ЭНЕРГОПЕРЕХОД ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАЦИОНАЛЬНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ РОССИИ (2021-2030)

А.Л. Гусев

ООО Научно-Технический Центр «ТАТА» (Россия) и Институт водородной экономики (Россия), Fermaltech Limited (EU)

e-mail: gusev@hydrogen.ru

Аннотация

Национальная безопасность включает в себя оборону страны и все виды безопасности, предусмотренные Конституцией Российской Федерации и Законодательством Российской Федерации, прежде всего государственную, общественную, информационную, экологическую, экономическую, транспортную, энергетическую безопасность.

К тематике настоящего обзора из них относятся: экологическая, экономическая, транспортная и  энергетическая безопасность. Однако, необходимо отметить, что государственная, общественная, информационная, транспортная, а также безопасность личности косвенно также зависят от тематик, рассматриваемых в обзоре.

Для обеспечения Национальной безопасности России в ближайшей десятилетке (2021-2031 гг) необходимо обеспечить модернизацию энергетической отрасли в соответствии с концепцией энергоперехода на экологически чистую энергетику.

Значимость проблемы энергоперехода для обеспечения климатической, экологической, энергетической и экономической устойчивости усугубляется прогнозируемой динамикой развития энергопотребления, обусловленной ростом населения в мире (по оценкам ООН, до почти 10 млрд. чел. к 2050 г.) и экономики (по данным PwC,  глобальный ВВП почти утроится к этому году).  

В обзоре приводятся анализ  работ по энергосбережению, утилизации отходов, технологиям чистки окружающеей среды, технологиям захвата метана и диоксида углерода, изменению климата, технологиям альтернативной энергетики, включая водородную экономику.

В качестве перспективной разработки рассматривается инновационная технология разложения природного газа в неравновесной низкотемпературной плазме на водород и углерод. Современная позиция научного сообщества, занимающегося сохранением климата и экологии базируется именно на вышеперечисленных постулатах.  

В резолюции ООН резюмировалось, что деятельность человека может изменить глобальные климатические модели, угрожая нынешнему и будущим поколениям потенциально серьезными экономическими и социальными последствиями.

Непрерывный рост атмосферных концентраций "парниковых" газов может привести к глобальному потеплению с последующим повышением уровня моря, последствия которого могут быть катастрофическими для человечества, если не будут приняты своевременные меры на всех уровнях.  

Тем не менее, развитие ситуации загрязнения воздушной среды приняло характер сложившегося поступательно-детерминированного  процесса с угрозой нанесения непоправимого глобального вреда климату, экологии, флоре и фауне, прибрежным районам по всей планете.

 В последнее время на уровне руководителей государств и ООН предпринимаются решительные шаги по оценке глобальных процессов, обусловненных промышленной деятельностью человечества.  

На основе частных исследований и рекомендаций, а также государственных и глобальных на уровне ООН рождаются новые глобальные меморандумы и соглашения: Рамочная конвенция по изменению климата (США, Нью-Йорк, 1992), Киотский протокол к рамочной конвенции организации объединенных наций об изменении климата (Япония, Киото, 1998), Марракешские договоренности к киотскому протоколу (Маракеш, Морокко, 2001), Найробийская рабочая программа РКИК ООН по воздействиям, уязвимости и адаптации к изменению климата (Найроби, 2006), Меморандум Столетия (Россия, конгресс WCAEE-2006, 2006), Балийская дорожная карта (Бали, 2007), Копенгагенское соглашение (Дания, 2009), Дурбанская Платформа (ЮАР,  2010),  Канкунские соглашения (Мексика, 2012), Дохинская поправка к Киотскому протоколу (Катар, 2012), Парижское соглашение (Франция, 2015), соглашение в Катовице (Польша, 2018).

Необходимо отметить, что важной движущей силой для развития международных коллабораций на основе юридически значимых соглашений являются судебные иски в развитых странах, где судебные разбирательства по нанесенному вреду не ограничиваются рамками ограничений, связанных с отсутствием ответа от стихии. Однако, именно эти судебные дела все чаще становятся генератором все новых международных соглашений, создающих не только основы международных конвенций, но финансовых фондов для снижения негативных последствий стихии и внедрению технологий адаптации. Важную роль играют и страховые компании, которые порой принимают решеният о выплатах через судебные разбирательства.

Необходимо сообща разрабатывать методы и инструменты, анализировать данные и наблюдения, участвовать в работе по моделированию климата, в работке сценариев и их детализации, уметь оценивать связанные с климатом риски и чрезвычайные ситуации, обмениваться социально-экономической информацией, участовать в адаптационном планировании и практиках, проводить совместные исследования, разрабатывать технологии для адаптации для всех, участвовать в исследованиях по диверсификации экономик помогать в этих процессах и использовать результатыво благо укрепления цивилизации всей планеты.

Важно создать мощную инструментальную базу на основе мощного суперкомпьютера для сообщества климатологов для моделирования глобальных процессов, подобие в сообществе физиков ЦЕРН в Швейцарии, изучающих глобальные проблемы в микромире.

 Премьер-министр РФ Михаил Мишустин провел совещание по адаптации российской экономики к глобальному энергопереходу. Базой подготовки станет постулат о постепенно падении мирового спроса на нефть, газ и уголь, основных на сегодня статей экспортных доходов. «Мировая экономика нацелена на постепенный переход к низкоуглеродной энергетике. И это уже новая реальность. Нужно готовиться к поэтапному сокращению использования традиционных видов топлива – нефти, газа, угля. Повышать энергоэффективность. Развивать альтернативную энергетику. Строить соответствующую инфраструктуру», — отметил премьер министр. Правительство ставит перед министерствами две главные цели: сделать РФ лидером глобального энергоперехода и сформировать собственную повестку этих процессов в мировой дискуссии.

При этом энергопереходе Россия несет моральную ответственность за тех, кому поставляла традиционные источники энергии и, вероятно, будет корректировать процесс сокращения поставок симбатно трендам энергоперехода каждой из стран – потребителей. Большая роль в глобальной концепции энергоперехода отводится универсальному энергоносителю – водороду. В совокупности, оценки европейских инвестиции в «зеленый» водород к 2050 г. варьируются в диапазоне €180-470 млрд.

 Если инвестиции в технологии производства «зеленого» водорода будут столь же успешными как в ветровую и солнечную генерацию, то себестоимость его производства может сократиться до $0,7-1,6/кг к 2050 г.

В этом случае полная приведенная стоимость производства электроэнергии (LCOE) из него будет сопоставима с аналогичным показателем для природного газа, что, безусловно, усилит межтопливную конкуренцию за долю в мировом энергобалансе.

 В энергетической концепции Евросоюза, а также заявлениях представителей США, речь идет о создании системы водородного транспорта: «Вокруг этого ходят десятилетиями, и последнее разумное, что было придумано — это превращение водорода в метан.

Второй вариант — это производить из него метанол. Данная технология позволяет уйти от топливных элементов и перейти к метиловому топливу. Кроме того, в существующие газопроводы можно добавлять к природному газу часть водорода.

Общий объем производства водорода в мире в настоящее время оценивается различными источниками в 55-70 млн тонн, причем совокупные среднегодовые темпы его роста за последние 20 лет невысоки - около 1,6%.

Более 90% водорода производят на месте его потребления (так называемый кэптивный продукт), и менее 10% поставляют специализированные компании, работающие на рынке промышленных газов (Air Liquide, Linde, Praxair Inc. и др.).

 Сегодня в качестве сырья для производства водорода доминируют углеводороды. Более 68% водорода получают сейчас из природного газа, 16% из нефти, 11% - из угля и 5% - из воды с помощью электролиза.

Это объясняется сравнительной дешевизной производства из углеводородов – по различным оценкам, себестоимость водорода из природного газа пока в 2-5 раз ниже, чем при электролизе.
Огромная энергия сосредоточена в море, как в глубинах, так и на поверхности. Среднюю для океанических волн энергию оценивают величиной 50 кВт на погонный метр. Подсчитано, что с учетом неизбежных потерь использование энергии волн, например, у побережья Англии дало бы 120 ГВт энергии, что превышает суммарную мощность электростанций страны. Важным направлением в транспорте являются пневмотранспртные средства, в том числе, и на криогенном унитарном топливе.

Ключевые слова: энергетическая устойчивость, устойчивое энергоснабжение, низкоуглеродная энергия, декарбонизация, деградация земель, воды и ресурсов, взаимосвязь продовольствия, энергии и воды, климатическая повестка, водородная энергетика, парниковый эффект, захват метана, водород.

Keywords: energy sustainability, Resilient energy supplies, Low-carbon energy, Decarbonization, Land, water, and resources degradation, Food-energy-water nexus, climate agenda, hydrogen energy, greenhouse effect, methane capture, hydrogen.

 Введение

Переживаемый человечеством период характеризуется интенсивным научным и научно-техническим поиском путей инновационного развития энергетики и транспорта. Этот жизненно важный и удивительно интересный процесс созидания оптимальной для каждого региона Земли экологически чистой энергетической инфраструктуры и совершенных устройств-потребителей чистой энергии увлек ученых и инженеров практически всех областей науки и техники на всех континентах. Фантастический мир водородной экономики, предсказанный ранними представителями «водородного романтизма» — академиком В. А. Легасовым (Россия), младшим техником-лейтенантом Б. И. Шелищем (Россия), Президентом Международной ассоциации водородной энергетики профессором Т. Н. Везироглу (США), академиками А. Н. Туполевым (Россия), Н. Д. Кузнецовым (Россия), К. И. За­мараевым (Россия), В. Д. Русановым (Россия), А. Н. Подгорным (Украина), Н. Н. Пономаревым-Степным (Россия), А. П. Александровым (Россия), В. Н. Пармоном (Россия), А.С. Коротеевым, С. Аллахвердиевым (Россия), Айфер Везироглу, членами редколлегии Международного научного журнала «Альтернативная энергетика и экология»: Д. О. Бокрисом (США),  В. А. Голь­цовым (Украина), И. Л. Варшавским (Россия), Чезаре Марчетти (Австрия), А.Я. Столяревским (Россия), А.Л. Гусевым (Россия),  А.Г. Галеевым, А.М. Домашенко, А.Ю. Раменским (Россия), С.Е. Щеклеиным (Россия), и многими другими известными пионерами водородной экономики — настойчиво и упорно создается учеными, инженерами, представителями малого и большого бизнеса, а в странах с развитой экономикой уже при поддержке правительств. Некогда существовавшие лишь в проектах объекты ветро-водородной, солнечно-водородной, приливно-водородной энергетики уже реально существуют и производят универсальное горючее в Исландии, Германии, США, Японии для водородных заправок автомобилей и автобусов, как когда-то, в конце XIX столетия, начали производить бензин на нефтеперегонных заводах семейства Нобелей для бензиновых автоколонок.

Огромная энергия сосредоточена в море, как в глубинах, так и на поверхности. Среднюю для океанических волн энергию оценивают величиной 50 кВт на погонный метр. Подсчитано, что с учетом неизбежных потерь использование энергии волн у побережья Англии дало бы 120 ГВт энергии, что превышает суммарную мощность электростанций страны. Мощность волнения оценивают в кВт на погонный метр, то есть в кВт/м. По сравнению с ветровой и солнечной энергией энергия волн обладает гораздо большей удельной мощностью. Так, средняя мощность волнения морей и океанов, как правило, превышает 15 кВт/м, при высоте волн в 2 м мощность достигает 80 кВт/м. То есть, при освоении поверхности океанов не может быть нехватки энергии. Конечно, в механическую и электрическую энергию можно использовать только часть мощности волнения, но для воды коэффициент преобразования выше, чем для воздуха — до 85 %. Переработка и накопление энергии волн в универсальный энергоноситель водород все еще сдерживается целым рядом проблем, главной из которых является, что для электролиза требуется особо чистая вода, обычно дисцилированная вода. Однако, последние достижения ученых Университета Орландо позволяют надеяться что в ближайшее время могут быть созданы электролизеры, производящие водорода напрямую из морской воды. Исследователи разработали тонкопленочный материал с наноструктурами на поверхности, состоящий из селенида никеля с добавлением или «легированным» железом и фосфором. Эта комбинация обеспечивает высокую производительность и стабильность, которые необходимы для электролиза в промышленных масштабах, но этого было трудно достичь из-за проблем, таких как конкурирующие реакции внутри системы и которые снижали  эффективность. [“Dual-Doping and Synergism toward High-Performance Seawater Electrolysis” by Jinfa Chang, Guanzhi Wang, Zhenzhong Yang, Boyang Li, Qi Wang, Ruslan Kuliiev, Nina Orlovskaya, Meng Gu, Yingge Du, Guofeng Wang and Yang Yang, 8 July 2021, Advanced Materials. DOI: 10.1002/adma.202101425 ].Волновая энергия представляет собой сконцентрированную энергию ветра и, в конечном итоге, солнечной энергии. Удельная мощность электрогенераторов, работающих от волн, может быть гораздо большей, чем для других альтернативных источников энергии. Несмотря на схожую природу, энергию волн принято отличать от энергии приливов и океанских течений. Выработка электроэнергии с использованием энергии волн не является распространённой практикой, в настоящее время в этой сфере проводятся только экспериментальные исследования.

В настоящее время в наиболее развитых странах мира интенсивно разрабатываются научно-исследовательские проекты по созданию основ атомно-водородной энергетики. Человечество постепенно приходит к пониманию важности альтернативной энергетики, основанной на универсальном энергоносителе — водороде.

В научном обзоре приведен исторический анализ работ по изменению климата, альтернативной энергетике, включая водородную экономику, в которых много лет назад прогнозировалась текущая климатическая повестка и оценивались средства ее решения из арсенала альтернативной энергетики и, в частности, водородной энергетики.  

Предсказанная в начале 21 века известными учеными климатологами, романтиками водородной эры, пионерами альтернативной энергетики ситуация надвигающегося глобального экологического кризиса и глобальной климатической катастрофы стала реальностью. Эти научно-обоснованные предсказания образуют не только базис для четкой фиксации «парникового эффекта» и определения наиболее опасного парникового газа – метана, но и сам ключ к пониманию и глобальному планированию основных технологических решений для парирования основного вызова цивилизации на протяжении всего текущего века – глобального потепления андрогенного генезиса. Необходимость развития технологий оперативного захвата метана и перевода его в углерод и водород показана нами в предыдущих работах.

Технологий захвата метана из атмосферы в местах его накопления, шахтного метана, метаноносных кратеров в вечной мерзлоте, над животноводческими регионами, густонаселенными странами и т.д. разработано уже достаточно много, однако, большая часть из них еще являются экзотическими. Будут кратко охарактеризованы возможности технологий авиационного и космического мониторинга областей распределения парниковых газов и, в частности, метана.  

Важно на ближнем этапе (тактические задачи) найти основные недорогие, экономически выгодные решения преобразования метана, выделенного путем метанового захвата. Вот только один из примеров. Как известно, общемировое производство стали сейчас составляет - 1800 млн. тонн и непрерывно растет. Тепло при остывании металла хорошо утилизируется в различных термодинамических процессах для получения вторичной энергии. Однако, термодинамический к.п.д. утилизации тепла на уровне температур 1500-1200 град. Цельсия для пиролиза метана был бы выше тех утилизационных процессов, которые сейчас используются в мировой практике. Предварительные  расчеты дают основание полагать, что при утилизации тепла доменных и конверторных процессов в общемировом производстве стали можно получить 530 млн. тонн водорода, что, примерно, в 8 раз превышает современное ежегодное производство водорода (75 млн. тонн). Человечество, уже сейчас, внедрив повсеместно технологию утилизации тепла остывающей стали для пиролиза метана может достичь 8-кратного превышения мирового производства водорода. На сегодняшний день использование тепла металлургических процессов (стали) для пиролиза метана с применением всех имеющихся возможностей максимального качественного и сравнительно дешевого разделения метана на сажу и водород является важной тактической задачей.

В научном обзоре 12 глав, 10 рисунков, 10 таблиц, 50 источников литературы.

Источники информации

• Gusev, A.L. Thermodynamic peculiarities of low-temperature regeneration of cryosorption devices in heat-insulation cavities of hydrogenous cryogenic tanks.//International Journal of Non-Linear Mechanics, 2001, 26(8), стр. 863–871.
• Gusev, A.L.Cleaning system for corrosive gases and hydrogen.//Chemical and Petroleum Engineering, 2009, 45(9-10), стр. 640–640.
• Bulychev, N.A., Kazaryan, M.A., Averyushkin, A.S., Chernov, A.A., Gusev, A.L.Hydrogen production by low-temperature plasma decomposition of liquids.//International Journal of Hydrogen Energy, 2017, 42(33), стр. 20934–20938.
• Shalimov, Y.N., Korol’kov, V.I., Budnik, A.P., Gusev, A.L., Russu, A.V. Analysis of Patents for Airplane Power Units.//Russian Engineering Research, 2019, 39(11), стр. 944–950.
• Zhiznin, S.Z., Vassilev, S., Gusev, A.L. Economics of secondary renewable energy sources with hydrogen generation. //International Journal of Hydrogen Energy, 2019, 44(23), стр. 11385–11393.
• Zhiznin, S.Z., Timokhov, V.M., Gusev, A.L. Economic aspects of nuclear and hydrogen energy in the world and Russia.//International Journal of  Hydrogen Energy, 2020, 45(56), стр. 31353–31366.
• Ufa, R.A., Malkova, Y.Y., Gusev, A.L., Ruban, N.Y., Vasilev, A.S.Algorithm for optimal pairing of res and hydrogen energy storage systems.//International Journal of Hydrogen Energy , 2021.
• Ufa, R.A., Vasilev, A.S., Gusev, A.L., ...Malkova, Y.Y., Gusev, A.S. Analysis of the influence of the current-voltage characteristics of the voltage rectifiers on the static characteristics of hydrogen electrolyzer load.//International Journal of Hydrogen Energy, 2021.
• N. Shalimov , O.I. Koyfman , E.I. Terukov , Y.V. Litvinov , A.A. Gusev , I.L. Bataronov , V.I. Parfenyuk , M. Lutovats , I.S. Tirichenko, D.L. Shalimov , I.A. Tokareva , A.S. Pavlov , I.N. Trofimets , A.I. Golodyaev. Hydrogen in  traditional  and  alternative  energy  systems. //International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), 05 (125), 2013.
• Гусев А.Л. и Дядюченко Ю.П. Применение водорода в автомобильных двигателях внутреннего сгорания в блокадном Ленинграде.// Альтернативная энергетика и экология, no. S1, 2003, pp. 11-12.
• А.Л. Гусев, Т.Н. Кондырина, В.В. Куршева, И.А. Пищурова, О.Н. Ефимов, С.А. Кондрашов, А.В. Ванников. Перспективы применения гибких электрохромных панелей на объектах жкх и транспортных средствах. //International Scientific Journal for Alternative Energy

Научный обзор выйдет в октябрьском выпуске за 2021 год - дата выхода издания 30.10.2021.