Применение человеком водорода

Водород – самый распространенный элемент во Вселенной. Человечеству он был известен достаточно давно, но активное применение и разработка технологий с использованием этого газа начались лишь несколько десятилетий назад. Газ водород активно используется в самых разных областях промышленности, а в перспективе еще и в энергетике.

Почему водород — превосходное топливо

Водород — первый химический элемент в таблице Менделеева. Это газ с самой маленькой молярной массой — он легче воздуха в 14,5 раз. Обладает очень высоким коэффициентом диффузии, то есть отлично смешивается с любыми другими газами.

Это самый распространенный элемент во всей нашей Вселенной. В связанном состоянии водород находится в составе молекулы воды, так что на Земле с его доступностью также нет никаких проблем.

Как человек с образованием инженера-автомеханика по специальности «двигатель внутреннего сгорания», я считаю, что водород — уникальное топливо для автомобильного двигателя. От других видов топлива его отличают:

Что такое водород сегодня — применение водорода

С развитием технологий и возможностью получать газ в больших масштабах началось  широкое применение водорода в  самых разных областях:

Есть и более бытовое применение, знакомое каждому – перекись водорода. Этот состав также используют при отбеливании.

Водород активно применяется в качестве защитного газа при сварке. Процесс сварки неотъемлемо связан с целым списком технических газов, в чем вы можете убедиться лично в статьях соответствующего раздела

Как известно, кислород оказывает неблагоприятный эффект на сварной шов, понижая его прочность. Решением этой проблемы стали защитные газы, которые не допускают попадания воздуха в зону горения дуги. В число активных защитных газов как раз и входит водород. Применение этого газа в качестве защитного имеет несколько плюсов: равномерное ванны, возможность создания  аккуратного шва, высокая защита от большинства окислительных процессов.

Однако при водородной сварке предъявляются высокие требования к напряжению источника тока. Также применение водорода в качестве защитного газа может стать причиной появления пор в металле и холодных трещин. В плазменной сварке уже необходимо применение -водородной смеси с концентрацией последнего до 20%.

Баллоны с водородом изготавливают из углеродистой стали по ГОСТу 949 и окрашивают в зеленый цвет с красными надписями. Подробнее про металлические баллоны вы можете узнать здесь

При работе с водородом необходимо особое внимание уделять герметичности оборудования. Как говорилось ранее, газ при контакте с воздухом образует взрывоопасную смесь. Пределы колеблются от 4 до 75%. При высокой концентрации газ также способен вызвать удушье, поэтому перед началом работы необходимо ознакомиться с соответствующими правилами

С чего началось применение водорода на транспорте

Редко встретишь человека, который знает, что пионером в области массового применения водорода в качестве топлива для автотранспорта был Советский Союз.

В этом контексте чаще вспоминают Германию, Японию или США. Возможно, из-за того, что идея возникла в очень тяжелый период для нашего государства — во время Великой Отечественной войны.

Водородная лебедка для аэростата

Фотографии и коллажи блокадного Ленинграда, который в сентябре 1941 года был отрезан от остальной страны

С первых дней войны Ленинград подвергался массированным бомбардировкам. Чтобы защитить город, по всей его территории развернули так называемые посты аэростатных заграждений.

Аэростат — это легкая оболочка из прорезиненной баллонной материи, алюминированная снаружи и заполненная водородом. Его поднимали на тросе на определенную высоту. К тросу присоединяли взрывчатый заряд.

Кроме мины на тросе закрепляли небольшой парашют, благодаря которому трос глубоко врезался в корпус самолета и разворачивал его. Использовали и тандемы из дирижаблей, чтобы добиться большей высоты подъема

Посты аэростатного заграждения показали неплохую эффективность. Находясь на высоте километра и выше, аэростаты не давали немецким пилотам снизиться для прицельного бомбометания, поскольку они могли встретиться с тросом, зацепить взрывчатый заряд и погибнуть. В итоге бомбы сбрасывали на большей высоте, и точной атаки не получалось.

Сделать герметичную оболочку для водорода очень сложно. Газ постепенно выходил, взамен туда попадали кислород и влага, и аэростаты теряли подъемную силу. По регламенту раз в 20 дней их спускали на тросах и перезаправляли водородом. Для этого использовали лебедки, установленные на знаменитых грузовиках-полуторках.

Лебедку приводил в движение двигатель автомобиля, работающего на традиционном топливе — бензине. Однако уже с началом октября 1941 года поставки бензина в Ленинград практически прекратились.

Сначала аэростаты спускали вручную. Это был нелучший выход, так как служили на тех постах в основном молодые девушки. Потом предложили другое решение — использовать электродвигатели. Оно тоже не подошло: из-за эвакуации оборудования Волховской ГЭС город остался практически без электричества.

И тогда молодому лейтенанту Борису Шелищу пришла идея использовать в двигателе внутреннего сгорания вместо бензина гремучую смесь водорода с воздухом, которую брали из тех самых спущенных на перезаправку аэростатов.

Получив одобрение у руководства, он начал экспериментировать. На удивление двигатель отлично заработал на смеси водорода с воздухом. Правда, не обошлось без происшествий. Во время первых экспериментов сгорели два аэростата, взорвался газгольдер, а самого Бориса Шелища контузило. Тогда для безопасной эксплуатации воздушно-водородной смеси он придумал специальный водяной затвор, исключающий воспламенение при вспышке во всасывающей трубе двигателя.

В итоге уже к ноябрю 1941 года все ленинградские посты заграждения перешли на водородное топливо.

Первая зима (1941–1942 года) была самой тяжелой для жителей блокадного Ленинграда. Именно тогда погибло больше всего людей. Чтобы поднять дух защитников города, в январе 1942 года было принято решение сделать выставку достижений народного хозяйства. Борису Шелищу предложили поучаствовать — выставить полуторку на водородном топливе.

Выставка проходила в закрытом павильоне. Но во время работы автомобиля не чувствовалось запаха выхлопных газов, поскольку единственный продукт сгорания при сжигании водорода — это водяной пар.

В 1941 году Борис Шелищ оформил патент Советского Союза на свое изобретение — способ работы автомобильного двигателя на водородном топливе. Именно этот патент сделал нашу страну пионером в области водородной энергетики для автомобильного транспорта.

Надо отметить, что посты аэростатного заграждения переводили на водородное топливо и в Москве. Но к концу Великой Отечественной войны проблему с поставками бензина решили и забыли о водородном топливе на многие годы — до 1960-х.

Аэростат воздушного заграждения на Тверском бульваре в Москве во время Великой Отечественной войны. 1941 г.

Эксперименты советского автомобилестроения

На стыке 1960–1970-х годов в мире разразился топливный кризис. И в Советском Союзе начали активную работу по изучению альтернативных видов топлива, в частности водорода. Плодами этого труда стало множество интересных прототипов. Ниже приведу пару примеров транспортных средств, которые в качестве топлива потребляли водород в составе бензовоздушных смесей.

Это микроавтобус РАФ 22031:

Их должны были выпустить партией в 200 штук, но из-за политического кризиса дальше прототипа дело не пошло.

Кроме него к началу 1980‑х годов в СССР разные организации создали и испытали опытные легковые автомобили ВАЗ «Жигули», АЗЛК «Москвич», ГАЗ-24 «Волга» и ГАЗ-69, грузовые ЗИЛ-130, микроавтобусы УАЗ, работающие на водороде и бензоводородных смесях.

В Киеве одно время в опытной эксплуатации находились такси на базе «Волги» (ГАЗ-24), которые работали на смеси бензина с водородом. Добавление в смесь 5% водорода (по массе) обеспечивало прекрасные мощностные характеристики и увеличивало экологичность. Замеры токсичности показывали, что выбросы продуктов неполного сгорания — CO и СH — снижались в разы. Плюс на треть сокращалось потребление бензина, а общие эксплуатационные расходы падали на четверть.

Авиастроение

Ко всему прочему Советский Союз стал пионером и в области использования водорода в качестве топлива для авиационных двигателей.

Ниже на снимке самолет Ту-155 — экспериментальный вариант модели Ту-154. В нем для отработки всех возможных условий использования жидкого водорода один из трех двигателей оснастили водородной системой питания.

Этот самолет совершил 12 испытательных полетов, установив 14 мировых рекордов. А на конференции по использованию криогенных технологий в летательных аппаратах, которая проходила в Ганновере, известный американский авиационный инженер Карл Бревер оставил о самолете восторженный отзыв: «Русские совершили в авиации дело, соразмерное полету первого искусственного спутника Земли».

К большому сожалению, с началом перестройки и развалом Советского Союза работы, которые активно вели в 1970–1980 годы, приостановили.

Переход на топливные элементы

Начиная примерно с 90-х годов прошлого века в автомобилестроении начали активно говорить про использование водорода в топливных элементах, хотя до этого уже существовало несколько прототипов. В этом случае КПД силовой установки возрастает до 50–80%, что заметно выше 45%, когда водород горит в цилиндрах.

В настоящее время на рынке присутствует около десяти моделей водородомобилей на топливных элементах. Самый популярный — Hyundai Nexo. За восемь месяцев 2021 года по всему миру продали 5800 экземпляров этой модели — это 52% всех продаж водородных легковушек.

Способы получения водорода

В космосе над всеми элементами преобладает водород, однако на Земле встретить его в свободном виде практически невозможно.  В связи с этим существует несколько разнообразных технологий получения этого газа, каждая из которых имеет свои особенности.

В лабораторных условиях нередко пользуются древним способом – получая газ из кислот.  Пример, взаимодействие серной кислоты и цинка, в ходе которого выделяется H2. В качестве металлов могут подойти  и другие, например, алюминий. Однако полученный газ требуется еще дополнительно очистить.

В промышленных масштабах часто используется метод паровой конверсии с метаном или природным газом. В ходе сложных контролируемых химических реакций удается получить относительно чистый газ водород. После с помощью угольных фильтров достигается концентрация в 99,9%. Такой подход требует наличия крупных установок, но считается одним из самых эффективных.

В местах с дешевым электричеством может использоваться электролиз – разложение воды на водород и кислород. В воду добавляется небольшое количество солей, чтобы жидкость смогла проводить электричество. Технология позволяет получить не только водород, но и кислород, который также имеет большое значение в промышленном производстве. Единственный недостаток – большие затраты электроэнергии.

Среди других методов стоит отметить газификацию угля. Методика из-за доступности сырья успешно конкурирует с другими способами, но вызывает вопросы с точки зрения . Газификация сопровождается ощутимыми выбросами углекислого газа, из-за чего производства могут попадать под санкции.

Нередко можно встретить разработки по получению водорода в ходе разложения органических или неорганических веществ. Например, компания Ways2H предлагает специальную технологию утилизации бытовых отходов, в ходе которой без сгорания можно получить водород. По заявлениям представителей фирмы, с одной тонны сухих отходов вырабатывается от 30 до 150 килограмм водорода. Однако все подобные проекты пока находятся либо на стадии экспериментов, любо работают только на небольших тестовых площадках.

История водородного транспорта и проблемы массовой эксплуатации

Время на прочтение

За годы ВОВ около 600 таких полуторок (ГАЗ-ММ), что перед заградительным аэростатом, были переведены на водород

Мало кто знает, что впервые водород начали массово применять в автомобильных двигателях внутреннего сгорания в Советском Союзе во время Великой Отечественной войны. Его подавали в цилиндры полуторок из дирижаблей, у которых газовые смеси отработали свой срок. Делали это не от хорошей жизни, а исключительно из-за нехватки бензина, и с окончанием войны практика ушла в небытие. Однако в последующие годы водородная тема всплывала еще много раз.

Далее — краткая история водородного транспорта и подборка фактов о том, почему водород — превосходное топливо и почему он, скорее всего, не станет основным игроком в частном сегменте.

В основе исторической части статьи лежит лекция к. т. н. Евгения Захарова, заведующего кафедрой технической эксплуатации и ремонта автомобилей ВолгГТУ, которая прошла в волгоградской Точке кипения.

Когда водород заменит ископаемые энергоносители?

Хотя коронавирус помог человечеству снизить вредные выбросы в атмосферу в I полугодии 2020 на рекордные 9%, экологам праздновать победу рано, потому что, как говорят сантехники, «тут всю систему менять надо» — систему углеродной экономики, построенной на тотальном потреблении ископаемых энергоносителей. И если с новыми источниками мы определились (солнце и ветер), то с носителем их нестабильной энергии ещё нет. На эту роль претендует водород. В этот раз мы расскажем о его перспективах, а также о предсказании Жюля Верна, о ночном кошмаре Илона Маска, о самом большом в мире заводе «зелёного» водорода в Фукусиме и наших шансах на пенсии ездить до дачи на водородных электричках (шансы велики).

Построенное Toshiba предприятие Fukushima Hydrogen Energy Research Field в префектуре Фукусима — самый крупный в мире опытный завод по производству водорода через электролиз. Работы велись в рамках проекта «Hydrogen social construction technical development project/Hydrogen energy system technical development/Technical development concerning business model construction and the large-scale actual proof of a re-energy use hydrogen system» японской Организации по разработке новой энергетической и промышленной технологии (NEDO).

Жюль Верн в «Таинственном острове» в 1875-м году писал:
— Вода? — переспросил Пенкроф. — Вода будет гореть в топках пароходов, локомотивов, вода будет нагревать воду?
— Да, но вода, разложенная на составные части, — пояснил Сайрес Смит. — Без сомнения, это будет делаться при помощи электричества, которое в руках человека станет могучей силой, ибо все великие открытия — таков непостижимый закон — следуют друг за другом и как бы дополняют друг друга. Да, я уверен, что наступит день, и вода заменит топливо; водород и кислород, из которых она состоит, будут применяться и раздельно; они окажутся неисчерпаемым и таким мощным источником тепла и света, что углю до них далеко! Наступит день, друзья мои, и в трюмы пароходов, в тендеры паровозов станут грузить не уголь, а баллоны с двумя этими сжатыми газами, и они будут сгорать с огромнейшей тепловой отдачей. Следовательно, бояться нечего. Пока землю населяют люди, она их не лишит своих благ, ни света, ни тепла, она отдаст в их распоряжение растения, минералы и животных. Словом, я уверен, когда каменноугольные залежи иссякнут, человек превратит в топливо воду, люди будут обогреваться водой. Вода — это уголь грядущих веков.
— Хотелось бы мне поглядеть на всё это, — заметил моряк.
— Рано ты появился на свет, Пенкроф, — вставил Наб, до тех пор не проронивший ни слова.

Скептично настроенный моряк из робинзонады Жюля Верна «Таинственный остров» действительно родился слишком рано, чтобы убедиться в точности прогноза Сайреса Смита. Цель превратить водород в «уголь будущих веков» в большинстве программ разных стран должна быть достигнута к 2030-2050 гг. Значит ли это, что человечество уже прошло, скажем, две трети пути к водородной экономике? Попробуем спрогнозировать, но сначала разберёмся с хронологией.

Началось всё в 1776 году с открытия водорода британцем Генри Кавендишем, который реакцией цинка и соляной кислоты получил этот бесцветный газ. В 1800 году его соотечественники Уильям Николсон и Энтони Карлайл впервые провели электролиз — известную всем нам со школы реакцию разложения воды на водород и кислород с применением электричества.

Спустя 30 лет химик из Швейцарии Кристиан Шёнбейн и британец Уильям Грове провели обратный процесс — получили электричество из водорода и кислорода, построив первые в истории топливные элементы на водороде с кислотным электролитом.

В XX веке стало больше прикладных исследований. В 1920-е гг. в немецкий инженер Рудольф Эррен реконструировал двигатели внутреннего сгорания грузовиков, автобусов и подлодок так, чтобы они могли работать на водороде и его смесях. А британец Джон Холдейн впервые предложил использовать энергию ветра для производства водорода электролизом.

Катастрофа дирижабля «Гинденбург» в 1937 году, а затем Вторая Мировая война прервали на время исследования в этой области, хотя водород активно использовался, к примеру, в блокадном Ленинграде.

В 1970 году химик из США Джон Бокрис ввёл понятие «водородной экономики», предложив питать электросети американских городов энергией солнца, а в качестве её носителя использовать водород.

Все эти годы доступный и практичный газ активно осваивали в промышленности. Правда, о его экологическом потенциале не задумывались, поэтому большинство оставшихся в наследство от индустриальной эпохи способов получения водорода хотя и недорогие, но «грязные». О них далее.

Для чего и как его добывают?

С тех пор как Джон Бокрис предложил превратить водород в энергоноситель, мировой спрос на этот газ увеличился в три раза и достиг 70 млн тонн в год. По разным оценкам, к 2040-м годам показатель возрастет до 100-200 млн тонн в год. По подсчетам Международного энергетического агентства (МЭА), для нефтепереработки вырабатывают 33% этого газа, для получения аммиака и минеральных удобрений — 27%, для синтеза метанола — 11%, а для удовлетворения нужд сталелитейной промышленности — 3%.

А откуда берётся водород? Львиная доля добывается из природного газа (76%) и угля (23%). Из-за этого экологически безвредный H2 получается грязным для окружающей среды — его производители выбрасывают в атмосферу столько же углекислого газа, сколько Великобритания и Индонезия вместе взятые. Чтобы раскрыть экологический потенциал водорода, его нужно производить иначе.

В последние годы сложилась «цветовая» классификация водорода по виду источника для его производства:
— серый водород — из природного газа;
— синий водород — из полезных ископаемых, но с применением технологии захвата углекислого газа (Carbon Capture and Storage, CCS), о которой мы рассказывали здесь.
— чёрный водород — из угля;
— коричневый водород — из бурого угля;
— зелёный водород — из возобновляемых источников энергии (ВИЭ).

Теперь посмотрим, как именно производятся «разноцветные водороды» и сколько это стоит.

Сколько стоят разные виды водорода?

Начнём с ископаемых источников. Из природного газа водород производят реформингом — преобразованием CH4 путем эндотермической реакции с использованием водяного пара. Минус этой технологии — выбросы CO2, которые, впрочем, можно уменьшить до 90%, если применять технологии CCS.

Для справки: один кубометр водорода равен 0,08988 килограмма или 1,2699 литра и имеет примерно такую же энергетическую ценность, как треть литра бензина. Это означает, что сжигание 1 килограмма водорода высвобождает такое же количество энергии, как и сжигание 2,75 килограмма бензина.

«Серый» водород пока самый дешёвый. По данным МЭА, стоимость производства одного килограмма водорода 0,90–3,20 долл. США в зависимости от региона и технологии. Самая низкая цена на Ближнем Востоке (0,90 долл./кг), в США (1,00 долл./кг) и России (1,10 долл./кг) — выручают низкие цены на природный газ. В Европе и Китае получается дороже: 1,73 долл./кг 1,78 долл./кг соответственно.

«Синий» водород, вырабатываемый из природного газа с применением захвата CO2, дороже. На Ближнем Востоке он обойдётся 1,45 долл./кг, в США — 1,52 долл./кг, в России — 1,64 долл./кг, в Европе — 2,32 долл./кг, в Китае — 2,38 долл./кг.

«Чёрный» водород производят методом газификации — переработки твердого или жидкого топлива путем его окисления. Так делают в основном в Китае, где много дешёвого угля. При производстве «чёрного» водорода выбросы CO2 увеличиваются в два раза по сравнению с «серым». Но китайцев привлекает в нём цена — один килограмм «чёрного» водорода стоит 1,10 долл., а с применением захвата CO2 — 1,50 долл.

«Коричневый» водород также можно вырабатывать газификацией, но бурый уголь — пока редкость, поэтому говорить об усредненных ценах рано. Австралийцы хотят его использовать и, по их расчётам, стоимость одного килограмма «коричневого» водорода (с учётом CCS) составит 2,14–2,74 долл.

Конечную цену всех этих видов водорода в основном определяет стоимость сырья, и это главная проблема. Газ и уголь — исчерпаемые ресурсы, их цена волатильна, а «углеродный след» очень заметный. Поэтому с каждым годом всё привлекательнее и для экологов, и для экономистов идея добывать энергоноситель из воды, покрывающей 70% поверхности Земли.

Где его производить и сколько он стоит?

Электролизом пока производится менее 0,1% водорода, но именно этот метод предполагает использование возобновляемых источников энергии.

А энергии нужно много: по подсчетам МЭА, чтобы произвести электролизом текущий годовой объём водорода (70 млн тонн), нужно электричества больше, чем вырабатывает за год Евросоюз (3,60 тыс. ТВт·ч). Поскольку технология получается энергоемкой, стоимость «зеленого» водорода в основном зависит от цен на электричество.

К счастью, они снижаются: по данным Международного агентства по возобновляемой энергии (International Renewable Energy Agency, IRENA), в 2019 году средняя стоимость «солнечного» электричества снизилась на 13% до 0,07 долл./кВт·ч. Энергия морского и сухопутного ветров подешевела на 9% соответственно до 0,05 долл./кВт·ч и 0,12 долл./кВт·ч. Электричество, выработанное из ископаемых источников, в среднем оценивается в 0,066 долл./кВт·ч.

Со второй составляющей потенциального электролитического чуда (водой) попроще: на один килограмм водорода нужно девять литров воды. Соответственно, чтобы получить годовой объём водорода, понадобятся 617 млн куб. м воды — 1,3% мирового потребления H20 энергетикой. Вода нужна пресная, а морскую воду придётся деминерализовать. Впрочем, к цене одного килограмма водорода это добавляет всего 0,01-0,02 долл.

Сколько в итоге стоит «зелёный» водород? По данным Совета по водородной энергетике (Hydrogen Council), сейчас его цена в среднем равна 6,00 долл. за кг. МЭА даёт такую вилку: 3,00–7,50 долл./кг. Есть факторы, которые сильно влияют на стоимость «зелёного» водорода. Прежде всего, это регион.

Зачем в Фукусиме построили самый большой водородный завод в мире?

По подсчётам Совета по водородной энергетике (Hydrogen Council), чтобы один килограмм «зелёного» водорода стоил 1,00-2,00 долл., к 2030 году, нужно увеличить его производство до 12 млн тонн в год. Чем больше масштаб производства, тем ниже его удельные затраты.

Чтобы понять, как большое производство водорода можно интегрировать в существующую энергосистему, компания Toshiba построила самый крупный в мире опытный завод по производству водорода через электролиз, который питает энергия солнечной электростанции (СЭС). Он называется Fukushima Hydrogen Energy Research Field, FH2R. Завод находится в посёлке Намиэ (преф. Фукусима) и занимает площадь 220 тыс. кв. м. Он состоит из солнечной электростанции мощностью 20 МВт и электролизера с входной мощностью 10 МВт.

Опытный завод FH2R будет производить до 900 тонн водорода в год для питания машин и автобусов на топливных элементах, а также для собственных нужд. Выработка достигнет 1,20 тыс. куб. м в час, то есть в сутки продукции завода хватит на заправку 560 водородомобилей и энергию для 150 домов.

Кстати, о транспорте. Путь к водородной экономике, скорее всего, лежит через баки личных авто, автобусов и грузовиков, где водород заменит бензин. Как и когда это произойдёт?

Победят ли водородомобили «Теслу»?

Машины на топливных элементах — программа минимум водородной революции. Такой транспорт в центре внимания программ большинства принявших их стран.

Водород содержит больше энергии на единицу массы, чем природный газ или бензин, что делает его привлекательным в качестве транспортного топлива. Из плюсов ещё быстрая заправка (в отличие от электрокаров), больший запас хода (около 400 км при средних 250 км у электромобилей), низкий вес сырья, отсутствие выбросов CO2, более экологичная и простая утилизация топливных ячеек по сравнению с батареями электрокаров.

Сейчас по миру ездят более 25 тыс. машин на водороде — в два раза больше чем в 2018. В основном это Toyota Mirai (о которой мы однажды писали здесь, на «Хабре»), Hyundai Nexo и Honda Clarity Fuel Cell, хотя в Китае доминируют автобусы и грузовики. Но водородомобилей гораздо меньше, чем их прямых конкурентов — электрокаров на батареях, число которых приблизилось к 7,2 млн. Почему?

Во-первых, водородные машины дороже. К примеру, Toyota Mirai стоит 58,5 тыс. долларов США, а Tesla Model 3 — 35 тыс. долл. Дорогими выходят два основных компонента водородомобиля — топливные элементы и бак. Однако и эта проблема в перспективе будет решена увеличением масштабов производства. Если сейчас стоимость топливной ячейки для водородной машины составляет 230-180 долл/кВт·ч, то при увеличении их выпуска с 1 тыс. до 500 тыс. единиц в год она снизится до 45 долл/кВт·ч. Цена водородного бака при таком же увеличении масштаба снизится с 23 долл/кВт·ч до 14-18 долл./кВт·ч.

Во-вторых, есть проблема с заправками: их мало — 25 тыс. водородомобилей заправляются на 470 станциях, большая часть которых находятся в Японии (113), Германии (81) и США (64). Впрочем, со временем проблему решит развитие сети заправок.

Теперь о расходах на топливо. К примеру, в Германии 1 кг водорода на общественных заправках стоит 9,50 евро. Автомобиль на топливных элементах потребляет примерно один килограмм водорода на 100 км. Таким образом, затраты на топливо сопоставимы со средним бензиновым автомобилем, который потребляет 7 литров на 100 км.

В сумме капитальные и текущие затраты на водородомобиль оцениваются экспертами МЭА примерно в 0,65 долл./км, тогда как у электромобилей он составляет порядка 0,58 долл./км., но в перспективе они сравняются. По прогнозу Совета по водородной энергетике, личные авто станут конкурентоспособными к 2030 году при снижении цены водорода до 2,00 долл./кг. А что с другими областями применения водорода?

Когда начнётся эпоха водорода (и начнётся ли вообще)?

Эксперты Совета по водородной энергетике посчитали, при какой цене за килограмм водород станет конкурентной альтернативой другим энергоносителями с малым «углеродным следом».

Когда цена килограмма водорода опустится до 4,00-5,00 долл., конкурентоспособными станут грузовики и автобусы, курсирующие по длинным маршрутам. Причём это может произойти уже через 5 лет. С личными авто и фургонами ситуация иная: даже если цена водорода снизится, их стоимость может остаться высокой относительно электрокаров. Тогда покупать водородомобили будут только автомобилисты с приоритетами быстрой заправки и те, кто использует авто очень интенсивно, например, таксисты. Чтобы превратить маленькие авто в конкурентов Tesla, нужно снизить цену водорода до 1,00-1,50 долл./кг.

А вот электрички на топливных элементах уже вполне могут тягаться с обычными на маршрутах до 50 км с высокой частотой рейсов. Чтобы они сохранили привлекательность, доля расходов на топливо должна упасть с текущих 40-50% до 20-30%, что может произойти при цене 4,5 долл./кг водорода к 2030 году.

Совсем скоро (примерно к 2023 году) могут завоевать мир погрузчики, которые уже сейчас активно используются в Китае при цене 1 кг водорода в 7,00-9,00 долл.

По трубопроводам водород можно подавать в жилые здания. В этом случае он сможет заменить для электричества и отопления домов природный газ с применением технологии захвата углекислого газа. При снижении цены до 3,00-5,40 долл./кг водород становится более выгодным, чем другие системы отопления, скажем, на биометане. Но с природным газом без CCS водород справится только если будет стоить меньше 1,00 долл./кг. В качестве источника электроэнергии топливные ячейки на водороде станут конкурентными при цене 1,90 долл./кг.

Итак

Как видим, полностью водородной экономика к середине этого века всё же не станет. По прогнозу Международного совета по водороду, при цене 1,8 долл./кг водород сможет покрывать до 15% мирового спроса на энергию к 2030 году, а к 2050 году — 18%. По-видимому, мы, как и жюльверновский моряк Пенкроф, родились слишком рано, чтобы увидеть, как водород станет «углем эпохи». Скорее всего, этот газ будет играть важную роль в многофакторной энергетике и действительно заменит ископаемые в некоторых регионах и сферах применения, но ему ещё долго придётся конкурировать с другими источниками и носителями энергии.

«рождающий воду»

Поскольку как химический элемент водород был известен достаточно давно, то однозначного первооткрывателя установить невозможно. В истории сохранилось не так много записей и документов, которые могли бы дать ответ. Алхимики еще в 14-15 веках наблюдали в ходе определенных химических реакций выделение загадочного «горючего» газа, но еще не выделяли водород как отдельную составляющую.

Первые упоминания в научных работах датируются 1766 годом. Британский химик и физик Генри сумел выделить из кислот водород, после чего собрал газ в отдельной камере и поджег. В ходе этого эксперимента была получена вода. Также попытался определить массу водорода, что ему удалось сделать лишь с небольшой погрешностью.

Окончательное открытие признают за французом Антуаном , который с 1774 года также занимался исследованиями «горючего воздуха».  В ходе своих опытов ему удалось определить, что в ходе  синтеза водорода и кислорода получается именно вода, молекулярное соединение. Считается, что именно дал название элементу «», от греческого «рождающий воду».

А вот русское название химическому элементу выдал Михаил Соловьёв в 1824 по аналогии с «кислород».

Первое практическое применение водорода

Уникальные свойства этого газа быстро  нашли применение в нескольких сферах, в частности, в военной.   В 18 веке воздушная техника сводилась к шарам и дирижаблям. Наполняли емкости горячим воздухом, благодаря которому вся конструкция могла взлетать. Проблемой было то, что воздух требовалось поддерживать горячим, иначе он терял свою подъемную способность.

Газ водород в этом плане был намного выгоднее – он всегда оставался легче воздуха, но наоборот требовал повышенной защиты от огня. Почему не использовали гелий? На тот момент производство этого газа было непомерно дорогим, поэтому о наполнении таких больших объемов как в дирижаблях речи не шло. Сегодня же гелий куда более доступный и активно используется в самых разных сферах

История дирижаблей на водороде ассоциируется с именем  фон Цеппелина, который создал модели LZ-1, LZ-2 и LZ-3. Последнюю заметили военные, после чего эти воздушные суда начали активно использоваться в военных действиях в ходе Первой мировой войны, а также в пассажирских перевозках. Дирижабли без особых проблем могли совершать длительные полеты, в том числе через Атлантический океан.

Водород не только подарил новую жизнь воздушным судам, но и стал причинной их гибели. Газ легко воспламенялся, из-за чего каждый дирижабль фактически становился потенциальной бомбой. Конец эры этих монстров датируется 1937 годом,  когда в США загорелся и рухнул дирижабль «

Пять проблем, мешающих водороду стать массовым

Использование водорода в качестве топлива для автомобильных двигателей связано с рядом проблем. Их нельзя не вспомнить, говоря о водороде как о возможной альтернативе бензину.

Проблема 1. Это очень дорого

Себестоимость производства водорода крайне высока. В чистом виде на Земле он практически отсутствует. Больше всего его в связанном виде, например в воде.

Все помнят простейшие опыты по электролизу воды, когда, подавая электроэнергию на два электрода, можно выделить водород. Как оказалось, это дорогое удовольствие. В таблице стоимость килограмма водорода при разных способах производства. Сравните с ценой бензина.

Даже учитывая, что по теплоте сгорания один килограмм водорода эквивалентен трем килограммам бензина, водородное топливо стоит в несколько раз дороже. Для самого дешевого способа производства — конверсии природного газа, в основном метана, разница вроде бы не очень велика. Но возникает вопрос: а зачем это нужно, если метан сам по себе отличное топливо для автомобильного двигателя?

Сейчас многие городские автобусы переводят именно на метановое топливо, потому что водород просто не может конкурировать с ним по цене. Хотя в борьбе за снижение выбросов CO2 получение водорода из метана методом пиролиза позволяет нивелировать выбросы углекислоты, которая в этом случае концентрируется в виде сажи.

Проблема 2. Сложно держать в автомобиле

Если водород сжать до давления 200 атм, то в одном литре будет всего 16 грамм вещества. Это значит, чтобы иметь достаточный запас топлива на борту автомобиля, нужно возить с собой баллоны очень большого объема (фактически мы будем возить только их).

Есть другой вариант — криогенные технологии. В качестве топлива для авиационного двигателя в Ту-155 использовали именно сжиженный водород. После сжижения в одном литре объема мы получим уже 70 грамм вещества. Но в сравнении с бензином и другими видами топлива это все равно на порядок меньше.

Стоит также вспомнить, что водород в жидком виде существует в очень узком диапазоне температур: от минус 252,87 до 259,14 ℃ — близко к температуре абсолютного нуля.

Чтобы сохранять водород при такой температуре, необходима высокотехнологичная криогенная емкость с уникальной тепловой изоляцией, не позволяющей теплоте извне проникнуть внутрь. Это дорогостоящее устройство.

Схема сосуда Дьюара

И даже у этих дорогих высокотехнологичных устройств нет идеальной тепловой изоляции. Специалисты фирмы BMW — пионера в области криогенных технологий для автомобильного транспорта — признаются, что водород все равно не выходит долго хранить в жидкой фазе. Каждый день один-два процента водорода теряются из-за испарения и последующей утечки. В итоге автомобиль, заправленный жидким водородом, весьма быстро останется с пустым баком. Это подтверждают, например, владельцы водородных гибридов Toyota Mirai.

Есть еще один способ хранения водорода — с помощью так называемых металлогидридных аккумуляторов. Это конструкция из сплава двух разнородных металлов — например, железа и титана или никеля и магния, — которая способна в определенных условиях задерживать водород (хранить молекулы газа внутри своей кристаллической решетки) и выделять его при нагреве, например с помощью отработавших газов.

Однако металлогидридные аккумуляторы стоят дорого, поскольку содержат цветные и редкоземельные металлы. Плюс они большие по массе и габаритам.

Проблема 3. Взрывоопасность

У тех, кто занимается водородной энергетикой, есть специальный термин в контексте этой проблемы — синдром Гинденбурга. Он возник после гибели знаменитого дирижабля в 1937 году.

Бум строительства дирижаблей пришелся на тридцатые годы прошлого века.

Дирижабль — это жесткий каркас с тканевой или прорезиненной оболочкой, заполненной газом для создания подъемной силы. В 1930-е годы их наполняли водородом. Сейчас для этого используют гелий, но на тот момент в Германии, активно занимавшейся дирижаблями, еще не было промышленных технологий его получения.

3 мая 1937 года экипаж Гинденбурга совершил привычный трансатлантический полет из Германии в США, высадил пассажиров в Вашингтоне и полетел в Нью-Йорк. При стыковке со станцией произошел взрыв. Как потом выяснило следствие, с большой вероятностью дирижабль воспламенился от искры, которая возникла при контакте его корпуса со стыковочной станцией.

Емкости с водородом сгорели буквально за считаные секунды, поскольку этот газ имеет самую высокую скорость сгорания. Тогда погибли несколько десятков человек: экипаж, пассажиры дирижабля и несколько людей на земле. После гибели Гинденбурга люди стали задумываться, насколько безопасно применять водород в качестве топлива для автомобильного транспорта.

Проблема 4. Отсутствие заправок

В мире больше 1,1 миллиарда автомобилей. К концу 2019 года функционировали около 2 тысяч водородных заправочных станций, и лишь 8% из них работали со сжиженным водородом. В России заправочные станции массово появятся лишь к 2025 году, а сейчас функционирует только одна.

Проблема 5. Низкий КПД

Обычный бензиновый ДВС имеет КПД порядка 20–40%, водородный ДВС — около 25%, электромобиль с системой на водородных топливных элементах — уже 60% и более. Другими словами, сжигать водород в цилиндрах экономически нецелесообразно, а вот получать из него электричество — уже выгоднее.

Но тут надо помнить, что если мы начнем считать КПД от первичного источника энергии до колес, т. е. от затраченной энергии на электролиз воды и до его окисления в топливных элементах, итоговый КПД составит около 30%. Ведь водород надо сначала получить, потом сжать — и все это энергозатратные процессы.

Теперь сравните этот процесс с простой зарядкой аккумулятора, где потери энергии будут как минимум в два раза меньше. И это мы еще не поднимаем вопрос стоимости обслуживания водородных установок и двигателей.

Физические свойства водорода

Что такое водород — это самый легкий элемент в химической таблице, поэтому занимает почетное первое место. Его ядро включает всего один протон и один нейтрон. Несмотря на повсеместное распространение во вселенной, в земной коре содержится всего около 1%.

Встречается элемент на Земле чаще всего в виде соединений с другими элементами. Реже в виде двухатомного газа H2, состоящего из пары атомов. В обычных условиях – это бесцветный, нетоксичный газ без какого-либо цвета и вкуса. В смесях с воздухом, кислородом, хлором или фтором при определенной концентрации может быть взрывоопасен.

Температура кипения составляет -252,87°С, а при -259,14°С происходит плавление. Наиболее распространенные соединения с водородом – это вода (Н2О), аммиак (NH3), сероводород (Н2S), метан (CH4), гидриды металлов и некоторые органические соединения.

А что дальше

Во всем мире грядет водородный бум, но к технологии остается много вопросов. История показывает, что подступиться к ней пытались не одно десятилетие. То, что водород будет в ходу, — факт. Но что-то мне (редактору этого блога) подсказывает, что он будет нишевым продуктом, используемым в отдельных областях и сценариях. Например, для хранения избытков электроэнергии от электростанций ВИЭ. Или в коммерческом транспорте: городских автобусах и грузовиках, поскольку им нужен минимум инфраструктуры.

Будущее водорода в мировой энергетике

Проблемы экологии вынуждают исследователей искать альтернативные источники энергии. Один из самых животрепещущих вопросов последних лет – водород в качестве автомобильного топлива. Главный плюс – отсутствие выброса вредных газов в атмосферу. В цилиндр двигателя поступает водород и кислород, которые в ходе реакции создают небольшой взрыв и двигают поршни. Побочный продукт в ходе этой реакции – обычная вода. Также выпускаются машины на электротяге, но с водородными ячейками, внутри которых формируется электрическая энергия при взаимодействии H2 и О2.

постепенно осваивают технологию на прототипах или тестовых машинах. Например,  уже были выпущены и протестированы такие модели, как RE, а также автобусы E-450 для аэропортов. Самым популярным и известным автомобилем на водороде можно назвать , которая активно продается на территории США, Канады и Японии.  Во многом популярность этой модели обоснована дотациями со стороны государства. Например, в США при покупке вы получали дополнительно 15 тысяч долларов на заправку водородом в течение трех лет.

Видео о водородной энергетике

Схожие предложения есть и от других компаний —

Несмотря на все достоинства водородной технологии, есть несколько важных «но». Во-первых, имеется масса вопросов относительно безопасности водорода в автомобильном транспорте. В отличие от бензина, водород легко может взорваться при контакте с воздухом, поэтому даже незначительные ДТП на дороге представляют опасность. Это вынуждает устанавливать дополнительные датчики и делать баки более ударопрочными.

Во-вторых, в мире образовалась проблема «яйца и курицы». Машины на водороде не появляются из-за отсутствия инфраструктуры, а ее не хотят возводить из-за небольшого количества машин. Разорвать этот замкнутый круг становится сложнее, учитывая конкуренцию со стороны электромобилей. По данным за 2020 год в мире насчитывается около 500 водородных заправок, в то время как станций для зарядки авто – больше 11 миллионов!

Несмотря на эти ограничения, многие уверены, что водород станет неотъемлемой частью энергетики будущего, так же, как он используется сейчас в пищевой и химической промышленности.

А больше информации о нашей компании вы найдете на сайте https://idealgaz.ru/.