Водородный транспорт: технология будущего или полный провал?

Излучение Солнца, приливы, ветер называют сегодня альтернативными источниками энергии, но водород в их ряду не стоит. H₂ – это экологически чистое топливо, которое по сути является аккумулятором энергии, затраченной на его производство (за вычетом неизбежных потерь). Есть целый ряд ныне применяемых и перспективных технологий производства водорода, но основные подразделяются на два типа: оторвать водород от углерода и оторвать водород от кислорода.

Более половины водорода в мире производится методом паровой конверсии метана – это самый дешевый и доступный способ. В многоэтапном процессе с применением высоких температур и катализаторов молекулы метана разлагаются на водород и угарный газ (моноксид углерода). Поскольку в процессе используется ископаемое топливо, назвать полученный таким путем водород не дающим «углеродного следа» как-то не получается.

Другой достаточно распространенный промышленный процесс – это электролиз, знакомый всем еще по школьным химическим опытам. Здесь уже нет ни нефти, ни газа, ни угля – на кислород и водород разлагается обычная вода при приложении к ней электрической энергии. Но откуда эта энергия? Если рядом с водородным производством чадит тепловая электростанция на мазуте, то и здесь с «углеродным следом» будет все не очень хорошо. Визионеры энергетики будущего говорят о водородных фабриках, питающихся электричеством исключительно от ветропарков, солнечных электростанций и других возобновляемых источников. В этом случае появится действительно безуглеродная цепочка выработки топлива, но это потребует колоссального прироста генерирующих мощностей в сфере «зеленой» энергетики.

Для тотального перехода на водород потребуются не только энергоресурсы для его производства, но и развитая инфраструктура для его транспортировки и хранения – трубопроводы, железнодорожные цистерны, морские танкеры, резервуары, автозаправки. Одна из главных причин несколько настороженного отношения общества к водородной революции заключается в том, что водород очень летуч и взрывоопасен. Там, где будет храниться, транспортироваться или использоваться водород, необходимо наличие высокочувствительных газоанализаторов, которые просигналят о малейшей утечке. Правда, сторонники активного использования водорода утверждают, что опасность преувеличена. В отличие от тяжелых газов типа метана, утекший из баллона легкий водород мгновенно поднимается вверх и развеивается. В пример приводят историю катастрофы дирижабля «Гинденбург», в котором вспыхнувший водород горел всего 32 секунды, что позволило 62 из 97 пассажиров не сгинуть в огне и выжить. Но в любом случае присутствие на улицах большого количества транспортных средств, в которых под давлением находится взрывоопасный газ, потребует нового уровня безопасности движения.

Все эти факторы, ограничивающие широкое применение водорода, свидетельствуют в пользу того, что переход на новое топливо будет происходить не очень быстрыми темпами. Продажи пионерской Toyota Mirai на водородных топливных элементах, начавшиеся в 2015 году, приблизились лишь к рубежу 3000 штук – и это на огромном рынке, в который входят не только Япония, но и США, ЕС, ОАЭ. Очевидно, что водород как топливо будет еще долго соседствовать как с традиционными углеводородами, так и с литий-ионными аккумуляторами (в электромобилях). При этом опережающими темпами водородные технологии смогут развиваться в отдельных наиболее перспективных нишах, например в сфере электрических БПЛА. Дело в том, что КПД водородного топливного элемента очень высок, за счет того что энергия, выделяемая при соединении водорода с кислородом, утилизуется непосредственно в электричество, без значительных потерь в виде тепла, как это происходило бы при сжигании топлива в цикле Карно. Используя энергию топлива по максимуму, БПЛА с топливным элементом может оставаться в воздухе гораздо дольше, чем беспилотник с сопоставимой взлетной массой, но питающий двигатель от широко применяемых литий-ионных аккумуляторов.

В нашей стране лидерами в создании водородно-воздушных топливных элементов (ВВТЭ) для БПЛА и не только являются Институт проблем физической химии ИПФХ РАН и Центральный институт авиационного моторостроения ЦИАМ им. Баранова. ВВТЭ ИПФХ в апреле 2016 года обеспечил рекордный полет длительностью 3 часа 10 минут октокоптера-концепта НЕЛК-88 совместного производства компании НЕЛК и ИПФХ РАН.

Водородная бортовая система обладает очень хорошим ВВТЭ и эффективно работает, но с появлением на борту сжатого баллонного водорода возникли проблемы немалого веса и габарита. Кроме того, сохраняется вероятность утечки газа, что небезопасно. Новейшие сверхпрочные материалы и технологии до конца эту проблему не решили.

Чтобы иметь на борту водорода побольше и в более легкой системе хранения, пробовали перейти на сжиженный при температуре –253°C водород, плотность которого втрое выше плотности водорода, сжатого до стандартных для баллонных систем давлений 300–350 атм., что могло бы увеличить энергоемкость системы. Но проблемы с сосудом Дьюара, термоизоляцией, заправкой и т. п. от такой идеи заставили отказаться. Выход был найден, когда вспомнили о твердых металлических гидридах. В гидриде водород настолько плотно запакован, что о каких-либо его просачиваниях речи не идет. Поэтому «твердый» водород – это серьезный аргумент в решении проблемы безопасности и людей, и техники.

В разных гидридах – натрия, магния, бора и др. – водород в весовом отношении существует в разном количестве, и чемпионом здесь является боран аммиака (боразан) с 20%-ным содержанием водорода. Для получения необходимого для ВВТЭ газообразного водорода боран аммиака достаточно осторожно нагреть, чтобы не было его плавления с пенообразованием, до температуры 85–100°С. Получение такой температуры на борту БПЛА не проблема: до нее при работе, например, нагреваются ВВТЭ.

Не так давно в этой сфере произошло два знаковых события. Первое – в самом начале февраля 2016 года, когда британская компания Cella Energy совместно с шотландской ассоциацией морских наук SAMS на полигоне в Аргайле провела успешные испытания твердоводородной технологии на беспилотнике-демонстраторе. По плану полет продолжался десять минут, БЛА поднимался на высоту 80 м.

Второе событие имело место в середине февраля 2016 года в Сингапуре, накануне открытия там Air Show 2016. Тогда серийный мини-БЛА Skyblade 360 UAV компании HES Energy Systems осуществил управляемый полет в течение шести часов и суммарно налетал 300 км со скоростью 50–55 км/ч. В обоих случаях разработчики использовали похожие технологии изготовления материала-носителя водорода и получения из него водорода газообразного.

Материал гидрида был изготовлен в виде гранул, которые размещались на печатной монтажной ленте, что делало удобным производить последовательный, от гранулы к грануле, их осторожный нагрев от бортового источника тепла. Гранулы компании Cella из бoрана аммиака имели квадратное сечение со стороной 1 см. Они были помещены в картридж-газогенератор цилиндрической формы, в котором после выделения газообразного водорода поддерживался необходимый уровень рабочего давления – кстати, небольшой. Технология «гранулы в картридже» позволяет масштабировать топливную загрузку в зависимости от конкретного задания, что обеспечивает гибкость в применении беспилотника.

При производстве гранул боразана использовалась технология наноструктурирования с получением наночастиц гидрида размером 4–6 нм (в 30 раз меньше размеров песчинки, как это было у компании Cella), и это способствовало высокой отдаче водорода. 1 г структурированной гранулы отдает с эффективностью более 90–95% 1 л газообразного водорода.

Но что делать с отработавшим картриджем, в котором после извлечения водорода из гидрида остается много полезного материала? Конечно, такой картридж никто не собирается выбрасывать, а оставшийся в нем остаток – полиборазилен – восстанавливают до состояния борана аммиака насыщением водородом в присутствии специального катализатора, например, на основе рутения. Уже имеется технология регенерации, по которой все происходит в «одном котле» – прямо в отработавшем картридже, что делает процесс безопасным и упрощает производственную цепочку.

Оценивая перспективы водорода как источника энергии, мы в основном опираемся на существующие технологии его производства и применения. Однако чуть ли не каждый день в этой сфере происходит что-то новое (что показывает стремительное пришествие «твердого водорода»), и, возможно, водородная экономика придет к нам в итоге в совершенно ином обличье.