Часть 1.
С этой статьи начнём кратко разбирать тематику водородной энергетики, её перспективы и проблемы.
Основы.
Водород - самый лёгкий и самый распространённый химический элемент в изученной нами Вселенной. Существуют три природных изотопа водорода, два из которых стабильны, и один радиоактивен:
«Протий» - самый распространённый и лёгкий изотоп водорода, ядро которого состоит из одного протона, имеет на орбитали 1 электрон.
«Дейтерий», или тяжёлый водород, состоит из одного протона и одного нейтрона + 1 электрон.
«Тритий» - радиоактивный изотоп водорода с периодом полураспада немногим более 12 лет, ядро которого состоит из одного протона и двух нейтронов + 1 электрон.
Другие 4 известных изотопа водорода были синтезированы искусственно, и имеют очень малый срок жизни, в силу общей нестабильности элементов.
- «Дейтерий» используют в атомной энергетике в качестве замедлителя нейтронов в тяжеловодных ядерных реакторах, работающих на природном необогащённом уране.
- «Тритий» используется, по большей части, в военной и научно-исследовательской сфере, является сырьём для запуска термоядерного реактора.
- А вот «Протий», который составляет более 99,9885% изотопов водорода в известной нам Вселенной, является кандидатом на роль новой энергетики.
Если во Вселенной распространённость водорода огромна (составляет примерно 75% всей барионной массы материи, и 92% всего вещества), то на Земле в чистом виде водорода практически нет. Дело в том, что водород активно формирует ковалентные связи, поэтому на Земле он встречается в связанном с другими атомами состоянии.
При «сжигании» в чистом кислороде единственные продукты сопутствующего выброса — высокотемпературное тепло и вода.
Выходит, что при использовании водорода не образуются парниковые газы, прочие загрязнения и даже не нарушается круговорот воды в природе!
Что такое водородная энергетика?
Само понятие «водородная энергетика» было сформировано в середине 1970-х годов.
Хотя впервые водород в качестве топлива для ДВС был применён в 1806 году. В СССР во время Великой Отечественной Войны, при блокаде Ленинграда, водород использовался на транспорте как альтернатива дефицитному бензину.
Направление водородной энергетики изучает полный жизненный цикл водородной отрасли, которая включает в себя: получение, хранение, транспортировку, полезное использование водорода, а также все сопутствующие проблемы каждого этапа в отдельности.
Однако, раньше 70-х годов особо никто не задумывался над водородной энергетикой. Тут можно проследить связь появления серьёзных работ по научным изысканиям применения водорода в энергетике и транспорте с мерами, принятыми в США и Европе (в середине 70-х) по экономии энергетических ресурсов и созданию первых стратегических нефтехранилищ. В это же время получили научный резонанс работы по изменению климата в связи с глобальным отеплением.
Фактически, бурное развитие исследований и разработок, проводимых в мире в области водородной энергетики и технологии, пришлось на период с 1974 по 1983 годы и являлось прямым следствием энергетического кризиса, охватившего в то время большое число промышленно-развитых стран.
Важной вехой в развитии водородной энергетики и технологии явились результаты экономических исследований, проведённых в конце 1980-х годов в американском НИИ чистой энергии при университете Майями. В них было проведено детальное обоснование подсчёта экономического ущерба от загрязнения атмосферы промышленными и транспортными выбросами, и предложена методика введения соответствующих поправок в экономические расчёты. С учётом данных поправок, экологическая чистота водорода сделала его использование потенциально рентабельным в целом ряде производств.
В целом, период с середины 1970-х до конца 1990-х годов характеризовался углублёнными исследованиями и разработками, заложившими научно-технические основы современных водородных технологий.
Встал вопрос о решении проблем климата, загрязнения окружающей среды, улучшение глобальной экологической обстановки. Наиболее перспективной стала идея водородной энергетики с переводом всего мира на водородную экономику. Эту проблему развивали и обсуждали на самом высоком уровне, например, в 2002 году Владимир Путин обсуждал развитие водородной энергетики с Джорджем Бушем.
Развитие водородной энергетики является одним из способов снижения антропогенных факторов на окружающую среду.
Да, именно так: водородная энергетика – это дорогая альтернатива традиционной энергетике, но более экологически чистая. Однако, этот факт почему-то упускается из виду даже адептами водородной энергетики.
Говорить, что водородная энергетика заменит все другие виды энергии, и что это наше энергетическое будущее – несколько опрометчиво. Правильнее будет сказать: водородная энергетика – это наше экологически чистое будущее.
Начало
В начале возникновения автомобильной промышленности было две ветви развития технологии:
1. Электромобили;
2. Автомобили с ДВС
В конце 19-го века электромобили обладали преимуществом перед автомобилями с несовершенными ДВС. Они не шумели, не коптили, и очень просто запускались. Свинцовая батарея обладала хорошими энергетическими характеристиками для того времени. Однако с развитием технологии переработки нефти, сделавшей топливо дешевле, качественнее и доступнее, а также с появлением усовершенствованных ДВС, автомобили на двигателе внутреннего сгорания начинали постепенно вытеснять электромобили с их аккумуляторами, которые, по существу, не развивались.
В конце концов, электромобиль окончательно сдал свои позиции, и миром завладели автомобили с ДВС.
В конце 1980-х годов большинство крупных городов в мире стали зашумлены и задымлены. Причиной до 90% всех подобных загрязнений в городах являлся именно автомобиль с ДВС.
Тогда начали периодически возвращаться к тематике электромобилей, однако технология свинцово-кислотных аккумуляторов практически не изменилась, а по удельной мощности они находились на уровне образцов, произведённых в конце 19-го века.
Но такие аккумуляторы были наиболее хорошо изучены и отработаны в производстве. Поэтому компания “General Motors” предприняла попытку снова создать серийный массовый автомобиль на электротяге, выпустив в 1997 году электромобиль «EV1».
На нём были те самые обычные свинцовые аккумуляторы, обеспечивающие 120 км хода по паспорту. А по факту пробег составлял скромные 70-100 км.
В этом же году на рынок выходит электромобиль японской компании “Toyota” - RAV4 EV с никель-металлической аккумуляторной батареей (27 кВт*ч), обеспечивающей паспортный запас хода до 160 км. и максимальную скоростью в 120 км/ч.
Появление этих электромобилей связано с политикой властей Калифорнии, желающих улучшить в штате экологическую обстановку, которая была просто катастрофическая.
Европа начала вводить экологические стандартны от «Евро 0» в 1988 году до «Евро 6» в 2015 году.
В 1992 году был изготовлен первый литий-ионный аккумулятор, однако пройдёт ещё 15 лет совершенствования этой технологии, прежде чем её впервые внедрит на свои электромобили компания «Тесла».
Появление электромобилей и введение экологических стандартов, постоянные научные исследования и изучение проблем климата, а также забота об экологии постепенно выводили водородную энергетику в лидеры экологической отрасли завтрашнего дня.
Тем временем, в водородной энергетике было намечено два направления:
- Первое — это непосредственное сжигание водорода в модифицированных ДВС.
- Второе (и более сложное) – совершенствование водородных топливных элементов.
Если не вникать в суть процессов, как это делали все строители электролизеров для автомобилей и так называемых ячеек Майера, то при сгорании водорода побочным продуктом должен быть водяной пар. Однако это не так, и подобный способ сжигания водорода не является экологическим чистым. А водородная энергетика преследует именно цель экологической эффективности и чистоты, иначе оправдать её применение при такой огромной стоимости по сравнению с традиционной энергетикой - невозможно.
Почему же так?
Если просто, то при сжигании любого вида топлива в атмосфере, будут образовываться оксиды азота. Это довольно сильное и токсичное загрязнение, образующееся при температуре выше 650 градусов Цельсия при взаимодействии кислорода и азота. Поэтому при сжигании водорода вместе с водой будет выбрасываться и загрязнение в виде окислов азота. Более того, КПД ДВС сильно ограничен, что снижает общую эффективность применения водорода.
Второй путь – совершенствование топливных элементов. Сам по себе принцип действия топливного элемента был открыт в 1839 году.
Суть его в том, что химическая энергия топлива преобразуется в электрическую, минуя процесс горения. Тем самым повышается КПД преобразования энергии и надёжность процесса.
Следовательно, в водородном топливном элементе химическая энергия водорода непосредственно преобразуется в электрическую, окисляясь кислородом без горения.
Хотя топливные элементы были изобретены еще в XIX в., первые пригодные к практическому использованию образцы появились в начале 1950-х годов в Великобритании и ФРГ.
Топливный элемент — гальваническая ячейка, вырабатывающая электроэнергию за счёт окислительно-восстановительных превращений реагентов, поступающих извне. При работе топливного элемента электролит и электроды не расходуются и не претерпевают каких-либо изменений. В нём химическая энергия топлива непосредственно превращается в электрическую.
Если сравнить энергетические характеристики водорода и бензинового топлива, то при "сжигании" 1 кг водорода выделяется 120-140 МДж энергии, а при сжигании 1 литра бензина топлива – 25-44 МДж.
Тут водород по энергетической эффективности в 3-4 раза превосходит традиционное топливо.
Однако водород – это газ, причём самый легкий (почти в 15 раз легче воздуха) и, следовательно, очень летучий. Поэтому в 1 кубометре водорода содержится примерно столько же энергии, сколько в 250 гр. бензина.
И вот тут и начинаются проблемы, которые водородная энергетика пытается решить.
Более подробно про методы получения, хранения, перевозки и использования водорода расскажу в следующих статьях.
================================================================
P. S. Ссылки на источники теперь находятся в группе Вконтакте!
