Водородная энергетика: сегодняшние реалии и грядущие перспективы. Часть I
Водородная энергетика: сегодняшние реалии и грядущие перспективы. Часть I

Перспектива грядущей водородной альтернативы углеводородному топливу, ещё недавно представлявшая собой нечто вроде манящего миража в пустыне, сегодня начинает принимать вполне реальные очертания. Однако говорить об окончательной доминанте этого вида энергии пока ещё не приходится.

И вот почему. В течение второй половины XX-го века – особенно во времена нефтяного кризиса 1970-ых годов и обострения проблемы изменения климата, ставшей предметом множества дискуссий в 1990-ые годы – многие горячие головы предсказывали скорейшие изменения в сложившемся энергобалансе мирового хозяйства. Но… по целому ряду причин ничего подобного не произошло.

Проблема в том, что практически осуществить замену существующим много лет видам топлива невероятно сложно и трудно по целому ряду экономических и технических причин. Более того – чтобы освоить такой, казалось бы, удобный и практичный во многих отношениях вид топлива, каким, несомненно, является водород, требуется затратить чрезвычайно много традиционных энергоносителей.

Тем не менее, прогресс не стоит на месте. А цены на углеводороды всё растут и растут. Их месторождения постепенно истощаются. Разведка и эксплуатация новых залежей требует вложения колоссальнейших средств. Климат нашей планеты испытывает всё большую и большую нагрузку. Экологические проблемы, с каждым днём всё больше влияющие на здоровье населения, уже никого не оставляют безучастными.

Под влиянием столь убедительных факторов, ведущим мировым экономическим державам волей-неволей приходится заниматься вопросами производства, хранения и применения водорода с целью получения тепловой и электрической энергии.

Водород. Проблемы, возникающие при его использовании в качестве топлива

Водород – это газ, не обладающий вкусом, цветом и запахом. Химическое двухатомное соединение – H2, отличающееся в смеси с кислородом или воздухом крайней степенью взрыво- и пожароопасности. Он также взрывоопасен и в присутствии окисляющих газов.

Несмотря на то, что это самый лёгкий химический элемент и самое распространённое вещество во Вселенной, на Земле в чистом виде он практически не встречается. Так как активно взаимодействует с неметаллами, образую воду и ряд органических соединений.

Большинство этих уникальных свойств создают целый набор проблем, требующих решения на уровне самых современных технологий при оптимальных с точки зрения экономики затратах. В перечень возникающих трудностей входят:

  • Технические сложности, возникающие во время проведения процессов извлечения водорода из природных материалов (96% которых составляют те же самые углеводороды – в виде нефти, природного газа и каменного угля), к тому же, – ведущими к весьма значительному расходу электрической энергии!
  • Необходимость хранения и транспортировки самого лёгкого вида топлива, занимающего самый большой объём из всех известных на сегодня горючих веществ. Решение вопроса ведёт к необходимости создания дополнительных технологических мощностей, направленных на сжатие (в 700 атмосфер!) или сжижение (при –253°C!) исходного газообразного вещества.
  • Потребность создания жаропрочных материалов, выдерживающих температуру, превышающую +2800° C, необходимую для сжигания водорода при участии кислорода, который опять же требуется производить и доставлять в топку. Пока что такое возможно лишь на уровне самолётных и ракетных двигателей.
  • Угроза загрязнения атмосферы, воды и почвы, оксидами азота (химический механизм Якова Борисовича Зельдовича, впервые описанный им в 1946 году) – токсичными веществами, приводящими к возникновению кислотных дождей и представляющими серьёзную угрозу для здоровья населения. Это развенчивает миф об экологической безопасности водородного топлива, так широко распространяемый его сторонниками. И порождает необходимость разработки, сравнительно приемлемого в плане защиты окружающей среды, механизма сжигания газообразной смеси.
  • Вопросы безопасности, связанные с высокой степенью взрывоопасности и горючести водорода, находящегося в соединении с чистым кислородом или кислородом воздуха.

Вполне понятно, что решение этих и параллельно возникающих проблем, требует значительных инвестиций. Но, игра стоит свеч! И необходимые средства находятся. А это означает, что водородная энергетика продолжает развиваться и развиваться, набирая обороты, тем самым вводя в строй дополнительные серьёзные энергетические мощности.

Водородная энергетика – что это такое?

Это не что иное, как один из видов альтернативной энергетики, специализирующийся на употреблении водорода в качестве источника энергии, посредством его выработки, аккумулирования, хранения, транспортировки и использования. Наиболее часто встречающийся элемент в космосе и на поверхности нашей планеты, водород обладает наибольшей теплотой сгорания по сравнению с другими видами топлива, в результате чего образуется вода пригодная для дальнейшего употребления в сфере водородной энергетики.

Его извлечение из ряда соединений химическими методами в зависимости от способа оставления углеродного следа получило цветовую градацию:

  • «зелёный» – самый чистый, но и самый дорогой (10 долларов за килограмм), производимый вследствие электролиза воды, за счёт энергии, получаемой из возобновляемых источников;
  • «голубой» – продукт, производимый из природного газа, что сопровождается выделением пригодного для последующего использования углекислого газа, требующего технологий улавливания и наличия специальных резервуаров для его хранения (себестоимость – 2 $/кг);
  • «розовый/жёлтый/красный» – вырабатываемый за счёт использования ядерной энергии (2 $/кг);
  • «серый» – когда водород получается вследствие конверсии метана, сопровождающейся загрязнением атмосферы вредными выбросами (2-2,5 $/кг);
  • «коричневый» – процесс, при котором топливо получается в результате газификации угля, что приводит к распространению в атмосфере парниковых газов (2-2,5 $/кг).

Кроме вышеперечисленных способов, существуют и другие методы получения самого лёгкого топлива из целого ряда материалов: биомассы, отходов в виде мусора и металлургического шлака, этанола. Однако они не получили столь широкого распространения, как (информация, актуальная в отношении долей в общем количестве производства на начало 2020 года):

  • конверсия (риформинг) природного и попутного нефтяного газов, на долю которых приходится свыше 50% производства водорода;
  • риформинг нефти и нефтепродуктов, находящихся в жидком состоянии – 30%;
  • газификация угля – 18%;
  • электролиз воды – 4%.

Сам по себе водород не является каким-либо новшеством для промышленности. Первые факты его получения датируются XVI – XVII веками, когда знаменитый швейцарский естествоиспытатель Парацельс, опустив железные опилки в серную кислоту, первым добился его выделения в процессе произведённой химической реакции. К 2019 году общемировое потребление H2 достигло 75 млн т, однако значительная его часть уходит на процессы нефтепереработки и технологии получения аммиака.

Своим возникновением водородная энергетика в значительной степени обязана энергетическому кризису периода 70-ых годов прошлого века, охватившего целый ряд зависимых от поставок нефти и газа государств Америки и Европы. Что и заставило их искать наиболее достойную в экономическом отношении альтернативу чёрному золоту и голубому топливу. Затем масла в огонь подлили проблемы ухудшения общей экологической обстановки, комплекса климатических изменений, приводящих к парниковому эффекту, глобальному потеплению, разрушению озонового слоя, ситуация с всё увеличивающимся загрязнением окружающей среды.

Примерно в это же время американский научно-исследовательский институт чистой энергии, сформированный при университете города Майами, проводит цикл экономических исследований, направленных на оценку ущерба, наносимого транспортными средствами и промышленными предприятиями, вызванного загрязнением ими атмосферы. Что показало экономическую эффективность применения водорода в целом ряде производственных технологий.

Такова политико-экономическая подоплёка вопроса зарождения и становления водородной энергетики. Хотя, ради исторической справедливости, следует отметить, что значительно ранее…

Немного истории

1806 год. Французский изобретатель Франсуа Исаак де Риваз разрабатывает двигатель внутреннего сгорания, использующий водород, который был получен путём электролиза.

30-ые годы XIX века. Уильям Роберт Гроув создаёт водородный топливный элемент. Немногим позднее он совместно с Кристианом Шейбеном доказывает возможность получения электрической энергии под воздействием кислоты в водородно-кислородном элементе.

1903 год. Основоположник современной космонавтики Константин Эдуардович Циолковский заявляет о самой выгодной для межпланетных перелётов в энергетическом плане топливной паре: жидкий кислород + жидкий водород.

1941 год. Великая Отечественная война. Ленинград. Блокада. В условиях дефицита автомобильного топлива, техник-лейтенант Борис Шелищ находит возможность заменить его водородом, взятым из аэростатов. Это дало возможность задействовать 600 единиц автотранспорта и возобновить работу лебёдок с приводами от двигателей внутреннего сгорания, переведённых на новое топливо, предназначавшихся для подъёма и спуска аэростатов.

1959 год. Кэмбриджский изобретатель Фрэнсис Т. Бэкон вносит усовершенствование в классическую схему водородного топливного элемента (ВТЭ), установив между двумя веществами ионообменную мембрану, позволившую гидроксид-ионам свободно перемещаться от анода к катоду. Впоследствии такого рода элемент стал главным источником электрической энергии на космических кораблях серии «Аполлон».

1959 год. Создание первого транспортного средства на ВТЭ американской компанией Allis-Chalmers Manufacturing Company. Это был трактор, оборудованный щелочными топливными элементами.

1962 год. Автомобиль, предназначенный для проведения игр в гольф.

Ноябрь 1963 года. Старт ракеты-носителя «Атлас-Центавр», верхняя ступень которой впервые в истории работала на водородно-кислородном топливе.

1967 год. На свет появляется мотоцикл с топливными элементами производства компании Union Carbide (США).

1982 год. СССР создаёт опытный микроавтобус «Квант-РАФ» на щелочных топливных элементах.

Продолжение следует