати і розподіляти  по трубопроводах, як природний газ. Трубопровідний транспорт палива –  найдешевший спосіб дальньої передачі енергії. До того ж трубопроводи прокладаються під землею, що не порушує ландшафту. Газопроводи займають менше земельної площі, чим повітряні електричні лінії. Передача енергії у формі газоподібного водню по трубопроводу діаметром 750мм на відстань понад 80км. обійдеться дешевшим, ніж передача тоги ж кількості енергії у формі змінного струму по підземному кабелю. На відстанях більше 450км. трубопровідний транспорт водню дешевший, ніж використання повітряної лінії електропередачі постійного струму з напругою 40кВ, а па відстані понад 900км. – дешевше за повітряну лінію електропередачі змінного струму з напругою 500 кВ.

     Водень  – синтетичне паливо. Його можна  отримувати з вугілля, нафти, природного газу або шляхом розкладання води. Згідно оцінкам, сьогодні в світі проводять і споживають близько 20 млн. т водню в рік. Половина цієї кількості витрачається на виробництво аміаку і добрив, а інша – на видалення сірки з газоподібного палива, в металургії, для гідрогенізації вугілля і інших палив. У сучасній економіці водень залишається швидше хімічним, ніж енергетичною сировиною. 
 
 

     Сучасні і перспективні методи виробництва водню 

     На  Землі у звичайних природних  умовах молекулярний водень майже не зустрічається. Більшість водню  на Землі зв'язана з киснем у  воді. Виробництво елементарного водню вимагає переробки носія водню, наприклад, викопного палива і води. Витрачаються викопні ресурси та виділяється вуглекислий газ, але найчастіше подальший вклад енергії, крім викопного палива, уже не потрібний. Розкладання води вимагає витрат електроенергії або тепла, одержаного з будь-якого первинного джерела енергії (спалення викопного палива, атомної енергії або відвлюваних джерел енергії).

     В промисловості водень виробляється через перетворення пари, з використанням  викопних видів палива, наприклад, природного газу, нафти чи вугілля. Енергоємність виробленого водню менше, ніж енергія, що міститься у вихідному паливі, але завдяки високому ККД паливних елементів вона може бути використана повніше, ніж при безпосередньому використанню вихідного палива. Внаслідок перетворення вихідного палива, в атмосферу може викидаєтися вуглекислий газ, так само, як внаслідок роботи двигуна автомобіля. Але зявдяки високому ККД паливних елементів його кількість може бути меншою, ніж при використанні палива безпосередньо. 

     Невелика  частина водню (4% в 2006 році) отримується  шляхом електролізу води. Для одержання  кілограму водню таким шляхом необхідно витратити приблизно 50 кіловат-годин електроенергії.

     Кварнер-процес або кварнер сажі та водню (CB & H) [15] - це метод, розроблений в 1980-х роках однойменною норвезькою компанією для виробництва водню з вуглеводнів, наприклад, з метану, природного газу і біогазу. Розподіл енергії у речовині під час процесу приблизно такий: близько 48% енергії міститься в атомі водню, 40% - у карбоні та 10% - у перегрітій парі.

     Ферментативне виробництво водню - це ферментативне  перетворення органічного субстрату  в біоводень, що здійснюється групою бактерій за допомогою мультиферментативних систем в три кроки, аналогічно до анаеробного перетворення. Темнова ферментація не потребує світлової енергії, тому можливе неперервне виробництво водню з органічних сполук - вдень і вночі. Фотоферментація відрізняється від темнової ферментації тим, що вона протікає лише за наявності світла. Наприклад, фотоферментація з Rhodobacter sphaeroides SH2C може бути використана для перетворення нижчих жирних кислот у водень. Єлектрогідрогенезис використовується в мікробних паливних елементах, де водень виробляється з органічних речовин (наприклад, зі стічних вод або твердих речовин ) при напрузі 0,2 - 0,8 V. 

     Крім  звичайного електролізу, можливий також  електроліз з використанням мікробів. При електролізі з біокаталізаторами  водень утворюється внаслідок проходження  через мікробний паливний елемент, також можуть використовуватись різноманітні водні рослини. До них відносяться родини Glyceria, Spartina, рис, помідори, люпин, водорості.

     Найчистішим способом отримання водню є той, що базується на використанні електроенергії, виробленої фотоелектричними системами. Вода розкладається на водень і кисень шляхом електролізу — фотоелектрохімічного (PEC) процесу, який також називають штучним фотосинтезом. У фотоелектричній промисловості ведуться наукові дослідження, спрямовані на розвиток високоефективної технології мультиперехідних елементів.

     Метод, вивчений Томасом Нанном і його командою в Університеті Східної Англії, складається  з золотого електрода, вкритого шарами наночасток фосфіду індія (InP). Вони ввели залізо-сірчаний комплекс в  шари покриття, внаслідок чого після занурення у воду і опромінення світлом під невеликим електричним струмом, вироблявся водень з ККД 60% 
 
 

     Використання  водню 

     Коли  водень стане таким же доступним  паливом, як сьогодні природний газ, він зможе усюди його замінити. Водень можна буде спалювати в кухонних плитах, у водонагрівачах і опалювальних печах, забезпечених пальниками, які майже або зовсім не відрізнятимуться від сучасних пальників, вживаних для спалювання природного газу.

     Як  ми вже говорили, при спалюванні водню не залишається ніяких шкідливих продуктів згорання. Тому відпадає потреба в системах відведення цих продуктів для опалювальних пристроїв, що працюють на водні, Більш того, водяну пару, що утворюється при горінні, можна вважати корисним продуктом — він зволожує повітря (як відомо, в сучасних квартирах з центральним опалюванням повітря дуже сухе). А відсутність димарів не тільки сприяє економії будівельних витрат, але і підвищує до. п. д. опалювання на 30%.

     Водень  може служити і хімічною сировиною  в багатьох галузях промисловості, наприклад при виробництві добрив і продуктів харчування, в металургії і нафтохімії. Його можна використовувати і для вироблення електроенергії на місцевих теплових електростанціях.

     Заправні  станції, зараз обладнуються для  водню лише у північно-західних районах США та на заході Канади і їх кількість не перевищує 200. Саме за такої лінності  Honda та BMW лише по трохи і лише для США випускають вже серійні водневі авто кількістю не більше 100 на рік. Та це лише початок завтрашньої реальності, що ще вчора була фантастикою.

     Виробництво водню – велика галузь, що швидко зростає. У 2004 році в усьому світі  було вироблено близько 50 мільйонів  тонн водню, що відповідає близько 170 мільйонам  тонн нафтового еквівалента. Темп росту  галузі становить близько 10% на рік. В 2004 році у США обсяг виробництва складав близько 11 мільйонів метричних тонн (MMT) середнього потоку потужності в 48 гігаватт. (Для порівняння, середній обсяг виробництва електрики в 2003 році становив близько 442 гігаватт.) У 2005 році вартість усього виробленого у світі водню становила близько $ 135 мільярдів на рік. 

     Сьогодні  водень застосовують у двох основних напрямках. Приблизно половина використовується для виробництва аміаку (NH3) через  процес Габера, який потім прямо  чи непрямо використовується як добриво. Оскільки і населення світу, і сільське господарство, яке забезпечує його продовольством, зростають, попит на аміак також зростає. Друга половина виробленого водню використовується для перетворення важкої нафтової сировини у легші фракції, придатні для використання в якості палива. Далі відбувається гідрокрекінг. Галузь гідрокрекінгу розвивається ще швидше, оскільки зростання цін на нафту заохочує нафтові компанії використовувати бідніші вихідні матеріали, наприклад, бітумінозні піскі та нафтоносні сланці. Переробка нафти та виробництво добрив у великих обсягах вигідніше і дозволяє виробництво в місці експлуатації, а також проміжне використання. Виготовляється і доставляється кінцевим користувачам також і менша кількість "комерційного" водню. 

     Якби  енергія для виробництва водню  з невикопних джерел була доступна (енергія вітру, сонця та термоядерна  енергія), використання цієї речовини для виробництва вуглеводневого синтетичного палива могло б збільшити  використання водню в 5, а то і 10 разів. На сьогоднішній день використання водню в США для гідрокрекінгу становить приблизно 4 мільйони тонн на рік (4 MMT / рік). Вважається, що 37,7 MMT / рік водню вистачить, щоб перетворити достатнього вугілля США в рідке паливо, що покладе край залежності США від імпорту іноземної нафти, ,[11], і менше половини цієї кількості вистачить, щоб припинити імпорт нафти з Близького Сходу. Зрідження вугілля призведе до значно більших викидів двоокису вуглецю, ніж спалювання нафти, але воно усуне політичну та економічну залежність, пов 'язану з імпортом нафти. 

     Сьогодні 48% світового виробництва водню  базується на використанні природного газу, 30% — нафти і 18% — вугілля; на електроліз води припадає лише 4%.[12] Розподіл виробництва відображає вплив  термодинамічних обмежень на економічний вибір: з чотирьох методів одержання водню, часткове спалювання природного газу в електростанції на NGCC (комбінований цикл природного газу) є найефективнішим і дає найбільше теплової енергії, яку також можна використати.