До сих пор мы рассматривали так назы­ваемые первичные энергоносители, но есть ещё и вторичный энергоноситель - водород, при горении которого получается вода, что и обусловило широко распространённое пред­ставление о водороде как экологически чи­стом топливе. В действительности дело обстоит существенно сложнее. Сам по себе водо­род и в самом деле относительно чист в эко­логическом плане. Правда, следует учесть, что при использовании водорода в качестве го­рючего для автомобилей в цилиндрах двига­теля развивается очень высокая температура, при которой начинает окисляться азот воз­духа, и поэтому в выхлопе присутствует не­большое количество оксидов азота.

Основные же экологические проблемы возникают ещё при получении водорода - ведь водород в чистом виде на Земле отсут­ствует, его надо синтезировать из воды или углеводородов. Отсюда следует, что для реализации красивой и заманчивой идеи под названием «водородная энергетика» водород следует получить, т. е. затратить энергию. Причём получить его экономически оправ­данным способом, чтобы стоимость энергетического эквивалента этого энергоносителя была соизмерима со стоимостью традицион­ных энергоносителей и того энергоносителя, что использовали для производства водорода.

Первая и главная задача водородной энер­гетики декларируется как замена водородом нефти, природного газа и угля. Но на сегод­няшний день мир не знает технологии, удо­влетворяющей всем требованиям этой гло­бальной задачи. Все известные сегодня спо­собы получения водорода далеки от совершенства: во-первых, они энергозатратны, во-вторых, получение водорода из углеводо­родов сопровождается выделением огромно­го количества диоксида углерода и других токсичных веществ. И если сейчас вклад угле­кислого газа в увеличение концентрации пар­никовых газов в атмосфере ещё относительно невелик и вызывает только беспокойство, то переход на водородное топливо, которое бу­дут получать, например, из метана, приведёт к увеличению выбросов углекислого газа в десятки раз.

Получение водорода электролизом воды с использованием традиционных источников энергии, естественно, приходится отвергнуть, поскольку в результате будет затрачено не­сколько больше энергии, чем получено при сжигании водорода. Поэтому ведутся интен­сивные исследования по разработке мате­риалов, расщепляющих воду под действием солнечного света. Параллельно проводятся работы, направленные на создание полупроводниковых фотоэлементов для превращения солнечной энергии в электричество, исполь­зуемое далее для электролиза воды. Перспек­тивы этих исследований пока неясны, но в случае их успеха речь пойдёт о создании новой отрасли промышленности со всеми вы­текающими отсюда последствиями. Экологические проблемы в водородной энергетике возникнут и при разработке ма­териалов для трубопроводного транспорта водорода - он взрывоопасен, обладает высо­кой диффузионной подвижностью (легко просачивается через обычные конструкцион­ные материалы), значит, потребуются мате­риалы и технологии нового поколения, кото­рые вряд ли будут экологически чистыми.

Пока далека от решения и задача хранения водорода. Департамент энергетики США сфор­мулировал требования к материалу, аккумулирующему водород: он должен содержать не менее 5,5% водорода по массе при комнатной температуре, процесс сорбции-десорбции во­дорода должен быть обратимым при темпера­туре не выше 120 °С, система должна быть безопасной и сохранять рабочее состояние не менее чем в течение 5000 разряд-зарядных циклов. Сегодня нет ни одного материала, даже приблизительно отвечающего этим тре­бованиям. Сорбенты, поглощение которыми водорода основано на физической адсорбции, не способны, в силу природы явления, при­близиться к этим требованиям, так как для них относительно высокое содержание адсорбата достижимо только при низкой температуре (77 К). Наоборот, для гидридов металлов и интерметаллидов при высоком содержании водорода требуются высокие же температуры для его выделения и связывания. Это не толь­ко усложняет технические решения при реа­лизации задачи, но и резко повышает опас­ность использования системы в целом.

Опять-таки можно надеяться, что со вре­менем задача хранения и аккумулирования водорода будет решена, но рассчитывать на полную экологическую безопасность разра­ботанных промышленных технологий не приходится.

Научно-технические проблемы водород­ной энергетики, по-видимому, будут преодо­лены, хотя на это потребуется, по разным прогнозам, от 10 до 50 лет, но экологические трудности в любом случае останутся. Поэто­му об экологической чистоте водородной энергетики говорить не приходится - водо­родная энергетика не является экологически чистой.

«Электромобили - экологически чи­стый транспорт».

Ещё один чрезвычайно живучий миф свя­зан с электромобилями: переход автомобиль­ного транспорта на электрическую тягу якобы обеспечит чистоту атмосферы. Для начала попробуем разобраться, что произойдёт, если сегодня значительную часть автомобильных двигателей внутреннего сгорания заменить электромоторами. Как известно, электромо­торы не дают никаких выбросов в атмосферу и к тому же имеют высокий КПД - выше 90%. К сожалению, в настоящее время единствен­ный источник энергии для автомобильных электромоторов - аккумуляторы. Их надо постоянно заряжать и, следовательно, ис­пользовать энергию, вырабатываемую дей­ствующими электростанциями. Но примерно 80% электричества вырабатывают тепловые электростанции (табл. 1), использующие в качестве топлива нефть, газ или уголь - эко­логически грязные виды топлива. Значит, выбросы двигателей будут заменены пример­но тем же объёмом выбросов электростанций, т. е. произойдет перенос экологических проблем из одного района в другой.

Многие годы исследователи бьются над поиском альтернативы бензину как основному типа топлива для автотранспорта. Экологические и ресурсные причины нет смысла перечислять - о токсичности выхлопных газов не говорит только ленивый. Решение проблемы ученые находят в самых, порой, необычных видах топлива. Recycle выбрал наиболее интересные идеи, бросающие вызов топливной гегемонии бензина.

Биодизель на растительных маслах

Биодизель - разновидность биотоплива на основе растительных масел, которая применяется как в чистом виде, так и в качестве различных смесей с дизельным топливом. Идея применения растительного масла в качестве топлива принадлежит еще Рудольфу Дизелю, который в 1895 году создал первый дизельный двигатель для работы на растительном масле.

Как правило, для получения биодизеля используют рапсовое, подсолнечное и соевое масла. Разумеется, сами по себе растительные масла в качестве топлива в бензобак не заливаются. В растительном масле содержатся жиры — эфиры жирных кислот с глицерином. В процессе получения «биосоляры» эфиры глицерина разрушают и заменяют глицерин (он выделяется как побочный продукт) на более простые спирты — метанол и, реже, этанол. Это и становится компонентом биодизеля.

Во многих европейских странах, а также в США, Японии и Бразилии, биодизель уже стал неплохой альтернативой обычному бензину. Так, в Германии рапсовый метиловый эфир продается уже более чем на 800 заправочных станциях. В июле 2010 года в странах Евросоюза работали 245 заводов по производству биодизеля суммарной мощностью 22 млн тонн. Аналитики компании Oil World прогнозируют, что к 2020 г. доля биодизеля в структуре потребляемого моторного топлива в Бразилии, Европе, Китае и Индии составит 20%.

Биодизель — экологичное топливо для транспорта: в сравнении с обычным дизельным топливом он почти не содержит серы и при этом подвергается практически полному биологическому распаду. В почве или в воде микроорганизмы за 28 дней перерабатывают 99% биодизеля — это минимизирует степень загрязнения рек и озёр.

Сжатый воздух

Модели пневмоавтомобилей — машин, ездящих на сжатом воздухе — выпущены уже несколькими компаниями. Инженеры Peugeot в свое время произвели фурор в автомобильной индустрии, заявив о создании гибрида, у которого в помощь к двигателю внутреннего сгорания добавляется энергия сжатого воздуха. Французские инженеры рассчитывали, что такая разработка поможет малолитражкам сократить расход топлива до 3 л на 100 км. Специалисты Peugeot утверждают, что в городе пневмогибрид может до 80% времени передвигаться на сжатом воздухе, не создав ни миллиграмма вредных выбросов.

Принцип работы «воздухомобиля» довольно прост: в движение машину приводит не сгорающая в цилиндрах мотора бензиновая смесь, а мощный поток воздуха из баллона (давление в баллоне — около 300 атмосфер). Пневматический мотор конвертирует энергию сжатого воздуха во вращение полуосей.

К сожалению, машины целиком на сжатом воздухе или air-гибриды создаются, в основном, мизерными партиями — для работы в специфических условиях и на ограниченном пространстве (например, на производственных площадках, требующих максимального уровня пожарной безопасности). Хотя существуют некоторые модели и для «стандартных» покупателей.

Экологически чистый микрогрузовичок Gator от компании Engineair - первый в Австралии автомобиль на сжатом воздухе, поступивший в реальную коммерческую эксплуатацию. Его уже можно видеть на улицах Мельбурна. Грузоподъёмность - 500 кг, объём баллонов с воздухом - 105 литров. Пробег грузовичка на одной заправке - 16 км.

Продукты жизнедеятельности

До чего дошел прогресс — некоторым автомобилям для работы двигателя нужен не бензин, а попадающие в канализацию отходы жизнедеятельности человека. Такое чудо автопрома создали в Великобритании. На улицы Бристоля выкатили автомобиль, который использует в качестве топлива метан, выделенный из человеческих экскрементов. Прототипической моделью стал Volkswagen Beetle, а производитель машины VW Bio-Bug на инновационном топливе - компания GENeco. Установленный на кабриолете «Фольксваген» перерабатывающий фекалии двигатель позволил проехать 15 тысяч километров.

Изобретение GENeco поспешили назвать прорывом во внедрении энергосберегающих технологий и экологически чистого топлива. Обывателю идея кажется сюрреалистической, поэтому стоит разъяснить: в автомобиль загружается, конечно, уже переработанное топливо — в виде готового к использованию метана, полученного заблаговременно из отходов жизнедеятельности.

При этом двигатель VW Bio-Bug использует два вида топлива одновременно: машина стартует от бензина, но, как только двигатель прогревается, а автомобиль набирает определенную скорость, включается подача переработанного на заводах GENeco человеческого желудочного газа. Потребители могут даже не заметить разницы. Впрочем, остается главная маркетинговая проблема — человеческое негативное восприятие того сырья, из которого получают биогаз.

Солнечные батареи

Производство автомобилей, питающихся солнечной энергией — пожалуй, самое развитое направление автопрома, ориентированного на использование эко-топлива. Машины на солнечных батареях создаются по всему миру и в самых разных вариациях. Еще в 1982 году изобретатель Ханс Толструп на солнцемобиле «Quiet Achiever» («Тихий рекордсмен») пересёк Австралию с запада на восток (правда, со скоростью всего лишь 20 км в час).

В сентябре 2014 года автомобилю Stella на удалось проехать маршрут от Лос-Анджелеса до Сан-Франциско, а это 560 км. Солнцемобиль, разработанный группой из голландского Университета Эйндховена, оснащён панелями, собирающими солнечную энергию, и 60-килограммовым блоком батарей ёмкостью шесть киловатт-часов. Stella имеет среднюю скорость 70 км в час. При отсутствии солнечного света запаса батарей хватает на 600 км. В октябре 2014 года студенты из Эйндховена на своей чудо-машине приняли участие в World Solar Challenge — 3000-километровой ралли по Австралии для машин на солнечных батареях.

Самым скоростным электрокаром на солнечных батареях на данный момент является Sunswift, созданный командой студентов из австралийского Университета Нового Южного Уэльса. На испытаниях в августе 2014 года этот солнцемобиль на одном заряде аккумулятора преодолел 500 километров с потрясающей для такого транспорта средней скоростью 100 км в час.

Биодизель на кулинарных отходах

В 2011 году Министерство сельского хозяйства США вместе с Национальной лабораторией возобновляемых видов энергии проводило исследование альтернативных типов топлива. Одним из удивительных результатов стал вывод о перспективности использования биодизельного топлива на основе сырья животного происхождения. Биодизель из остатков жиров — технология еще не слишком развитая, но уже используемая в азиатских странах.

Каждый год в Японии после приготовления национального блюда, тэмпура, остается приблизительно 400 тысяч тонн использованного кулинарного жира. Раньше он перерабатывался в корм для животных, удобрения и мыло, однако в начале 1990-х годов экономные японцы нашли ему еще одно применение, наладив на его основе производство растительного дизельного топлива.

По сравнению с бензином такой нестандартный вид автозаправки выделяет в атмосферу меньшее количество окиси серы — главной причины кислотных дождей — и на две трети сокращает количество других ядовитых выбросов выхлопных газов. Чтобы сделать новое топливо более популярным, его производители придумали любопытную схему. Каждому, кто пришлет на завод по выработке РДТ десять партий пластмассовых бутылок с использованным кулинарном жиром, выделяется 3,3 квадратных метра леса в одной из японских префектур.

До России технология в таком объеме еще не дошла, а зря: ежегодное количество отходов российской пищевой промышленности составляет 14 млн тонн, что по своему энергетическому потенциалу эквивалентно 7 млн тонн нефти. В России пущенные на биодизель отходы закрыли бы потребность транспорта на 10 процентов.

Жидкий водород

Жидкий водород уже давно считается одним из главных видов топлива, способных бросить вызов бензину и дизелю. Транспортные средства на водородном топливе не являются редкостью, но в силу многих факторов так и не завоевали широкую популярность. Хотя в последнее время благодаря новой волне озабоченности «зелеными» технологиями идея водородного двигателя приобрела новых сторонников.

Сразу несколько крупных производителей сейчас имеют в своем модельном ряду машины с водородным двигателем. Один из самых известных примеров - BMW Hydrogen 7, автомобиль с двигателем внутреннего сгорания, который может работать и на бензине, и на жидком водороде. BMW Hydrogen 7 имеет бензиновый бак на 74 литра и резервуар для хранения 8 кг жидкого водорода.

Таким образом, автомобиль может использовать оба вида топлива во время одной поездки: переключение с одного типа горючего на другое происходит автоматически, при этом предпочтение отдается водороду. Таким же типом двигателя оснащен, например, гибридный водородно-бензиновый автомобиль Aston Martin Rapide S. В нем двигатель может работать на обоих видах топлива, а переключение между ними осуществляет интеллектуальная система оптимизации расхода и выбросов вредных веществ в атмосферу.

Водородное топливо собираются осваивать и другие авто-гиганты - Mazda, Nissan и Toyota. Считается, что жидкий водород экологически безопасен, так как при горении в среде чистого кислорода не выделяет никаких загрязняющих веществ.

Зеленые водоросли

Водорослевое топливо — экзотичный способ получения энергии для автомобиля. Рассматривать водоросли в качестве биотоплива стали, прежде всего, в США и Японии.

Япония не обладает большим запасом плодородных земель для выращивания рапса или сорго (которые используются в других странах для получения биотоплива из растительных масел). Зато Страна Восходящего Солнца добывает огромное количество зеленых водорослей. Раньше их употребляли в пищу, а сейчас на их основе стали делать заправку для современных автомобилей. Не так давно в японском городе Фудзисава на улицах появился пассажирский автобус DeuSEL от компании Isuzu, который передвигается на топливе, часть которого получена на основе водорослей. Одним из главных элементов стала эвглена зеленая.

Сейчас «водорослевые» добавки составляют всего несколько процентов от общей массы топлива в транспортных баках, но в будущем азиатская компания-производитель обещает разработать двигатель, который позволит использовать биосоставляющую на все 100 процентов.

В США тоже плотно занялись вопросом биотоплива на базе водорослей. Сеть заправок Propel в Северной Калифорнии начала продажи биодизеля Soladiesel всем желающим. Топливо получают из водорослей путем их сбраживания и последующего выделения углеводородов. Изобретатели биотоплива обещают двадцатипроцентное уменьшение выбросов углекислоты и заметное снижение токсичности по другим показателям.

Человечеству очень хотелось бы иметь идеально чистое топливо. Считают, что такое топливо найдено. Это - водород. Сегодня он выделяет больше тепла, чем любой вид традиционного ископаемого топлива, а продуктом горения, отходом становится окись водорода, говоря попросту, вода. Воображение подсказывает идеалистические картины: автомобиль, из выхлопной трубы которого разбрызгивается освежающая влага, ТЭС тоже выбрасывает в небо не окись углерода, а водяной пар. Фантастика? Нет. И хотя говорить о широком промышленном применении водорода еще рановато, но первые шаги по «приручению» этого топлива сделаны.

В США построен жилой корпус, где водороду определены бытовые функции: выработка электричества, отопление. Еще на VII Всемирной конференции по водородной энергетике, проходившей в Москве в 1986 году, большое впечатление произвел доклад А.А. Туполева, подкрепленный документальным кинофильмом. Один из трех двигателей Ту-155 работал на водороде! Весьма перспективно водородное горючее и для космических кораблей. При запуске американского многоразового транспортного космического корабля "Shuttle" частично использовалась энергия, полученная за счет сжигания водорода.

В СССР начали использовать водород в двигателях внутреннего сгорания еще во время Великой Отечественной войны. Было это в осажденном Ленинграде, где не хватало не только пищи, но и горючего для машин. Тогда-то и удалось заменить бензин водородом. В послевоенные годы этот первый опыт был забыт. В конце 80-х годов в Советском союзе создано несколько моделей водородных автомобилей, в том числе автобусы. А в одесском порту успешно применяются автопогрузчики на водороде.

Преимуществ у водородного топлива много. Его можно передавать на расстояние не по проводам, а по водородопроводам. Водород удобен как концентрат энергии, его можно хранить и извлекать из водородохранилищ по мере надобности. Но есть сомнения и проблемы с использованием, на первый взгляд экологически чистого водородного топлива. Ситуация примерно такая, как и для подавляющего числа так называемых экологически чистых производств.

Водород - вторичное сырье, его получение сопровождается определенным воздействием на окружающую среду. Кроме того, на этот процесс затрачивается энергия от других источников, отнюдь не столь чистых. То же относится и к другой технологической процедуре извлечения водорода - электролизу воды. И здесь без дополнительных затрат электроэнергии не обойтись. А автомобили на водородном горючем взрывоопасны. В связи с этим академик, В.А. Легасов говорил:

«Нельзя допустить, чтобы экологически чистый энергоноситель производился с загрязнением окружающей среды, нанося ущерб, принижающий экономический эффект от внедрения использующих водород технологий» .

Таким образом, реальная действительность такова, что ни экологически, ни экономически водородный источник энергии не является более рентабельным, чем существующие традиционные источники энергии.

Так что же, светлая мечта человечества о чистом топливе - это утопия? Нет, в настоящее время выдвигаются смелые, почти фантастические идеи получения водорода с меньшими затратами и потерями для окружающей среды. Может быть, стоит задуматься о поисках природных источников водорода? Не следует забывать о подсказке самой природы - ведь в звездных мирах главный источник энергии - водород!

При использовании материалов сайта прямая активная гиперссылка на обязательна. Незаконное копирование статей запрещено и преследуется по закону.

На пороге водородной эры

Впервые о водороде как энергоносителе и, тем самым, о водородной энергетике речь зашла в романе Жюль Верна «Таинственный остров». В ходе неторопливой беседы его основных действующих лиц великий француз уже в 1874 г. высказал смелую мысль, что в будущем человечество будет получать энергию из воды, разлагая ее на водород и кислород, а затем сжигая водород.

Как бы фантастически эта идея ни звучала, она не является столь безумной, как может показаться на первый взгляд. Давайте попытаемся в меру собственных сил и способностей продолжить беседу Смита и Пенкрофа, а именно - рассмотреть (конечно, не во всех аспектах - объять необъятное невозможно) состояние дел по водородной энергетике и топливным элементам как ее важнейшей составляющей...

- Какое топливо заменит уголь?
- Bода, - ответил инженер.
- Вода? - переспросил Пенкроф. - Вода будет гореть в топках пароходов, локомотивов, вода будет нагревать воду?
- Да, но вода, разложенная на составные части, - пояснил Сайрес Смит. - Без сомнения, это будет делаться при помощи электричества, которое в руках человека станет могучей силой, ибо все великие открытия - таков непостижимый закон - следуют друг за другом и как бы дополняют друг друга.
Да, я уверен, что наступит день, и вода заменит топливо: водород и кислород, из которых она состоит, будут применяться и раздельно; они окажутся неисчерпаемым и таким мощным источником тепла и света, что углю до них далеко! Hacтупит день, друзья мои, и в трюмы пароходов, в тендеры паровозов станут грузить не уголь, а баллоны с двумя этими сжатыми газами, и они будут сгорать с огромнейшей тепловой отдачей.

Ж. Верн, «Таинственный остров»

От водорода - к топливным элементам

И все-таки - почему именно водород? До сих пор основными источниками энергии служили ископаемые углеродсодержащие топлива (уголь, нефть, газ). При их сжигании углерод окисляется кислородом воздуха, образуя всем известный углекислый газ (СО 2). Многие считают, что именно он наравне с другими так называемыми парниковыми газами несет ответственность за потепление климата в последние десятилетия, грозящее нам экологическими катастрофами.

А что, кроме энергии, получается при соединении кислорода и водорода? Правильно - обыкновенная вода! Представьте себе автомобиль на водородном топливе - что может быть чище и безопаснее для окружающей среды? Единственное, но существеннейшее препятствие для использования водорода в качестве энергоносителя заключается в том, что в свободном состоянии его в природе практически НЕТ. Поэтому для создания водородной энергетики в первую очередь необходимы технологии, позволяющие наладить крупномасштабное производство водорода, а также его хранение и транспортировку. Второе, но не менее важное условие - создание промышленных энергоустановок нового поколения, в которых в качестве топлива будет использоваться водород.

Есть серьезные основания считать, что в XXI веке произойдет постепенное вытеснение ископаемых углеродсодержащих энергоносителей (уголь, нефть, газ) новым, экологически чистым - водородом. Впервые о водороде как энергоносителе и, тем самым, о водородной энергетике речь зашла в романе Жюль Верна «Таинственный остров». В ходе неторопливой беседы его основных действующих лиц великий француз уже в 1874 г. высказал смелую мысль, что в будущем человечество будет получать энергию из воды, разлагая ее на водород и кислород, а затем сжигая водород.
Как бы фантастически эта идея ни звучала, она не является столь безумной, как может показаться на первый взгляд. Давайте попытаемся в меру собственных сил и способностей продолжить беседу Смита и Пенкрофа, а именно - рассмотреть (конечно, не во всех аспектах - объять необъятное невозможно) состояние дел по водородной энергетике и топливным элементам как ее важнейшей составляющей

Но вернемся к водороду. Нелишне заметить, что водород и водородсодержащий газ (так называемый синтез - газ ) традиционно широко применяются в различных отраслях экономики: химической, нефтеперерабатывающей, металлургической, радиоэлектронной, даже в пищевой промышленности (например, гидрированием растительных масел получают твердые жиры, маргарины).

Что же касается новых применений водорода, то при добавлении водорода или синтез-газа к обычным топливам можно получить немалый выигрыш даже при использовании их в обычных двигателях внутреннего сгорания или в газовых турбинах. В результате такого «облагораживания» топлива увеличивается КПД работы энергоустановок и улучшается состав выбросов.

Один из отцов водородной энергетики, президент Международной ассоциации по водородной энергетике Т. Н. Везирогли (США) даже утверждал, что спустя несколько десятилетий мы будем называться «водородной цивилизацией». И для такого утверждения есть все основания. Так, в 2000 г. общее производство водорода составило примерно 50 Мт, а оптимистические прогнозы на 2100 г. дают цифры примерно в 20 раз больше! В этом месте вдумчивый читатель должен уже впасть в недоумение и спросить: откуда и каким образом эти мегатонны должны появиться, если практически весь водород на планете находится в связанном виде? Прежде чем дать ответ на этот вопрос, познакомимся с тем, что скрывается за понятием топливный элемент .

Топливные элементы: «за» и «против»

Топливным элементом называют электрохимическое устройство, позволяющее превращать химическую энергию топлива в электроэнергию непосредственно, минуя процесс горения и механические преобразования типа сжатия и расширения. Помимо электричества топливный элемент, конечно, генерирует тепло.

Все типы топливных элементов устроены практически одинаково. Они представляют собой гальванические ячейки, в которых соответственно есть электролит и электроды - анод и катод . Электроэнергия вырабатывается в результате окислительно-восстановительных превращений реагентов, непрерывно поступающих к электродам извне.

Если на анод топливного элемента с протонпроводящим полимерным электролитом подавать топливо (например, водород), а на катод - воздух или кислород, то на аноде будет протекать реакция разложения водорода на протоны и электроны. Протоны переносятся через электролит к катоду, где соединяются с кислородом, образуя воду, которая в виде пара выбрасывается наружу. Электроны же двигаются от анода к катоду по внешней цепи и, естественно, генерируют электрическую энергию.

Достоинств у топливных элементов много: высокий КПД (по сравнению с обычными источниками электроэнергии), низкая токсичность выбросов, бесшумность, модульная конструкция. Недостаток на сегодня один, но существенный: высокая стоимость.

КПД топливных элементов рассчитывается как отношение величины полученной электрической энергии к теплу, которое выделяется при сжигании топлива. И теоретически для некоторых окислительно-восстановительных реакций, протекающих в топливном элементе, он может быть больше единицы, хотя реально это никогда не достигается.

Почему же два понятия - водород и топливные элементы - постоянно встречаются рядом? Ответ прост: именно водород является для последних лучшим, к тому же - экологически чистым топливом. Все остальное преобразуется в них менее эффективно. Так что водородное топливо и топливные элементы представляют собой «неразлучную пару» с большим будущим. И с позиций энергетики выигрыш здесь очевиден, поскольку того же ископаемого топлива в «водородном виде» на производство энергии в энергоустановках на топливных элементах будет расходоваться существенно меньше, чем в традиционных.

Заправь ноутбук метанолом

Топливные элементы классифицируются по природе электролита. Например, щелочные, где электролитом является раствор щелочи, или твердополимерные, в которых электролитом «работает» полимерная протонпроводящая мембрана. В качестве топлива в твердополимерных топливных элементах может использоваться метанол. Его тоже можно окислять, хотя и менее эффективно, чем водород. Метанольные топливные элементы, по-видимому, наиболее перспективны для электропитания портативных устройств: ноутбуков, фотоаппаратов, сотовых телефонов и т. п.

Известны также фосфорно-кислотные топливные элементы, где электролитом является фосфорная кислота; твердооксидные топливные элементы, в которых в качестве электролита выступает керамика на основе диоксида циркония; и, наконец, расплав-карбонатные топливные элементы, где электролитом служит расплав карбонатов калия и лития. Рабочая температура для разных типов топливных элементов также различна. Так, твердополимерные топливные элементы работают при 80-100 °С, а два последних типа - в области очень высоких (650-1000 °С) температур.

Особенность всех типов топливных элементов заключается в небольшой величине напряжения, которое снимается с единичного элемента - обычно меньше одного вольта. Чтобы получить нужное напряжение, элементы соединяют в батарею . Однако даже батарея топливных элементов не является устройством, которое можно использовать в промышленности или в быту для получения электроэнергии. Сделать это можно только с помощью электрохимического генератора , представляющего собой батарею топливных элементов вместе с системами, обеспечивающими ее работу: управления, поддержания тепла, подготовки топлива (т.е. перевода любого топлива в водородсодержащий газ) и др.

КПД современных топливных элементов составляет 40-60 %, причем максимум, как уже говорилось, достигнут в устройствах на водороде. Если в качестве первичного топлива используется метан, КПД падает - из-за того, что часть энергии тратится на конвертирование метана в водородсодержащий газ. Кстати сказать, если в системе предусмотрена рекуперация (возвращение) тепла, то суммарный КПД, естественно, возрастает на 20-30 %.

В итоге уже реально получен КПД около 70 % - не правда ли, впечатляюще? При сравнении КПД топливных элементов и других современных энергоустановок (микротурбин, двигателей внутреннего сгорания, газовых турбин, ТЭЦ, дизелей и т. д.) убеждаешься, что в области низких мощностей конкурировать с топливными элементами ничто не может. Это - идеальный вариант в случае рассредоточенной или автономной энергетики, идея которой становится все более и более популярной в обществе - особенно после катастрофических системных энергетиче­ских аварий последнего времени.

Где взять водород?

Убедившись в достоинствах топливных элементов, снова возвращаемся к водороду как лучшему для них энергоносителю. Поскольку в природе свободного водорода нет, его надо каким-то образом получать. Принцип получения в целом прост: берете водородсодержащее вещество, прикладываете к нему энергию (в идеале - из возобновляемых источников) и - пожалуйста! Источников и путей получения водорода существует несколько. В первую очередь, это ископаемые и синтетические топлива. Примерно 50 % водорода сегодня получают из природного газа, около 30 % - из нефти. А еще есть уголь, биомасса, вода, в конце концов.

Но вот на следующем этапе появляется одно немаловажное но : существуют немалые трудности с хранением, аккумулированием полученного водорода и перезаправкой им энергетических устройств. Одно из решений этой проблемы состоит в получении водорода непосредственно рядом с энергоустановкой в устрой­стве, названном топливный процессор .

Вопрос о стоимости водорода сегодня непростой, поскольку он не является биржевым продуктом, да и процесс его получения пока еще слишком материало- и энергоемкий. Соответственно цена водорода на сегодняшний день договорная и высокая. Согласно оценкам Министерства энергетики США, к 2010 г. цена за водород будет составлять от 1,5 до 2,9 доллара за килограмм. Для сравнения: теплотворная способность 1 кг водорода равна примерно таковой 1 галлона (около 4 л) бензина. Поэтому для развития водородной энергетики крайне важно в ближайшее время научиться эффективно получать водород и синтез-газ из наиболее дешевого и доступного сырья - природного газа. (К слову: наша страна обладает примерно 40 % его потенциальных мировых запасов.)

На примере природного газа можно рассмотреть и общую схему подготовки углеводородного топлива для использования в топливных элементах. Первая стадия осуществляется при высокой температуре. Это каталитические реакции парциального окисления либо паровой и автотермической конверсии природного газа. В результате получается синтез - газ - смесь водорода и оксида углерода (СО). Этот газ уже можно использовать в качестве топлива для высокотемпературных топливных элементов, поскольку оксид углерода и водород при высоких температурах окисляются с высокой скоростью.

Для более низкотемпературных фосфорнокислотных топливных элементов синтез-газ уже надо очищать от СО, доводя его концентрацию до 1 объемного процента. В противном случае топливный элемент просто не работает: оксид углерода блокирует анод. Для еще более низкотемпературных (твердополимерных) топливных элементов требования к чистоте водорода очень жесткие: на 1 млн молекул водорода должно приходиться не более 10 молекул СО. Для столь глубокой очиcтки водородсодержащего газа используется каталитическая реакция селективного окисления СО в присутствии водорода, в результате чего образуется углекислый газ (СО 2), который в этом случае не мешает.

Таким образом, подготовка углеводородного сырья наиболее проста для высокотемпературных топливных элементов. А поскольку они имеют самый высокий КПД, да к тому же для их производства не требуются драгоценные металлы, очевидно, что именно за этим типом топливных элементов будущее автономной стационарной энергетики.

«Сибирский» катализ

Наш внимательный читатель мог заметить, что в статье наконец-то прозвучало слово каталитический . Произошло это неслучайно, поскольку действительно высокоэффективные технологии получения водорода и синтез-газа из природного углеводородного сырья во всем мире разрабатываются на основе и исключительно благодаря катализаторам.

Хочется отметить, что хотя целенаправленные работы в этой области начались в нашей стране на 10-15 лет позже, чем за рубежом, отечественная наука в этом плане является, безусловно, конкурентоспособной. Так, в новосибирском Институте катализа им . Г . К . Борескова СО РАН разработаны высокоэффективные структурированные катализаторы для реакции парциального окисления метана в виде лент или блоков из термостойких металлических сплавов и керамики. На их основе созданы компактные реакторы для воздушной конверсии природного газа, обеспечивающие переработку около 4 м 3 метана в час на 1 л реактора.

Еще одна интересная разработка связана с реакцией паровой конверсии метана. Этот эндотермический процесс протекает при высоких температурах, поэтому часто лимитируется подводом тепла. Для решения проблемы была предложена «хитрая» система: с одной стороны металлической пластинки-катализатора идет реакция окисления метана с выделением тепла, с другой стороны – паровая конверсия. Тепло легко передается через пластинку, благодаря чему производительность реактора возрастает. На этом принципе при финансовой поддержке ОАО ГМК “ Норильский никель ” совместными усилиями специалистов Института катализа и Российского федерального ядерного центра ВНИИ эспериментальной физики (г. Саров) был создан первый топливный процессор для питания высокотемпературных топливных элементов.

Для портативных топливных элементов перспективным топливом считается боргидрид натрия. Реакция получения из него водорода - каталитическая. В том же Институте катализа разработаны блочные и гранулированные катализаторы, не уступающие лучшим мировым образцам, на основе которых совместно с московским Государственным научным центром РФ ГНИИ химии и технологии элементоорганических соединений уже созданы первые картриджи для питания портативных топливных элементов.

Как уже говорилось, для низкотемпературных топливных элементов требуется чистый водород, свободный как от оксида углерода, так и углекислого газа. Суть метода, предложенного сибирскими учеными, проста: если есть адсорбент, который будет поглощать в ходе паровой конверсии углеводородного топлива СО 2 и СО, то, естественно, на выходе будет получаться чистый водород. Ясно, что если один адсорбер-реактор будет работать на поглощение, а другой на регенерацию, можно организовать непрерывный процесс. Идея эта уже реализована: действительно, удается получать водород чистотой 99 %!

У института много и других перспективных разработок. Например, катализаторы для пиролиза метана с получением водорода без выбросов СО 2 ; мембранные реакторы, в которых природный газ окисляется кислородом, поступающим через специальную мембрану непосредственно из воздуха, и т. п. - упомянуть обо всех просто невозможно!

Как можно заметить, многие подобные разработки проводятся совместно с различными производственными компаниями, научными организациями и учреждениями, в том числе сибирскими. Роль Сибирского отделения РАН во многих областях, связанных с созданием водородной энергетики, может быть действительно велика. Это относится как к разработке новых технологий получения водорода и производства электрохимических устройств, так и к научному сопровождению промышленных технологий водородной энергетики, к участию в разработке прогнозов и программ российской энергетики. И, без сомнения, - к подготовке высококвалифицированных специалистов на базе Новосибирского государственного университета. Хочется думать, что и в дальнейшем российское энергетическое могущество будет прирастать Сибирью…

Не пароходы, но подводные лодки!

Подводя итог, можно констатировать, что водородная энергетика и топливные элементы как ее важнейшая часть весьма настойчиво стучатся в наши уже приоткрытые двери. Не исключено, что развитие водородной энергетики на базе топливных элементов будет одним из приоритетов мировой экономики в наступившем веке.

Многое для этого уже сделано, но предстоит еще больше. Смена энергоносителя - тернистый, длительный и капиталоемкий путь, на котором могут быть ошибки, но не должно быть «синдромов». Вспомним, как долго и трудно завоевывает место под солнцем атомная энергетика, доля которой в балансе топливно-энергетического комплекса до сих пор не превышает 7 %. Для достижения успеха на «водородном» пути нужны усилия химиков, физиков, математиков, материаловедов, энергетиков, экономистов - в конечном итоге всех землян!

Что уже сейчас есть в мире? Пока примерно 50 МВт - это вся установленная мощность реально существующих электрохимических генераторов. В демонстрационных испытаниях участвует не менее 100 компаний, но готового коммерческого продукта на этом рынке до сих пор нет.

Потребности же в энергетических установках на водороде неуклонно растут. Например, уже сейчас фактически нет ни одной автомобильной компании, которая не занималась бы разработкой автомобиля на топливных элементах. Уже созданы не только автобусы, ноутбуки, сотовые телефоны, но даже подводная лодка, использующая водородное топливо. Вот таким образом в XXI веке претворилась в жизнь мечта Жюля Верна!

Поток информации по водородной энергетике и топливным элементам сейчас нарастает лавинообразно - даже специалистам порой трудно следить за всеми новинками: более 10 периодических специализированных научных журналов, более 5 представительных ежегодных конференций, выставки, многочисленные веб-сайты. Читайте, анализируйте, делайте выводы, а время покажет, насколько пророческой оказалась мысль великого «технократического» романтика.

С ейчас автопроизводители только и говорят о водородных разработках. Что же такое водород? Рассмотрим его немного подробнее.

Водород – первый элемент химической таблицы, его атомные вес равен 1. Это одно из самых распространенных веществ во вселенной, например из 100 атомов из которых состоит наша планета 17 – водород.

Водород — топливо будущего. Он имеет массу преимуществ по сравнению с другими видами топлива и имеет огромные перспективы его заменить. Он может быть использован абсолютно во всех отраслях современного производства и транспорта, даже газ, на котором готовиться пища, можно запросто, без каких либо переделок, заменить на водород.

Почему же водород не получил до сих пор широкого внедрения? Одна из проблем заключается в технологиях его получения. Пожалуй, единственным эффективным на данный момент способом его получения является электролитический способ – получение из вещества воздействием сильного электрического тока. Но на данный момент, большая часть электричества получается на теплоэлектростанциях, и поэтому возникает вопрос «А стоит ли игра свеч?». Но внедрение в производство электричества атомной энергии, энергии ветра и солнца, наверное, исправит эти проблемы.

Это вещество содержится практически во всех веществах, но больше всего его в воде. Как сказал писатель-фантаст Жюль Верн: «Вода – это уголь будущих веков». Это высказывание можно отнести к разряду предсказаний. Этого «угля» на поверхности больше чем чего либо еще, так что водородом мы будем обеспечены на долгие годы.

Об экологической чистоте водорода можно сказать только одно: при его сгорании и реакциях в топливных элементах образуется вода и ничего кроме воды.

Топливный элемент – пожалуй, самый эффективный способ получения энергии из водорода. Он работает по принципу батарейки: в топливном элементе имеется два электрода, между ними движется водород, происходит химическая реакция, на электродах появляется электрический ток, а вещество превращается в воду.

Поговорим о применении водорода в автомобилях. Идея замены обычного шумного и дымного бензина на абсолютно чистый газ возникла много лет назад, причем как в Европе так и в СССР. Но разработки в этой сфере велись с переменным успехом. А сейчас наступил апогей желания автопроизводителей получить независимость от нефти. Каждая, уважающая себя, компания имеет разработки в этой сфере.

Hydrogen в автомобиле может быть использован двумя способами: или сжигаться в двигателе внутреннего сгорания, или использоваться в топливных элементах. Основное количество новых концепткаров используют технологии топливных элементов. Но такие компании как Mazda и BMW пошли по второму пути и на это есть веские причины.

Автомобиль на топливных элементах – простая и чрезвычайно надежная система, но ее широкому распространению мешает инфраструктура. Например, если купить автомобиль на топливных элементах и использовать его в нашей стране, то на заправку придется ездить в Германию. А инженеры BMW пошли другим путем. Они построили автомобиль, использующий водород как горючее топливо, причем этот автомобиль может использовать как бензин, так и водород, как многие современные автомобили, оснащенные системой питания газ-бензин. Таким образом, если в вашем городе появилась хотя бы одна заправка, торгующая таким топливом – вы смело можете покупать водородный BMW Hydrogen 7.

Еще одной проблемой внедрения водорода — является его способ хранения. Вся сложность заключается в том, что атом водорода – самый маленький по размерам в химической таблице, а это значит, что он может проникать практически сквозь любое вещество. Это значит, что даже самые толстые стальные стенки будут медленно, но верно его пропускать. Эта проблема сейчас решается химиками.

Еще одна загвоздка – сам бак. 10 кг водорода могут заменить 40 кг бензина, но дело в том, 10 кг вещества занимают объем 8000 л.! А это целый олимпийский бассейн! Для уменьшения объема газа его нужно сжижать, а сжиженный водород надо безопасно и удобно хранить. Баки современных водородных автомобилей весят около 120 кг, что почти в два раза больше стандартных баков. Но и эта проблема скоро будет решена.

Преимуществ у водородного топлива намного больше чем недостатков. Водород сгорает намного эффективнее, не имеет вредных веществ выхлопе, не производит сажи, а это значительно увеличивает ресурс автомобилей. Водород – легко возобновляемое топливо, поэтому природа не получит практически никакого вреда.

Основным препятствием водородных технологий является инфраструктура. Очень немногие в мире заправки на данный момент готовы заправить автомобиль водородом, хотя серийные автомобили на водороде уже производит Honda и готовиться к производству BMW. В странах бывшего советского союза о водородном автомобиле вообще можно пока и не мечтать. До появления водородных заправок пройдет еще не один год, а может и десяток лет. Остается ждать, когда же и мы вместе со всем миром начнем спасать планету от экологической катастрофы.

Русские учёные придумали новое топливо, которое в 100 раз дешевле солярки, эффективней и проще в производстве… Вы думаете, кто-то этому обрадовался? Ничуть не бывало! Московские министры уже 3 года гоняют воздух по кабинетам – видимо ещё думают, как же лучше воплотить в жизнь прямой приказ о внедрении, поступивший им для исполнения. А те, кто отдал этот приказ, тоже получается не заинтересован в его скорейшей реализации, т.к. не мешают министрам безнаказанно саботировать решение жизненно важных для России и всего остального мира задач. Вот и думайте теперь: на кого в действительности работают эти министры?.. Юрий Иванович Краснов и Евгений Гурьевич Антонов из НПО им. Лавочкина придумали принципиально новый вид топлива на основе структурированной воды. Но, получается, их изобретение сегодняшним царькам не нужно! Оно даже мешает им гнать нас бегом к полному истощению углеводородных видов топлива и экологической катастрофе на некогда прекрасной планете Земля…