Газ всему голова: как водород может заменить ископаемое топливо

Автомобильный мир готовится к отказу от двигателя внутреннего сгорания (ДВС). С 2025 года Audi прекращает разработку бензиновых машин. Volvo и Mercedes-Benz завершат их производство в 2030 году. Volkswagen — к 2035-му. А Норвегия объявила, что уже с 2025 года в стране запрещается продажа новых машин с ДВС.

У электромобилей много преимуществ: они проще в обслуживании, быстрее разгоняются, меньше шумят, а главное, не выбрасывают в атмосферу углекислый газ, вызывающий глобальное потепление климата. И всё же сами электромобили не гарантируют перехода к устойчивому развитию нашей технологической цивилизации. Вероятно, это лишь промежуточная, переходная технология, на смену которой вскоре придет другая — водородная.

Запасы электричества

Сегодня электричество, которым заряжают электромобили, по большей части вырабатывается на тепловых электростанциях. Так что выбросы CO2 не прекращаются, а лишь снижаются, поскольку у современных парогазовых установок КПД раза в два выше, чем у автомобильного двигателя.

Автомобильный мир готовится к отказу от двигателя внутреннего сгорания

Фото: ISTOCKPHOTO

Для полного избавления от выбросов CO2 надо повсеместно отказаться от сжигания ископаемого топлива. Такую возможность дает атомная энергетика, но доверие к ней упало после аварий в Чернобыле и на АЭС «Фукусима-1». Поэтому упор делается на развитие возобновляемых источников энергии.

Совокупная мощность солнечных и ветряных электростанций растет в мире на 15–20% в год. Они уже дают около 10% глобального производства электричества, а в некоторых европейских странах — более 30%. Однако солнце и ветер — нестабильные источники энергии, зависящие от погоды и времени суток. Чтобы уйти от ископаемого топлива, надо энергию сохранять про запас, а с этим пока проблемы.

Типичная батарея электромобиля весом полтонны хранит около 100 киловатт-часов энергии — примерно как 10 литров бензина. Понадобилось бы 20 млн таких батарей, чтобы держать месячный запас электроэнергии для Москвы, — по две штуки на каждого жителя. Их бы хватило, чтобы сложить пирамиду Хеопса. И стоила бы такая батарейка как все российские атомные электростанции, вместе взятые.

Подсмотрено у природы

Подход к решению этой проблемы подсказывает сама природа. За счет фотосинтеза растения запасают солнечную энергию в химической форме, и потом она расходуется по мере необходимости. Кстати, наше ископаемое топливо — это тоже древняя органика, захороненная в осадочных породах.

Биохимики давно пытаются реализовать искусственный фотосинтез. А естественный тем временем используется для производства биотоплива. И не страшно, что при сгорании этанола, биодизеля и биогаза выделятся CO2, ведь он не добыт из-под земли, а захвачен растениями из воздуха, куда и возвращается. Вот только справиться с нестабильностью солнечно-ветровой энергетики биотопливо не особо помогает: в нем не получается аккумулировать электроэнергию.

Однако не обязательно во всём повторять природу и запасать энергию в форме органики. Технологически удобнее использовать для этого чистый водород, получая его электролизом воды, то есть ее разложением на элементы под действием электрического тока. Обратную задачу решают топливные элементы, в которых водород, окисляясь, сразу дает электроэнергию, причем без горения и подвижных механических деталей. При этом в атмосферу выделяется лишь безвредный водяной пар.

Водородные баллоны занимают больше места, чем бензобак, но меньше, чем тяговая батарея электромобиля

Фото: bentrussell / ISTOCKPHOTO

Производить водород из воды можно там, где есть избыток чистой энергии — возле крупных ГЭС, офшорных ветропарков или в пустынных районах и на южных склонах гор, где максимально эффективны солнечные батареи. К месту использования его можно доставлять как обычное топливо. При этом водород универсален: можно не только получать из него электроэнергию, но и использовать его для отопления, в двигателях, в химической промышленности. Всё это выглядит очень элегантно, но на практике оказывается несколько сложнее.

Проблемы большие и малые

Любые преобразования энергии сопряжены с потерями, и сохранение энергии в форме водорода не исключение. В конце прошлого века промышленные электролизеры первого поколения (кислотные) теряли около 30% энергии, еще столько же пропадало в топливных элементах. На выходе оставалась лишь половина исходной электроэнергии.

Это неплохо, если сравнивать с ДВС, который использует лишь 25–30% энергии сжигаемого топлива, но для хранения энергии в масштабах мегаполиса маловато. Однако технологии не стоят на месте: в современных электролизерах (на протонообменных мембранах) и топливных элементах теряется уже только по 20%, то есть сохраняется две трети запасаемой энергии. А к 2030 году потери в крупных промышленных установках снизятся до 10–15% — сохраняться будет три четверти запасенного. Это уже приемлемо, учитывая, что через водородные хранилища станет проходить не вся электроэнергия, а только часть, компенсирующая разницу между ее производством и потреблением.

Правда, новые эффективные электролизеры могут привести к подорожанию мобильных телефонов, ноутбуков и телевизоров. В них в качестве катализатора используется иридий — редкий металл, необходимый при производстве ЖК-дисплеев. Добывать иридий на астероидах мы будем еще нескоро, как бы ни старался Илон Маск, так что решение придется искать на Земле. Возможно, его даст следующее поколение электролизеров (на твердых оксидах), в которых иридий не требуется. Они обещают фантастический КПД — выше 100% при условии работы с горячим паром. Закон сохранения энергии тут, конечно, не нарушается, просто в запас идет не только энергия электрического тока, но и часть тепловой энергии пара.

Долгое время применение водорода сдерживалось трудностями его хранения. В жидкую форму он переходит только вблизи абсолютного нуля и требует сложного криогенного оборудования. Применяют жидкий водород в основном в ракетной технике, где важно до предела уменьшить занимаемый топливом объем. Впрочем, в 2004 году компания BMW сделала гоночный автомобиль H2R на жидком водороде. На нем был установлен целый ряд рекордов, но больше он ни на что не годился.

Водород и экономика

Сегодня не менее 95% водорода в мире производится не электролизом, а из метана по нехитрой схеме: CH4 + 2H2O ➝ CO2 + 4H2. То есть с выделением углекислого газа. Этот процесс требует гораздо меньше энергии, чем электролиз. Поэтому «метановый» водород дешевле «зеленого» электролизного. Но как добиться, чтобы для заправки машин или отопления покупался и продавался именно «зеленый» водород? Ответ один: углеродный налог. Выбросы CO2 в атмосферу наносят прямой ущерб климату, а значит, всем жителям планеты. За такой ущерб следует платить компенсацию. И тогда окажется, что «зеленый» водород производить и покупать дешевле.

Водород и озон

Неизбежные утечки — еще одна претензия, которую предъявляют будущей водородной энергетике. Из-за малого размера молекул водород понемногу просачивается даже через толстостенные стальные трубы и баллоны. Метрового диаметра водородопровод высокого давления за сутки теряет сотни, а то и тысячи кубометров газа на километр длины. Прямой угрозы это не создает, но есть мнение, что водород будет разрушать озоновый слой, который едва удалось спасти от фреонов. Вопрос еще изучается, но опасность, по-видимому, преувеличена. Одна молекула водорода реагирует максимум с одной молекулой озона, тогда как фреоны были катализаторами, и каждая их молекула разрушала сотни и тысячи молекул озона.

Водород и безопасность

Сомнения в безопасности — одно из серьезных препятствий для развития водородных автомобилей. До сих пор часто вспоминают чудовищную катастрофу заполненного водородом дирижабля «Гинденбург» в 1937 году. Поэтому автопроизводители делают особый упор на безопасность.

Типичная батарея электромобиля хранит около 100 киловатт-часов энергии — это примерно как 10 литров бензина

Фото: Tramino / ISTOCKPHOTO

В Toyota, например, разработали для водородных баллонов высокого давления специальный полимер, армированный углеродными нанотрубками. В интернете можно найти видеозаписи, как водородные баллоны проходят краш-тесты, в них даже стреляют из автомата. Пуля, конечно, пробивает баллон, однако выходящий водород очень быстро рассеивается и не взрывается, даже если его поджечь. Опасен он только при утечке в закрытом помещении, например в плохо вентилируемом подземном паркинге.

Водородные авто

Для применения в автотранспорте подходит не жидкий, а сжатый водород, но и его хранить непросто. Поскольку водород почти в 30 раз легче воздуха, его надо закачивать в баллоны под очень высоким давлением. Первое время использовался стандарт 350 атмосфер, но тогда в 60-литровый баллон помещается всего 1,5 килограмма водорода, что позволяет проехать лишь 100–150 км. Сейчас водородомобили заправляют под давлением 700 атмосфер, что удваивает пробег. В Toyota Mirai ставится два таких баллона, вмещающих 5,5 кг газа. Рекорд автомобиля — 1003 км на одной заправке.

Водородные авто есть уже у многих производителей. По цене они сравнимы с электромобилями. Среди них есть гибриды, имеющие небольшую электрическую батарею для рекуперации энергии при торможении или спуске с возвышенности.

Если что-то и сдерживает развитие водородного транспорта, так это заправка. Пока стоимость водорода остается примерно такой же, как у бензина. Но с ростом масштабов производства водород будет дешеветь. Министерство энергетики США поставило амбициозную цель «1 1 1»: добиться, чтобы через 1 десятилетие (к 2030 году) 1 килограмм «зеленого» водорода стоил 1 доллар. Если цель будет достигнута, водородомобили обойдут по экономичности электрокары.

Нужно больше водородных заправок. Сейчас во всем мире их около 600 (сколько и обычных АЗС в Москве). Половина — в Азии, в основном в Японии и Южной Корее. Большая часть остальных — в Евросоюзе, в основном в Германии и Франции. Есть еще отдельные сети на Восточном и Западном побережьях США. Число водородных заправок растет на 20% в год. Такими темпами пользоваться ими станет вполне комфортно через 15–20 лет.

Зеленое водородное будущее

Первый водородный автомобиль на топливных элементах пошел в серию всего через шесть лет после первого современного электромобиля Tesla Roadster, однако в целом водородная энергетика отстает от альтернативной лет на 15–20. Но со временем отставание непременно будет наверстано.

Дело в том, что картина электромобиля, заряжаемого от солнечных электростанций, не так «зелена» и «устойчива», как это рисует реклама. Одни только солнечные и ветряные электростанции не смогут обеспечить всех потребностей экономики. Батареи электрокаров — это узкое место: они тяжелые из-за низкой плотности энергии, они дорогие из-за дефицитного лития, они медленно заряжаются из-за ограничений на силу тока и они трудны в переработке из-за неразборной конструкции.

С 2018 года в окрестностях Гамбурга началась коммерческая эксплуатация водородного поезда Coradia iLint

Фото: Kai Michael Neuhold / VG Bild-Kunst / ISTOCKPHOTO

Водород как энергоноситель свободен от всех этих недостатков. Как и другое топливо, его можно доставлять в отдаленные районы и использовать в автономных силовых установках, не подключенных к электросети, например на кораблях. Фактически водород позволяет сохранить все плюсы топливной энергетики, исключив главные минусы: выбросы парниковых газов и зависимость всего мира от нескольких стран с крупными месторождениями углеводородов.

Всё это напоминает историю с лампочками. Когда пришло время отказываться от неэкономичных ламп накаливания, то очень быстро раскрутилась технология компактных люминесцентных ламп. Но всего за десятилетие им на смену пришли гораздо более технологичные, экономичные и надежные светодиодные лампы. Нечто подобное ожидает и электромобили, когда водородная энергетика достигнет зрелости.

В «Газпром нефтехим Салават» ввели установку производства водорода. Она будет обеспечивать потребности компании в чистом водороде

И, кстати, солнечные и ветряные электростанции тоже могут оказаться переходными технологиями. Сейчас они решают острую проблему декарбонизации, но и сами не свободны от проблем: они занимают большие территории, меняют ландшафты и далеко не идеально экологичны в производстве и утилизации. Между тем в разработке сейчас находится другая водородная технология, которая в случае успеха может решить все эти проблемы, — управляемый термоядерный синтез. Но это уже совсем другая история.