Что такое водородное топливо
Как работает водородный двигатель и какие у него перспективы
С 2018 года в ЕС действует запрет на дизельные автомобили новейшего поколения в населенных пунктах [1]. Это стало поворотным моментом в развитии рынка электрокаров, а также — гибридных и водородных двигателей.
Великобритания еще в 2017-м высказывалась за полный запрет бензиновых авто к 2040 году. Тогда же, если верить исследованию Bloomberg New Energy Finance [2], на электрокары будет приходиться 35% от всех продаж автомобилей. Уже к 2030 году Jaguar и Land Rover планируют довести число электрокаров в своих линейках до 100% [3]. Часть из них тоже работает на водороде.
История развития рынка водородных двигателей
Первый двигатель, работающий на водороде, придумал в 1806 году французский изобретатель Франсуа Исаак де Риваз [4]. Он получал водород при помощи электролиза воды.
Первый патент на водородный двигатель выдали в Великобритании в 1841 году [5]. В 1852 году в Германии построили двигатель внутреннего сгорания (ДВС), который работал на воздушно-водородной смеси. Еще через 11 лет французский изобретатель Этьен Ленуар сконструировал гиппомобиль [6], первые версии которого работали на водороде.
В 1933 году норвежская нефтегазовая и металлургическая компания Norsk Hydro Power переоборудовала [7] один из своих небольших грузовиков для работы на водороде. Химический элемент выделялся за счет риформинга аммиака и поступал в ДВС.
В Ленинграде в период блокады на воздушно-водородной смеси работали около 600 аэростатов. Такое решение предложил военный техник Борис Шепелиц, чтобы решить проблему нехватки бензина. Он же переоборудовал 200 грузовиков ГАЗ-АА для работы на водороде.
Первый транспорт на водороде выпустила в 1959 году американская компания Allis-Chalmers Manufacturing Company — это был трактор [8].
Первым автомобилем на водородных топливных элементах стал Electrovan от General Motors 1966 года. Он был оборудован резервуарами для хранения водорода и мог проехать до 193 км на одном заряде. Однако это был единичный демонстрационный экземпляр, который передвигался только по территории завода.
В 1979-м появился первый автомобиль BMW с водородным двигателем. Толчком к его созданию послужили нефтяные кризисы 1970-х, и по их окончании об идее альтернативных двигателей забыли вплоть до 2000-х годов.
В 2007 году та же BMW выпустила ограниченную серию автомобилей Hydrogen 7, которые могли работать как на бензине, так и на водороде. Но машина была недешевой, при этом 8-килограммового баллона с газом хватало всего на 200-250 км.
Первой серийной моделью автомобиля с водородным двигателем стала Toyota Mirai, выпущенная в 2014 году. Сегодня такие модели есть в линейках многих крупных автопроизводителей: Honda, Hyundai, Audi, BMW, Ford и других.
Как работает водородный двигатель?
На специальных заправках топливный бак заправляют сжатым водородом. Он поступает в топливный элемент, где есть мембрана, которая разделяет собой камеры с анодом и катодом. В первую поступает водород, а во вторую — кислород из воздухозаборника.
Каждый из электродов мембраны покрывают слоем катализатора (чаще всего — платиной), в результате чего водород начинает терять электроны — отрицательно заряженные частицы. В это время через мембрану к катоду проходят протоны — положительно заряженные частицы. Они соединяются с электронами и на выходе образуют водяной пар и электричество.
По сути, это — тот же электромобиль, только с другим аккумулятором. Емкость водородного аккумулятора в десять раз больше емкости литий-ионного. Баллон с 5 кг водорода заправляется около 3 минут, его хватает до 500 км.
Где применяют водородное топливо?
Плюсы водородного двигателя
Минусы водородного двигателя
Водород для топлива можно получать разными способами. В зависимости от того, насколько они безвредны, итоговый продукт называют [13] «желтым» или «зеленым». Желтый водород — тот, для которого нужна атомная энергия. Зеленый — тот, для которого используют возобновляемые ресурсы. Именно на этот водород делают ставку международные организации.
Самый безвредный способ — электролиз, то есть, извлечение водорода из воды при помощи электрического тока. Пока что он не такой выгодный, как остальные (например, паровая конверсия метана и природного газа). Но проблему можно решить, если сделать цепочку замкнутой — пускать электричество, которое выделяется в водородных топливных элементах для получения нового водорода.
Водородный транспорт в России
В России в 2014 году появился свой производитель водородных топливных ячеек — AT Energy. Компания специализируется на аккумуляторных системах для дронов, в том числе военных. Именно ее топливные ячейки использовали для беспилотников, которые снимали Олимпиаду-2014 в Сочи.
В 2019 году Россия подписала Парижское соглашение по климату, которое подразумевает постепенный переход стран на экологичные виды топлива.
Чуть позже «Газпром» и «Росатом» подготовили совместную программу развития водородной технологии на десять лет.
Главный фактор, который может обеспечить России преимущество на рынке водорода — это богатые запасы пресной воды [14] за счет внутренних водоемов, тающих ледников Арктики и снегов Сибири. Вблизи последних уже есть добывающая инфраструктура от «Роснефти», «Газпрома» и «Новатэка».
В конце 2020 года власти Санкт-Петербурга анонсировали [15] запуск каршеринга на водородном топливе совместно с Hyundai. В случае успеха проект расширят и на другие крупные города России.
Перспективы технологии
Вокруг водородных двигателей немало противоречивых заявлений. Одни безоговорочно верят в их будущее — например, Арнольд Шварценеггер еще в 2004 году, будучи губернатором Калифорнии, обещал [16], что к 2010 году весь его штат будет покрыт «водородными шоссе». Но этого так и не произошло. В этом отчасти виноват глобальный экономический кризис: автопроизводителям пришлось выживать в тяжелейших финансовых условиях, а подобные технологии требуют больших и долгосрочных вложений.
Другие, напротив, критикуют технологию за ее очевидные недостатки. Так, основатель Tesla Илон Маск назвал водородные двигатели «ошеломляюще тупой технологией» [17], которая по эффективности заметно уступает электрическим аккумуляторам. Отчасти он прав: сегодня водородным автомобилям приходится конкурировать с электрокарами, гибридами, транспортом на сжатом воздухе и жидком азоте. И пока что до лидерства им очень далеко.
Но у водородного топлива есть существенное преимущество перед электрическими аккумуляторами — долговечность. Если аккумулятора в электрокаре хватает на три-пять лет, то водородной топливной ячейки — уже на восемь-десять лет. При этом водородные аккумуляторы лучше приспособлены для сурового климата: не теряют заряд на морозе, как это происходит с электрокарами.
Есть еще одна перспективная сфера применения водородного топлива — стационарное резервное питание: ячейки с водородом могут снабжать энергией сотовые вышки и другие небольшие сооружения. Их можно приспособить даже для энергоснабжения небольших автономных пунктов вроде полярных станций. В этом случае можно раз в год наполнять газгольдер, экономя на обслуживании и транспорте.
Основной упрек критиков — дороговизна водородного топлива и логистики. Однако Международное энергетическое агентство прогнозирует, что цена водорода к 2030 году упадет минимум на 30% [20]. Это сделает водородное топливо сопоставимым по цене с другими видами [21].
Если вспомнить, как развивался рынок электрокаров, то его росту способствовали три главных фактора:
Водородные двигатели ждет примерно тот же сценарий. В Toyota видят главные перспективы [26] для водородных двигателей в компактных автомобилях, а также в среднем и премиум-классе. Пока что производство не вышло на тот уровень, чтобы бюджетные модели работали на водороде и оставались рентабельными. Современные водородные машины стоят вдвое дороже обычных [27] и на 20% больше, чем гибридные.
Водород — топливо будущего
Проекты по использованию водорода в качестве топлива будущего в нашей стране, похоже, переходят из области научной фантастики в практическую плоскость. Россия, известная как крупный поставщик на международном рынке нефти и газа, в скором времени будет поставлять на европейские рынки водород. Продажи его сейчас только начинают набирать темпы роста. По расчетам специалистов, к 2050 году потребность в водороде увеличится в десятки раз и займёт 15−20% всего мирового рынка энергоресурсов. Начиная с 2040 года, в Великобритании и странах Европы планируют прекратить продажу машин с бензиновыми двигателями. Это решение должно простимулировать эволюцию водородной энергетики и всей её технической составляющей в целом.
Засучив рукава, за дело берутся российские атомщики. Так, в конце 2018 года госкорпорация «Росатом» заявила о своём решении включить водородную энергетику в состав своих «приоритетных направлений технологического развития в составе отраслевого национального проекта». А в роли основного заказчика технических решений для потребностей атомно-водородной энергетики выступает АО «ВНИИАЭС».
Тут важно будет пояснить, что для атомщиков водород – это скорее побочный продукт технологического процесса, как и попутный газ у нефтяников. Скапливаясь, он становится опасным, и его проще сжечь, чем найти какое-то практическое применение. Ох, не зря смесь водорода с кислородом называется «гремучий газ». Даже небольшая концентрация примеси кислорода в водороде делает его взрывоопасным. На АЭС типа ВВЭР в активной зоне реактора и в системе защитных оболочек происходит радиолиз воды с выделением водорода. Для нейтрализации этого опасного явления и обеспечения взрывобезопасности АЭС используют различные системы контроля и газоочистки. Разработкой таких систем занимается АО «ВНИИАЭС», с богатым опытом работы в направлении водородной энергетики и большим числом собственных наработок. Водород нейтрализуют различными способами, но чаще всего сжигают.
Системой «дожигания водорода» оснащены некоторые АЭС в европейской части России:
Кольская АЭС – 4 энергоблока;
Ростовская АЭС – 2 энергоблока;
Балаковская АЭС – 4 энергоблока;
Нововоронежская АЭС – 2 энергоблока;
Калининская АЭС – 3 энергоблока.
По всей видимости, светлые головы учёных-атомщиков решили эту проблему так же, как и известный персонаж фильма «Кавказская пленница»: «Тот, кто нам мешает, тот нам поможет!»
Зачем понапрасну сжигать водород, решили атомщики, когда можно зарабатывать на его продаже. Тем более что в Европе сейчас спрос на него возрастает год от года.
В течение 2019 года в АО «ВНИИАЭС» запланированы формирование заявок на аванпроекты и проработка технических требований технологии выработки, накопления и транспортировки водорода.
Планируются следующие инновационные разработки:
• металлогидридный термосорбционный компрессор с давлением водорода на выходе 80 МПа и производительностью 108 нм3Н2/час;
• электролизер-генератор водорода производительностью 108 нм3 Н2/час;
• установки производства сплавов (сорбентов) производительностью 500 кг/сут.;
• блок производства метилциклогексана гидрированием толуола и логистического центра транспортировки и доставки продуктов ВКЭК (водород/ кислород) к потребителям и водород-хабу.
Также следует отметить проблему, существующую в энергосистемах с неравномерным графиком нагрузок в течение суток. Пиковые нагрузки днём чередуются спадами потребления в ночное время. Переключая часть мощности АЭС на генерацию водорода в периоды спада потребления, можно будет уравнивать графики потребления мощности. Режим работы с равномерным распределением нагрузки является наиболее предпочтительным для всего генерирующего электрооборудования.
В одном из проектов прорабатывается возможная дозагрузка генерирующих мощностей части АЭС в европейской части России для производства товарного водорода под нужды потребителей. Для этих целей рассматривается Кольская АЭС и готовящаяся сейчас к вводу в эксплуатацию ПАТЭС (плавучая атомная теплоэлектростанция) «Академик Ломоносов». Летом 2019 года ПАТЭС планируют разместить у берегов Чукотского АО, в порту Певек. Планируется, что ПАТЭС сможет заменить собой два крупных энергообъекта – Билибинскую АЭС и Чаунскую ТЭЦ.
В заявлении сказано:
Что касается тепла, выделяемого при сжигании водорода с кислородом, то стоит отметить высокую температуру горения этой смеси (почти 3000 градусов Цельсия) с выделением большого количества энергии (до 24 000 Дж/Г). Это свойство применяется при плавлении тугоплавких металлов, кварца и т.п., для создания сплавов, резки и сварки металла. При сжигании водорода не происходит образование вредных веществ, а образуется лишь вода.
Остановимся отдельно на водородных топливных элементах, чтобы читателю было понятно, о чём идёт речь. Можете представить себе батарейку с «бесконечным» зарядом, в которой источником энергии являются не те компоненты, из которых состоит батарея, а постоянно протекающие через нее газы — водород и кислород. Внутри топливного элемента происходит окислительная реакция (2H2 + O2 → 2H2O), а источником тока выступает движение электронов в ионной среде. В качестве катализатора здесь используется дорогостоящая платина, но в скором времени учёные её планируют заменить более дешевыми материалами на основе нанотехнологии.
Это не фантастика. Несколько лет назад начался первый серийный выпуск легкового автомобиля, работающего на водороде. Автомобиль имел гибридный электроводородный «двигатель». Энергия производится с помощью окислительной реакции водорода в электрохимическом генераторе. Вместо вредного выхлопа — вода.
Знакомьтесь, Toyota Mirai (что означает «будущее»). Мощность двигателя 154 л.с., крутящий момент 335 Нм. Время разгона машины от 0 до 100 км/ч всего 9 секунд. Заправка водородом занимает до 5 минут. В машине установлено 2 баллона высокого давления ёмкостью в 60 и 62,4 л водорода. Между прочим, сейчас практически каждый крупный производитель автомобилей ведет свои разработки на топливных элементах. Основным препятствием развития этого направления является отсутствие достаточного числа водородных АЗС, но это дело наживное.
Вот так это выглядит в реальности по всему миру.
Немцы даже выпустили детский набор H2-Sprinter, который представляет собой комплект: гоночный автомобиль с водородным топливным элементом, водородная заправка (электролизер) и солнечный модуль, вырабатывающий электроэнергию для электролиза.
Дети наливали из-под крана воду в «заправочную» станцию, ждали, пока солнце сделает всю работу, заправлялись и гоняли эту машинку на водородном топливе.
В Америке компания Hyundai в рекламных целях предлагает своим клиентам на Tucson FCEV заправляться водородом бесплатно.
А что, мы снова опоздали на этот «праздник жизни»? Где же наши разработки?
Об этом более подробно можно почитать здесь.
Серия экспериментальных автомобилей «Антэл»: был такой отечественный проект с участием отечественных НИИ и предприятий (концерн «АвтоВАЗ», РКК «Энергия» и др.). При разработке «Антэл-1» на базе ВАЗ-2131 все основные компоненты, разработанные, между прочим, для «Буранов», разместили в багажном отделении. Кроме водородных, в машине располагались и кислородные баллоны, что делало её эксплуатацию небезопасной. Тем более что рядом с кислородом находилось ещё и масло, повышая опасность возгорания и взрыва.
Следующую машину разработали на базе ВАЗ-2111, но главное — избавились от взрывоопасных баллонов с кислородом, заменив их воздушным компрессором. Машина стала значительно легче и улучшила свои характеристики. Пробег автомобиля до 350 км, максимальная скорость до 100 км/ч. Общий объём водородных баллонов — 90 л. Максимальная мощность электрического двигателя — 90 кВт.
Скорее всего, противниками проекта выступили крупнейшие нефтяные компании или наши злейшие друзья — «западные партнёры», хотя формально финансирование этих разработок на ВАЗ в 2004 году было прекращено из-за «сложного финансового положения». А когда в 2005 году сменилось руководство автозавода, то проект «Антэл» полностью свернул свою деятельность.
Теперь мы с завистью смотрим на зарубежные автомобили с водородными топливными элементами, когда могли бы их опередить в своё время. В других странах уже созданы электропоезда, яхты и даже самолёты на водородных топливных элементах. Да, они снова нас обогнали.
Наш президент совсем недавно говорил о необходимости «технологического прорыва» в развитии страны — так вот же эти технологии! Если мы их не будем внедрять, то это всё равно не остановит прогрессирующее развитие водородных технологий по всему земному шару. И всё-таки хочется надеяться, что мы будем не только продавать в другие страны свои углеводородные ресурсы или водород, а ещё и сами сможем в полной мере пользоваться «высокими технологиями» собственного производства.
Водородное топливо
LH2 является самым экологически чистым видом моторного топлива, поэтому его перспективы очевидны
Водородное топливо
В Австралии на бурых углях в штате Виктория отрабатывается технология технология газификации угля с последующим выделением водорода, вернее удаления серы, ртути и двуокиси углерода (СО2).
Водород
Водород (H) является самым распространенным элементом на Земле, но в обычных условиях он не встречается ни в виде водорода H, ни в виде газообразного водорода (H2).
Благодаря своим характеристикам он легко вступает в реакцию с другими органическими соединениями с образованием, например, воды (H2O).
Во время этой реакции образования воды из водорода и воздуха выделяется энергия, которую можно использовать в качестве электричества.
Чтобы сделать эту реакцию полезной для промышленного производства электроэнергии, необходимо произвести водород, например из воды путем разделения атомов на кислород и водород посредством электролиза.
Есть другие технологии:
Реакция взаимодействия водорода с кислородом происходит с выделением тепла.
Если взять 1 моль H2 (2 г) и 0,5 моль O2 (16 г) при стандартных условиях и возбудить реакцию, то согласно уравнению
после завершения реакции образуется 1 моль H2O (18 г) с выделением энергии 285,8 кДж/моль.
1 м³ водорода весит 89,8 г (44,9 моль), поэтому для получения 1 м³ водорода будет затрачено 12832,4 кДж энергии.
1 кВт*ч = 3600 кДж, поэтому получим 3,56 кВт*ч электроэнергии.
Целесообразность перехода на водородное топливо можно оценить, сравнив имеющийся тариф на 1 кВт*ч электричества и, к примеру, стоимость 1 м³ газа или стоимость другого энергоносителя.
Получение водорода
2NaCl + 2H2O → H2↑ + 2NaOH + Cl2
Конверсия с водяным паром: CH4 + H2O ⇄ CO + 3H2 (1000 °C) Каталитическое окисление кислородом: 2CH4 + O2 ⇄ 2CO + 4H2
Физические свойства
Химические свойства
Молекулы водорода Н₂ довольно прочны, и для того, чтобы водород мог вступить в реакцию, должна быть затрачена большая энергия:
Поэтому при обычных температурах водород реагирует только с очень активными металлами, например с кальцием, образуя гидрид кальция:
С большинством же металлов и неметаллов водород реагирует при повышенной температуре или при другом воздействии, например при освещении.
Он может «отнимать» кислород от некоторых оксидов, например:
Реакция восстановления противоположна реакции окисления.
Обе эти реакции всегда протекают одновременно как 1 процесс: при окислении (восстановлении) одного вещества обязательно одновременно происходит восстановление (окисление) другого.
С галогенами образует галогеноводороды:
F2 + H2 → 2 HF, реакция протекает со взрывом в темноте и при любой температуре, Cl2 + H2 → 2 HCl, реакция протекает со взрывом, только на свету.
С сажей взаимодействует при сильном нагревании:
Водородное топливо
Преимущества водородного топлива
В отличие от угля, бензина, мазута, природного газа и другого привычного нам топлива, водород при сгорании не образует токсичных выбросов — он совершенно экологически безопасен и не несет за собой никакого углеродного следа. Однако есть и минусы: это стоимость его производства и взрывоопасность. Из-за взрывоопасности водородное топливо пока не получило широкого распространения в повседневной жизни. Основная ставка делается все-таки на электротранспорт.
Автомобили на водородном топливе
На самом деле, история водородного топлива не нова. Первый двигатель, работающий на водороде, был создан еще в начале 19 века. В блокадном Ленинграде, когда бензин был непозволительной роскошью, военные техники использовали воздушно-водородную смесь в качестве топлива для работы аэростатов. Кроме того, в городе передвигалось около 600 автомобилей на водородном топливе.
Сегодня причина для использования водорода вместо бензина другая, но не менее важная: автомобили — одни из главных загрязнителей атмосферы. На разные виды транспорта приходится 25% всех выбросов углекислого газа в атмосферу. Известно, что автомобили с силовыми установками на водородном топливе уже производят Honda, Hyundai и Toyota, а такие автомобильные гиганты, как Audi, BMW, Ford и Nissan ведут собственные разработки водородных двигателей.
Водородное топливо в России
Не остаются в стороне и российские разработчики: вполне возможно, что наши автозаправки смогут в прямом смысле делать топливо из воздуха. В 2020 году специалисты уже разработали и даже подключили первый отечественный электролизный генератор газа, способный производить практически стопроцентно чистый водород. Такая заправка получает полную автономность, ведь топливо она получит из самого распространенного ресурса — воды. Получается, что в ближайшем будущем наши машины смогут заправляться водородным топливом.
Водородная Россия
Пока же на постоянной основе в России эксплуатируется единственный автомобиль на водороде – Toyota Mirai. Однако правительство России уже начало разрабатывать программу развития водородной энергетики. Это поможет радикально снизить выбросы углекислого газа. Перспектива вырисовывается следующая: к 2050 году, чтобы понизить температуру воздуха на 2 градуса, потребуется перевести на водородное топливо четыреста миллионов частных легковых машин, и это не считая общественного и грузового транспорта.
Программа «Водородная Россия – 2050» подразумевает несколько этапов реализации этого плана. Один из самых захватывающих — создание водородной трассы «Москва – Казань» со всей необходимой инфраструктурой, и, конечно же, широкое внедрение водородных автомобилей в стране.
Производство водородного топлива
Это довольно сложный, дорогой и трудоемкий процесс, из-за чего технология пока не получила широкого применения. Нет и понимания, как хранить и транспортировать водородное топливо. Решение этих вопросов потребует большого количества финансов и времени.
Для добычи водорода в промышленных масштабах нужно отстраивать огромные производственные комплексы, и не у каждого региона и даже страны есть такая возможность. Лидерами в этом вопросе считаются азиатские страны: Китай, Корея и Япония.
Китай планировал уже к 2025 году превратить печально известный город Ухань в водородную столицу страны, но пандемия отодвинула эти планы. В Корее специалисты проектируют водородные заправки таким образом, чтобы водитель мог без труда пересечь на водородном авто всю страну. Япония очень активно занимается продвижением автомобилей на водородном топливе. Страна ставит перед собой задачу радикально улучшить качество воздуха, сократив промышленные и транспортные выбросы, а заодно уменьшить зависимость от импортируемой нефти и газа. Кстати, именно Япония выпустила первый водородомобиль Toyota Mirai.
Так или иначе, автомобили на водородном топливе — это наше обозримое будущее. И, похоже, что огромный скачок развития такого транспорта происходит прямо сейчас. По прогнозам аналитиков, уже к 2025 году стоимость машин на водородном топливе сравняется со стоимостью обычных авто. А значит, нам будет проще сделать правильный и осознанный выбор, который поможет планете.