Станет ли водород основным топливом?

Ежегодно в мире звучат разговоры о необходимости перехода на «зелёное» топливо — водород. Казалось бы, у такого топлива одни плюсы: экономичность, почти безграничный потенциал, да ещё и выбросов в окружающую среду практически не будет. Только вот предпринимают ли какие-то реальные шаги для достижения этой цели? Давайте разбираться.

Нефть и природный газ — главные источники энергии: на их долю приходится 80% мировых энергоресурсов. Понятно, что достигается эта цифра за счёт полезных ископаемых, что крайне вредно для окружающей среды. Сама добыча — удовольствие дорогое, да и разрушает экосистемы, так как при использовании такого топлива в атмосферу выделяется уйма углекислого газа.

Потенциально альтернативой привычным видам топлива может стать водород — его можно получить хоть из воздуха, хоть из воды. Да и для окружающей среды он практически безвреден: при его сгорании выделяется только пар. Его уже во всю используют для нефтепереработки и химической промышленности, но в «народ» такое топливо не идёт.

К слову, у нас в стране водородный двигатель разработали в годы Великой Отечественной войны, а в конце 80-х годов вообще был создан первый в мире самолёт с реактивным двигателем на жидком водороде. Использовали такое топливо и для космических ракет. Почему же мы до сих пор пользуемся тем, что есть, а не водородом?

Причин, почему мы ещё не перешли на такое «чудо-топливо», несколько: взрывоопасность, сложности в производстве, хранении и транспортировке.

С взрывоопасностью всё понятно: небольшое количество водорода в воздухе (примерно от 4 объёмных процентов) может привести к взрыву. Помимо этого, он может выходить даже сквозь твердые металлические оболочки, что приводит к утечкам — попробуй уследи за ним.

А вот с хранением вопрос сложнее: для перевозки в баллонах, цистернах и других ёмкостях водород нужно сжимать до образования кристалла. Только это энергозатратно: на сжатие и охлаждение водорода уходит до 40% энергии, которую потенциально он сможет дать. Из-за такой потери ресурса при прочих равных показателях природный газ выигрывает. К тому же, водород образует трещины в баллонах и, соответственно, улетучивается, поэтому хранить его в обычных условиях совсем невыгодно.

Вопрос хранения, ещё и в больших объемах, кажется удалось решить учёным из Сколтеха и научных центров Китая, Японии и Италии.

Учёные и хранение водорода

Новый сплав

Кроме сжатия и охлаждения водорода до кристалла, его можно удержать в пустотах между атомами металлов: например, в сплавах магния и никеля, что возможно благодаря их кристаллической решётке. В таких решётках достаточное количество водорода, а если нужно высвободить «зелёное» топливо, то металл просто нагревают. Вот только в такой сплав не удаётся поместить больше трёх атомов водорода на атом металла. А везти целый грузовик таких батареек и получить сравнительно мало энергии — попросту неудобно и экономическм невыгодно.

Поэтому учёные разработали специальное соединение гептагидрида цезия CsH7 и нонагидрида рубидия RbH9, в котором уже может уместиться от семи атомов водорода на один атом металла.

Богатое водородом твердое вещество боразан (боран аммиака NH3BH3) реагирует с цезием или рубидием. Получается соль — амидоборан цезия или рубидия. При нагревании соль разлагается на моногидрид цезия или рубидия и большое количество водорода. Поскольку эксперимент проходит в ячейке с алмазными наковальнями, которые обеспечивают давление в 100 тысяч атмосфер, выделившийся водород втискивается в пустоты кристаллической решетки низших гидридов с образованием полигидридов: гептагидрида цезия и двух вариантов нонагидрида рубидия с разной топологией кристаллической структуры. ртем Оганов Профессор Сколтеха

И вот как это получается: берут цезий и рубидий, у которых большой объём кристаллической решётки, решётки, затем под большим давлением прессуют водород, вследствие чего он там задерживается — вуаля, идеальная коробка для водорода готова. А чтобы сделать производство более простым и дешевым, хотят также провести эксперимент с большим количеством цезия и рубидия, но с меньшим давлением.

Особый томский порошок

Хорошо, вот придумали способ хранить большое количество водорода без преобразования его в кристаллы, но и это ещё не всё: в Томске разработали особый нанопорошок.

Сотрудники Томского политехнического университета (ТПУ) взяли алюминиевую проволоку, поместили её в специальную установку и пропустили сквозь неё большой ток — получился наноразмерный порошок. Затем вещество окислили, и на поверхности металла появилась оксидная плёнка, которая защищает от внешних воздействий. Сам нанопорошок смешали с гидридом магния, который и удерживает водород.

Технология уникальна тем, что позволяет менять параметры электрического взрыва проводников и, таким образом, варьировать структуру и характеристики самого нанопорошка. Кроме того, данную технологию получения порошков использует ряд предприятий, она отработана в промышленном масштабе. Это позволит легко и быстро масштабировать процесс производства материалов-накопителей на основе гидрида магния с добавлением нанопорошков металлов. иктор Кудияров Доцент ТПУ

В магнии может содержаться большое количество водорода, только вот при температуре в 400 градусов (которая необходима для выхода водорода) магний распадается. Поэтому и нужен оксид алюминия, который позволяет водороду выйти при более низкой температуре: начинается процесс уже при 117 градусах, а при 336 градусах газ полностью покидает материал.

Немаловажно, что такие наработки действительно могут массово использоваться, но удобно это будет скорее в больших производствах.

Одной проблемой меньше, но вот что делать с утечкой газа? Можно ли как-то это зафиксировать при помощи специальных датчиков? Да, можно. Для этого существуют специальные газоаналитические сенсоры термокаталитического типа, но у них высокое энергопотребление. Впрочем, эту проблему вроде как решили учёные из МГУ.

Оптимизированный датчик водорода

Обычный термокаталитический сенсор состоит из двух основных элементов: рабочего и сравнительного нагревательного в виде катушки. На поверхности рабочего элемента содержится катализатор окисления водорода, который постоянно нагревают для повышения сопротивления. При контакте с катализатором газ сгорает (без пламени), а колебание в сопротивлении элемента и резкое изменение температуры являются сигналом, что газ утекает.

К сожалению, такой датчик имеет высокую чувствительность, только если его нагреть до 400 °C, а это довольно энергозатратно. Учёные из МГУ решили сделать сенсор, который сможет определять утечку водорода ещё эффективнее, но при этом без столь большого расхода энергии. Более того, такой прибор будет ещë и компактней — всё благодаря фотолитографии и магнетронному напылению.

Размер активной зоны в нашем устройстве составляет всего лишь 150×150 микрон в латеральных направлениях и 30 микрон в толщину. В современных коммерческих и лабораторных датчиках эта зона в 3−4 раза больше. Миниатюрный элемент быстрее нагревается, поэтому мы можем использовать импульсный режим питания — в этом случае энергопотребление газового сенсора снижается в 50 раз по сравнению с аналогами. Вместе с тем мы сохранили показатели чувствительности и стабильности на уровне лучших приборов из тех, что сейчас есть на рынке. ирилл Напольский Ведущий научный сотрудник химического факультета МГУ

Итак, утёчку фиксировать теперь не проблема, водородные «батарейки» и порошок в наличии, а как обстоят дела с производством?

Производство водорода

Основной источник водорода — полезные ископаемые, а именно метан и уголь: стоимость вырабатываемого продукта низкая, а энергозатраты минимальны. Только в таком случае нужно очищать водород от диоксида углерода и различных примесей, а это сложно, да и куда их утилизировать потом непонятно.

Второй способ получения водорода — электролиз воды: под воздействием электрического тока вода распадается на кислород и водород. Технология эта не из дешёвых, поэтому только пару процентов от всего объёма приходится на электролиз. Когда говорят о том, что водород — безвредное топливо, подразумевается именно этот способ выработки, а не основной.

Помимо этих двух способов, есть ещё и новинки от учёных: например, можно добавить природный газ в газовый поток сталелитейной промышленности и получить водородосодержащий газ. Согласно расчётам разработчиков из Московского энергетического института (МЭИ), картина получается следующая: если металлургическое предприятие с объёмом производства 10 миллионов тонн стали в год будет использовать этот метод, то можно будет получить 92 тысячи тонн водорода с себестоимостью не более 7 рублей за кубометр. Звучит неплохо, согласитесь.

Для сравнения: в Калифорнии за килограмм водорода просят 36 долларов, и чтобы заправить Hyundai Nexo, который работает на водородном топливе, придётся заплатить 227 баксов. Так что, если учитывать все наценки (производство, транспортировка, прибыль заправки), то в России заправить такой автомобиль выйдет в несколько раз дешевле. Только вот насколько бы дешевле не делали, газ и бензин всё ещё остаются экономически выгоднее для потребителя.

Увы, но водород нескоро ещё станет основным топливом

Как бы учёные не старались сохранить природу и оптимизировать производство — нефть и газ всё равно выиграют. И это несмотря на то, что существует множество прекрасных идей как добывать и хранить водород безопасными для окружающей среды способами. А ведь мы рассказали только про Россию, а подобные разработки есть и в других странах.

Только кто будет готов менять весь газопровод для подачи в город водорода? Да и из нефти не только бензин из получают: всё производство настолько оптимизировано, что мало кто захочет от него отказываться. Большую часть оборудования нужно будет отправить в утиль или попытаться найти ему другое применение. Под водородное топливо потребуется создавать новые производственные цепочки, дорабатывать и шлифовать их, а это займёт не один год.

А это значит, что ценники на всё сразу взлетят до небес: только производители успеют потратиться, как народ сразу захочет вернуть всё обратно. Понятно, что никому такое счастье даром не нужно. Вот и получается, что вводить водородное топливо нужно плавно и постепенно, только как и когда? Пока это вопрос, на который нет ответа.