Водородное топливо – близкое будущее

По мере того, как развитые страны перестраивают промышленный цикл, добиваясь резкого снижения выбросов в машиностроении, металлургии и других отраслях, в фокусе внимания оказывается транспорт: теперь он становится основным источником загрязнения окружающей среды. В числе альтернатив бензину, мазуту и дизелю специалисты все чаще рассматривают водородное топливо. Транспорт на водородном топливе появится уже через несколько лет. Производство водородного топлива начнется и в России. Благо, двигатели на водородном топливе у нас уже использовались.

Водородные технологии уже оцениваются в миллиарды

  В сентябре проект Blue Danube разместил заказ на производство водородных топливных элементов. Планируется, что все речные буксиры на Дунае будут работать только на водороде. Сумма заказа составляет €5,85 млрд. Столь серьезная цифра еще несколько лет назад показалась бы невероятной, но в 2020 году мало кого удивляет. Вот еще несколько сентябрьских событий из водородной индустрии:

• В Великобритании испытали водородный поезд HydroFLEX, его коммерческое производство начнется в 2023 году;

• В небе над Соединенным Королевством полетел первый водородный самолет, способный перевозить пассажиров;

• Австрия заявила о готовности осуществить пробные пассажирские перевозки водородным поездом;

• В Глазго запущен проект Green Hydrogen, предусматривающий перевод на водород всего городского хозяйства, – к 2030 году Глазго собирается объявить об обнулении выбросов.

Водородный двигатель не только для автомобиля

Речь идет о целом комплексе технологий, история которых началась не вчера. Водород открыт в 1766 году. Газ оказался невероятно горюч, и сразу появились идеи, а не использовать ли его вместо угля. Экологические соображения тогда мало кого волновали – привлекала возможность получить больше энергии из меньшего объема топлива. Уже в 1806 году Франсуа Исаак де Риваз представляет первую водородную «телегу» – конструкцию длиной шесть метров и весом в тонну. Искра взрывала воздушно-водородную смесь, в результате чего двигался поршень, который заставлял вращаться колеса. Однако прямое, непосредственное использование водорода как топлива не задалось. Причин было несколько: это и высокая себестоимость собственно водорода, который получали с помощью электролиза воды, и опасность самого двигателя.

Более чем через сто лет, в 1941 году, к водородной технологии обратились вновь. В блокадном Ленинграде не хватало бензина. При этом водорода было достаточно, поскольку в городе был завод по его производству. Водород использовался для наполнения заградительных аэростатов. Рассказывают, что в критический момент, когда с традиционным топливом стала совсем беда, инженер Борис Шелищ вспомнил, что в романе Жюля Верна «Таинственный остров» водород расхваливается как топливо будущего. Почему нет? Оперативно разработали технологию замены бензина смесью воздуха и водорода. Главное, обеспечить безопасность, для чего придумали специальную водяную заглушку, исключавшую преждевременный взрыв смеси. В блокаду по городу ездило примерно 600 автомобилей на водороде.

Но закончилась война, и о технологии снова забыли. Во-первых, внимание было сосредоточено на атомной энергии. Она была «в моде» и рассматривалась как «чистая». То, что от радиации можно умереть, люди знали, но полагали, что дело в дозе – в малых концентрациях радиация даже «полезна». Разрушительную силу атомного оружия оценивали в первую очередь по физической силе взрыва, почти без учета последствий радиоактивного загрязнения.

Второй причиной забвения водорода стало глубокое впечатление, которое произвела на общественность катастрофа немецкого дирижабля «Гинденбург» в 1937 году. Хотя инцидент с этим дирижаблем не является самой крупной воздушной аварией своего времени, он стал знаковым и поставил крест как на применении водорода, так и на развитии основанного на дирижаблях воздухоплавания в целом. У СССР был свой негативный опыт: в 1934 году с высоты 22 км рухнул стратостат «Осоавиахим-1», наполненный водородом. Хотя водород тут был ни при чем – шар просто обледенел – репутация у водорода в середине ХХ века была так себе.

Водородные технологии на новом этапе

Сегодня мы наблюдаем возрождение интереса к водородным технологиям, но, конечно, на принципиально новых технических решениях. То, что пророчество Жюля Верна сбудется и водород снова окажется в игре, было предсказуемо. В начале XXI века четверть мировых загрязняющих выбросов – это выбросы транспорта. На самом деле, наиболее серьезной проблемой оказываются даже не автомобили и самолеты, а морской транспорт. Двигатели судов чрезвычайно мощные и используют самые низкосортные виды топлива. Считается, что корабль (в пересчете на единицу мощности) в 700 раз более грязен, чем автомобиль.

К желанию разработать чистое топливо в нулевые годы добавились и другие, чисто экономические обстоятельства. Неслучайно примерно с 2005 года резко выросло количество работ по альтернативным источникам энергии. Напомним, что после войны в Ираке стоимость углеводородов резко поднялась. И хотя в 2010 г. цены испытали коррекцию, одновременно рынок вошел в длительную, токсичную для потребителей волатильность, связанную как с появлением на рынке сланцевой нефти из США, так и с действиями национальных и международных регуляторов.

Сегодня водородные технологии распадаются на две группы решений. Это, во-первых, применение разного рода газово-воздушных смесей, то есть прямое продолжение находок инженеров из блокадного Ленинграда. Во-вторых, это решения на основе электромобилей: в этом случае водород выступает как действующее вещество внутри аккумулятора.

Огромным преимуществом газовых смесей для мегаполиса является полное отсутствие выбросов твердых частиц. Показатели остальных видов выбросов – на уровне экологических классов 4–5. К тому же газовые двигатели существенно тише. Большинство «газовых» машин, которые вы видите на дорогах, работают на смеси пропана и бутана. Это вызвано тем, что переделка автомобиля под такое топливо очень быстра и дешева, да и заправок достаточно. Менее распространено применение метана, однако государство спонсирует переход на него, растет и число заправок. Разница между этими видами топлива в том, что пропан-бутан – сжиженный, а метан – сжатый, – объясняет автоэксперт Андрей Гречаник.

«Плюс сжиженного газа – он позволяет переходить на это топливо практически без переделок двигателя. Нужно лишь поставить дополнительный бак. Минус – сжиженный газ огнеопасен, он скапливается в полостях, может загореться и даже взорваться. Сжатый газ не так опасен: он в случае утечки просто выветривается. Другой плюс метана – он невероятно дешевый». Транспорт на метане, а также гибридные решения получили широкое развитие в Европе, особенно в сегменте малого коммерческого транспорта. В Москве метаном заправляется заметная доля автобусного парка. Для нашей страны, где метана много, это было бы прекрасное решение», – говорит Гречаник.

Как сделать водородный двигатель?

Прямое применение водорода в двигателе внутреннего сгорания возможно, но снижается эффективность двигателя. Небольшая переделка позволяет поднять эффективность даже выше, чем у мотора, работающего на бензине, но резко вырастают выбросы токсичных окислов азота, а сам двигатель из-за высокой внутренней температуры становится хрупким. Остаются и проблемы безопасности. На Западе кое-где можно увидеть на автозаправках надпись «Водород». Такие колонки предназначены для довольно распространенных там машин на биогазе.

В США и Европе продаются личные заправочные станции для фермерских хозяйств. Водород вырабатывается ночью, пока электроэнергия дешевая. Это позволяет снизить суточные колебания потребления электроэнергии. В России первая водородная заправка появилась в Московской области, и это пока экспериментальный проект – ее запустили ученые из Института проблем химической физики РАН. Сообщалось, что на заправку заехал единственный в регионе владелец машины на газообразном водороде.

Как снизить стоимость водородного топлива. Электроны и вода

Здесь мы пересекаем невидимую черту между технологиями. Упомянутая выше «единственная машина в регионе» – это Toyota Mirai, которая стоит на водоразделе между электромобилями и классическими водородными авто. Это электромобиль, да. Но его надо заправлять водородом, как обычно заправляют бензином. В топливном элементе внутри машины «выделяются электроны и вода, около 100 г на 1 км, она просто испаряется, и все – больше никаких выбросов», – говорит Гречаник. Сама машина не экстремально дорога (около $50 тыс.), но говорить об экономии все-таки не приходится, пока инфраструктуры производства водорода и заправки им, по сути, не существует, топливо, которое счастливому владельцу придется брать в самых невероятных местах, оказывается дороже электроэнергии, требуемой для электромобиля. Однако налицо и плюсы, которые сделают именно эту технологию одним из базовых решений завтрашнего дня. Помимо упомянутой быстроты заправки и большого пробега, это КПД: если у бензинового двигателя он составляет примерно 35%, то у водородного доходит до 85%, и это не предел.

Но водород старательно поддерживает репутацию «опасного парня». Как и в случае с дирижаблем «Гинденбург», инвесторов и рядовых пользователей насторожила авария. В нашем случае – в Норвегии летом 2019 года. Взрыв на водородной заправке в городе Сандвик заставил правительство запретить дальнейшие разработки технологии и закрыть водородные заправки до выяснения всех обстоятельств. Владельцы водородных автомобилей (в Норвегии их немало) ездили заправляться в Швецию и даже в Финляндию. Но вряд ли это остановит шествие водородных технологий по планете: и в США, и в Юго-Восточной Азии уже создана достаточная автозаправочная инфраструктура, автомобили продаются, пользователи довольны.

Первые попытки создания топливных элементов для транспорта были предприняты более полувека назад: в 1959 году компания Allis-Chalmers Manufacturing Company представила работающий на них трактор. Такие решения долгое время оставались прототипами: аккумуляторы очень дороги. Решительное снижение себестоимости топливных элементов произошло в 2010 г. и связано с развитием нанотехнологий, созданием новых материалов и т. д. Согласно выкладкам Международного энергетического агентства к концу столетия 25% транспорта будет питаться водородом. Объем рынка этой индустрии к 2050 году может достигнуть $2,5 трлн. Все это уже к середине столетия приведет к сокращению выбросов на 6 гигатонн в год.

Но главные изменения ждут рынок все-таки в сегменте коммерческого транспорта: корабли, самолеты, поезда. Примеров уже так много, что в коротком обзоре всего не перечислишь. Назовем лишь наиболее значимые кейсы. Два года назад в Германии компанией Alstom запущен первый водородный поезд Coradia iLint. Он движется со скоростью до 140 километров в час и от заправки до заправки может проехать тысячу километров. Весной этого года завершились испытания двух таких поездов. Результаты признаны успешными, и с 2021 года компания должна поставить железной дороге 14 составов. Инвестиции в проект составили €81 млн.

В августе компании CSIRO и Boeing представили исследование, согласно которому массовый переход авиации на водород произойдет уже в 2050 году (напомним, что действующий концепт водородного самолета первыми показали немецкие инженеры в 2016 году). Важным побудительным мотивом выступает требование Международной ассоциации воздушного транспорта сократить к этому времени выбросы на 50%. Уже с 2025 года начнется создание в аэропортах терминалов для заправки самолетов водородом. Инженерам предстоит решить задачу переделки самолетов дальних рейсов под новый вид топлива. Собственно, наметки уже есть: в сентябре Airbus представил дизайн трех водородных самолетов. Среди концептов есть и лайнер для трансатлантических перевозок.

В феврале сооснователь Microsoft Билл Гейтс заказал суперъяхту, движимую водородом. Жидкий водород хранится в баках. Стоит новинка $644 млн. Такие новости делают технологию модной, но на самом деле внедрение водорода в промышленное судоходство идет полным ходом. Пока в Петербурге любовались катамараном Energy Observer от Toyota (судно посетило город в прошлом году), гигантские танкеры оснащаются устройствами, вырабатывающими водород прямо на борту. Американским инженерам удалось собрать концепт грузовика, который делает то же самое. В конце 2019 года случилось переломное событие: Kawasaki спустила на воду первый в мире корабль для перевозки жидкого водорода. Без такого транспорта инфраструктуры не построить.

Летом опубликована Водородная стратегия ЕС: согласно документу к 2030 году Европу должны покрыть водородные газопроводы протяженностью 23 000 км. Стратегия отдает приоритет возобновляемому водороду, то есть газу, получаемому исключительно за счет чистых технологий (солнечная энергия, ветер). Однако на переходном этапе допускается производство водорода из ископаемого топлива. Правительство ЕС поддержит строительство до 2024 года 6 ГВт мощностей по производству возобновляемого водорода. Ожидается, что инвестиции в отрасль составят до €470 млрд к 2050 году.

Водородные технологии – это синтез решений

Пути действительно великих технологий редко бывают прямыми: после озарения, надежд и создания прототипов наступает период забвения, но рано или поздно – ренессанс. Как только водород был открыт, стало интуитивно понятно, что это практически идеальное топливо. Но потребовалось развитие множества сопутствующих технологий, прежде чем интуитивное перешло в практическую плоскость.

Согласно выкладкам Bloomberg NEF к 2050 году четверть генерации электроэнергии будет осуществляться с помощью водорода. Само его производство будет базироваться на использовании энергии ветра и солнца, себестоимость килограмма газа составит $0,8–1,6 (что сопоставимо с сегодняшними ценами на природный газ). Интересно, что более низкая себестоимость будет достигнута в странах, богатых солнцем: таким образом, у государств Африки появляется шанс занять хорошее место среди энергетических держав скорого будущего.

Возможно, нас ждет некий синтез «зеленых» технологий, которые в настоящее время предстают разрозненными и даже конкурирующими между собой. На эту мысль наталкивает, например, проект в городе Манила в Австралии. Там избытки солнечной энергии будут хранить в виде водорода. Его будет впитывать особый материал (борогидрид натрия), а при необходимости – отдавать. На мысль о синтезе технологий наталкивает и сама концепция производства одного вида чистого топлива с помощью другого.

События развиваются стремительно. Еще в середине нулевых годов можно было подшучивать над исследователями, которые превращали в топливо мусор, навоз и даже водку. К середине 2010 г. ирония превратилась в тревогу: стало понятно, что, с одной стороны, мировой энергетический рынок находится в сложнейшем положении, с другой – что климатические изменения уже невозможно игнорировать и требуются быстрые действия. Сегодня, особенно после сурового экзамена, который мировой экономике устроила пандемия, можно констатировать, что новая энергетическая эра наступает на наших глазах.

Автор: Лена Брессер