7 Марта 2022 года цена фьючерсного контракта на природный газ на лондонской бирже едва не преодолела отметку 4000$ за кубометр газа. Пожалуй, в этот день как никогда стала актуальна альтернативная энергетика. Атомные электростанции дают самую дешевую на сегодня электроэнергию, но боязнь встать в один ряд с Чернобылем и Фукусимой загнала ряд стран в ловушку, заставив отказаться от эксплуатации существующих или строительства новых АЭС.
Получение энергии ветра, солнца, приливов – всё это, несомненно, стремительно развивается, но не может полностью заменить энергию ископаемого топлива в силу невозможности достижения постоянной генерации, иными словами, всегда нужно страховать провалы «грязной» генерацией.
Выход из этой дилеммы есть – это водород, который является самым энергоёмким и лёгким веществом из всех видов топлива.
Водород – самый распространённый химический элемент на Земле, но практически весь он находится в виде соединений (например, Н2О или CH4 (метан). Чтобы его можно было использовать в энергетике, его сначала нужно высвободить, то есть отделить от остальных элементов. Получать водород можно практически из любого углеводородного топлива: из бензина, дизельного топлива или пропан-бутановых смесей. Если мы затрачиваем грязную электроэнергию для получения водорода, то и водород получается грязным. Да, он чистый там, где мы его используем, но он грязный там, где мы его получаем.
По способам получения водород разделяют на цветовые градации.
Зелёный – производится из возобновляемых источников энергии методом электролиза воды. Всё, что необходимо для этого: вода, электролизёр и большое снабжение электроэнергией.
Голубой – производится из природного газа, а вредные отходы улавливаются для вторичного использования. Тем не менее, идеально чистым этот метод не является.
Розовый или красный – производится при помощи атомной энергии.
Серый – водород получают путём конверсии метана. При его производстве вредные отходы выбрасываются в атмосферу.
Коричневый – водород получают в результате газификации угля. Этот метод также после себя оставляет парниковые газы.
Также существуют технологии получения биоводорода из мусора и этанола, но их доля пока чрезвычайно мала.
Способом безотходного производства водорода являются водоросли. Эксперименты с биореакторами на их основе ведутся уже не первое десятилетие, но результаты пока что не внушают оптимизма. Потенциально биореакторы способны работать на мусорных и пищевых отходах, тем самым совмещая переработку с получением «чистой» энергии. Лабораторные опыты показывают, что идеальным является двухстадийный процесс: стадия «тёмной ферментации», когда органика разлагается водорослями под малым воздействием солнечного излучения, и стадия фотоферментации, когда то же самое происходит при «нормальном» излучении. Для каждой стадии нужны свои виды водорослей. Поэтому реактор должен быть мультистадийным. Но пока на каждый килограмм сырья выход в лучшем случае составляет несколько десятков граммов водорода. Водоросли генетически модифицируют, чтобы усилить процессы ферментации, в сырьё вводят кислоты и сахара, что удорожает биоректор, но прорыва нет. Увы, сложности биосистем и их «капризность», когда каждый реактор оказывается нетиповым, пока никак не поддаются химикам.
Исследователи также разрабатывают искусственные листья, которые объединяют поглотители света с катализаторами и могут производить водород непосредственно из воды. Хотя эта технология всё ещё находится на ранней стадии, плавучие фермы из лёгких устройств потенциально могут снабжать отдалённые сообщества.
Общеизвестно, что молекула воды состоит из одного атома водорода и двух атомов кислорода. Вода могла бы быть бесконечным источником водорода, если бы мы научились эффективно разрывать прочную химическую связь водорода с кислородом в воде с помощью электрического тока и соответствующего катализатора.
Сгорая в кислороде, водород не образует никаких побочных выделений, кроме воды, – так позиционируется водород экологами. Но в большинстве случаев водород горит именно в атмосферном воздухе, а, следовательно, образуются оксиды азота – самые опасные вещества в выхлопах автомобилей, которые вызывают очень сильное загрязнение, в том числе кислотные дожди. Дело в том, что при повышенной температуре (свыше 600 °С) молекулы азота и молекулы кислорода воздуха начинают реагировать между собой, образуя оксиды азота. Этот процесс происходит вне зависимости от того, что вы будете сжигать. Но при горении водорода всё равно меньше выбросов, чем при горении углеводородного топлива.
Теоретически, электролиз – очень простой процесс, который заключается в расщеплении воды на кислород и водород с помощью электричества. Расщепление происходит в результате двух парциальных реакций, протекающих на двух электродах – катоде (-) и аноде (+) в электролизёре. При подаче напряжения на катоде образуется водород, а на аноде – кислород (рис.1).
Англичане Энтони Карлайл и Уильям Николсон первыми в истории получили водород и кислород, пропуская электрический ток через воду в далёком 1800 году. В настоящий момент времени все разработанные техпроцессы требуют такого большого количества энергии (примерно в 3–4 раза больше, чем потом получается с выделенного водорода), что электролиз становится невыгодным. Неудивительно, что пока только 5% от общего объёма водорода в мире производится методом электролиза, а остальные 95% из ископаемого топлива (из природного газа и угля). Цены на топливо, полученное по этим технологиям, также несопоставимы: $1,7 за 1 кг водорода из природного газа и $5–10 за водород, полученный электролизом. Впрочем, стоимость зависит от источника энергии. Например, от энергии АЭС зелёный водород вдвое дешевле ($3–5), чем от возобновляемых источников энергии.
Электролиз может быть выгоден, когда есть излишки электроэнергии. В первую очередь тогда, когда вы получаете энергию из возобновляемых альтернативных источников энергии. Например, солнце светит только половину дня, зато светит так сильно, что необходимо набрать электроэнергию на целую ночь, зарядив аккумуляторы, а можно из этих избытков получить водород. Второй пример: если посмотреть на наши генерирующие электростанции, включая атомные, они работают практически на постоянной мощности, при этом мощность выше, чем нужна потребителям, так как она рассчитана на максимальные нагрузки. Очевидно, что дневное потребление гораздо выше, чем ночью, когда мы спим, но станция продолжает вырабатывать электроэнергию в том же количестве. Как раз ночные избытки и нужно куда-то утилизировать. Особенно это актуально для атомных электростанций, изменить мощность которых довольно сложно, а сама по себе мощность огромна. В таких случаях водород может быть условно бесплатным, потому что у нас бывает условно бесплатная электроэнергия, то есть в те моменты, когда она избыточна и её некуда девать.
Начиная примерно с 90-х годов прошлого века в автомобилестроении начали активно говорить про использование водорода в топливных элементах. В этом случае КПД силовой установки возрастает до 50–80%, что заметно выше 45%, когда водород горит в цилиндрах. Топливные элементы (ячейки) – устройства, которые эффективно вырабатывают постоянный ток и тепло из богатого водородом топлива путём электрохимической реакции. Топливный элемент подобен батарее в том, что он вырабатывает постоянный ток путём химической реакции. Он также включает анод, катод и электролит. Однако, в отличие от батарей, топливные элементы не могут накапливать электрическую энергию, не разряжаются и не требуют электричества для повторной зарядки. Топливные элементы могут постоянно вырабатывать электроэнергию, пока они имеют запас топлива и воздуха.
В простейшем топливном элементе (например, с протонпроводящим полимерным электролитом) используются чистые водород и кислород (рис.2). На аноде происходит разложение водорода на положительно заряженные ионы и электроны. Ионы водорода H+ переносятся через электролит к катоду, где соединяются с кислородом, образуя воду, которая в виде нагретого пара выбрасывается наружу. Электроны же переносятся от анода к катоду по внешней цепи, генерируя электрический ток. Протекающая реакция является своего рода обратной реакцией к реакции электролиза воды, и впервые такая схема была предложена ещё в середине XIX века.
Созданы сверхлёгкие топливные элементы для беспилотных летательных аппаратов. В настоящее время ведутся разработки более крупных топливных элементов для автомобильных передвижных платформ. Рынок топливных элементов ещё только формируется, поскольку область их применения постоянно растёт. Источники водородной энергии всегда работают как тандем «топливный элемент на водороде плюс аккумулятор». Аккумулятор способен сглаживать пиковые нагрузки, а топливный элемент обеспечивает длительную выработку электроэнергии.
Сегодня в мире на топливных элементах работают тысячи небольших энергоустановок. В США, Японии и некоторых странах Европы они уже около 30 лет снабжают водородной энергией небольшие частные посёлки, большие и удалённые от города супермаркеты или промышленные объекты. В отличие от дизель-генераторов это намного более бесшумные системы, так что их широко используют как запасные источники энергии в случае сбоев в работе основного источника энергообеспечения.
Около 20 лет назад во всём мире начали появляться автомобили на водороде. Их количество сегодня исчисляется тысячами штук, а стоимость составляет около $50–60 тыс. Серийные водородомобили есть у Toyota, Hyundai, Honda. Предсерийные образцы тестируют Audi, Mercedes, BMW, Mazda, Ford и ряд других производителей. Все технические препятствия, столько десятилетий казавшиеся непреодолимыми, пройдены за считанные годы, и теперь вопрос только в экономической целесообразности для массового потребителя.
Одним из первых серийных автомобилей на водородном топливе стала Toyota Mirai (Mirai переводится с японского как «будущее»)(рис.3).
Помимо стоимости, основная проблема с использованием водорода - это транспортировка и хранение водорода. Если мы говорим о водородном топливе, нам необходимо донести водород до пользователя. Водород - очень лёгкий и плохо сжижаемый газ. Водород имеет высокое содержание энергии на единицу массы. Однако при комнатной температуре и атмосферном давлении он имеет очень низкое содержание энергии на единицу объёма по сравнению с жидким топливом или даже природным газом. В настоящее время его приходится перевозить либо в химически связанном виде, либо в баллонах высокого давления, либо в жидком состоянии, но в таком состоянии водород существует в очень узком диапазоне температур: от минус 259,14 до минус 252,87 °С, т.е. практически при температуре абсолютного нуля.
Баки/баллоны высокого давления весят намного больше, чем водород, который они могут вместить. Например, в Toyota Mirai года полный бак содержит только 5,7% водорода по весу, а остальная его масса равна массе бака.
Оболочка бака имеет 3 слоя: пластик, пластик с углеволокном и пластик со стеклотканью. Баллоны (рис.4) рассчитаны на 700 атм, а опрессовываются они при 1000 атм, как и положено при использовании любых баллонов высокого давления.
В августе 2021 года на Toyota Mirai второго поколения был установлен мировой рекорд: машина на полном баке с 5,65 кг водорода проехала 1360 км.
Массовому переходу на транспорт на водородном топливе в настоящий момент времени противостоят нижеприведённые проблемы:
1. Высокая стоимость
Себестоимость производства водорода крайне высока.
2. Низкая плотность
Если водород сжать до давления 200 атм, то в одном литре будет всего 16 грамм вещества. Это значит, чтобы иметь достаточный запас топлива на борту автомобиля, нужно возить с собой баллоны очень большого объёма.
После сжижения в одном литре объёма мы получим уже 70 грамм вещества. Но в сравнении с бензином и другими видами топлива это всё равно на порядок меньше.
Чтобы сохранять водород при температуре около абсолютно нуля, необходима высокотехнологичная криогенная ёмкость с уникальной тепловой изоляцией, не позволяющей теплоте извне проникнуть внутрь. Это дорогостоящее устройство. И даже у этих дорогих высокотехнологичных устройств нет идеальной тепловой изоляции. Специалисты BMW – пионера в области криогенных технологий для автомобильного транспорта – признаются, что водород всё равно не получается долго хранить в жидкой фазе. Каждый день один-два процента водорода теряются из-за испарения и последующей утечки. В итоге автомобиль, заправленный жидким водородом, весьма быстро остаётся с пустым баком. Это подтверждают, например, владельцы водородных гибридов Toyota Mirai.
Есть ещё один способ хранения водорода – с помощью так называемых металлогидридных аккумуляторов. Это конструкция из сплава двух разнородных металлов – например, железа и титана или никеля и магния, – которая способна в определённых условиях задерживать водород (хранить молекулы газа внутри своей кристаллической решетки) и выделять его при нагреве, например с помощью отработавших газов.
Однако металлогидридные аккумуляторы стоят дорого, поскольку содержат цветные и редкоземельные металлы. Плюс они большие по массе и габаритам.
3. Взрывоопасность
Смеси водорода с кислородом или воздухом взрывоопасны и называются гремучим газом. При зажигании смесь водорода с воздухом небольшого объёма сгорает чрезвычайно быстро, с громким хлопком, что субъективно воспринимается как взрыв.
4. Неразвитая инфраструктура
В настоящее время за исключением некоторых регионов в мире практически отсутствуют водородные заправочные станции.
5. Низкий КПД
Обычный бензиновый двигатель внутреннего сгорания имеет КПД порядка 20–40%, водородный ДВС – около 25%, электромобиль с системой на водородных топливных элементах – уже 60% и более. Если мы начнём считать КПД от первичного источника энергии до колёс, т. е. от затраченной энергии на электролиз воды и до его окисления в топливных элементах, итоговый КПД составит около 30%. Ведь водород надо сначала получить, потом сжать – и всё это энергозатратные процессы.
Если сравнить этот процесс с простой зарядкой аккумулятора, то потери энергии будут как минимум в два раза меньше, и это без учёта вопроса стоимости обслуживания водородных установок и двигателей.
Как бы там ни было, при всех существующих недостатках развитие водородного направления идёт полным ходом. Разработана технология перевозки водорода в химически связанном состоянии, например в виде метана, из которого водород должен производиться там же, где он будет использоваться. То есть до заправки везут метан, а уже на самой заправке устанавливается небольшое производство, например, конвертер метана в водород. Но этот способ не очень хорош для экологии, поскольку на небольших производствах сложно обеспечить качественную очистку выбросов. Зато экономически он себя вполне оправдывает. Опыт Японии, Кореи и ряда других стран показал, что километр пробега на водороде выходит не дороже бензина. 4 кг водорода, закачанного в баллон, хватает примерно на 800 км пути обычного седана.
В 2021 году концерн Airbus в рамках работы над созданием лайнера на водородном топливе ZEROe (от англ. zero emissions — «нулевые выбросы»)(рис.5) создал конструкторский центр, задачей которого будет создание криогенных резервуаров по конкурентоспособным ценам, что поддержит выход на рынок самолетов ZEROe и ускорит развитие водородных силовых установок. Строение и интеграция конструкций резервуаров будут иметь решающее значение для лётных характеристик самолётов с водородным двигателем.
В этом году году японская корпорация Kawasaki Heavy Industries занялась разработкой основных компонентов пассажирского самолёта на водородном топливе. Их предполагается предоставлять зарубежным авиастроительным компаниям с тем, чтобы запустить производство таких лайнеров в районе 2040 года.
Конкретно речь идёт о разработке основных деталей водородного двигателя и топливных баков, которые считаются ключевыми и наиболее сложными компонентами будущего пассажирского самолёта. Особую сложность, как сообщается, представляет конструкция топливного бака, от которого требуется повышенная прочность и компактные размеры.
Пассажирский авиалайнер на водородном топливе, не выбрасывающий в процессе работы углекислый газ в атмосферу, рассчитан примерно на 150 мест, предполагается, что дальность его полёта составит 2–3 тысячи километров.
25 августа этого года в Германии состоялось торжественное открытие первой в мире железнодорожной линии, полностью работающей на водороде. Общая протяженность ветки составляет около 100 км.
Поезда (рис.6) оснащены топливными элементами, установленными на крыше.
В Германии от 2500 до 3000 дизельных поездов могут быть заменены водородными в ближайшие несколько лет, а к 2035 году примерно 20% региональных поездов в Европе могут также перейти на это топливо. Эксперты отмечают, что водородные поезда особенно привлекательны на коротких региональных линиях, где стоимость перехода на электричество превышает рентабельность маршрута.
В настоящий момент времени водород широко используется при производстве аммиака (NH3), который в свою очередь используется для производства азотных удобрений (нитрата и сульфата аммония, мочевины и т.д.), т.е. для того, чего почве не хватает в первую очередь, так как азотные соединения быстро вымываются из земли, вследствие чего почва быстро становится бесплодной. По этой причине они практически не встречаются в природе, поэтому эти удобрения необходимо получать синтетически. Миллионы тонн аммиака ежегодно получают из водорода и азота. Если потребность в водороде будет расти, то тогда он станет дешевле по сравнению с нынешней ценой.
Материал статьи подготовлен с использованием материалов следующих источников:
- http://ru.wikipedia.org – свободная энциклопедия Википедия,
- http:/drive.ru – интернет-портал об автомобилях,
- http:/habr.com – сайт тематических коллективных блогов,
- http://elementy.ru– онлайн-составляющая научно-популярного проекта «Элементы»,
- http://kommersant.ru – информационное издание Коммерсантъ,
- http://lenta.ru – новостное интернет-издание Лента.
