Авторский вариант. Впервые опубликовано в "Бизнес-журнале" №9/2013
31.08.2013

Укрощение водорода

Запасы угля, нефти и природного газа — краеугольных камней энергетики XIX и XX веков — не бесконечны. Однажды они будут исчерпаны, и уже сегодня осознание этого факта подталкивает нас к поиску альтернативных источников энергии. Впрочем, и «альтернативе» в традиционном понимании — солнечный свет, ветер, приливы-отливы, геотермальное тепло и прочее подобное — присущи известные недостатки: попросту, не везде использовать её одинаково удобно и выгодно. А потребности в электричестве и транспортном топливе тем временем продолжают расти. Ничего удивительного, что ещё в 70-х годах прошлого века (на волне случившегося тогда в США нефтяного кризиса) наука и бизнес задумались над освоением энергоносителя, который, в отличие от большинства остальных известных человеку, действительно неисчерпаем.

Это поистине волшебная субстанция. Мало того, что в основе её самый распространённый химический элемент во Вселенной (которая заполнена им на три четверти). Так ещё и при сжигании не выделяется никаких опасных побочных продуктов, только водяной пар. И что сорок лет назад, что сегодня, учёные верят, что однажды именно она покроет все энергопотребности человечества. О чём речь? О водороде.

Водород стоит в таблице Менделеева под номером 1. Это самый лёгкий и наиболее часто встречающийся элемент мироздания, занимающий заметное место и на Земле. Правда, в чистом виде здесь отыскать его почти невозможно, зато легко можно выделить из воды, углеводородов (тех самых нефти-газа), из биологического сырья, причём без каких-то негативных последствий для окружающей среды. Побочными продуктами такой переработки обычно являются или кислород, или углекислый газ.

Богатые химические свойства водорода обусловили его широкое применение в промышленности. С точки же зрения энергетики это и вовсе идеальное решение: неисчерпаемый источник чистой, удобной, дешёвой энергии. Тот факт, что сгорая, водород превращается в воду, был известен уже первым физикам, экспериментировавшим с ним в XVIII веке (отсюда, собственно, и название, переводимое с греческого как «порождающий воду»), но лишь двести лет спустя эту особенность оценили по достоинству: представьте, насколько чище станут города, избавленные от бензиновых выхлопов и токсичной гари газовых и угольных электростанций!

Увы, сложность использования водорода в энергетике обратно пропорциональна его физической простоте. Производство, хранение, передача и применение — четыре обширных проблемы, над которыми институты и корпорации бьются вот уже почти полвека. И, откровенно говоря, несмотря на то, что и в США, и в Европе, и в России водород объявлен приоритетным направлением энергетических исследований, успехи скромны. Скажем, даже в Соединённых Штатах, которым на роду написано разрабатывать водородную тему активней других, использование водорода в качестве энергоносителя составляет лишь малую долю от прочих его применений, а главным потребителем остаётся NASA.

На трёх китах

Теоретически, производство водорода возможно в любой точке земного шара десятком способов и без последствий для окружающей среды. В XVIII веке естествоиспытатели получали его, поливая паром раскалённую железную пластину: несколько упрощая, в результате возникающей в таких условиях химической реакции, «на выходе» образуется ржавчина и чистый водород. Фактически же мировое ежегодное производство водорода сегодня измеряется десятками миллионов тонн и значительная часть этой массы вырабатывается переработкой углеводородов (прежде всего природного газа), причём эффективность процесса оставляет желать лучшего как с точки зрения цены, так и с точки зрения побочных эффектов (выделяются большие объёмы углекислоты, которые необходимо нейтрализовать). Кроме того, там же большая часть произведённого и потребляется — в нефтепереработке, металлургии, химической промышленности.

Ситуация грустная, если не сказать хуже. Ведь углеводородные методы на сегодня являются самыми выгодными для производства водорода в промышленных объёмах. И пока это так, себестоимость водорода будет оставаться выше себестоимости ископаемых топлив (что естественно, ведь к цене, скажем, природного газа, нужно добавить ещё цену переработки).

Вот почему, рисуя сценарии первых пятилеток водородной энергетики, специалисты склоняются к мнению, что удовлетворять массовый спрос на этом этапе будут углеводородные методы. Со временем, однако, их место займут более перспективные технологии, основанные на электролизе (разложение воды на кислород и водород под действием электрического тока) или биофотолизе (выработка водорода водорослями или бактериями, в том числе генномодифицированными и без кислорода). Именно в этих двух направлениях работают сегодня большинство исследователей, справедливо полагая, что таким образом не только устранят нужду в ископаемом углеводородном сырье, но и сделают процесс получения водорода чище (избавившись от необходимости утилизировать углекислоту), сделают экономически обоснованной выработку на местах (скажем, домашним электролизером, который будет заправлять автомобиль, обогревать и освещать дом). Похвастаться пока, правда, нечем: производительность таких методов (грубо) в десять раз меньше основанных на переработке углеводородов.

Отсюда один шаг до транспортировки водорода от производителя к потребителю (или месту промежуточного хранения), что составляет проблему номер два. Как полагают эксперты, львиная доля водорода в обозримом будущем будет производиться централизованно, на крупных перерабатывающих станциях. К потребителю его необходимо доставить, и здесь придётся иметь дело с капризным характером газа, когда-то называвшегося «горючим воздухом». Водород чрезвычайно пожаро- и взрывоопасен: он сравнительно (скажем, с природным газом) легко воспламеняется, а в смеси с кислородом образует гремучую смесь, способную сдетонировать от малейшей искры и даже солнечного света (вспомните катастрофу дирижабля «Гинденбург» в 1937 году). Хуже того, он взаимодействует с металлами, вызывая коррозию при утечках (которым подвержен).

Всё это необходимо учитывать при транспортировке. На расстояния до полутысячи километров водород можно возить сжатым (до сотен атмосфер), на большие — сжиженным, в криоцистернах. При этом если потребности сельских и удалённых районов легко покроет автомобильная и железнодорожная доставка, в города выгодней вести трубопроводы (пропускная способность которых, естественно, выше, а значит и накладные расходы меньше). Однако, несмотря на гладкую теорию, транспортировка водорода была и остаётся задачей технически более сложной и дорогой, нежели углеводородов: нужны новые материалы, новые методы контроля утечек, методы борьбы с авариями и пр.

В равной степени это применимо и для задачи хранения. Водород можно хранить классически, в сжатом газообразном (сотни атмосфер) или сжиженном состояниях, но и тот и другой вариант имеют свои недостатки. Во-первых, легко представить, какими последствиями чреваты утечки. Во-вторых, сжатая форма требует крупногабаритных ёмкостей, а поддержание работы криоцистерн дорого. Наконец, в-третьих, раздача сжатого или сжиженного водорода сама по себе затратна в смысле денег и энергии. Поэтому основные усилия исследователей сосредоточены сейчас на хранении его в химически связанной форме, либо впитанным в наноматериалы.

Схема и там и там несложная. В первом случае водород образует соединения (гидриды) с металлами или жидким электролитом. Во втором, он впитывается, словно губкой, массой углеродных нанотрубок. В таком виде он может безопасно храниться длительное время, а когда понадобится, «выдавлен» нагревом или высоким давлением. Впрочем, и здесь несмотря на то, что работа кипит, ни одно из существующих решений пока не удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым производителями и потребителями. Необходим рывок и по цене, и по эффективности хранения, и по безопасности.

Водород в упряжке

Как много водорода нам нужно? Судите сами: на заправку 100 миллионов легковых автомобилей или удовлетворение энергонужд 25 миллионов домохозяйств требуется примерно 40 млн. тонн водорода в год. Цифра вполне достижимая. При существующей производительности, столько способны выдать около двадцати углеводородных станций или вчетверо большее число водород-производящих фабрик на биомассе. Но произвести, сохранить и доставить к потребителю — ещё полдела. Задача преобразования водорода в энергию по своим размерам и значимости стоит всех трёх, разбиравшихся выше. Ведь приручив водород, мы обеспечим себя энергией на все случаи жизни, от космических полётов и подводных экспедиций до банальной повседневной зарядки мобильных цифровых устройств.

Водород можно сжигать по старинке, словно природный газ (и даже в смеси с ним) в двигателях внутреннего сгорания и газовых турбинах. Это простая химическая реакция соединения с кислородом. И выигрыш перед сжиганием углеводородов очевиден: почти нулевое загрязнение окружающей среды (из выхлопной трубы буквально идёт водяной пар). Однако есть куда более интересный вариант — использование не химической, а электрохимической реакции. Образно выражаясь, сжигать водород можно медленно, без огня, в устройствах, называемых топливными элементами (ТЭ). Продуктами реакции здесь являются всё те же тепло и вода, но к ним добавляется ещё и электричество. Самое же ценное свойство топливных элементов состоит в их высоком коэффициенте полезного действия. Если двигатели внутреннего сгорания могут похвастаться лишь 25% КПД, водородный топливный элемент в теории способен обеспечить все 90%, а на практике даёт примерно 60.

Конструктивно, ТЭ смахивает на электрические аккумуляторы (электроды, электролит и т.д.), с той лишь разницей, что электрохимическая реакция в нём продолжается до тех пор, пока в него поступает водород. Химия обширная, от углерода и полимеров до кислот, но как и во всём, что связано с использованием водорода в качестве энергоносителя, качество существующих решений оставляет желать лучшего. Топливные элементы активно применяются в космических аппаратах и на военных подводных лодках, но широкий рынок остаётся для них закрытым из-за существенных конструктивных недостатков. Обобщая можно сказать, что полимерные ТЭ недолговечны и плохо теоретически изучены, а отшлифованные временем фосфорно-кислотные дороги и работают только при высоких температурах. Вносит свою лепту и проприетарный характер исследований: корпорации, работающие над перспективными материалами для ТЭ, по понятным причинам не горят желанием раскрывать свои находки. В результате топливные элементы на прилавках имеются, но страдают от высокой цены, малого ресурса, плохой приспособленности к экстремальным температурным режимам (что важно, в частности, для России).

Чтобы понять, чем определяются эксплуатационные требования, предъявляемые к ТЭ, нужно знать, какие отрасли станут основными потребителями в условиях развитой водородной энергетики. Сегодня специалисты выделяют три таких отрасли: транспорт, дом и мобильная электроника. Общими для всех являются физическая и экологическая безопасность, удобство, доступность энергоносителя. Но, конечно, в каждом случае есть и свои нюансы.

Транспорт — самый сложный, но и самый перспективный подраздел. На то, чтобы прокатить легковой автомобиль 200 километров, современным топливным элементам требуется примерно 3 килограмма водорода. Сложность в том, чтобы уместить сам ТЭ, накопитель и вспомогательную водородную обвеску в крайне ограниченное подкапотное пространство — и суметь при этом контролировать утечки, гарантировать безопасность пассажиров в случае аварии. Большинство именитых автовендоров трудятся над концептами водородных автомобилей уже лет десять — и демонстрируют (на выставках) весьма интересные результаты. Впрочем, кое-кто уже и производит такие авто серийно, малыми партиями. Так Toyota FCHV и Hyundai Tucson Fuel Cell построены по гибридной схеме (топливный элемент плюс электрический аккумулятор) и обеспечивают запас хода свыше 500 километров на 6 килограммах водорода.

Автобусы и разного рода специализированный транспорт (в частности, для закрытых помещений и ограниченных пространств) предъявляют к водородной начинке менее жёсткие требования, а потому уже производятся и массово эксплуатируются, в частности, в Европе. Но настоящий перелом ожидается в ближайшие два-три года, когда на рынке появится как минимум по одной ТЭ-легковушке от каждого крупного автомобильного производителя. Цены будут сравнимы с ценами на электромобили, но главной проблемой — как и для электротранспорта — станет не столько цена, сколько отсутствие развитой инфраструктуры, в частности, заправочных станций (которых пока что по всему миру насчитывается не больше нескольких сотен).

Заметно лучше обстоят дела с применением водорода в доме. Здесь в ход идёт и электричество, и тепло, выделяемое топливными элементами. ТЭ, предназначенные для применения в быту и офисах, называют CHP или m-CHP (micro Combined Heat and Power — портативный комбинированный аппарат для генерации тепла и электроэнергии), и они уже массово производятся и применяются в развитых странах. Впрочем, массовость стоит понимать в контексте общей ситуации с водородной энергетикой: скажем, в Европе весь рынок топливных элементов оценивается в 150 млн. долларов в год (зато в следующие пять лет прогнозируется четырёхкратный рост).

Наконец, «карманный» сектор водородной энергетики пока представлен буквально считанными устройствами. Чтобы понять, чем тут может быть полезен водород, посмотрите на продукты Brunton Hydrogen Reactor, Toshiba Dynario или myFC PowerTrekk. Это умещающиеся в руке топливные элементы, генерирующие — от заправляемых водородсодержащих картриджей или метанола — достаточно электричества для подзарядки или питания портативной электроники (смартфонов, радиостанций, фонарей и т.п.). Теоретически, водород и топливные элементы могут потеснить слишком вяло эволюционирующие электрические аккумуляторы, но эксперты пока осторожны в прогнозах на этот счёт.

Светлое водородное будущее

Для исследователей, работающих над использованием водорода в качестве энергоносителя, наиболее перспективной точкой приложения усилий является поиск новых материалов и технологий производства, хранения и преобразования «горючего воздуха». Как отмечалось выше, ни одно из существующих решений не сможет идеально вписаться в массовую водородную энергетику. Такие изыскания по понятной причине называют высокорисковыми, но невесёлая правда в том, что массовому переходу к «чистой энергии будущего» мешают не только технические аспекты.

К примеру, прокладывая дорогу на рынок энергоносителей, водороду предстоит конкурировать не столько с бензином и природным газом, сколько с альтернативными видами энергии. Популярность солнечных батарей уже сейчас такова, что по мнению аналитиков германского энергогиганта RWE (недавно сократившего свои генерирующие мощности, в том числе и вследствие влияния «альтернативы»), многие классические электростанции в Европе стали убыточны. Понятно, что рассчитывать на неожиданный интерес публики к водороду в таких условиях наивно.

Чтобы переломить сложившийся ход событий, необходимо объяснить обывателю, производителям, а может быть и законодателям преимущества водорода (неисчерпаемость, отсутствие привязки к месту и времени, прочее, о чём шла речь выше). Пока что публика знает непозволительно мало даже об основных достоинствах водородной энергетики, не говоря уже о нюансах. В Соединённых Штатах исследователи склоняются к мысли, что разумней всего было бы заинтересовать не отдельных лиц, а нацию целиком: так же, как прошлое поколение «штурмовало» Луну, нынешнее должно заменить нефть водородом.

Только достучавшись до рядовых потребителей, удастся разорвать и порочный круг, препятствующий формированию инфраструктуры: пока нет массового спроса на чистый водород — не будет и трубопроводов, и заправочных станций, а их отсутствие в свою очередь мешает возникновению спроса. Но разорвите этот круг — и вступит в силу экономика масштабов: упадут цены на оборудование, производство, транспортировку, хранение. Решающую роль тут должно сыграть государство, которое могло бы подстегнуть эволюцию водородных технологий налоговыми льготами (так же как сейчас помогает, скажем, производителям электромобилей).

Взамен человечество не просто слезет с нефтяной иглы, но и диверсифицирует источники энергосырья (вспомните: получать водород можно десятком способов), что благотворно скажется на устойчивости энергетики, промышленности, экономики. Увы, для России отказ от нефти — палка о двух концах, с соответствующим печальным выводом для национальных перспектив водорода. Но в развитых странах переход к водородной энергетике уже начался. И займёт, по умеренным оценкам, несколько десятилетий.


водород,чистая_энергия,топливо,энергетика,нефть,топливный_элемент,Toyota,Hyundai




Евгений Золотов, 1999-2018. Личный архив. Некоторые права защищены