Перспективы водородной энергетики

Идея использовать водород в энергетике не нова. Еще в 80-е годы прошлого столетия были разработаны двигатели на водородном топливе. Сегодня в США, Японии и Китае приняты и реализуются национальные и международные программы по разработке элементов водородной энергетики, в том числе на возобновляемых источниках энергии. Экологический и энергетический кризисы могут сделать развитие водородной энергетики приоритетным направлением мировой экономики. Тезис "водород - топливо будущего" звучит всё чаще. Большинство крупных автопроизводителей проводит опыты с топливными элементами. Такие экспериментальные автомобили в большом количестве мелькают на выставках.  Лучшим горючим для топливных элементов считается водород, на практике же используются и иные его виды: природный газ, спирты (метанол, этанол), продукты газификации угля, переработки сточных вод и биомассы. Для обеспечения процесса получения электроэнергии одновременно с топливом на топливный элемент подается окислитель — кислород, как правило, из атмосферного воздуха. В топливных элементах преобразование энергии водорода в другой ее вид (электрическую) происходит без процесса горения и вредных выбросов, присущих традиционным источникам энергии, использующим углеводородное топливо. Выброс в топливных элементах — обыкновенная вода. Водородное будущее" автотранспорта эксперты связывают, прежде всего, с топливными элементами. Их притягательность признают все. Никаких движущихся частей, никаких взрывов. Водород и кислород тихо-мирно соединяются в "ящике с мембраной" (так упрощённо можно представить топливный элемент) и дают водяной пар плюс электричество. Ford, General Motors, Toyota, Nissan и многие другие компании наперебой щеголяют "топливоэлементными" концепткарами и собираются вот-вот "завалить" всех водородными модификациями некоторых из своих обычных моделей.  Водородные заправки уже появились в нескольких местах в Германии, Японии, США. В Калифорнии строят первые станции по электролизу воды, использующие ток, выработанный солнечными батареями. Аналогичные эксперименты проводят по всему миру. Считается, что лишь водород, выработанный экологически чистым способом (ветер, солнце, вода) действительно обеспечит нам чистую планету. Тем более, что, по подсчётам экспертов, "серийный" водород будет не дороже бензина.  Особенно привлекательным тут выглядит разложение воды при высокой температуре в присутствии катализатора. Между тем, есть ещё один путь внедрения водорода на автотранспорте - сжигание его в ДВС. Такой подход исповедуют BMW и Mazda. Японские и немецкие инженеры видят в этом свои преимущества.  Потеря в полезном пространстве также меньше у машины с водородным ДВС (хотя водородный бак и в том, и другом случае съедает часть багажника).  Эту потерю можно было бы вообще свести к нулю, если сделать автомобиль (с ДВС), потребляющий только водород. Но тут-то и проявляется главный козырь японских и германских "раскольников".  Ведь клиент сможет с чистой совестью купить подобную машину уже тогда, когда в регионе, где он живёт, появится хоть одна водородная заправка. И ему не придётся опасаться застрять поодаль от неё с пустым водородным баком. Меж тем, серийный выпуск и массовые продажи машин на топливных элементах долгое время будут сильно сдерживаться малым числом таких заправочных станций. Да, и стоимость топливных элементов пока велика. Кроме того, перевод на водород обычных ДВС (при соответствующих настройках) не только делает их чистыми, но и повышает термический КПД и улучшает гибкость работы. Дело в том, что водород обладает намного более широким, по сравнению с бензином, диапазоном пропорций смешивания его с воздухом, при которых ещё возможен поджег смеси. И сгорает водород полнее, даже вблизи стенок цилиндра, где в бензиновых двигателях обычно остаётся несгоревшая рабочая смесь.  Итак, решено - "скармливаем" водород двигателю внутреннего сгорания. Физические свойства водорода существенно отличаются от таковых у бензина. Над системами питания немцам и японцам пришлось поломать голову. Но результат того стоил.  BMW и Mazda сделали ход конём, предложив постепенный перевод автотранспорта на водород. Если построить машины, способные питаться и водородом, и бензином, говорят японские и немецкие инженеры, то водородная революция получится "бархатной". А значит - более реальной.  Автостроители двух известных фирм преодолели все трудности, связанные с такой гибридизацией. Как и для авто на топливных элементах, которым предрекают скорый рассвет, создателям машин с водородным ДВС нужно было сперва решить, каким способом хранить водород в автомобиле. Самый перспективный вариант - металл-гидриды - ёмкости со специальными сплавами, которые впитывают водород в свою кристаллическую решётку и отдают его при нагревании.  Так достигается самая высокая безопасность хранения и самая высокая плотность упаковки топлива. Но это и самый хлопотный, и дальний по срокам массовой реализации вариант.  Ближе к серийному производству топливные системы с баками, в которых водород хранится в газообразном виде под высоким давлением (300-350 атмосфер), либо в жидком виде, при сравнительно невысоком давлении, но низкой (253 градуса Цельсия ниже нуля) температуре.  Соответственно, в первом случае нам нужен баллон, рассчитанный на высокое давление, а во втором - мощнейшая теплоизоляция.  Первый вариант более опасен, но зато в таком баке водород может сохраняться долго. Во втором случае безопасность куда выше, но на неделю-другую водородный автомобиль на стоянку не поставишь. Точнее, поставишь, но водород хоть медленно, но будет нагреваться. Давление вырастет, и предохранительный клапан начнёт стравливать дорогое топливо в атмосферу.  Mazda выбрала вариант с баком высокого давления, BMW - с жидким водородом.  Немцы понимают все недостатки своей схемы, но сейчас BMW уже экспериментирует с необычной системой хранения, которую будет ставить на следующие свои водородные машины.  Пока автомобиль эксплуатируется, из окружающей атмосферы вырабатывается жидкий воздух и закачивается в промежуток между стенками водородного бака и внешней теплоизоляцией.  В таком баке водород почти не нагревается, пока испаряется жидкий воздух во внешней "рубашке". С таким устройством, говорят в BMW, водород в бездействующей машине может сохраняться почти без потерь примерно 12 дней.  Следующий важный вопрос - способ подачи топлива в двигатель. Но здесь сначала нужно перейти, собственно, к автомобилям.  Заметим, первый автомобиль на водороде BMW построила в 1979 году, но лишь в последние несколько лет фирма буквально взорвалась новыми водородными авто.

Вот прогноз. В последующие три года водородные заправки (хоть по одной) построят во всех западноевропейских столицах, а также на самых крупных трансъевропейских магистралях.  До 2010 года первые двухтопливные авто появятся в магазинах. В 2015-м на дорогах их будет уже несколько тысяч. В 2025 году четверть мирового автопарка будет питаться водородом. Какую пропорцию среди водородных машин составят машины с ДВС и авто на топливных элементах - деликатные немцы уточнять не стали.

Кто знает, быть может, водородная энергетика станет для мировой экономики тем, чем когда-то стала для нее нефть – новым технологическим прорывом.