Закат нефтяной эры, часть 3:

Чтобы накопить ископаемое горючее, нужны миллионы лет,

а для получения водорода из воды нужны дни, недели,

 а иногда – часы и минуты.

Полтора века назад самый прозорливый фантаст всех времен и народов Жюль Верн устами героя романа «Таинственный остров» изрек: «Вода – уголь грядущих веков». Гениальное предсказание было сделано в эпоху угля и пара, человечество только‑ только подступало к эре нефти и газа и, разумеется, ни о каких энергетических кризисах еще и не помышляло. Сегодня путь, указанный великим фантастом, нащупывает новая область науки и техники, возникшая на стыке физики, химии, энергетики и известная как водородная энергетика.

Чем интересен водород?

Водород – самый распространенный элемент Вселенной: в виде раскаленной плазмы он составляет 70 % массы звезд. Водород также один из наиболее распространенных элементов и на Земле. В этом смысле наша планета обладает неограниченным количеством сырья.

После опытов Генри Кавендиша и Антуана Лавуазье, открывших газ, называемый ныне водородом, исследователям удалось обнаружить его изотопы: протий, дейтерий и тритий. По подсчетам академика И. Курчатова, 1 литр обычной воды по энергии содержащегося в нем дейтерия (тяжелого водорода) эквивалентен примерно 400 л нефти, поэтому, несмотря на относительно малое содержание дейтерия в обычной воде, его как топлива хватит на сотни миллионов лет, ибо общее его количество на Земле очень велико.

Кстати, известно это было уже в 1932 году…

Особенности водорода как моторного топлива

1. Водород, получаемый из воды – один из наиболее эффективных носителей энергии. Теплота сгорания 1 кг H2 составляет (по нижнему пределу) 120 МДж/кг, в то время как теплота сгорания бензина или лучшего авиационного топлива – 46‑50 МДж/кг, то есть в 2,5 раза меньше.

2. Водород обладает намного более широким, по сравнению с бензином, диапазоном пропорций смешивания его с воздухом, при которых еще возможен поджиг смеси.

И сгорает водород полнее, даже вблизи стенок цилиндра, где в бензиновых двигателях обычно остается несгоревшая рабочая смесь.

3. Несмотря на то, что физические свойства водорода существенно отличаются от таковых у бензина и над системами питания конструкторам пришлось поломать голову, результат того стоил. Мало того, что водородные моторы сочетают высокую отдачу с практически нулевым выхлопом, так они еще и куда лучше готовы к массовому производству, нежели моторы, приспособленные к работе на других видах альтернативных топлив.

Способы получения водорода

В распоряжении современных технологов имеются сотни методов получения водородного топлива. Выбор того или иного способа диктуется экономическими соображениями, наличием соответствующих сырьевых и энергетических ресурсов.

Водород получают электролизом воды (Норвегия), газификацией твердого топлива (Китай), из жидких углеводородов (Ближний Восток). Однако больше всего водорода в настоящее время получают из углеводородных газов конверсией метана и его гомологов (США, Россия). Последними тремя способами добывается более 90 % молекулярного водорода.

В будущем такие источники получения водорода будут в основном исключены. В качестве основного источника сырья будет использоваться вода.

Способы использования водорода в ДВС

Есть два пути использования водорода в качестве топлива на автомобилях.

Первый – непосредственное его сжигание в двигателях внутреннего сгорания.

Второй – использование водорода для питания топливных элементов.

Рассмотрим каждый из этих способов.

ДВС и водород

Перевод на водород обычных ДВС не только делает их полностью «чистыми», но и повышает термический КПД, улучшает характеристики мотора, делая их более «гибкими», эластичными. Над идеей сжигания водорода в ДВС работают инженеры многих автомобильных компаний – например, BMW, Honda, Mazda. Они предлагают пока сохранить в автомобиле возможность ездить и на бензине (по аналогии с распространенными ныне двухтопливными системами «бензин/газ»). Такой подход, по замыслу конструкторов, облегчит постепенный переход автотранспорта полностью на водородное питание. Так, BMW уже выпускает, пусть и не серийно, модели седьмой серии, оснащенные двигателями, работающими на водороде. В перспективе концерн намерен оснащать водородными двигателями все свои автомобили.

Автомобиль Honda FCX Clarity, также с водородным двигателем, должен появиться на рынке уже нынешним летом. Пока, правда, только на американском.

Однако широкому применению водорода в качестве идеального автомобильного топлива препятствует немало проблем. Самая большая из них – топливные баки.

Почему водородные двигатели еще не заполонили весь мир?

Потому, что не решена главная проблема – как хранить водород в автомобиле. Подсчитано, что на 10 кг водорода автомобиль может проехать столько же, сколько на 30 кг бензина, но такое количество газообразного водорода занимает объем 8000 л и чтобы хранить его, требуется резервуар массой около 1500 кг. Выход: нужно либо сжать газ, либо перевести его в жидкое состояние.

Первый вариант небезопасен – водород придется сжимать до 300‑350 атмосфер и для его хранения нужен баллон, рассчитанный на столь высокое давление, но зато в таком баке водород может сохраняться долго.

Во втором случае безопасность на высоте, но как хранить газ, который сжижается лишь при температуре 20 градусов по Кельвину? Даже в криогенных баках, снабженных теплоизоляцией, эквивалентной 9‑метровому слою пенополистирена, температура водорода, которая должна, напоминаем, составлять не выше -253°С, поднимается на несколько градусов в сутки. Газ медленно, но верно нагревается, давление его растет и предохранительный клапан начинает стравливать дорогое топливо в атмосферу. Ей‑то, атмосфере, ничего, а вот владельцу водородного автомобиля – убытки. Нужна мощнейшая изоляция. А это проблема.

Конструкторы разных стран пошли разными путями: Mazda выбрала вариант с баком высокого давления, BMW – с жидким водородом.

Работы по решению проблемы хранения водорода на борту автомобиля продолжаются.

Автомобиль на топливных элементах

Сегодня водородное будущее автотранспорта большинство экспертов опять связывают с топливными элементами, или водородными топливными ячейками (fuel-cell vehicle, FCV). Никаких движущихся частей, никаких взрывов. Водород и кислород тихо-мирно соединяются в «ящике с мембраной» (так упрощенно можно представить топливный элемент) и дают водяной пар плюс электричество.

Концерн General Motors начал эксперименты с топливными элементами еще в 60‑х годах прошлого столетия. Тогда в Детройте построили микроавтобус с электродвигателем мощностью 32 кВт, получавшим энергию от батарей из 32 блоков топливных элементов. Питаясь водородом из стальных баллонов, микроавтобус мог пройти на одной заправке до 200 км. Но когда топливный кризис 70‑х был преодолен, о топливных элементах забыли, их американцы применяли лишь в рамках своей лунной программы – так, на орбитальной станции NASA Skylab (1973‑1979 годы) они были едва ли не основными источниками энергии.

Как устроены и работают топливные элементы?

Еще в 1839 г. английский физик сэр Уильям Гроув обнаружил, что известный со школьной скамьи процесс электролиза обратим. Необходимо только подобрать соответствующий катализатор, и водород с кислородом будут соединяться в молекулы воды без горения, но с выделением тепла и электрического тока. Работа водородных топливных ячеек стала возможна с изобретением в середине 80‑х годов так называемой протонообменной (электролитической) мембраны. Она разделяет емкости с водородом и кислородом и препятствует образованию гремучей смеси. В результате реакции «холодного сжигания» молекулы водорода разлагаются на протоны и теряют электроны. Первые связываются с кислородом и образуют воду, а вторые создают электрический потенциал на мембране. Последовательно соединяя мембраны в батареи, можно собрать достаточно мощный источник энергии, достаточный для современного автомобиля.

День сегодняшний

На сегодня практически все нефтяные и энергетические транснациональные корпорации имеют многомиллионные водородные программы. Все мировые автомобильные гиганты имеют по несколько опытных образцов. General Motors, Ford, BMW, Toyota, DaimlerChrysler, Honda, Volkswagen – все эти компании начали или вот-вот начнут серийное производство своих моделей на топливных элементах. Последний прототип на топливных элементах компании GM – концепт-кар «Продолжение» (Sequel) может пройти на одной заправке до 480 километров. А время разгона с нуля до ста километров в час не превышает 10 секунд. О максимальной скорости ничего не сообщается, но известно, что мощность топливных элементов составляет 73 киловатта. Sequel является также и гибридом. У него есть большая (65 килограммов) литиево-ионная батарея, а тяговые двигатели могут возвращать энергию при торможении. Нужно добавить, что пиковая выходная мощность аккумуляторной батареи достигает 65 киловатт. Так что суммарный запас мощности двигателей машины весьма велик. Рекордная «дальность полета» машины достигнута в том числе и благодаря новым композитным углеродным баллонам, вмещающим 8 килограммов сжатого водорода при давлении 700 атмосфер.

В работе над водородным автомобилем будущего компании объединяются: так, Honda, General Motors и BMW договорились о совместной работе по созданию серийного двигателя на водородных топливных ячейках, а Ford, Daimler-Chrysler и Canada’s Ballard Power Systems разрабатывают свой автомобиль NECAR4 в лаборатории под Штутгартом также с бортовым топливным элементом.

Во Франции, в свою очередь, произошло событие, которое аналитики сравнивают с революцией в автостроении: PSA Peugeot Citroеn и исследовательская организация CEA представили публике плод двухлетних усилий – первый в мире компактный водородный топливный элемент, который при весе всего 5 кг позволит машине проехать на одной заправке до 500 км. Фактически изобретатели создали химический электрогенератор большой мощности.

Активно ведутся работы и по удешевлению топливных элементов. Концерн Mazda сообщил о создании новой технологии катализаторов, используемых в перспективных водородных топливных элементах. Особенность разработки в том, что она использует на 90 % меньше дорогостоящих платины и палладия, необходимых для катализации водорода.

Nissan также объявил о создании технологии, использующей лишь половину от ранее требуемых объемов платины и палладия. Nissan намерен начать производство новых двигателей уже в этом, 2008 году. а вот Daihatsu, входящий в группу Toyota Motor, совсем недавно представил свой вариант технологии топливных элементов, из состава которых полностью исключена платина!

Перспективы

Стоимость получения водорода как топлива постепенно снижается, а технологии совершенствуются, похоже, что именно ДВС на водороде откроют новую эру на дорогах планеты. Вот прогноз аналитиков из BMW: в последующие два года водородные заправки (хотя бы по одной) построят во всех западноевропейских столицах, а также на крупных трансъевропейских магистралях. До 2010 года первые двухтопливные авто появятся в магазинах.

В 2015-м на дорогах их будет уже несколько тысяч. В 2025 году уже четверть мирового автопарка будет питаться водородом. Какую пропорцию среди водородных машин составят машины с ДВС и авто на топливных элементах, немцы уточнять не стали. Главный вопрос водородной темы: как хранить газ? Возможно, ответ на него даст союз GM и американской национальной лаборатории Сандия (Sandia National Laboratories) по разработке и испытаниям гидридных емкостей для хранения водорода.

Проведены успешные эксперименты с баками, в которых водород хранится в межатомных промежутках кристаллической структуры металла. Специальный сплав впитывает водород в свою кристаллическую решетку и отдает его при нагревании. Этим достигается высокая «плотность упаковки» и безопасность хранения. Начались опыты и с еще более перспективными нанохранилищами, где водород впитывается в губку из мельчайших волокон композитного материала.

Инженеры из BMW уже вовсю экспериментируют с необычной системой хранения газа, которую планируют ставить на свои будущие водородные машины. Суть ее в том, что пока автомобиль эксплуатируется, из окружающей атмосферы вырабатывается жидкий воздух и закачивается в промежуток между стенками водородного бака и внешней теплоизоляцией. В таком баке водород не нагревается, пока испаряется жидкий воздух во внешней «рубашке», и может сохраняться почти без потерь до 12 дней.

Определенную перспективу для автомобильного транспорта представляют и так называемые биологические или микробные топливные элементы MFC (microbial fuel cells). Для питания микробам годятся нерафинированный сахар, шелуха арахиса, дрожжи, испортившиеся фрукты, навоз и даже сточные воды. Микробные топливные элементы используют углеводную биомассу или иной органический материал для выработки электричества.

На сегодня микробные топливные элементы уже нашли себе применение – в пивоваренной компании Foster в Австралии. Установка использует углеводы из сточных вод завода, генерируя при этом больше 2 кВт электроэнергии. Два киловатта не очень внушительная мощность, но пивные заводы заинтересованы скорее в очистке с помощью таких установок воды, нежели в получении дополнительной энергии. Удивительно во всем этом то, что микробные топливные элементы способны очищать воду, одновременно вырабатывая еще и электроэнергию!

И в завершение можно сказать об атомарном водороде – еще более перспективном горючем. Но это уже тема далекого будущего…

Текст: Виктор Федоров