Время первого Водород как топливо будущего

О водородном будущем говорили экологи, автопроизводители и журналисты ХХ века, но затем внимание переключилось на новые, более емкие литийионные аккумуляторы. Батареи заняли свое место в гаджетах и автомобилях, но людям зачем-то все еще нужно «классическое» химическое топливо, которое можно гонять по трубам и заправлять в баки. Почему нельзя просто передавать энергию по проводам?

Невероятный Халк

Водород можно сравнить со слишком сильным супергероем, которого зовут на помощь, только когда другие не смогли справиться с задачей. У него самая высокая удельная теплота сгорания среди всех веществ — ​примерно втрое выше, чем у бензина или природного газа. Серийные литийионные аккумуляторы имеют удельную плотность энергии около 300 Вт·ч/кг, а водород — ​3300 Вт·ч/кг, в 11 раз больше.

Главная проблема зеленой электроэнергетики не в емкости батарей, а в потерях при передаче электричества на большие расстояния. Энергетики рассматривают водород как идеальный накопитель, который станет посредником между крупной электростанцией и потребителем. Сжиженный газ давно научились возить в цистернах и танкерах, кроме того, им удобно торговать в мировом масштабе, перекачивая вещество по существующим газопроводам. Вместо строительства новых линий электропередачи и трансформаторных подстанций достаточно просто получать водород электролизом* в районе генерации и развозить по дорогам.

В зеленой экономике водороду также достается роль спасителя крупного транспорта. Сделать автомобиль на аккумуляторах сейчас нетрудно, но, например, авиалайнеры или морские контейнеровозы не смогут взять на борт батареи для путешествия между континентами. В 2020 году концерн Airbus представил дизайн трех самолетов концепции ZEROe, использующих жидкий водород вместо керосина. В военно-морских силах Германии с 2000-х служат дизель-электрические подлодки типа 212, на которых, помимо аккумуляторов, установлены водородные топливные элементы, а сам водород хранится в виде невзрывоопасных твердых соединений с металлами (гидридов).

* Электролиз — ​разложение воды на водород и кислород электрическим током

Сжигать или не сжигать

Извлечь скрытую в водороде энергию можно по-разному. Самый простой путь — ​снова смешать с кислородом и поджечь как обычное горючее. В этом случае энергия высвобождается быстро, что полезно для мощных машин. Авиалайнеры зеленой эры станут турбореактивными, но выхлоп будет состоять из водяного пара, а не углекислого газа. Инженерам не придется полностью менять концепцию дизайна самолетов. Достаточно будет адаптировать двигатели под повышенные температуры и нагрузки, а еще найти в фюзеляже место для увеличенных топливных баков — ​жидкий водород в 12 раз менее плотный, чем керосин.

Скрыть текст

Лабораторная водородная топливная ячейка

У принципа сжигания водорода есть не только технические недостатки. В двигатели по-прежнему будет поступать воздух. При высоких температурах содержащийся в нем азот реагирует с кислородом, а значит, помимо безобидного водяного пара, в выхлопе будут оксиды азота — ​сильные парниковые газы. Кроме того, сжигать водород просто невыгодно, ведь КПД тепловых машин редко превышает 40 %. Чтобы максимально использовать скрытую в веществе энергию, нужно превратить ее в электричество с минимальными потерями в топливных элементах.

Атом водорода состоит из протона (крупной положительно заряженной частицы) и электрона (маленькой частицы с отрицательным зарядом). В водородном топливном элементе есть специальная полимерная мембрана, которая пропускает только протоны, но не электроны. С помощью катализатора молекула водорода расщепляется на два протона, которые просачиваются сквозь мембрану к катоду, а электроны уходят во внешнюю цепь через анод. На катоде протоны соединяются с молекулами кислорода, и в результате реакции получается обычная вода. Топливные элементы используют там, где эффективность и экологичность важнее, чем высокая мгновенная мощность: в автомобилях, кораблях и легких самолетах.

Работа над ошибками

Внедрению водородных технологий в повседневную жизнь мешает прежде всего испорченная репутация. С тех пор как в 1937 году под прицелом кинокамер водородный дирижабль «Гинденбург» полностью сгорел за 40 секунд, люди начали панически бояться даже приближаться к хранилищам этого топлива. Страхи появились неслучайно: известно, что водород, проникая в структуру металлов, делает их хрупкими, а стальные баллоны при взрыве могут ранить осколками. Однако современные экспериментальные и статистические исследования, проведенные в НАМИ и Центре компетенций НТИ «Новые и мобильные источники энергии», показывают, что при соблюдении правил обращения водород даже менее опасен, чем бензин.

Скрыть текст

Дозаправка водород­ного грузового автомобиля

Композитные баллоны высокого давления разрываются без осколков, а современные материалы трубопроводов не ослабевают при контакте со сжиженным газом. В случае разлива бензина автомобиль полностью сгорает, а при утечке водорода и возгорании струи локальный пожар затухает через две минуты: легкое топливо не смачивает поверхности — ​просто рассеивается в атмосфере. Самым опасным компонентом водородных автомобилей, как ни странно, считаются литийионные аккумуляторы, которые служат промежуточным накопителем между топливным элементом и двигателем. Батареи при разрушении горят с температурой до 1000 градусов, и их почти невозможно потушить.

Крошечные молекулы просачиваются не только через резьбовые соединения, но и сквозь промежутки между атомами металлов. Из-за этого даже исправный стальной баллон немного «травит». Однако решения есть: большие объемы сжиженного водорода предполагается хранить в подземных резервуарах. На тяжелом транспорте топливо будут перевозить в виде гидридов металлов, а в самолетах и автомобилях утечку планируют снизить за счет современных полимерных композитов. Также исследователи работают над высокопористыми наноматериалами, способными впитывать водород. Полный бак, пожалуйста!

Олег Перцовский, Директор по операционной работе кластера энергоэффективных технологий фонда «Сколково»

Водород может стать главным экспортным сырьем России и заменить в этой роли нефть, хотя это произойдет не в ближайшее время и потребует сочетания нескольких факторов. Пока на внешних рынках нет спроса на экспортный водород, и очень сложно предсказать, когда он появится. Агентство Bloomberg new energy finance прогнозирует, что к 2050 году мировое потребление вырастет с 80–100 млн тонн в год до 200–700 млн тонн. Все будет зависеть от цен на СО2 и жесткости международного регулирования выбросов. При переходе на электротранспорт, по всей видимости, где-то преимущества будут у водородного транспорта, а где-то у электротранспорта с аккумуляторными батареями. Замещение природного газа водородом на электростанциях целесообразно только при заметном росте цен на СО2 при одновременном снижении цен на водород. Также очень важно, насколько экологично Россия будет получать водород для экспорта. Сейчас выгоднее всего производить его из природного газа, но чтобы топливо было безопасным и востребованным за рубежом, необходимо улавливать выделяющийся углекислый газ. Полностью безуглеродные технологии в России пока не используются массово, и международный спрос на наш продукт будет зависеть от скорости внедрения зеленых методов производства у нас и у потенциальных конкурентов в Европе и Азии.

Про способы производства и перспективы применения элемента номер один: