52 766 subscribers

Водородная энергетика: когда наступит будущее?

6k full reads
9k story viewsUnique page visitors
6k read the story to the endThat's 67% of the total page views
6,5 minutes — average reading time

Часть 1.

С этой статьи начнём кратко разбирать тематику водородной энергетики, её перспективы и проблемы.

Основы.

Водород - самый лёгкий и самый распространённый химический элемент в изученной нами Вселенной. Существуют три природных изотопа водорода, два из которых стабильны, и один радиоактивен:

«Протий» - самый распространённый и лёгкий изотоп водорода, ядро которого состоит из одного протона, имеет на орбитали 1 электрон.

«Дейтерий», или тяжёлый водород, состоит из одного протона и одного нейтрона + 1 электрон.

«Тритий» - радиоактивный изотоп водорода с периодом полураспада немногим более 12 лет, ядро которого состоит из одного протона и двух нейтронов + 1 электрон.

Изотопы водорода
Изотопы водорода
Изотопы водорода

Другие 4 известных изотопа водорода были синтезированы искусственно, и имеют очень малый срок жизни, в силу общей нестабильности элементов.

  • «Дейтерий» используют в атомной энергетике в качестве замедлителя нейтронов в тяжеловодных ядерных реакторах, работающих на природном необогащённом уране.
  • «Тритий» используется, по большей части, в военной и научно-исследовательской сфере, является сырьём для запуска термоядерного реактора.
  • А вот «Протий», который составляет более 99,9885% изотопов водорода в известной нам Вселенной, является кандидатом на роль новой энергетики.

Если во Вселенной распространённость водорода огромна (составляет примерно 75% всей барионной массы материи, и 92% всего вещества), то на Земле в чистом виде водорода практически нет. Дело в том, что водород активно формирует ковалентные связи, поэтому на Земле он встречается в связанном с другими атомами состоянии.

При «сжигании» в чистом кислороде единственные продукты сопутствующего выброса — высокотемпературное тепло и вода.

Выходит, что при использовании водорода не образуются парниковые газы, прочие загрязнения и даже не нарушается круговорот воды в природе!

Что такое водородная энергетика?

Само понятие «водородная энергетика» было сформировано в середине 1970-х годов.

Хотя впервые водород в качестве топлива для ДВС был применён в 1806 году. В СССР во время Великой Отечественной Войны, при блокаде Ленинграда, водород использовался на транспорте как альтернатива дефицитному бензину.

Направление водородной энергетики изучает полный жизненный цикл водородной отрасли, которая включает в себя: получение, хранение, транспортировку, полезное использование водорода, а также все сопутствующие проблемы каждого этапа в отдельности.

Однако, раньше 70-х годов особо никто не задумывался над водородной энергетикой. Тут можно проследить связь появления серьёзных работ по научным изысканиям применения водорода в энергетике и транспорте с мерами, принятыми в США и Европе (в середине 70-х) по экономии энергетических ресурсов и созданию первых стратегических нефтехранилищ. В это же время получили научный резонанс работы по изменению климата в связи с глобальным отеплением.

Фактически, бурное развитие исследований и разработок, проводимых в мире в области водородной энергетики и технологии, пришлось на период с 1974 по 1983 годы и являлось прямым следствием энергетического кризиса, охватившего в то время большое число промышленно-развитых стран.

Важной вехой в развитии водородной энергетики и технологии явились результаты экономических исследований, проведённых в конце 1980-х годов в американском НИИ чистой энергии при университете Майями. В них было проведено детальное обоснование подсчёта экономического ущерба от загрязнения атмосферы промышленными и транспортными выбросами, и предложена методика введения соответствующих поправок в экономические расчёты. С учётом данных поправок, экологическая чистота водорода сделала его использование потенциально рентабельным в целом ряде производств.

В целом, период с середины 1970-х до конца 1990-х годов характеризовался углублёнными исследованиями и разработками, заложившими научно-технические основы современных водородных технологий.

Встал вопрос о решении проблем климата, загрязнения окружающей среды, улучшение глобальной экологической обстановки. Наиболее перспективной стала идея водородной энергетики с переводом всего мира на водородную экономику. Эту проблему развивали и обсуждали на самом высоком уровне, например, в 2002 году Владимир Путин обсуждал развитие водородной энергетики с Джорджем Бушем.

Развитие водородной энергетики является одним из способов снижения антропогенных факторов на окружающую среду.

Да, именно так: водородная энергетика – это дорогая альтернатива традиционной энергетике, но более экологически чистая. Однако, этот факт почему-то упускается из виду даже адептами водородной энергетики.

Говорить, что водородная энергетика заменит все другие виды энергии, и что это наше энергетическое будущее – несколько опрометчиво. Правильнее будет сказать: водородная энергетика – это наше экологически чистое будущее.

Начало

В начале возникновения автомобильной промышленности было две ветви развития технологии:

1. Электромобили;

2. Автомобили с ДВС

Электромобили компании Томаса Эдисона. 1906 год, Манхеттен, США
Электромобили компании Томаса Эдисона. 1906 год, Манхеттен, США
Электромобили компании Томаса Эдисона. 1906 год, Манхеттен, США

Зарядная подстанция для электромобилей. Начало 20 века.
Зарядная подстанция для электромобилей. Начало 20 века.
Зарядная подстанция для электромобилей. Начало 20 века.

В конце 19-го века электромобили обладали преимуществом перед автомобилями с несовершенными ДВС. Они не шумели, не коптили, и очень просто запускались. Свинцовая батарея обладала хорошими энергетическими характеристиками для того времени. Однако с развитием технологии переработки нефти, сделавшей топливо дешевле, качественнее и доступнее, а также с появлением усовершенствованных ДВС, автомобили на двигателе внутреннего сгорания начинали постепенно вытеснять электромобили с их аккумуляторами, которые, по существу, не развивались.

В конце концов, электромобиль окончательно сдал свои позиции, и миром завладели автомобили с ДВС.

В конце 1980-х годов большинство крупных городов в мире стали зашумлены и задымлены. Причиной до 90% всех подобных загрязнений в городах являлся именно автомобиль с ДВС.

Автомобили конечно не единственные загрязнители атмосферы:  Кларк-авеню и мост Кларк-Авеню, скрытые промышленным дымом. Кливленд, штат Огайо, США, 1973 год.
Автомобили конечно не единственные загрязнители атмосферы: Кларк-авеню и мост Кларк-Авеню, скрытые промышленным дымом. Кливленд, штат Огайо, США, 1973 год.
Автомобили конечно не единственные загрязнители атмосферы: Кларк-авеню и мост Кларк-Авеню, скрытые промышленным дымом. Кливленд, штат Огайо, США, 1973 год.

Тогда начали периодически возвращаться к тематике электромобилей, однако технология свинцово-кислотных аккумуляторов практически не изменилась, а по удельной мощности они находились на уровне образцов, произведённых в конце 19-го века.

Но такие аккумуляторы были наиболее хорошо изучены и отработаны в производстве. Поэтому компания “General Motors” предприняла попытку снова создать серийный массовый автомобиль на электротяге, выпустив в 1997 году электромобиль «EV1».

Электромобиль «EV1», “General Motors”

На нём были те самые обычные свинцовые аккумуляторы, обеспечивающие 120 км хода по паспорту. А по факту пробег составлял скромные 70-100 км.

В этом же году на рынок выходит электромобиль японской компании “Toyota” - RAV4 EV с никель-металлической аккумуляторной батареей (27 кВт*ч), обеспечивающей паспортный запас хода до 160 км. и максимальную скоростью в 120 км/ч.

Электромобиль Toyota RAV4 EV 5, 1997 год.
Электромобиль Toyota RAV4 EV 5, 1997 год.
Электромобиль Toyota RAV4 EV 5, 1997 год.

Появление этих электромобилей связано с политикой властей Калифорнии, желающих улучшить в штате экологическую обстановку, которая была просто катастрофическая.

Водородная энергетика: когда наступит будущее?

Европа начала вводить экологические стандартны от «Евро 0» в 1988 году до «Евро 6» в 2015 году.

В 1992 году был изготовлен первый литий-ионный аккумулятор, однако пройдёт ещё 15 лет совершенствования этой технологии, прежде чем её впервые внедрит на свои электромобили компания «Тесла».

Появление электромобилей и введение экологических стандартов, постоянные научные исследования и изучение проблем климата, а также забота об экологии постепенно выводили водородную энергетику в лидеры экологической отрасли завтрашнего дня.

Тем временем, в водородной энергетике было намечено два направления:

  1. Первое — это непосредственное сжигание водорода в модифицированных ДВС.
  2. Второе (и более сложное) – совершенствование водородных топливных элементов.

Если не вникать в суть процессов, как это делали все строители электролизеров для автомобилей и так называемых ячеек Майера, то при сгорании водорода побочным продуктом должен быть водяной пар. Однако это не так, и подобный способ сжигания водорода не является экологическим чистым. А водородная энергетика преследует именно цель экологической эффективности и чистоты, иначе оправдать её применение при такой огромной стоимости по сравнению с традиционной энергетикой - невозможно.

Почему же так?

Если просто, то при сжигании любого вида топлива в атмосфере, будут образовываться оксиды азота. Это довольно сильное и токсичное загрязнение, образующееся при температуре выше 650 градусов Цельсия при взаимодействии кислорода и азота. Поэтому при сжигании водорода вместе с водой будет выбрасываться и загрязнение в виде окислов азота. Более того, КПД ДВС сильно ограничен, что снижает общую эффективность применения водорода.

BMW Hydrogen 7, топливом для которой может быть обычный бензин, или жидкий водород. 2008 год.
BMW Hydrogen 7, топливом для которой может быть обычный бензин, или жидкий водород. 2008 год.
BMW Hydrogen 7, топливом для которой может быть обычный бензин, или жидкий водород. 2008 год.

Второй путь – совершенствование топливных элементов. Сам по себе принцип действия топливного элемента был открыт в 1839 году.

Суть его в том, что химическая энергия топлива преобразуется в электрическую, минуя процесс горения. Тем самым повышается КПД преобразования энергии и надёжность процесса.

Следовательно, в водородном топливном элементе химическая энергия водорода непосредственно преобразуется в электрическую, окисляясь кислородом без горения.

Хотя топливные элементы были изобретены еще в XIX в., первые пригодные к практическому использованию образцы появились в начале 1950-х годов в Великобритании и ФРГ.

Схема топливного водородного элемента
Схема топливного водородного элемента
Схема топливного водородного элемента

Топливный элемент — гальваническая ячейка, вырабатывающая электроэнергию за счёт окислительно-восстановительных превращений реагентов, поступающих извне. При работе топливного элемента электролит и электроды не расходуются и не претерпевают каких-либо изменений. В нём химическая энергия топлива непосредственно превращается в электрическую.

Анимация работы водородного топливного элемента
Анимация работы водородного топливного элемента
Анимация работы водородного топливного элемента

Если сравнить энергетические характеристики водорода и бензинового топлива, то при "сжигании" 1 кг водорода выделяется 120-140 МДж энергии, а при сжигании 1 литра бензина топлива – 25-44 МДж.

Свойства водорода
Свойства водорода
Свойства водорода

Тут водород по энергетической эффективности в 3-4 раза превосходит традиционное топливо.

Toyota Mirai - современный водородный автомобиль. Оснащен водородным топливным элементом, с двумя баками для хранения водорода высокого давления ( 700 атмосфер). Автомобиль способен проехать паспортные 650 км ( реальные 350-400 км), на полной заправке ( 5 кг водорода).
Toyota Mirai - современный водородный автомобиль. Оснащен водородным топливным элементом, с двумя баками для хранения водорода высокого давления ( 700 атмосфер). Автомобиль способен проехать паспортные 650 км ( реальные 350-400 км), на полной заправке ( 5 кг водорода).
Toyota Mirai - современный водородный автомобиль. Оснащен водородным топливным элементом, с двумя баками для хранения водорода высокого давления ( 700 атмосфер). Автомобиль способен проехать паспортные 650 км ( реальные 350-400 км), на полной заправке ( 5 кг водорода).

Однако водород – это газ, причём самый легкий (почти в 15 раз легче воздуха) и, следовательно, очень летучий. Поэтому в 1 кубометре водорода содержится примерно столько же энергии, сколько в 250 гр. бензина.

И вот тут и начинаются проблемы, которые водородная энергетика пытается решить.

Более подробно про методы получения, хранения, перевозки и использования водорода расскажу в следующих статьях.

================================================================

P. S. Ссылки на источники теперь находятся в группе Вконтакте!

Часть 2. Водородная энергетика: методы получения водорода