Водородный тупик

Водород – самый первый элемент таблицы Менделеева и самый распространённый элемент Вселенной. На него приходится около семи десятых её массы. На поверхности нашей планеты водород обычно присутствует в виде соединений, в воде его примерно одиннадцать процентов, на суше – порядка процента. Соединение двух атомов водорода в единую молекулу даёт самый лёгкий газ планеты. Доля его в атмосфере ничтожна, он не токсичен, человек его просто не замечает.

Самое распространённое и хорошо всем знакомое из разнообразных соединений водорода – это, конечно, основа жизни – вода. Она состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода, и её планетные запасы неисчерпаемы. Чтобы получить водород из воды, надо пропустить через неё электрический ток. При этом происходит электролитическое разложение, водород и кислород выделяются вблизи погружённых в воду электродов и всплывают в виде пузырьков.

Естественно, обратный процесс идёт с выделением энергии. Окисление водорода в чистом кислороде даёт единственный продукт – воду. Сгорание на воздухе в силу присутствия в нём азота приведёт к образованию оксидов азота, но – в малых количествах.

Особое место занимают металлогидриды, соединения водорода с металлами, вернее, его растворы в них. Они обладают одним замечательным свойством: объём металлов при их образовании почти не меняется, то есть на единицу своего объёма они могут поглощать многие объёмы водорода.

Две экониши

Специалисты говорят, что принципиально ничто не мешает использовать чистый водород в качестве газового автомобильного топлива. Теоретически из выхлопной трубы автомобиля на водороде должна течь вода, точнее, пар, если не учитывать продукты высокотемпературных реакций смазочных масел двигателя. Ещё несколько лет назад это не вызывающее возражений мнение широко тиражировалось и производителями, и прессой.

Но практика показала, что принципиального скачка в новую экологическую нишу совершить не удалось. Выхлопы переоборудованных на газоводородное топливо двигателей внутреннего сгорания содержат вредные вещества в количествах, сравнимых с обычным двигателем. Эти автомобили можно совершенствовать, однако нынешние методы производства самого топлива неизбежно загрязняют атмосферу.

На сегодня известны две основные технологии производства силовых автомобильных установок на водороде. Это топливные ячейки для электромобилей и модифицированные двигатели внутреннего сгорания разнообразных конструкций. Ещё несколько лет назад было впечатление, что первые вытеснят последние. Однако этого пока не произошло.

Наполовину дороже

Первый двигатель внутреннего сгорания, работающий на смеси водорода и кислорода, был построен чуть более двухсот лет назад, в 1806 году. Поршневой двигатель, модифицированный под водородное топливо, впервые был запатентован менее пятидесяти лет назад, в 1970 году. Сегодня производители переоборудуют под водород даже дизельные двигатели с прямым впрыском топлива. И стоит это не так дорого, как может показаться.

Химики знают, что водород имеет высокую теплоту сгорания. Поэтому существенная переделка двигателя в первую голову связана с ростом его теплонагруженности. В моторах устанавливают более прочные и термостойкие детали, рычаги и клапаны распредвала, их сёдла, большие демпферы коленвала. Применяют особые материалы крышек цилиндров и инжекторов газового топлива, свечи без платиновых электродов, высоковольтные катушки зажигания, модифицированный под турбонаддув входной воздухопровод, высокотемпературное двигательное масло и пр.

В результате всех переделок мощность двигателя вырастает примерно на двадцать процентов, если его прародитель был инжекторным, и на 40 – если карбюраторным. Модификация удорожает двигатель внутреннего сгорания примерно в полтора раза. И всё же перед силовыми установками с топливными ячейками эти имеют преимущества многотопливности и надёжной работы при низких температурах. Это, конечно, результат длительной эволюции автодвигателя.

Наиболее известны широкой публике водородомобили германского концерна BMW. Это выпущенные в 2007 году ограниченным тиражом в сотню экземпляров «люксовый» Hydrogen 7 и рекордный по скорости H2R.

Устройство BMW Hydrogen 7. Схема из пресс-материалов BMW

Первый имеет своим прототипом классический бензиновый «биммер» с шестилитровым 12-цилиндровым V-образным двигателем седьмой серии. Имея под капотом две с половиной сотни лошадей, на 100 километров этот автомобиль с двумя топливными баками тратит 50 литров водорода или 14 литров бензина. Даже в сжиженном состоянии энергоёмкость водорода в пять раз меньше бензина.

Жидкий водород заправляют в 110-литровый криогенный бак с двухслойным, хорошо изолирующим покрытием. Его теплопроводность эквивалентна таковой для стены из современных строительных полимеров толщиной в семнадцать метров. Хранение в жидком виде позволяет в том же объёме бака иметь на три четверти больший энергозапас, чем у сжатого до семисот атмосфер водорода. Чтобы остаться жидким, топливо должно поддерживаться при температуре, не превышающей минус 253 градуса. Если Hydrogen 7 оставить на стоянке, бак будет постепенно разогреваться, а топливо – испаряться. Примерно через семнадцать часов при превышении некоторого критического давления паров автоматика стравит часть водорода в атмосферу. За десяток дней бак оставленного в гараже автомобиля разрядится полностью.

Mazda Premacy Hydrogen RE Hybrid. Фотография из пресс-материалов Mazda

В США хорошо известен концепт пикапа фирмы Ford. Трёхтопливный флекс F-250 Super Chief способен заправляться и водородом. В Азии тон задаёт фирма Mazda, известная своими приёмистыми роторными двигателями Ванкеля. Создание надёжных термостойких уплотнений в высокооборотном роторном Ванкеле – очень непростая инженерная задача. Ещё в 1991 году была построена первая водородная Mazda HR-X. Впоследствии фирма переключилась на гибриды. В 2003 году появился RX-8 Hydrogen RE на водородном топливе и бензине, в 2007-м – водородный Premacy Hydrogen RE Hybrid.

Космические элементы

Окисление водорода в топливных элементах и питание их током силового электромотора – это второй путь использования водородного топлива. Топливный элемент или ячейка – это перезаряжаемая батарея, но не от раза к разу, как аккумулятор, а непрерывно, с постоянным добавлением химического топлива и окислителя. Ячейка прямо и эффективно преобразует химическую энергию топлива в постоянный электрический ток и тепло. Изобретены топливные элементы давно, а во второй половине прошлого века они применялись для энергоснабжения космических кораблей. Кстати сказать, в своё время таким безотходным электрогенератором был оснащён космический челнок «Буран».

Все ячейки состоят из двух покрытых катализатором электродов, между которыми находится электролит. Через один электрод подаётся водород, через другой – чистый кислород или кислород из воздуха. Водород обычно соединяется с кислородом внутри пористой полимерной мембраны. Отходом производства электроэнергии служит чистая вода. Есть разные типы топливных ячеек. Это прямые метанольные ячейки, ячейки на полимерных электролитных мембранах, на фосфорной кислоте, на расплавленных карбонатах, на твёрдых оксидах и др.

Топливные ячейки – продукт высоких технологий. Часто их конструкции сложны и недостаточно отработаны. При эксплуатации они требуют «защиты от дурака». В движении они боятся ударных нагрузок и сотрясений. При температурах ниже нуля вода замерзает, поэтому ячейки требуют внешнего подогрева.

GM Electrovan 1966 года – первый в мире работающий автомобиль на водородных топливных элементах, который в ходе испытаний развил скорость 110 км/ч. До 100 км/ч он разгонялся за 30 секунд и имел запас хода примерно в 230 километров. Проект был закрыт по причине невероятно высокой стоимости производства и полного отсутствия инфраструктуры для таких автомобилей. Единственный действующий экземпляр использовался только на территории завода GM. Фотография и схема из архивов General Motors

Первый автомобиль на топливных ячейках появился в 1966 году. Им был концепт-кар от General Motors под названием Electrovan. Его криогенная топливная ячейка фирмы Union Carbide питала тот же электромотор, что был у электрического концепта Chevrolet Electrovair II. Скорость Electrovan достигала сотни километров в час при пробеге на одной зарядке в пару сотен километров. Характеристики как у электромобиля. Известен интересный проект Autonomy от General Motors. Это платформа автомобиля, на которую можно установить любой кузов. Электромоторы-колеса питались от водородных топливных элементов, а управление этим напичканным электроникой монстром, даже рулевое, осуществлялось электрически, через разъёмы платформы.

Chrysler в начале века создал целую серию джипов на топливных ячейках. Daimler с 1994 по 2000 год разработал пять видов своего Mercedes NECAR. В 2002 году фирмой был представлен Mercedes Benz F-CELL, базирующийся на Mercedes Benz «A» класса, в 2009-м – Roadster на его основе. Японская фирма Toyota в 2002-м широко рекламировала гибридный автомобиль на водородных элементах FCVH-4 (fuel cell hybrid vehicle) на базе внедорожника Kluger V. Его максимальная скорость – 95 миль/час, а пробег на одной заправке – 155 миль.

Ещё недавно крупные компании массово разрабатывали конструкции на топливных элементах. Ими интересовались такие гиганты, как Honda, Ford, Daimler-Chrysler, Toyota Opel, Volkswagen и др. Труднее назвать фирмы-производители, которые были к ним равнодушны. Инвестиции в проекты составляли сотни миллионов долларов. Теперь же всё не так. Фирма Ford, создавшая Focus FCV-Fuel СELL, даже официально заявила об отказе от водородных планов с целью сосредоточения на разработке электромобилей.

Алхимические вопросы

Рассказывают, что одному алхимику средневековья страстный неофит поведал о своём желании изобрести вещество, которое будет растворять любое другое. Сразу последовал вопрос: «А в чём Вы его будете хранить?» Конечно, химически активный водород не растворяет все вещества, но самая важная проблема практического использования водорода в автомобилях та же – это длительное, надёжное и экономичное хранение.

Малое энергосодержание на единицу объёма требует высоких давлений или сжижения при хранении и перевозке, а значит – сложных конструкций топливных баков. Отсюда их высокий вес. Характерная цифра – жидкий водород имеет плотность, в четырнадцать раз меньшую, чем у воды. Альтернативой газобакам высокого давления могут стать заранее «заряженные» водородом сменные контейнеры, начинённые пористыми поглотителями, которые выделяют водород при подогреве. Сегодня наибольшую ёмкость имеют баки с гидридами металлов, разрабатывают и баки с углеродными наноматериалами. Однако все они пока не могут хранить нужного для дальнего пробега запаса топлива.

Есть масса путей получения водорода. Сегодня его производят из метана и других видов углеводородного топлива. Сырьём может быть широкий спектр материалов. К примеру, несколько лет назад американские химики разработали простой способ получения водорода из природного растительного сырья. В новом технологическом процессе также образуется оксид углерода и немного метана. Водород же выделяется на платиноалюминиевом катализаторе при нагреве растительной глюкозы под давлением. Учёные из Университета штата Висконсин предлагают использовать в качестве сырья не только сахар-сырец, но и отходы различных производств, в частности деревообрабатывающей промышленности. Основная проблема в данном случае – удешевление применяемых катализаторов.

Процесс преобразования в водород бензина, других жидких углеводородов или природного газа называют риформингом. И, что привлекательно, проводить его можно почти в «домашних условиях». К примеру, известен проект компании General Motors – риформер, получающий водород из бензина с малым содержанием серы. Им был оснащён Chevrolet S-10 с силовой установкой на водородных топливных элементах, расходовавший шесть литров бензина на сотню километров пути.

Чтобы надёжно и безопасно заправлять газобаки под давлением в сотни атмосфер, канадская компания Fuelmaker, известная своими небольшими заправочными комплексами для природного газа, выпускает водородную мини-компрессорную станцию. Она забирает газ низкого давления от источника, сушит его и подаёт в бак автомобиля. Источником служит водород, полученный электролизом воды или разложением природного газа. Совсем «домашнюю» АЗС канадцы рекомендуют строить, комбинируя станцию Fuelmaker с компактным электролизным генератором фирмы Stuart Energy Systems.

Электролиз воды – экологически оптимальный вариант производства, но лишь при наличии дешёвой электроэнергии. Ветряк с электролизером, например, вполне подойдёт. Но где взять столько ветряков?

Широкое распространение водородных авто сдерживает не только их цена, но и главное – отсутствие источников водорода промышленных масштабов и сети водородных заправок.

Для подобных автомобилей требуется и особый сервис. Спроектировать и организовать всё это под силу только крупным инвесторам, например государству. Массово развернуть такую деятельность – значит, вложив очень большие средства, строить новую водородную энергетику. Многие эксперты при нынешнем состоянии дел считают этот путь тупиковым.

Резервная валюта?

В целом применение водорода как топлива – это замкнутый круг «энергия – водород – энергия» с потерями на каждом этапе. В двигателях внутреннего сгорания КПД использования сжатого водорода – 22 процента, жидкого – 17 процентов. Производится водород за счёт тепловой электроэнергии с энергоэффективностью от трети до половины и существенной эмиссией углекислого газа. Так что девять десятых энергии до колёс не доходит и попросту теряется. Для авто с эффективными топливными ячейками вкупе с производством, хранением, конверсией водорода только четверть энергии топлива идёт на перемещение автомобиля. Для электромобилей же эта цифра втрое больше.

Это значит, что новый энергоноситель не может стать конвертируемой энергетической валютой, даже резервной. И всё же водород остаётся особым альтернативным топливом. Его технологии почти готовы для массового применения. И это «почти» превратится во «вполне», если будут найдены пути его эффективного и экологически чистого получения.

Ещё несколько лет назад в ответ на экологические ограничения законодателей автопроизводители заявляли, что они разрабатывают водородные технологии, которые позволят снизить долю токсинов и совокупных выбросов диоксида углерода в атмосферу. При этом молчаливо предполагалось, что мы понимаем, как циркуляция его и других парниковых газов влияет на её свойства, в частности озоновые дыры. Для обывателей была придумана очередная апокалипсическая страшилка. Международные соглашения были подписаны. Прошло время, а озон, вернее его отсутствие, и ныне там. Теперь, правда, новая проблема со старыми дырами – глобальное потепление.

За всеми этими ходами просматриваются денежные интересы. Традиционные двигатели и энергетика кормят многих. Выпуск и разработка доли экологичных авто на законном основании позволяют производить супермощные и суперпопулярные внедорожники и лимузины – показатели-то усредняются по всей линейке продукции. Этот подход теперь называется прагматизмом.

Но в случае водорода всё может измениться, и очень резко. Наука по-прежнему ускоряет развитие цивилизации. Так, в начале мая сообщалось о том, что греческий профессор-химик Констандопулос, руководящий институтом химических процессов в Салониках, выиграл грант Европейского исследовательского совета в размере 1,75 миллиона евро на получение водородного топлива из воды за счёт энергии солнца. Характерно, что ни греческие власти, ни местные олигархи не стремились помогать профессору, который был вынужден даже снижать зарплату своим сотрудникам, и предпочитали выпрашивать инвестиции у Евросоюза. Идея процесса в том, что сфокусированные солнечные лучи нагревают воду, которая разлагается на катализаторах. Пилотный проект станции мощностью в сотню киловатт уже прошёл успешные испытания в Испании. Теперь стоит задача построить реактор в один мегаватт, производящий водород, метан и метанол.

Источник "Наука и технологии в РФ"