Вoдoрoд в энергетике – этo вoзмoжный энергoнocитель. Важная ocoбеннocть вoдoрoда как тoплива – cпocoбнocть гoреть в ширoком диапазоне концентраций киcлорода. Это делает его практичеcки универcальным энергоноcителем. У водорода – cамые выcокие удельные энергетичеcкие характериcтики. По показателю теплотворной cпоcобноcти молекулярный водород уcтупает только атомарному водороду и превышает лучшие cорта углеводородных топлив в три раза. А при рекомбинации атомарного водорода выделяемая энергия в деcять раз больше, чем у лучших сортов ракетного топлива. Когда запускают космический корабль, его не подвозят к ближайшей бензоколонке для заправки. Ракета работает на ракетном топливе, которое обычно состоит из кислорода и водорода. Эту взрывоопасную смесь можно приспособить для заправки обычной автомашины. Ученые рассматривают использование водорода, например, в отоплении жилищ и в качестве экологически чистого топлива в двигателях внутреннего сгорания для разных видов транспорта: от автомобилей до космических и подводных аппаратов. Автомобиль на водородном топливе иными словами работает на воздухе и выделяет воду.
Водород – самый широко распространенный элемент во вселенной. Он есть в земле, в море, в небе. Более того, он встречается абсолютно везде. Но, несмотря на его распространенность, добывать его на удивление сложно. Водород не изготавливают, а извлекают из других содержащих его веществ. Один из лучших источников – метан, который для этого случая перекачивается за сотни км из газовых месторождений. После длинного путешествия метан попадает в «сауну». Пар температуры 850°C вступает в реакцию с метаном, и вырабатывается водород с угарным углекислым газом. Но углекислота в топливе не нужна, поэтому газ пропускают через своего рода молекулярный фильтр, очищая его от углеродных соединений. Водород остается чистым на 99,99%, потом его охлаждают при –250°C. Если смешать этот жидкий водород с кислородом и бросить спичку получится эффектный но бесполезный результат. Поэтому ученые во всем мире работают над менее взрывоопасными и более эффективными способами получения энергии из водорода.
Так, в лаборатории General Motors в Германии разрабатывают водородный топливный элемент. Он похож на резиновый коврик для ног, но вполне может стать источником энергии будущего. Такая топливная ячейка не сжигает водород, а используется для выработки электроэнергии. Водород и кислород проникают в элемент по отдельности с разных сторон. Электроны атомов водорода стремятся соединиться с кислородом. А топливная ячейка препятствует этому. И чтобы проникнуть на другую сторону к кислороду они вынуждены двигаться по кругу. Это круговое движение электронов по топливной ячейке и есть электрический ток. А единственно побочный продукт – вода. Проблема в том, что каждая топливная ячейка вырабатывает всего 0,7 В электроэнергии. Этой мощности недостаточно даже для миксера, не говоря уже об автомобильном двигателе. Поэтому укладывают сотни топливных ячеек одну на другую и получают энергию достаточную чтобы разогнать автомобиль весом в 2 т до 160 км/ч. General Motors инвестировали в эту технологию более 1 млрд евро и необходимы дальнейшие вложения. Пока не слишком подходящая цена за литр, но изменения будут происходить в лучшую сторону, когда двигатели из лаборатории будут установлены на автомобиле. После того как водородную топливную ячейку установят на автомобиль, монтируют и заполняют топливные баки. Чтобы баки не дали течь их изготавливают из прочного композитного материала – из углеродных волокон. Это интересное научное изобретение, но станет ли оно популярным? Сейчас один такой автомобиль обходится в 100 тыс. евро.
Станет ли водород топливом будущего – пока вопрос. С одной стороны, двигатели, работающие на основе водородного топлива по оценкам специалистов – хорошая альтернатива тем, что используют мазут, бензин или дизель. У водорода практически нет недостатков, и даже выброс – это водяной пар. С другой стороны, пока хранить водород можно в сжатом или жидком состоянии. А в таком виде он опасен и быстро заканчивается. Гораздо удобнее было бы твердое топливо, способное эффективно работать в экстремальных условиях автомобильного двигателя. Такое топливо ищут в Гренобле, где расположен европейский синхротрон: ячейка, снаряженная алмазами для создания сверх высоких давлений. Здесь алмазы эксплуатируют для того, чтобы получить информацию о структуре и свойствах. Точнее, ученые ведут поиск твердого химического вещества – соединение метала с водородом, которое могло бы в нужных условиях достаточно быстро от этого водорода избавляться или, наоборот, поглощать водород при дозаправке. Так обычно работает аккумулятор, который дает необходимое количество энергии для работы того или иного устройства. Сегодня исследования ведутся на молекулярном уровне. Микроскопы оказываются бессильными. Чтобы разглядеть атомарную структуру требуется рентгеновский луч.
Владимир Дмитриев, глава Beam line ESRF: «Мы можем назвать синхротрон рентгеновским лазером в каком-то смысле, поскольку лазер – это пучок света. То же самое дает нам синхротрон: только гораздо более мощный пучок и в другом энергетическом диапазоне, который позволяет нам гораздо глубже проникать в структуру вещества и исследовать эту структуру с огромной точностью, наблюдать мельчайшие изменения этой структуры под действием различных внешних условий».
Все манипуляции выполняют роботы и уже есть результаты: вещества, способные стать основой твердых водородных батарей – гидриды – существуют. Осталось сделать так, чтобы они работали в нужных условиях.
Гидриды сейчас изучаются и как перспективные аккумуляторы водорода. Некоторые металлы, сплавы и соединения обладают способностью растворять в себе водород, причем процесс этот обратимый и может управляться, например, изменением температуры. Объемное содержание водорода в гидридной форме по отношению к массе контейнера выше, чем при его хранении в жидком состоянии.
Наполнителем может стать и недорогой в производстве, безопасный металлический порошок, который как губка впитывал бы газ на автозаправках и отдавал бы его двигателю по мере надобности. Порошки интерметаллидов образуют уже при обычных температурах гидриды с содержанием водорода до 1,8% по массе. Существуют соединения, способные в диапазоне температур 100–200°С и давлении 1–1,4-106 Па растворять до 5–7% водорода по массе. Плотность водорода в таких соединениях приближается к плотности его в жидком состоянии.
По технико-экономическим показателям устройства на гидридах оказываются значительно эффективнее традиционных, в которых водород запасается в жидкой или газообразной фазах. Если сравнить гидридный аккумулятор со стандартным газовым баллоном, то выходит, что газовый баллон, рассчитанный на хранение 500 г водорода при полезном объеме до 45 л имеет массу около 80 кг. Соответствующий же контейнер с гидридом массой не более 50 кг имеет объем всего 14 л. Заряжается такой аккумулятор при низких давлениях и не требует ни компрессоров высокого давления, ни толстостенных либо теплоизолированных, как в случае хранения жидкого водорода, сосудов. Упрощаются, таким образом, заправка, транспортировка, хранение (хранение жидкого водорода требует специальной холодильной техники), повышаются взрыво- и пожаробезопасность.
Очень интересное свойство гидридного аккумулятора – его избирательность, позволяющая не только извлекать водород из смесей с другими газами, но и очищать его от посторонних примесей. Это особенно важно при дальнейшем использовании водорода для производства белка. Затраты энергии в цикле хранения водорода в гидридных аккумуляторах примерно сравнимы с газобаллонным методом и в 4–5 раз ниже, чем при сжижении. Они составляют 1,8–2,2 кВт•ч/кг водорода. На основе использования гидридных систем сейчас разрабатываются самые различные устройства от двигателей внутреннего сгорания до холодильных машин.
Ярослав Филинчук, ученый Beam line ESRF: «Борогидрид лития уникален тем, что это кристаллическое вещество намного удобней для хранения водорода, чем, например, сжатый водород в баллонах или жидкий водород, который надо охлаждать и который очень опасен из-за того, что он может взорваться. И есть произвольная течь водорода из-за того, что он медленно закипает. Твердотельные вещества с большим процентом водорода намного более безопасны, они даже безопасней бензина. На самом деле если бы предложили такое опасное вещество как бензин сегодня – от него бы отказались. Бензин взрывоопасен, у него высокое давление пара. Твердотельные вещества с маленьким давлением водорода намного удобнее».
Судя по достижениям последних лет, практичный автомобиль на водородном двигателе уже не за горами.
Екатерина Борисова
