Как топливо водород – несомненно, интересен. Ведь это очень распространённый элемент во Вселенной. Наше Солнце состоит из водорода примерно на 80%. В результате термоядерных реакций в его недрах образуется гелий, что приводит к выделению огромного количества энергии.
На Земле при сжигании водород выдаёт в три раза больше энергии, чем бензин. Однако, стоимость производства пока очень высока, что весьма существенно ограничивает его распространение. Причём эта проблема остра настолько, что в будущем, вероятно, этот «мыльный пузырь» может лопнуть.
Первые попытки использования
Войны очень часто, приводят к значительному развитию техники, причём порой даже к прорывным изобретениям. Один из первых и массовых случаев применения водорода в качестве топлива, был зафиксирован в СССР, во время Великой Отечественной войны в блокадном Ленинграде. Как известно, в то время, для защиты от авиационных налётов применялись аэростаты, которые заправлялись водородом.
Хотя для взлёта и нахождения в воздухе, таким аэростатам совсем не требовалось топлива, их требовалось периодически перемещать и опускать для обслуживания.
Этот процесс осуществлялся при помощи лебёдок, установленных на грузовиках. Лебёдки приводились в движение от бензиновых двигателей внутреннего сгорания этих же грузовиков.
Не секрет, что в блокадном Ленинграде бензина катастрофически не хватало, но водород наоборот имелся в избытке. В процессе использования, в самих аэростатах водород из-за пористости оболочки постепенно улетучивался, при этом его внутреннее пространство постепенно заполнялось воздухом и водяными парами. В итоге получалась смесь, которая оказалась вполне пригодной в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания.
Идею использовать отработанную водородную смесь в качестве топлива выдвинул младший воентехник Борис Исаакович Щелищ. Идея была, конечно, хороша и вполне могла решить проблему топливного голода. Однако, в ходе первого эксперимента, проведённого осенью 1941 года, произошёл взрыв и Борис Исаакович получил контузию.
Ошибка заключалась в непосредственном соединении шланга от аэростата с двигателем.
Неудачи не остановили изобретателя, он провёл «работу над ошибками» и добавил в конструкцию гидрозатвор, изготовленный из подручных материалов. Это позволило отсекать открытое пламя от воздушно-водородной смеси и добиться длительной стабильной работы двигателя. После положительного решения комиссии, прибывшей в специально для изучения изобретения, на водородное топливо было переведено 200 автомобилей.
При проведении стендовых испытаний выяснилось, что износ деталей двигателя, работавшего на водородной смеси, оказался меньше, чем у двигателя, работавшего на бензине. Также, было доказано, что в мороз, такой двигатель запускается легче, а вместо вредных выхлопных газов выделяется только водяной пар.
Мощность двигателя на водороде достигала 20 лошадиных сил (л. с.), что было меньше, чем у двигателя, работавшего на бензине — 60 л. с. Однако, изобретение частично решало проблему топливного голода. Командование по достоинству оценило изобретение и наградило Бориса Исааковича Орденом Красной Звезды.
Нужно отметить, что после войны в Советском Союзе продолжались эксперименты с водородом — его добавляли в бензин, а также конструировали автомобили с электрохимическими генераторами. Даже был проведён эксперимент по переводу на водород пассажирского самолёта Ту-155, первый полёт которого состоялся 18 января 1989 года.
На самолёте был установлен один двигатель НК-88, работавший на водороде и два двигателя, НК-8-2, работавшие на обычном топливе. Самолёт был представлен на различных выставках, установил множество рекордов и собрал огромное количество различных наград. Однако, широкого применения конструкция таких двигателей не получила.
Ситуация в мире сегодня
Сейчас пальму первенства в данной области держит Южная Корея. В стране принята стимулирующая государственная программа. Одним из достижений является запуск в 2021 году электростанции Shinincheon Bitdrea на топливных элементах около города Инчхон, мощностью 78,96 МВт.
Конечно, мощность данной электростанции нельзя сравнивать с мощностью тепловых электростанций, однако, сейчас это действительно масштабный проект, не имеющий аналогов.
Нельзя забывать и про мировых автопроизводителей. Так, компания Тойота уже много лет выпускает автомобили на топливных элементах.
Разумеется, что и другие мировые автопроизводители выпускают свои марки водородных автомобилей. Также один из мировых лидеров — французская компания Alstom, первой в мире реализовала проект пассажирского поезда на топливных элементах — Coradia iLint.
С 2018 года, после успешных испытаний, поезд эксплуатируется на железнодорожных линиях в земле Нижняя Саксония, в Федеративной Республике Германия.
Вместимость этого поезда составляет 150 стоячих мест и 150 сидячих мест. Развивая максимальную скорость в 140 км/час, поезд может проехать 1000 км.
Ситуация в России
Надо отметить, что в нашей стране длительное время ведутся исследования и водород успешно используется в качестве ракетного топлива. Сама идея использовать этот газ в качестве топлива также впервые была предложена в 1903 году Циолковским. Сверхтяжёлая ракета «Энергия» с кислород – водородными двигателями в 1987—1988 годах совершила два успешных старта. Также разрабатывается проект ракеты «Ангара — А5В», где третья ступень будет работать на смеси водорода и кислорода.
Кроме того, в России была принята государственная программа развития водородной индустрии, первый этап которой заканчивается в 2024 году, а второй этап рассчитан до 2030 года. В 2024 году, согласно этой программы, в нашей стране должны появиться электростанции, мощностью до 1 Мвт и городской транспорт. Выпуск водорода должен быть налажен на АЭС и ГЭС.
Проблемы
Теперь перейдём к рассмотрению проблем. Одним из наиболее существенных недостатков является высокая стоимость производства одного килограмма этого газа. На графике, представленном ниже, представлены расчёты специалистов Российской академии наук.
Наиболее дорогим способом является получение водорода при использовании возобновляемых источников энергии, так называемого зелёного водорода. Данная величина составляет от 8 до 13 долларов за килограмм.
Производство при помощи энергии, получаемой от АЭС и ГЭС будет стоить примерно 4 доллара за килограмм. Наконец, самым экономически выгодным способом, является получение способом паровой конверсии метана с улавливанием СО2 (ПКМ+CCUS). Стоимость производства одного килограмма при данном способе составляет от 2 до 3 долларов.
Разумеется, что к 2035 году, при широком внедрении различных способов, стоимость производства, должна снизиться. Так, для производства газа с использованием «зелёной» энергии потребуется от 5 до 6 долларов, также должна немного снизиться и стоимость при других способах.
На первый взгляд тут всё вроде очень неплохо. Если взять цену по 6 долларов за килограмм, то она будет эквивалентна одному литру бензина, разумеется, с учётом того, что расход водорода будет в три раза меньше.
Однако, все расчёты, которые были приведены выше, показывают только себестоимость производства.
На розничном рынке для потребителя цена будет выше.
Причём некоторые доводы о том, что цена должна обязательно снизится, примерно так как это происходит с различными электронными устройствами, персональными компьютерами или мобильными устройствами, здесь не совсем верны.
Себестоимость производства нефти и природного газа
Допустим, что цена на средства производства водорода, например, электролизёры, будет снижаться из-за того, что будет совершенствоваться технология их изготовления. Однако, взглянем на рынок производства нефтепродуктов.
Можно увидеть, что наименьшая себестоимость добычи у Саудовской Аравии — 2,8 доллара, соответственно, для других стран добыча обходится дороже. Между тем мы отлично знаем, что рыночная стоимость может намного отличаться.
Ясно, что продавать нефть по себестоимости никто не хочет. Так работает рыночная экономика и тут действуют совершенно другие законы.
Между прочим, похожая ситуация с природным газом. Не так давно, некоторые европейские политики возмущались, что Россия продавала газ за 200 долларов за 1000 кубических метров, при себестоимости его добычи в 30 долларов. После известных политических событий произошёл многократный рост этого показателя, которому поддались даже норвежские производители.
Просьбы различных представителей Евросоюза к норвежцам уменьшить цену, встретили непонимание. «Как же так, это рынок и тут решают частные компании!» — ответили официальные представители Норвегии.
Заключение
Исходя из всего вышеперечисленного, можно предположить, что с водородом произойдёт то же самое — его цена будет зависеть от различных политических и рыночных факторов. При этом сейчас затраты на строительство водородных электростанций и различных объектов инфраструктуры превышают аналогичные затраты на постройку ТЭС и ТЭЦ, обладающих намного большей мощностью.
Эксплуатация различного водородного транспорта также обходится намного дороже, если сравнивать его с бензиновым и электротранспортом. Например, в различных странах проводятся эксперименты с «водоробусами». Однако, стоимость такого водоробуса намного превосходит стоимость обычного автобуса или троллейбуса.
Другой важной проблемой является летучесть водорода. Он способен просачиваться даже сквозь мельчайшие трещины. Это создаёт значительные проблемы с безопасностью такого транспорта.
Ещё одной проблемой является низкий КПД, что заставляет конструкторов проектировать транспортные средства с большими топливными баками. В свою очередь, это снижает привлекательность любого водородного транспортного средства.
В итоге получаем, что экономически выгодных сфер применения у водорода, как вида топлива просто нет. Рыночные законы неизбежно будут превалировать над различными желаниями политиков, можно сказать, что рынок через некоторое время, просто подомнёт под себя все эти «зелёные» потуги. Значит, и средства, вложенные в водородный транспорт просто сгорят.
