Водородная энергетика, краткий исторический экскурс, перспективы и проблемы развития

Язык труда и переводы:
УДК:
661.961
Дата публикации:
17 января 2022, 00:27
Категория:
Секция 09. Космонавтика и устойчивое развитие общества (концепции, проблемы, решения)
Авторы
Лосицкий Владимир Петрович
Фонд поддержки детского технического творчества имени летчика-космонавта СССР Героя Советского Союза А.А. Сереброва
Поляхов Александр Дмитриевич
Фонд поддержки детского технического творчества имени летчика-космонавта СССР Героя Советского Союза А.А. Сереброва
Аннотация:
Рассмотрены перспективы и проблемы использования водорода как перспективного источника энергии. В связи с малой освещенностью данной темы в широкой общественно-информационной среде возникает множество трактовок и ненужных оптимистических ожиданий в решении данной несомненно перспективной задаче. Представлены наработки национальных и международных исследовательских центров в решении данной проблемы, показаны направления и опытные образцы промышленных изделий. Сделаны выводы о необходимости дальнейшего развития данной темы, очерчен круг задач для их решения. Отдельно вынесена проблема обеспечения пожарной безопасности и взрывной безопасности в связи физическими и химическими свойствами водорода.
Ключевые слова:
экология города, углеродный след, пиролиз водорода из метана, метод электролиза из воды, водород как источник энергии
Основной текст труда

Термин водородная энергетика  (ВЭ) приобрел в последние десять лет огромную популярность в мире науки, экономики и политики в связи с проблемой истощения невозобновляемых источников энергии — углеводородов, а также сильного загрязнения атмосферы при сжигании Анализ многочисленных публикаций на эту тему показывает, однако, что под этим термином часто понимается ряд различных программ.

Иногда в популярной литературе ВЭ противопоставляется «углеводородной» энергетике. Сразу необходимо отметить, что сфера водородной энергетики — downstream, то есть транспортировка, переработка и использование энергии, но не upstream (добыча первичного энергосырья). ВЭ лишь дополняет нефтяную, атомную или «возобновляемую» энергетику, но сама по себе не является новым источником энергии. Другими словами, водородная энергетика — это способ наиболее эффективного применения имеющихся источников энергии, повышения КПД их использования или получения иных преимуществ.

Будучи самым распространенным элементом на Земле и в космосе, водород (Н2) тем не менее остается почти невостребованным: если в 2018 г. в мире было добыто 4,4 млрд т нефти и 3,86 трлн м3 природного газа (метана), то объем производства водорода не превышает 70 млн т, т. е. объем его выработки в 6285 раз меньше, чем нефти, и в 5514 раз меньше, чем газа [1].

В свободном виде водород на Земле практически не существует, поэтому его надо производить. Остановимся на наиболее перспективных и широкомасштабных приложениях водородных технологий. Концепция экологически чистой водородной энергетики, часто называемая «водородной экономикой», включает:

  • производство водорода из воды с использованием невозобновляемых источников энергии (углеводороды, атомная энергия, термоядерная энергия);
  • производство водорода с использованием возобновляемых источников энергии (солнце, ветер, энергия морских приливов, биомасса);
  • надежная транспортировка и хранение водорода;
  • широкое использование водорода в промышленности, на транспорте (наземном, воздушном, водном и подводном), в ракетно-космической технике;
  • обеспечение надежности материалов и безопасности водородных энергетических систем.

Водород — не источник энергии, это средство преобразования других источников энергии в химическую энергию в форме запасенного чистого водорода, которую можно использовать впоследствии при его окислении. По сути,  резервуар или другой накопитель водорода в техническом смысле подобен аккумуляторной батарее или бензобаку, и поэтому сравнивать нужно не только КПД, но и другие параметры. Водород нужно произвести и преобразовать для получения конечной энергии, и то и другое требует энергии. Из ископаемого топлива, главным образом из нефти, в настоящее время в мире получают 96 % конечной энергии, причем углерод по-прежнему переводится в СО2, так что это не решает проблему выбросов [2].

В Соединенных Штатах 90 % чистого водорода получается из природного газа, с КПД использования 72 %. Это означает, что 28 % энергии, содержащейся в природном газе — метане, теряется, не считая энергии, которая расходуется на добычу и транспортировку природного газа до завода, производящего водород. Только 4 % водорода получают из воды посредством электролиза. Себестоимость производства водорода из воды (различные виды электролиза) в 3–6 раз выше, чем получение водорода из природного газа. Этот метод используют лишь тогда, когда необходимо получить особо чистый водород.

И так как большая часть электричества для электролиза производится с использованием ископаемого топлива с эффективностью 30 % и КПД электролиза составляет 70 %, то это означает, что затрачивается четыре единицы энергии для создания одной единицы водородной энергии. В результате мы получаем, что эффективность использования водородной энергии составляет приблизительно 20 % [3].

Цена водородного киловатта на электролизе сегодня составляет 13 центов. Целевой задачей всех национальных водородных программ является ее снижение. По данным МЭА, с 2010 г. в мире вводили в эксплуатацию около 10 МВт электролизеров ежегодно. В 2018 г. введено уже 20 МВт, а до конца 2021 г. ожидается ввод еще 100 МВт.  К 2025 г. в мире появится дополнительно 3205 МВт электролизеров, предназначенных для производства экологически чистого водорода — увеличение на 1272 % [4].  

Одна из главных причин переключения на водород — предотвращение глобального потепления, вызванного использованием ископаемых топлив. Когда энергия, расходуемая на получение водорода, берется из природного газа, производятся окислы азота, выпуск которых в атмосферу в 58 раз более эффективен для создания условий для парникового эффекта, чем углекислого газа. Использование угля сопровождается большими выбросами CO2 и ртути. Нефть — слишком мощный и полезный энергоноситель, чтобы использовать ее для производства водорода. Природный газ также слишком ценное сырье, чтобы делать из него водород.

Проблеме использования водорода как топлива уже 200 лет. Еще в 1820 г. В. Сесил в докладе Кембриджскому философскому обществу предложил использовать водород для привода в движение машин, а первый патент на двигатель, работающий на смеси водорода и кислорода, был выдан в Англии в 1841 г. 

В 1920-х гг. Г.Ф. Рикардо и А.Ф. Брустелл выполнили детальные исследования работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС) с внешним смесеобразованием на водородно-воздушных смесях. В этих работах впервые было обнаружено явление обратной вспышки, которым впоследствии занимались многие исследователи. В это же время началось и практическое использование водородных двигателей на дирижаблях фирмы «Цеппелин». Для них в качестве топлива использовался водород, наполнявший дирижабль.  В 1928 г. был проведен испытательный перелет такого дирижабля через Средиземное море.  Особое место в истории водородных двигателей занимают работы Р. Эррена, выполненные в 1920–1930-х гг. Р. Эррен впервые применил внутреннее смесеобразование в двигателях на водороде. Водород подавался в цилиндр через его стенку, что снижало опасность возникновения обратной вспышки. При этом у двигателя сохранялась система подачи основного топлива, и он мог работать на любом из топлив, а также на жидком топливе с добавлением водорода. Р. Эррен перевел на водород несколько типов двигателей, в том числе и дизельный, установленный на автобусе «Лэйлэнд». Успешная пробная эксплуатация этого автобуса происходила в пригороде Лондона. Р. Эрреном был разработан и испытан первый водородно-кислородный ДВС. На такте впуска в цилиндр подавалась смесь кислорода с водяным паром, на такте сжатия — водород. Образующийся при сгорании водяной пар частично возвращался на такте впуска в двигатель и частично конденсировался. Двигатель мог работать без наружного выхлопа, то есть был пригоден для использования в подводных лодках. В это же время в Германии использовались автодрезины, работающие на водороде. Последний производился на заправочных станциях электролизом воды. 

В период с 1920-х до начала 1940-х гг. весьма важные и обширные исследования реакции горения водорода в кислороде и воздухе в различных условиях были выполнены российскими учеными школы Н.Н. Семенова, учеными Германии, Англии, США. Таким образом, к началу Второй мировой войны были заложены научные и технические основы использования водорода как топлива. Развитие экспериментальных работ по созданию водородных двигателей было прервано войной.

Однако первый успешный опыт массового серийного использования водорода как топлива в автомобильных двигателях внутреннего сгорания был осуществлен во время Второй мировой войны в России (тогда СССР).

В 1941 г. на Ленинград наступала группа немецких армий «Север»,  которым  удалось отрезать город с суши и установить блокаду. Они стремились сломить сопротивление его защитников голодом, постоянными артиллерийскими обстрелами, наносили удары с воздуха. Блокированный Ленинград фактически оказался островом и организовал собственную оборону — на суше, на воде и в воздухе. Защита города от авиации противника кроме основных средств противовоздушной обороны обеспечивалась сотнями привязных аэростатов заграждения. Заполненные водородом и поднятые на высоту от 2000 до 4500 м гигантские резиновые «колбасы» не позволяли немецким самолетам снижаться для прицельного бомбометания.

Аэростаты приходилось периодически опускать, стравливать «отработанный» водород и заправлять чистым газом. В те дни воентехник младший лейтенант Б.И. Шелищ служил в мастерских по ремонту аэростатных лебедок. Они были установлены на двух сотнях автомобилях  ГАЗ-АА, которые  работали на бензине, но в условиях блокады бензин в городе стал такой же ценностью, как хлеб. Когда кончился бензин, Шелищ попробовал использовать для спуска аэростатов лифтовые электролебедки, но пока велось переоборудование, не стало и электричества. Б.И. Шелищ 21 сентября 1941 г.  обратился к командованию с рационализаторским предложением: подавать «отработанную воздушно-водородную смесь из приземлившихся аэростатов во всасывающие трубы автомобильных двигателей». Очень скоро, 28 сентября, состоялось заседание полкового бюро по рационализации и изобретательству, постановившего: «Считать предложение ценным и приемлемым. Поручить автору предложения приступить к опытной проверке своего предложения».

Первые испытания проводились в сильный мороз — до –30 °С. Несмотря на это, после включения зажигания двигатель, питаемый водородом, легко завелся и длительное время устойчиво работал. Не обошлось без происшествий. Во время опасных опытов сгорели два аэростата, взорвался газгольдер, сам Шелищ получил контузию. После этого для безопасной эксплуатации воздушно-водородной «гремучей смеси» он придумал специальный водяной затвор, исключавший воспламенение смеси при вспышке во всасывающей трубе двигателя. Многократные испытания действия гидрозатвора оказались успешными. Когда все убедились, что система работает нормально, командование приказало за 10 дней перевести все аэростатные лебедки на новый вид горючего. Круглосуточно работали смены бригад слесарей, сварщиков и рабочих других специальностей, изготовивших несколько сотен комплектов аппаратуры. В дальнейшем управление всеми аэростатами велось с «водородных» грузовиков, и работали эти грузовики лучше, чем на бензине [5].

В 1942 г. необычный автомобиль с двигателем, работавшим на водороде, демонстрировался на выставке техники, приспособленной к условиям блокады (об этом 17 января 1942 г. писала газета «Ленинградская правда»). Хотя двигатель несколько часов работал в закрытом помещении, посетители выставки не почувствовали ни дыма, ни гари, ни необычных запахов. Отработанные газы — обыкновенный пар — не загрязняли воздух.

За эту работу Б.И. Шелища в декабре 1941 г. наградили орденом Красной Звезды и командировали в Москву, чтобы использовать его опыт в частях противовоздушной обороны  столицы — 300 двигателей перевели на использованный водород. Во время войны техник-лейтенант Б.И. Шелищ оформил авторское свидетельство  на изобретение (патент) № 64209 от 28 июля 1943 г. И таким образом обеспечил приоритет нашей страны в развитии энергетики будущего. Он совершил гражданский подвиг и проявил при этом необыкновенную фантазию и изобретательность. Поражают сроки реализации его водородного проекта: всего за 10 дней на водород перевели 200 грузовиков, при величайшей надежности техники. За всю войну из-за утечек водорода взорвалась всего одна машина из 500.

После Второй мировой войны фундаментальные исследования процессов и разработки автомобильных двигателей на водородном топливе проводились во многих странах, в том числе в СССР (в НИИ энергетики Казахстана, Институте теоретической и прикладной механики (ИТПМ) СО АН СССР и некоторых других организациях), но активность исследований в этом направлении существенно снизилась. Дешевая нефть и не осознанные еще экологические последствия бурного развития автотранспорта на углеводородных топливах не оставляли места для развития водородных технологий в этой отрасли. Осознание необходимости их развития пришло в начале 1970-х гг., одновременно с первым нефтяным кризисом и резким обострением экологической ситуации в крупных городах. К этому времени относится начало активной фазы научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ  (НИОКР) по созданию водородных транспортных средств и инфраструктуры их топливообеспечения. К началу 1980-х гг. в США, Японии, Германии, СССР, Канаде и ряде других стран были созданы экспериментальные водородные автомобили с двигателями внутреннего сгорания, работающие на водороде, бензоводородных смесях, смесях водорода с природным газом и с различными системами хранения водорода на борту автомобиля: в виде гидридов интерметаллических соединений, в жидком и газообразном сжатом состоянии. 

В начале 1970-х гг. в Австрии К. Кордеш создал первый экспериментальный водородный электромобиль с водородно-кислородным щелочным топливным элементом (ТЭ) мощностью 6 кВт. Основной задачей работ в этом направлении в последующие годы стало создание эффективной и дешевой двигательной установки на основе водородно-воздушного топливного элемента. Активные исследования и разработки в области водородной энергетики и технологии начались в нашей стране в середине 1970-х гг. Они проводились по многим направлениям крупными научными коллективами под руководством В.А. Легасова, Н.Д. Кузнецова, A.M. Фрумкина, Р.Е. Лозино-Лозинского, А.А. Туполева, В.П. Глушко, В.П. Бармина, А.Н. Барабошкина, В.П. Белякова, А.Н. Подгорного и других выдающихся ученых и крупных организаторов науки.

Разрабатывались новые технологические процессы крупномасштабного производства водорода и водородсодержащих газов из природных топлив, воды и нетрадиционного сырья, методы и средства его хранения, транспортировки и распределения, технологии использования водорода и искусственных топлив на его основе в энергетике (в том числе, автономной), автотранспорте, авиации, ракетной технике, металлургии, химической промышленности и других отраслях народного хозяйства.  Была обеспечена координация фундаментальных и прикладных исследований по линии Академии наук и Государственного комитета по науке и технике (ГКНТ). Начиная с середины 1970-х гг. систематические исследования проблем использования водородного топлива для автотранспорта выполняли Институт проблем машиностроения (ИПМаш) АН Украины (Харьков), Научный автомобильный и автомоторный институт (НАМИ, Москва), НПО «Квант» (Москва), Институт атомной энергии им. И.В. Курчатова (Москва), институты Сибирского отделения Академии наук и ряд других организаций. Главными задачами этих исследований и разработок являлись снижение токсичности выбросов и повышение эффективности использования первичных энергоресурсов. Поскольку в крупных городах число автомобилей весьма велико и существует развитая инфраструктура их топливообеспечения, рациональным путем внедрения водородного топлива в автотранспорт было признано создание на базе существующих моделей автомобилей с ДВС, способных работать как на водороде, так и на бензоводородных смесях различного состава. Одновременно с этим разрабатывались двигательные установки для перспективных автомобилей с нулевым выбросом на базе водородно-воздушных топливных элементов и элементы инфраструктуры. 

В результате обширных экспериментальных исследований специалистами ИПМаша  АН УССР и НАМИ были детально изучены рабочие процессы в двигателях на водороде и бензоводородных смесях как с внешним, так и с внутренним смесеобразованием. Было показано, что главным фактором, вызывающим обратную вспышку, является контакт водородно-воздушной смеси с горячими остаточными газами в момент впуска, и разработаны пути подавления обратных вспышек. Созданы были универсальные системы питания автомобильных двигателей, обеспечивающие их устойчивую работу на водороде, бензоводородных смесях и бензине, и эффективные системы хранения водорода на борту на основе комбинации высокотемпературных и низкотемпературных металлогидридов. К началу 1980-х гг. в СССР различными организациями были созданы и испытаны опытные легковые автомобили ВАЗ «Жигули», АЗЛК «Москвич», ГАЗ-24 «Волга» и ГАЗ-69, грузовые ЗИЛ-130, микроавтобусы РАФ и УАЗ, работающие на водороде и бензоводородных смесях. Опытная эксплуатация бензоводородных автомобилей «Волга», осуществлявшаяся в Харькове с 1980 г., показала перспективность перевода части городского автотранспорта на бензоводородные смеси с содержанием водорода около 5 % по весу. При этом резко снижается токсичность выбросов, эксплуатационный расход бензина уменьшается на 35…40 %, а эксплуатационная экономичность повышается на 20…25 %. В 1986 г. Минавтопромом СССР было принято решение о выпуске и последующей эксплуатации в городах СССР опытной партии городских микроавтобусов РАФ (200 шт.), работающих на бензоводородных смесях. Однако это решение из‑за начавшихся политических процессов не было выполнено [7].

В 1970–1980 гг. в НПО «Квант» был выполнен цикл работ по применению топливных элементов (ТЭ) для городских электробусов на водородном топливе. Была решена задача создания щелочных ТЭ, работающих на водороде и воздухе. Найдено эффективное и изящное решение сложной проблемы создания активного воздушного электрода. Для этого был использован разработанный «Квантом» гидрофобизированный электрод с газозапорным слоем, активность которого в процессе работы поддерживается за счет избытка воздуха (с коэффициентом Kn ~ 2,5…3). Одновременно был решен комплекс электротехнических проблем, связанных с созданием системы электродвижения. 

В 1982 г. НПО «Квант» и заводом РАФ был создан первый в мире экспериментальный водородный микроавтобус «Квант-РАФ» с комбинированной энергоустановкой на основе водородно-воздушного ТЭ мощностью 2 кВт и никель-цинковой аккумуляторной батареи (5 кВт/ч), который был представлен на Московской международной выставке «Электро–82» и прошел экспериментальную эксплуатацию. На основе полученного опыта специалисты НПО «Квант» совместно с венгерскими партнерами разработали технический проект городского автобуса с энергоустановкой на основе водородно-воздушных щелочных топливных элементов. Однако этот проект, по тем же причинам, что и выпуск малой серии бензоводородных микроавтобусов, не был реализован [6].

Создание систем хранения водорода на борту транспортных средств имеет ключевое значение для развития водородных технологий на транспорте. В 1980-х гг. в нашей стране были разработаны опытные образцы таких систем (металлогидридных, газобаллонных, криогенных). Для автомобилей, работающих на бензоводородных смесях, приемлема разработанная в ИПМаше комбинированная система аккумулирования водорода с использованием низкотемпературных и высокотемпературных гидридов интерметаллических сплавов на основе FeTiVa (70…75 %) и Mg2Ni (25…30 %). Такая система обеспечивает минимальные весовые характеристики аккумулятора водорода и полную десорбцию водорода за счет утилизации тепловых потерь двигателя с охлаждающей водой и выхлопными газами. Изготовленные и испытанные ИПМашем несколько опытных металлогидридных аккумуляторов для различных автомобилей («Волга» ГАЗ-24, «Жигули» ВАЗ-2101, автопогрузчик, микроавтобус РАФ) прошли опытную эксплуатацию в составе транспортных средств и показали вполне приемлемые технические характеристики и соответствие нормам безопасности при запасе хода бензоводородных автомобилей до 300 км. Металлогидридные системы хранения водорода вполне приемлемы для бензоводородных автомобилей, автопогрузчиков, тракторов, подводных лодок, но по весовым характеристикам не подходят для транспорта, работающего на чистом водороде. Для таких автомобилей наиболее эффективны легкие композитные супербаллоны с весовым содержанием водорода примерно 8…10 % при давлениях 300…500 атм. Такие баллоны были разработаны в России для авиационной техники и вполне могут быть использованы в автотранспорте. 

Исследовались также и возможности создания криогенных систем хранения жидкого водорода на борту автомобиля. Экспериментальный автомобиль РАФ с криогенной системой хранения водорода испытан на полигоне НАМИ. По результатам этих работ в НПО «Криогенмаш» был разработан экспериментальный криогенный бак для хранения жидкого водорода на борту автомобиля. Однако дальнейшего развития после 1985 г. эти работы не получили.  Главными задачами сегодняшних отечественных разработок в области водородной энергетики и технологии являются создание компактных и дешевых топливных элементов с ресурсом более 10 тысяч часов, надежных и дешевых систем хранения водорода на борту автомобиля, обеспечивающих запас хода 400…500 км, бортовых конверторов углеводородных топлив, усовершенствованных элементов инфраструктуры, новых и усовершенствованных технологий производства водорода и его использования в энергетике (в том числе автономной и основанной на возобновляемых энергоресурсах), авиационно-космической технике и других отраслях народного хозяйства, систем обеспечения безопасности [7].

В этих направлениях в последние годы получен ряд важных результатов. Созданы опытные образцы ТЭ с твердополимерным электролитом на базе отечественных мембран мощностью до 10 кВт, разрабатываются такие ТЭ мощностью до 200 кВт для автотранспорта, организовано опытное производство отечественных мембран на основе твердополимерного электролита, созданы компактные электролизеры с твердым полимерным электролитом на повышенные давления с энергопотреблением 3,9…4,2 кВт/ч/нм3 H2 производительностью до 10 нм3/ч, компактные микроволновые конверторы природных топлив в синтез-газ производительностью до 20 нм3/ч, новая технология модификации полимерных мембран для выделения водорода из газовых смесей, обеспечивающая увеличение их селективности на несколько порядков, эффективные каталитические дожигатели водорода производительностью до 100 нм3/ч по водородсодержащему газу (РНЦ «Курчатовский институт» в кооперации с НПО «Пластполимер», ГУП «Компания МЭТИС» и др.), созданы и испытаны экспериментальные и опытно-промышленные устройства для использования водородных технологий в автономной и стационарной энергетике — водородно-кислородные парогенераторы мощностью до 25 МВт (ИВТАН, Центр Келдыша), энергоустановка на базе водородно-воздушного щелочного ТЭ мощностью около 6 кВт (ФГУП «НПП «Квант»», Independent Power Technology), разработаны новые интерметаллические соединения с емкостью по водороду до 2 % (весовых) и выше и организовано их опытное производство (Московский завод полиметаллов «Полимс», МГУ, ИХФ РАН и др.), новые типы блочных катализаторов на теплопроводных носителях для бортовых конвертеров углеводородных топлив и стационарных компактных конверторов (Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН), выполнены разработки усовершенствованного криогенного оборудования, обеспечивающего снижение энергозатрат при производстве жидкого водорода и потерь при его транспортировке, распределении и хранении (ОАО «Криогенмаш» и кооперация), усовершенствованных ДВС для работы на водороде и водородсодержащих топливах (НАМИ). Этот далеко не полный перечень результатов последних лет показывает, что российская наука и техника способна решать сложные задачи создания новых водородных технологий для автотранспорта, авиации, ракетной техники, энергетики и других отраслей народного хозяйства [7].

В США, Великобритании, Франции, Германии, Канаде, Японии всплеск интереса к электротранспорту в 1970-х гг. XX в. возник как раз на фоне скачкообразного роста цен на нефть из-за политического кризиса — недостатка в сырье не было, но четырехкратный рост цен мгновенно сделал бензиновые автомобили и нефтяную энергетику роскошью. На пути бензиновых авто встали более спорные препятствия — забота об экологии в городах и странах, где автомобильный выхлоп стал проблемой. Из-за этого, например, Германия приняла резолюцию о запрете производства автомобилей с ДВС с 2030 г. Франция и Великобритания обещают отказаться от углеводородного топлива до 2040 г. Нидерланды — до 2030 г. Норвегия — до 2025 г. Даже Индия и Китай рассчитывают запретить продажи дизельных и бензиновых авто с 2030 г. Париж, Мадрид, Афины и Мексика запретят к использованию дизельные машины с 2025 г.

Водородные энергетические установки автомобиля (баллон со сжатым водородом + топливный элемент (ТЭ) +электромотор)  в перспективе выглядят крайне привлекательно как по цене, так и по эксплуатационным характеристикам. Однако все же основным стимулом их развития является снижение выбросов в атмосферу парниковых газов. Если использовать жидкий водород в автомобиле, необходимо иметь  криогенную систему обеспечения. Резервуар или бак для хранения водорода должен быть достаточно холодным в целях безопасности.

Водород ведет к ломкости металла. Хрупкий металл может создавать утечки. На трубопроводе или в аккумуляторе это может вести к взламыванию или растрескиванию стенок и, как следствие, — к катастрофе. Поэтому необходимо создание соответствующего сплава, стойкого к воздействию водорода. Водород — очень «текучий» элемент. Как только его закачали в бак, он старается выйти из него, как самый легкий из всех газов. Он быстро растворяется и проникает в металлы, резину, пластики и даже стекло, поэтому требуются дополнительные усилия, чтобы застраховаться от утечек. «Запирающие» устройства на баках с водородом нуждаются в сложном наборе запоров, прокладок и клапанов. Утечки вероятны также и из-за высокого давления. Это может происходить по швам, неметаллическим прокладкам и т. п. Сверхпрочная топливная задвижка топливного элемента может иметь тысячи условно опасных мест.

Водород имеет самую низкую точку зажигания из всех видов топлива, в 20 раз более низкую, чем бензин. В смеси с воздухом образуется чрезвычайно взрывоопасный гремучий газ. Поэтому, если имеется утечка, то даже в состоянии покоя при взрыве водородного бака одного автомобиля площадь пораженной территории охватит несколько квадратных километров. И пока не видно путей устранения утечек и полного исключения взрывов и пожаров.

Создание широкой водородной инфраструктуры автозаправок при современном уровне технологий — крайне дорогая (порядка 5 млрд долл.) для охвата 10 % автомобилей США задача.  Департамент Энергетики США в январе 2006 г. принял план развития водородной энергетики. План предусматривал:

  • к 2010 г. — первичное  рыночное проникновение водорода;
  • к 2015 г. — коммерческую доступность;
  • к 2025 г. — реализацию водородной  экономики.

В реальности проекты «водородных шоссе»  были закрыты в 2011 г. и происходит дальнейшая корректировка планов коммерческого использования водорода в автомобильном транспорте. Кроме того,  в полной мере не решены вопросы ВЭ в техническом отношении и в плане обеспечения безопасности. Действительно, опасность взрывов «гремучей смеси» в случае утечки водорода с кислородом воздуха при массовом использовании сжатого водорода очень высока. Безопасные методы хранения водорода либо слишком дороги, либо нетехнологичны. Тем не менее идут интенсивные разработки в этом направлении, и теоретически можно ожидать появления безопасных способов хранения водорода на борту автомобиля. Одним из немногих серийных автомобилей, где водород сжигался в ДВС подобно другому топливу, стал BMW Hydrogen 7, вышедший всего в 100 экземплярах в 2006–2008 гг. Модифицированный шестилитровый ДВС V12 работал на бензине или водороде, переключение между видами топлива происходило автоматически. Несмотря на успешное решение проблемы перегрева клапанов, на этом проекте все равно поставили крест. Во-первых, при сжигании водорода мощность двигателя падала примерно на 20 % — с 260 л. с. на бензине до 228 л. с. Во-вторых, 8 кг водорода хватало всего на 200 км пробега, что в разы меньше, чем в случае с дизельными элементами.

Еще раньше, в 2003 г., была представлена двухтопливная Mazda RX-8 Hydrogen RE, добравшаяся до заказчиков только к 2007 г. При переходе на водород от мощности легендарного роторного RX-8 не оставалось и следа — мощность падала с 206 до 107 л. с., а максимальная скорость — до 170 км/ч. Стало окончательно ясно, что куда эффективней использовать водород в давно известных топливных элементах, чем просто жечь. В 2013 г. Toyota представила  модель Mirai на водородных топливных элементах. Уникальность ситуации была в том, что Toyota Mirai был не концепт-каром, а готовым к серийному производству автомобилем, продажи которого начались уже год спустя.

В отличие от электромобилей на аккумуляторах, Mirai сама вырабатывала электричество для себя. Электродвигатель переднеприводной Mirai имеет максимальную мощность 154 л. с., что немного для современного электромобиля, но весьма неплохо в сравнении с водородными авто прошлого. Теоретический запас хода на 5 кг водорода составляет 500 км, фактический — около 350 км. Tesla Model S по паспорту может пройти 540 км. Вот только на заправку полного бака водорода уходит 3 минуты, а батарея Tesla заряжается до 100 % за 75 мин на станциях Tesla Supercharger и до 30 ч от обычной розетки на 220 В. Постоянный ток из 370 водородных топливных элементов Mirai преобразуется в переменный, а напряжение увеличивается до 650 В. Для запаса энергии используется никель-металл-гидридный аккумулятор на 21 кВт∙ч, в который передается избыток от топливных элементов и энергия рекуперативного торможения. Учитывая японские реалии, при которых населенные пункты могут в любой момент пострадать от землетрясения, в багажнике Mirai 2016 модельного года установлен разъем CHAdeMO, через который можно организовать электроснабжение небольшого частного дома, что делает автомобиль генератором на колесах с предельной емкостью 150 кВт∙ч. Кстати, всего за несколько лет Toyota удалось значительно уменьшить массу генератора: если в начале века в прототипах он весил 108 кг и выдавал 122 л. с., то в Mirai топливный элемент вдвое компактней (объем 37 л) и весит 56 кг. Справедливо будет прибавить к этому 87 кг топливных баков. Для сравнения, популярный современный турбомотор Volkswagen 1.4 TSI схожей с Mirai мощностью 140…160 л.с. славится своей «легкостью» благодаря алюминиевой конструкции — он весит 106 кг плюс 38…45 кг бензина в баке. Кстати, батарея Tesla Model S весит 540 кг.

За 4 км пробега Mirai вырабатывает только 240 мл дистиллированной воды. В Toyota Mirai установлено сразу два бака для водорода на 60 и 62 л, в сумме вмещающих 5 кг водорода под давлением 700 атм. Toyota разрабатывает и производит водородные баки самостоятельно вот уже 18 лет. Бак Mirai сделан из нескольких слоев пластика с углеволокном и стеклотканью. Использование таких материалов, во-первых, повысило стойкость хранилищ к деформации и пробитию, а, во-вторых, решило проблему наводораживания металла, из-за которого стальные баки теряли свои свойства, гибкость и покрывались микротрещинами.С другой стороны, в случае ДТП  углепластиковые  баки получат трещины  и катастрофы не избежать.

На автосалоне в Ганновере в 2019 г. все крупные производители легковых автомобилей представили свои модели на водороде, включая Audi, BMW, Daimler, Ford, GM, Mercedes-Benz. Максимальной дальностью поездки в 750 км на одной заправке в 2019 г. обладает серийный автомобиль Honda Clarity. Автомобили на водородных ТЭ продаются дорого: Honda Clarity — 51 тыс. евро, Toyota Mirai — 60,7 тыс. евро, Hyundai ix35 Fuel Cell — 65,4 тыс. евро. При этом во всех странах покупатели получают компенсацию в 20...30 % от стоимости автомобиля и гарантию на 5–10 лет. По оценке Hydrogen Council, существенное падение стоимости ТЭ (на 80 %) может быть достигнуто за счет масштабирования производства машин и заправочной инфраструктуры. Стоимость батареи топливных элементов Toyota Mirai в 2016 г. составила $183 / кВт. По прогнозу Департамента энергетики США, стоимость мощности топливных элементов с PEM к 2025 г. может снизится до $36 / кВт при условии производства не менее 500 тыс. батарей топливных элементов в год.

Канада первой в мире интегрировала водород в городской транспортный автопарк. Канадская компания поставила первые ячейки на автобусы Ванкувера еще в 1995 г. За четверть века технологии были отработаны, и транспорт ездит исправно. С 2005 г. аналогичный принцип активно используется в Нидерландах, Испании, Германии, Италии, Люксембурге, Исландии. Магистрат Цюриха, к примеру, в  2020 г. купил 130 автобусов Hyundai на водороде плюс к уже имевшимся 150–160 ед. Основной рывок запланирован на 2021–2023 гг. Масштабные проекты по водородизации городского транспорта реализуются также в Австралии и Китае.

Преимущества водородных автомобилей:

  • главное неоспоримое преимущество автомобилей на водороде — это высокая экологичность, так как продуктом горения водорода является водяной пар. Конечно, при этом сгорают еще различные масла, но токсичных выбросов гораздо меньше, чем у бензиновых выхлопов;
  • простая конструкция;
  • отсутствие дорогостоящих систем топливоподачи, которые к тому же опасны и ненадежны;
  • бесшумность;
  • КПД электродвигателя на водородном топливе намного выше, чем у ДВС.

Недостатки водородных автомобилей:

  • дорогой и сложный способ получения топлива в промышленных объемах;
  • отсутствие водородной инфраструктуры заправок автотранспорта;
  • не разработаны стандарты транспортировки, хранения и применения топлива на водороде;
  • несовершенство технологий хранения такого топлива;
  • дорогие водородные элементы;
  • большой вес транспорта. Работа электродвигателя на водородном топливе требуют водородные преобразователи тока и мощные аккумуляторные батареи, которые весят немало, а также обладают внушительными габаритами;
  • существует опасность возгорания и взрыва при работе водорода с традиционным топливом.

Ознакомившись с достоинствами и недостатками применения в автомобилях водородного топлива можно понять, почему до сих пор откладывается серийный выпуск водородных автомобилей. Однако из-за ухудшающейся экологии этот альтернативный источник энергии может оказаться единственным решением проблемы.

Мировые производители все же проводят испытание в этой сфере и выпускают автотранспорт на водородном топливе:

  • Toyota — модель Toyota Highlander FCHV;
  • Ford Motor Company проводит испытания с концептом Focus FCV;
  • Honda со своей моделью Honda FCX;
  • Hyundai выпускает Tucson FCEV;
  • Daimler AG отвечает за модель Mercedes-Benz;
  • General Motors.

Общей проблемой автотранспорта на водороде независимо от функционального назначения является повышенная пожаровзрывоопасность эксплуатации по сравнению с бензиновыми и дизельными автомобилями. Это, в свою очередь, требует первоочередной разработки организационных мер и технических средств контроля утечек водородного топлива.

Литература
  1. Global energy transformation: A roadmap to 2050 (2019 edition). Abu Dhabi: International Renewable Energy Agency, 2019. 52 р.
  2. Тарасов Б.П., Лотоцкий М.В. Водородная энергетика: прошлое, настоящее, виды на будущее // Журнал Российского химического общества им. Д.И. Менделеева. 2006. Т. 1. № 6. С. 5–18.
  3. Полякова Т.В. Состояние и перспективы развития водородной энергетики // Вестник МГИМО Университета. 2012. № 1. С. 156–164.
  4. Дли М.И., Балябина А.А., Дроздова Н.В. Водородная энергетика и перспективы ее развития // Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). 2015. Вып. 22. С. 37–41.DOI: 10.15518/isjaee.2015.22.004
  5. Бродский А.Д. Двигатели на водороде работали в осажденном Ленинграде // Изобретатель и рационализатор. 1975. № 5. С. 8–9.
  6. Хрусталёв Е.Ю. Из истории водородной энергетики // Энергетика и промышленность России. 2008. № 15–16. URL: https://www.eprussia.ru/epr/107/8367.htm (дата обращения 10.01.2022).
  7. Фатеев В.Н., Григорьев С.А., Серегина Е.А. Водородная энергетика в России и СССР // Российские нанотехнологии. 2020. T. 15. № 3. С. 262–279.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.