Удивительные свойства водорода были обнаружены еще в XIX веке. При сжигании килограмма этого вещества производится почти в четыре раза больше энергии, чем при сжигании килограмма угля. Именно тогда люди стали использовать его для отопления и освещения, прежде чем он уступил позиции нефти и природному газу. Одной из причин тому стала очень низкая плотность, из-за которой он занимает больше места, чем эквивалентное количество того же бензина. Водород — это элемент, который есть почти везде; особенно его много в молекулах воды, которые состоят из одного атома кислорода и двух атомов водорода. Однако практически везде во Вселенной он встречается только в виде соединений, и, чтобы получить это вещество в чистом виде, его необходимо выделять. Вице-президент Air Liquide по водородной энергетике Пьер-Этьен Франк рассказал о главных направлениях применения топливных элементов и проблемах, препятствующих использованию водорода в транспорте.
Вездесущий элемент
В XXI веке поиски источников энергии, альтернативных ископаемому топливу, стали более осмысленными. В их основе лежит не только естественное для каждой экономики стремление обеспечить себе энергетическую независимость от стран, богатых природными ресурсами, но и минимизировать уже очевидный ущерб, наносимый экологии человеком. Так, экологи выяснили, что с 1976 года приземная температура воздуха на планете поднималась в среднем на 0,45 °C каждые 10 лет; причина тому — загрязнение атмосферы. А в России с ее широкомасштабной добычей полезных ископаемых и объемами промышленного производства, по данным последних исследований, потепление происходит примерно в 2,5 раза быстрее. На фоне этих изменений в 2000-х годах в Германии возник термин «энергетический поворот», который означает постепенный отказ от ископаемого топлива и переход на возобновляемую энергию. Ее источниками преимущественно выступают ветер и солнце, которые в силу природных циклов не способны генерировать энергию равномерно и непрерывно. Одно из решений этой проблемы инженеры видят в накоплении излишков энергии, выработанной в ветреные и солнечные периоды, для дальнейшего использования в часы, когда генерация электроэнергии прекращается. Но на текущем этапе развития системы хранения энергии являются слишком дорогостоящими. Другим выходом может стать использование лишней энергии для производства водорода посредством электролиза воды. Таким образом, возобновляемая энергия трансформируется в газ, пригодный для различных нужд.
Водород нужен в очень многих промышленных процессах, а инновационные методы его производства и применения могут стать ключом к декарбонизации сразу нескольких отраслей. Этот газ широко используется в микроэлектронной промышленности при производстве полупроводникового оборудования, дисплеев, светодиодных ламп и солнечных панелей. Эта самая простая из молекул обладает уникальными свойствами: имеет высокую теплопередачу и выступает эффективным восстанавливающим и травильным агентом. Водород также применяется в промышленной химии. Например, его можно сочетать с азотом для производства аммиака — основы для удобрений. Водород является реагентом, входящим в состав текстильных волокон, таких как нейлон и пенополиуретан. Он также есть в составе ряда пластиковых материалов.
Один из наиболее востребованных продуктов стекольной промышленности — плоские экраны для мониторов — по большей части производится с использованием флоат-технологии, когда на слой расплавленного легкоплавкого металла наливают слой расплавленной стекломассы. Для этой процедуры необходим водород высокой чистоты — он образует защитную атмосферу, которая позволяет создавать мониторы особого качества.
В машиностроении и металлообработке водород используется для создания защитной среды при термической обработке металлов, в которой производятся механические детали или меняются их свойства.
Еще одна отрасль, где водород в последние годы стал абсолютно необходим, — это нефтепереработка. Нефтеперерабатывающие заводы (НПЗ) используют водород для очистки топлива и снижения уровня содержания серы. С ростом международного спроса на дизельное топливо и ужесточением правил в отношении уровня содержания серы спрос на водород со стороны НПЗ увеличился. Само развитие данной отрасли, сопряженное с использованием более тяжелой сырой нефти и глубокой переработкой, повышает потребность в водороде, что заставляет большинство НПЗ беспокоиться о своем водородном балансе в будущем.
Хорошо забытое старое
Как топливо водород стал набирать популярность в конце XIX — начале XX века, когда люди еще только мечтали о покорении воздушного пространства. В 1783 году французский изобретатель и ученый Жак Александр Сезар Шарль изобрел воздушный шар, наполняемый водородом. Но лишь в конце XIX века немецкий граф Фердинанд фон Цеппелин выдвинул идею создания дирижаблей, работающих на водороде, которые вошли в историю как цеппелины. Цеппелин совершил свой первый полет в 1900 году. Регулярные рейсы начались в 1910 году, и к началу Первой мировой войны в августе 1914 года они перевезли 35 тыс. пассажиров без серьезных инцидентов. Во время войны цеппелины использовались немецкими войсками в качестве бомбардировщиков. Однако в 1937 году произошло крушение «Гинденбурга»: 6 мая 1937 года этот цеппелин, совершавший полет из Германии в США, загорелся в воздухе и рухнул на землю. Жертвами катастрофы стали 36 человек. Крушение «Гинденбурга» не было самой крупной подобной аварией, но получило широкий общественный резонанс и стало предвестником конца эпохи дирижаблей. Расследование обстоятельств аварии в то время показало, что причиной пожара стала утечка водорода (позже ученые выяснят, что настоящей причиной возгорания стало воздействие статического электричества с наружной легковоспламеняемой оболочкой дирижабля). Идея транспорта на водороде стала угасать.
Вновь о водороде как об эффективном источнике энергии для транспорта вспомнили в 1970-х годах, когда зависимость экономик целых стран от регулярных поставок нефти достигла предела: в 1973 году арабские страны-члены ОПЕК объявили «нефтяное эмбарго» странам, поддержавшим Израиль в ходе четвертого арабо-израильского конфликта. Возросшие цены на нефть вызвали экономический кризис в промышленных странах. В 1988 году советское конструкторское бюро «Туполев» в качестве эксперимента успешно переоборудовало коммерческий самолет Ту-154: один из трех двигателей самолета стал работать на жидком водороде. А к концу века к «водородной гонке» подключились автоконцерны: в 1994 году компания Daimler-Benz на пресс-конференции в Ульме продемонстрировала широкой публике свой первый автомобиль на водородных топливных элементах — NECAR I.
На суше и на море
И электромобиль, и водородный автомобиль работают на электроэнергии. Но если первый получает ее из внешнего источника — зарядной станции, куда энергия, как правило, поступает с традиционной электростанции, то энергия для второго создается прямо внутри него благодаря реакции водорода с кислородом воздуха в топливном элементе. Там молекулы водорода расщепляются на электроны, которые двигаются по цепи, генерируя электрический ток и избыточное тепло, и протоны, проходящие через электролитическую мембрану. На катоде протоны соединяются с электронами и молекулами кислорода, образуя воду. Таким образом, единственными побочными продуктами автомобиля на топливных элементах являются электричество, избыточные тепло и вода, которые на выходе образуют пар. Кроме того, поскольку топливные элементы не имеют движущихся частей, они работают практически бесшумно. Сегодня автомобили на водородном топливе есть у нескольких крупных производителей. Самая популярная модель — японская Toyota Mirai. Заправка таких автомобилей занимает всего 5 минут, чего хватает на преодоление более 500 км.
Одним из наиболее успешных реализованных проектов транспорта на водороде считается запуск компанией Alstom водородных поездов в Германии в 2018 году. Первые два поезда с водородным двигателем модели Coradia iLint начали курсировать в Нижней Саксонии по 100-километровому маршруту, соединяющему Куксхафен, Бремерхафен, Бремервёрде и Букстехуде. Эти поезда способны развивать скорость до 140 км/час, что сопоставимо с дизельными поездами, которые обычно обслуживают этот маршрут. Однако дизельные поезда производят токсичные выбросы в атмосферу, а единственным отходом водородного поезда является водяной пар.
Еще одна среда, которая страдает от активного использования дизеля, — это гидросфера планеты. В судоходной отрасли сегодня эксплуатируются почти исключительно дизельные двигатели. На океанских судах в качестве топлива используется либо мазут, либо судовое дизельное топливо, а суда внутреннего плавания, например, в пределах ЕС, используют коммерческое дизельное топливо. По данным Агентства по охране окружающей среды США, в 2000 году на большие судовые дизельные двигатели пришлось около 1,6% выбросов оксида азота в США.
Проекты судов на водородном топливе появились еще в 2000-х годах, а в 2017 году на воду было спущено судно Energy Observer. Оно не является полностью водородным судном: Energy Observer функционирует не только благодаря водороду, но и за счет ветра и солнца. На нем установлены ветрогенераторы, а его поверхность покрыта солнечными панелями. Эту систему дополняет электролизер — устройство, выделяющее из воды водород и кислород методом электролиза. Полученный водород хранится в баках, и его используют, когда в силу погодных условий невозможно получить энергию ветра или солнца.
Energy Observer полностью функционирует лишь за счет возобновляемых источников энергии. Пример Energy Observer доказывает, что с помощью водорода можно создать полностью автономную энергетическую систему: водород обладает уникальной способностью регулировать дисбаланс между производством и потребностью в электроэнергии и в случае необходимости восполнять возникший энергодефицит.
Мифы и вызовы
Одним из препятствий, мешающих повсеместному распространению водородного топлива, являются мифы, связанные с его использованием. К примеру, опасения по поводу взрывоопасности водорода. Они связаны с широко прогремевшим испытанием водородной бомбы в 1952 году. Водород, используемый в промышленном производстве — это стандартный атом водорода, который извлекается из молекул воды (H2О) или природного газа (СН4), используемого для отопления. Это два основных источника водорода. Водород, добываемый таким способом, существенно отличается от других видов водорода, которые имеют отношение к оружию. Термоядерная бомба — мы знаем ее как «водородную бомбу», что не совсем корректно — основана на принципе синтеза атомов дейтерия и трития. Оба элемента являются изотопами водорода, то есть разделяют с ним определенные характеристики, но не являются идентичными водороду. Для военных целей необходимо слияние дейтерия и трития, в результате которого происходит цепная реакция. Водород, используемый в промышленности, не обладает свойствами своих изотопов или реактивными характеристиками, необходимыми для термоядерной реакции.
Термоядерное оружие (водородная бомба) — тип ядерного оружия, разрушительная сила которого основана на использовании энергии реакции ядерного синтеза легких элементов в более тяжелые (например, синтеза одного ядра атома гелия из двух ядер атомов дейтерия), при которой выделяется энергия.
Имея те же поражающие факторы, что и у ядерного оружия, термоядерное оружие имеет намного бо́льшую возможную мощность взрыва (теоретически она ограничена только количеством имеющихся в наличии компонентов).
1 ноября 1952 года на атолле Эниветок (Маршалловы острова) под наименованием «Иви Майк» было проведено первое полномасштабное испытание двухступенчатого устройства с конфигурацией Теллера-Улама. Мощность взрыва составила 10,4 Мт, что в 450 раз превысило мощность бомбы, сброшенной в 1945 году на японский город Нагасаки.
Оппоненты использования водорода в качестве топлива также ссылаются на взрыв двух кислородных баллонов в аккумуляторном отсеке лунного модуля «Аполлона-13». Однако он случился не из-за утечки водородного топлива или проблемы в топливных элементах, а из-за короткого замыкания, возникшего в кабелях, подсоединенных к одному из баллонов. Риск утечки водорода действительно выше в сравнении с традиционным топливом, поскольку его молекулы малы и им легче просочиться через стенки соединения и уплотнения баллона. Но при этом водород крайне летуч, что снижает риск взрыва: он рассеивается в воздухе быстрее, чем природный газ или пары бензина.
Другой миф связан с необходимостью использования редких металлов при переходе на водородное топливо. Современные водородные топливные элементы содержат не больше платины, чем каталитические нейтрализаторы — устройства в выхлопной системе автомобиля, которые устанавливают для снижения токсичности отработанных газов. Но, в отличие от последних, топливные элементы можно перерабатывать. В соответствии с недавними исследованиями, в будущем станет возможно заменить платину на более дешевый графен (кристаллы графита) или даже бактериальные ферменты.
Помимо предрассудков, на пути развития водородного транспорта стоят и реальные вызовы. Как ни странно, самым легкорешаемым из них является ограниченный срок службы топливного элемента. Сейчас его ресурса хватает примерно на 150 тыс. км, но научные лаборатории уже активно работают над его продлением, ведь топливные элементы имеют большой потенциал и вне транспортного сектора. Другой проблемой, напрямую влияющей на распространение водородного транспорта, является его дороговизна — та же Toyota Mirai в последней конфигурации стоит около $60 тыс. По мере увеличения производства цена таких автомобилей будет снижаться, но чтобы стимулировать спрос, необходимо создавать условия для их комфортной эксплуатации — то есть развивать заправочную инфраструктуру. Ускорить этот процесс поможет государственно-частное партнерство, заинтересованное в построении «водородного» общества. Правительство Японии, например, уже разработало дорожную карту, предполагающую установку 320 станций к 2025 году, и заручилось поддержкой консорциума из почти 20 компаний — Japan H2 Mobility (JHyM). Он взял на себя обязательство разместить 80 станций в течение ближайших четырех лет. Похожая организация существует в Германии (H2 Mobility Deutschland) и также пользуется поддержкой лидеров страны. На глобальном уровне развитию водородной инфраструктуры способствует Hydrogen Council — объединение 60 глав заинтересованных международных компаний. Будучи одним из крупнейших поставщиков водорода на различные рынки, Air Liquide входит во все три организации, и наши заправочные станции уже стоят у японских и немецких дорог, а также во Франции, Нидерландах, США и ОАЭ.
Проникновение водорода во все секторы экономики способно серьезно повлиять на будущее нашей планеты. Уровень парниковых газов снизится колоссально уже за счет перевода транспорта на водородное топливо, ведь на нем могут работать не только личные автомобили, но и автобусы, поезда, грузовики, вилочные погрузчики и даже самолеты и космические ракеты. Производство водорода с использованием излишков энергии, генерируемой возобновляемыми источниками, позволит устранить один из факторов, ограничивающих развитие альтернативной энергетики — проблему хранения. Более того, это обеспечит человечество достаточным количеством «зеленого» водорода для обогрева и освещения зданий (с помощью топливных элементов и водородных турбин), а также его использования в различных отраслях промышленности.
Вспомните, как легко человечество освоило добычу нефти и газа, выстроив на них всю мировую экономику, невзирая на пагубные последствия. А теперь представьте, какие возможности может открыть топливо, производимое и используемое без выделения вредоносных побочных продуктов. И упоминал ли я, что водород — самый распространенный элемент во Вселенной?