| Великий и ужасный водород | |
| Четвер, 20 січня 2011, 16:44 | ||
| Юрий ГОЛУБОВСКИЙ Водород уже достаточно давно считается альтернативным топливом №1. До кризиса 2008 года СМИ, как печатные, так и электронные, постоянно публиковали полные восторга и обожания репортажи про прекрасный и удивительный водород, обладающий чудодейственными свойства. Любой автомобиль, работающий на водороде, представлялся как невероятное чудо техники. Да так, что у неподготовленного читателя создавалась впечатление, что прорыв в «водородной энергетике» случился, чуть ли ни у него на глазах в 2000-х годах. И скоро, очень скоро, мы все будем ездить на чистых как слеза младенца водородных автомобилях. Надо только чуть-чуть подождать. | Однако реальность несколько отличается от сладких грез. Начнем с того, что водород в качестве горючего применяют уже …150 лет! Первый в мире двигатель внутреннего сгорания (ДВС), созданный Ленуаром в 1860 году потреблял водород. Далее, в 1942 году, был отмечен массовый перевод автомобильных двигателей на водородное топливо. Случилось это в Советском Союзе в городе Ленинграде во время блокады. На водороде, который изначально предназначался для аэростатов ПВО, ездили обычные советские грузовики ГАЗ-АА и ЗиС-5, чья конструкция восходит к концу 20-х годов. Никакого хайтека, обычная смекалка, вызванная дефицитом бензина. После войны о «чудо-топливе» благополучно забыли, если не считать отдельных экспериментов. Вспомнили о нем только в 70-е, во времена топливных кризисов. Любопытно, что параллельно с учеными капиталистических стран, с водородом работали и в СССР. Например, в Харькове Институт Проблем Машиностроения Академии Наук УССР перевел на водород целый автопарк, начиная от скромного «Запорожца», заканчивая автобусами и строительными самосвалами. Разумеется, после распада СССР все работы прекратились. Итак, чем же привлекателен этот самый водород? Первое и самое главное — это «экологически чистое топливо», после сгорания которого остается только вода. Правда, кавычки здесь стоят не случайно. Ибо мы дышим не чистым кислородом, а его смесь с азотом. Посему без токсичных оксидов азота обойтись невозможно. О чем, конечно, никто не вспоминает. Второе чудесное свойство «чудо-топлива» — это его рекордная теплотворная способность, в 3 раза больше, чем у бензина. Третье, водород можно использовать в любом двигателе, будь то паровоз или реактивный лайнер. Четвертое. Водород — газ, а значит, его можно перебрасывать по трубопроводам, причем это обойдется на 20% дешевле, чем электропередача. А главное, водорода в природе, не то что много, а невероятно много. Он есть в воде, в нефти, в газе. Правда, в связанном состоянии. Недостатки, увы, тоже весьма серьезные. Водород очень взрывоопасен, хранить его крайне неудобно. При долгом контакте с водородом металл становится хрупким и фактически приходит в негодность. Добывать водород невозможно (по крайне мере так думает официальная наука, см. ниже). А получать дорого. Вопросы сохранения Парадокс ситуации с водородом состоит в том, что вопросами его производства (так, чтобы он стоил хотя бы не намного дороже бензина) никто всерьез не занимается. Во всяком случае, такое впечатление возникает при прочтении очередного «водородного» пресс-релиза. Основные средства до кризиса направлялись на решение двух проблем: хранения и снижение расхода водородного топлива. Пока что найдено три способа хранить водород: в баллонах, в жидком виде в сосудах Дьюара при абсолютном нуле (!) и связывать его при помощи гидридов. Присмотримся к данным способам внимательнее. 15 кг водорода — это эквивалент 55 литров бензина. В общем, не самый большой запас топлива. Если хранить водород под давлением 150 атм. нам понадобятся стальные баллоны весом… 1,5 тонны!!! Выигрыш в весе можно получить, увеличив давление в 2–2,5 раза и применив более прочные и дорогие композитные баллоны. Но и в этом случае мы сможем нормально разместить на борту до 4,5 кг водорода. Больше в современные концепт-кары водорода обычно не вмещается. И если посмотреть на конструкции водородомобилей будущего, то пассажиры в них нередко буквально сидят верхом на баллонах. А в них содержится не только крайне опасная для жизни субстанция, но еще и крайне летучая. Даже лучшие в мире баллоны допускают утечки водорода до 2% в сутки. Идеальный автомобиль для тех, кто решил бросить курить, не правда ли? Второй способ — жидкий водород в сосуде Дьюара. Весит он намного меньше баллонов. Однако, потери водорода будут просто невероятные — до 5 литров в сутки. По крайней мере, так получилось у специалистов вышеупомянутого Института проблема машиностроения. Насколько удалось уменьшить потери водорода в современных концептах, в релизах обычно не сообщают. Видимо, чтобы не травмировать читателей. Третий вариант хранения — гидридный. Здесь мы используем способность определенных металлов и сплавов поглощать водород при охлаждении и выделять его при нагреве. Преимущество — нет утечек. Недостатки — очень дорого и довольно тяжело по весу. Для хранения 15 кг водорода требуется тонна гидридов. Как видим, возить с собой водород не безопасно и неудобно. А если производить его прямо «на борту»? В 2001 году General Motors и EXON-Mobil водрузили реактор-риформер, извлекающий водород прямо из бензина в кузов пикапа S10. Получилось не очень, реактор оказался слишком громоздким. Стоимость как всегда не сообщили. Есть еще один компромиссный вариант — возить с собой небольшое количество водорода или добывать его электролизом из воды прямо в автомобиле. Ведь даже 10-ти процентная добавка водорода к бензину позволяет уменьшить расход топлива на 40%, а также содержание токсичных веществ в отработавших газах. Каков итог дорогие читатели? Водорода можно взять с собой весьма ограниченное количество. А значит, следует поискать двигатель со сверхмалым расходом топлива. И такой двигатель есть. Это топливные элементы. Идеальный источник энергии? Топливный элемент, он же электрохимический реактор, — это теоретически почти идеальный источник энергии, который перерабатывает топливо непосредственно в электричество без понижающих КПД генераторов. Работает следующим образом. На анодную пластину топливного элемента подается водород, на катодную — кислород. Молекулы кислорода и водорода соединяются при помощи катализатора, в результате получаем воду. «Побочный эффект» — появление свободных электронов, которые идут в электрическую цепь. Дальше электрический ток направляется к электромоторам. Получаем действительно экологически чистый автомобиль без оксидов азота. К тому же еще и очень экономичный. Очень любопытно, что сам эффект был обнаружен еще… в 1839 году английским физиком Вильямом Гроувом. Увы, за это придется платить большим весом самих элементов, нестабильностью работы, высокой температурой работы (около 80 градусов) и повышенной чувствительностью к морозу даже в –1 градус. Правда, за последние 10–15 лет стараниями ученых данные недостатки удалось если не исправить, то хотя бы сделать не столь критичными. Правда, главный недостаток — огромная стоимость элементов так и остался неустраним. К примеру, топливные элементы, установленные российским инженерами на «Ниву» стоили примерно 300 тыс. долларов. Американские или немецкие обойдутся как минимум не дешевле. Впрочем, есть интересный способ уменьшить стоимость машины, а заодно избавиться от части водорода, снизив вес баллонов. А именно — объединить топливные элементы с аккумуляторами или конденсаторами (так называемые «гибриды»). В результате появляется возможность накапливать электроэнергию при торможении, и получать ее дополнительный запас при разгоне. Вот только до серийных этим прототипам еще очень далеко. До кризиса исследования в области электрохимических генераторов очень активно финансировались. Нынешний банкрот, национализированный государством — General Motors потратил на это около миллиарда долларов. Другой гигант — Daimler — почти ту же сумму, но в евро. Была оказана поддержка и на уровне государства. Например, тогдашний президент США Джордж Буш активно продвигал инвестиции в водородную энергетику, подписывал договоры с европейскими лидерами о сотрудничестве в это области и т.д. На первый взгляд в этом нет никакого смысла, учитывая, что электрохимические генераторы и емкости для хранения водорода еще очень долго не будут доступны обычному потребителю. А все оказывается просто. Технологией заинтересовались военные. Паровые подводки с атомными котлами оказались слишком шумными. А значит весьма уязвимыми для противолодочных кораблей и самолетов. Иное дело — электромоторы с чистым источником тока. Не так давно в 2005 году без особой помпы немцы ввели в строй две подводные лодки на топливных элементах проекта 212А — U-31 «Виттенберге» и U-32 «Эденкобен». Топливные элементы Siemens обеспечивают движение со скоростью 3 узла в подводном положении в течение 20 дней. Шум при этом меньше естественных шумов моря. Суммарная мощность топливных элементов— 450 кВт (по другим данным 800 кВт). Для быстрого передвижения используются обычные свинцово-кислотные аккумуляторы, которые заряжаются от дизель-генератора. Водород по соображениям безопасности связан в гидридных аккумуляторах. Подобные подводные лодки строятся и для других стран. Вопрос добычи Однако самый главный вопрос по-прежнему остается без ответа — где брать или как получать водород? Особенно если учесть годовой расход нефти и газа (миллиарды тонн). Четкого ответа на это нет. Ибо сказать, в общем-то, и нечего. Риформинг? Бессмысленно экономически. Бензин из нефти намного дешевле водорода из нефти. С водородом из метана та же история. Из воды, электролизом? Он требует почти в 4 раза больше энергии, чем риформинг. Посему, электролизом нынче получают до 8% водорода. Правда, время от времени проскакивают всякие безумные проекты гигантских электролизных электростанций по добыче водорода. Например, построить геотермальную мегаэлектростанцию в Исландии или огромную атомную в Тихом Океане на атоллах. Проблема только в том, что жители Исландии наверно не захотят сидеть верхом на гигантской водородной бомбе (утечки водорода никто не отменял), а радиоактивные отходы в огромных количествах придется куда-то девать. Проблема перевозки водорода танкерами также весьма серьезная. Если даже нефтяные танкеры постоянно взрываются и горят, то что будет с водородными? Особенно если такая «радость» случится в порту? Строить новый порт? Но главное, это то, что мощность автомобилей во всем мире намного превышает мощность всех действующих электростанций. То есть, если мы планируем перевести автомобильный парк на водород и добывать его электролизом, то количество электростанций надо удвоить, а лучше утроить. И это, с учетом того, что значительная часть электростанций уже сейчас требует модернизации и ремонта. Вспомним злополучную Саяно-Шушенскую ГЭС, история с которой еще не закончена. Не реально получать водород из растений (есть и такие проекты, правда пока не реализованные). С учетом постоянно растущего населения, потепления климата и угрозы голода это приведет к еще большему голоду. И все-таки будущее за водородом! И что получается? Водород — игрушка для военных и красивая мечта для гражданских? Не совсем так. Итак, готовьтесь, сенсация от российского ученого В.Н. Ларина. «Мы обнаружили аномально высокое содержание водорода в подпочвенном слое в центральных регионах европейской части России. Исследования показали, что это явление обусловлено дегазацией водорода из недр планеты, которая происходит прямо сейчас и имеет грандиозные масштабы. У нас есть основания полагать, что обнаруженные нами площадные аномалии подпочвенного водорода питаются из расположенных на глубине вертикальных трубообразных зон — своеобразных водородопроводов. И весьма вероятно, что из этих зон можно будет отбирать водород буровыми скважинами, как обычный природный газ. Мы знаем, где и как искать эти водородопроводы». Откуда берется водород? Если вкратце, ядро земли, по мнению Ларина, состоит из металгидридов, пропитанных водородом. Т.е. как у опытных автомобилей, построенных в Харькове, только масштаб «немного» больше. Что же говорит Ларин дальше? «Всех заинтересованных лиц мы можем ознакомить с методикой измерений и результатами наших исследований. Мы готовы показать на конкретных объектах водородную дегазацию, и ее негативное воздействие на природу: разнообразные воронки и обширные зоны проседания земли, разрушение гумусовой составляющей чернозема, гибель леса на площадях выходов водородных потоков и др. Как показывает практика, наша демонстрация оказывается убедительной, и мы полагаем, что в скором времени начнутся широкомасштабные исследования, в результате которых будет обоснована возможность добычи водорода буровыми скважинами. При этом кроме коммерческой выгоды, от использования водорода как энергоносителя, перехват водородных струй на глубине позволит сохранить плодородие наших черноземов, и сократит негативное воздействие водородной дегазации на инженерные сооружения (водородная ломкость металла) и ландшафты Русской равнины». Разумеется, как и положено, на просторах бывшего СССР, ученого просто игнорируют (или объявляют сумасшедшим), а водород тем временем продолжает разрушать почву, уничтожая лес, траву, превращая поля в крайне неприятного вида болота. Кстати, чудовищные пожары, свирепствующие в России этим летом, частично могут быть вызваны утечками водорода. Ведь очаги водородной дегазации как раз в Московской области. Возможно, когда с исследования Ларина ознакомятся заинтересованные лица из Германии и США, дело сразу же сдвинется с мертвой точки. Так что будущее за водородом. 1. Водородные гибриды Honda FCX, Mercedes-Benz F 600 HYGENIUS. 2. Рекламная водородная заправка Honda на солнечных батареях. Сколько это стоит и какая у нее производительность публике не сообщают. Во избежание. 3. Водородная дегазация на Русской платформе, ее плюсы и минусы. |
Комментариев нет:
Отправить комментарий