Водородный транспорт: технология будущего или полный провал?25.07.2017 09:35

На самом деле перевести автомобили, самолеты, корабли и локомотивы на водородное топливо — весьма привлекательная идея. Применение H2 не оставляет «углеродного следа». Легковой автомобиль Toyota Mirai, работающий на водородных топливных батареях, проезжая 100 км, производит около полуведра воды. И все! Никаких парниковых газов. Никаких токсичных выбросов. Разве это не прекрасная замена углеводородному топливу? Замена отличная, но проблема в том, что природа создала нам обширные месторождения нефти и газа, а вот месторождений водорода не существует. Самый легкий элемент таблицы Менделеева обильно наличествует в окружающем мире, но в виде соединений — в основном с углеродом и кислородом. Чтобы получить водород в свободном виде, требуется эти соединения разрушить, для чего необходимо затратить энергию, причем при нынешнем уровне развития технологий энергию намного бóльшую, чем мы сможем потом получить, утилизировав водород.

Излучение Солнца, приливы, ветер называют сегодня альтернативными источниками энергии, но водород в их ряду не стоит. H2 — это экологически чистое топливо, которое по сути является аккумулятором энергии, затраченной на его производство (за вычетом неизбежных потерь). Есть целый ряд ныне применяемых и перспективных технологий производства водорода, но основные подразделяются на два типа: оторвать водород от углерода и оторвать водород от кислорода.

Грязное чистое топливо?

Более половины водорода в мире производится методом паровой конверсии метана — это самый дешевый и доступный способ. В многоэтапном процессе с применением высоких температур и катализаторов молекулы метана разлагаются на водород и угарный газ (моноксид углерода). Поскольку в процессе используется ископаемое топливо, назвать полученный таким путем водород не дающим «углеродного следа» как-то не получается.

Другой достаточно распространенный промышленный процесс — это электролиз, знакомый всем еще по школьным химическим опытам. Здесь уже нет ни нефти, ни газа, ни угля — на кислород и водород разлагается обычная вода при приложении к ней электрической энергии. Но откуда эта энергия? Если рядом с водородным производством чадит тепловая электростанция на мазуте, то и здесь с «углеродным следом» будет все не очень хорошо. Визионеры энергетики будущего говорят о водородных фабриках, питающихся электричеством исключительно от ветропарков, солнечных электростанций и других возобновляемых источников. В этом случае появится действительно безуглеродная цепочка выработки топлива, но это потребует колоссального прироста генерирующих мощностей в сфере «зеленой» энергетики.

Производство водорода с применением биотехнологий

О судьбе «Гинденбурга»

Для тотального перехода на водород потребуются не только энергоресурсы для его производства, но и развитая инфраструктура для его транспортировки и хранения — трубопроводы, железнодорожные цистерны, морские танкеры, резервуары, автозаправки. Одна из главных причин несколько настороженного отношения общества к водородной революции заключается в том, что водород очень летуч и взрывоопасен. Там, где будет храниться, транспортироваться или использоваться водород, необходимо наличие высокочувствительных газоанализаторов, которые просигналят о малейшей утечке. Правда, сторонники активного использования водорода утверждают, что опасность преувеличена. В отличие от тяжелых газов типа метана, утекший из баллона легкий водород мгновенно поднимается вверх и развеивается. В пример приводят историю катастрофы дирижабля «Гинденбург», в котором вспыхнувший водород горел всего 32 секунды, что позволило 62 из 97 пассажиров не сгинуть в огне и выжить. Но в любом случае присутствие на улицах большого количества транспортных средств, в которых под давлением находится взрывоопасный газ, потребует нового уровня безопасности движения.

Все эти факторы, ограничивающие широкое применение водорода, свидетельствуют в пользу того, что переход на новое топливо будет происходить не очень быстрыми темпами. Продажи пионерской Toyota Mirai на водородных топливных элементах, начавшиеся в 2015 году, приблизились лишь к рубежу 3000 штук — и это на огромном рынке, в который входят не только Япония, но и США, ЕС, ОАЭ. Очевидно, что водород как топливо будет еще долго соседствовать как с традиционными углеводородами, так и с литий-ионными аккумуляторами (в электромобилях). При этом опережающими темпами водородные технологии смогут развиваться в отдельных наиболее перспективных нишах, например в сфере электрических БПЛА. Дело в том, что КПД водородного топливного элемента очень высок, за счет того что энергия, выделяемая при соединении водорода с кислородом, утилизуется непосредственно в электричество, без значительных потерь в виде тепла, как это происходило бы при сжигании топлива в цикле Карно. Используя энергию топлива по максимуму, БПЛА с топливным элементом может оставаться в воздухе гораздо дольше, чем беспилотник с сопоставимой взлетной массой, но питающий двигатель от широко применяемых литий-ионных аккумуляторов.

Твердый водород?

В нашей стране лидерами в создании водородно-воздушных топливных элементов (ВВТЭ) для БПЛА и не только являются Институт проблем физической химии ИПФХ РАН и Центральный институт авиационного моторостроения ЦИАМ им. Баранова. ВВТЭ ИПФХ в апреле 2016 года обеспечил рекордный полет длительностью 3 часа 10 минут октокоптера-концепта НЕЛК-88 совместного производства компании НЕЛК и ИПФХ РАН.

Схема размещения гранул «твердого водорода» в крыле БПЛА

Водородная бортовая система обладает очень хорошим ВВТЭ и эффективно работает, но с появлением на борту сжатого баллонного водорода возникли проблемы немалого веса и габарита. Кроме того, сохраняется вероятность утечки газа, что небезопасно. Новейшие сверхпрочные материалы и технологии до конца эту проблему не решили.

Чтобы иметь на борту водорода побольше и в более легкой системе хранения, пробовали перейти на сжиженный при температуре -253°C водород, плотность которого втрое выше плотности водорода, сжатого до стандартных для баллонных систем давлений 300−350 атм., что могло бы увеличить энергоемкость системы. Но проблемы с сосудом Дьюара, термоизоляцией, заправкой и т. п. от такой идеи заставили отказаться. Выход был найден, когда вспомнили о твердых металлических гидридах. В гидриде водород настолько плотно запакован, что о каких-либо его просачиваниях речи не идет. Поэтому «твердый» водород — это серьезный аргумент в решении проблемы безопасности и людей, и техники.

В разных гидридах — натрия, магния, бора и др. — водород в весовом отношении существует в разном количестве, и чемпионом здесь является боран аммиака (боразан) с 20%-ным содержанием водорода. Для получения необходимого для ВВТЭ газообразного водорода боран аммиака достаточно осторожно нагреть, чтобы не было его плавления с пенообразованием, до температуры 85−100°С. Получение такой температуры на борту БПЛА не проблема: до нее при работе, например, нагреваются ВВТЭ.

Полет на таблетках

Не так давно в этой сфере произошло два знаковых события. Первое — в самом начале февраля 2016 года, когда британская компания Cella Energy совместно с шотландской ассоциацией морских наук SAMS на полигоне в Аргайле провела успешные испытания твердоводородной технологии на беспилотнике-демонстраторе. По плану полет продолжался десять минут, БЛА поднимался на высоту 80 м.

Второе событие имело место в середине февраля 2016 года в Сингапуре, накануне открытия там Air Show 2016. Тогда серийный мини-БЛА Skyblade 360 UAV компании HES Energy Systems осуществил управляемый полет в течение шести часов и суммарно налетал 300 км со скоростью 50−55 км/ч. В обоих случаях разработчики использовали похожие технологии изготовления материала-носителя водорода и получения из него водорода газообразного.

Материал гидрида был изготовлен в виде гранул, которые размещались на печатной монтажной ленте, что делало удобным производить последовательный, от гранулы к грануле, их осторожный нагрев от бортового источника тепла. Гранулы компании Cella из бoрана аммиака имели квадратное сечение со стороной 1 см. Они были помещены в картридж-газогенератор цилиндрической формы, в котором после выделения газообразного водорода поддерживался необходимый уровень рабочего давления — кстати, небольшой. Технология «гранулы в картридже» позволяет масштабировать топливную загрузку в зависимости от конкретного задания, что обеспечивает гибкость в применении беспилотника.

Ничего не пропадет

При производстве гранул боразана использовалась технология наноструктурирования с получением наночастиц гидрида размером 4−6 нм (в 30 раз меньше размеров песчинки, как это было у компании Cella), и это способствовало высокой отдаче водорода. 1 г структурированной гранулы отдает с эффективностью более 90−95% 1 л газообразного водорода.

Но что делать с отработавшим картриджем, в котором после извлечения водорода из гидрида остается много полезного материала? Конечно, такой картридж никто не собирается выбрасывать, а оставшийся в нем остаток — полиборазилен — восстанавливают до состояния борана аммиака насыщением водородом в присутствии специального катализатора, например, на основе рутения. Уже имеется технология регенерации, по которой все происходит в «одном котле» — прямо в отработавшем картридже, что делает процесс безопасным и упрощает производственную цепочку.

Оценивая перспективы водорода как источника энергии, мы в основном опираемся на существующие технологии его производства и применения. Однако чуть ли не каждый день в этой сфере происходит что-то новое (что показывает стремительное пришествие «твердого водорода»), и, возможно, водородная экономика придет к нам в итоге в совершенно ином обличье.