Разворот на водород

Разворот на водород

Эксперимент по получению водорода из воды с помощью солнечной энергии (Университет Нового Южного Уэльса, Австралия). В этой технологии солнечный свет сначала преобразуется в электричество, которое уже разлагает воду на кислород и водород в присутствии катализатора (диоксида титана)

В качестве перспективного горючего водород начал рассматриваться уже в середине прошлого века, а до этого он успел поработать в дирижаблях и сварочных аппаратах, ныне же часто трудится в роли одного из самых эффективных аккумуляторов энергии. Внедрение водорода в качестве горючего долго тормозилось его взрывоопасностью, а самое главное, себестоимостью его добычи. Но скоро ситуация может резко измениться.

Впервые водород в чистом виде выделил 240 лет назад английский химик Генри Кавендиш. Свойства полученного им газа были настолько удивительны, что ученый принял его за легендарный «флогистон», «теплород» — вещество, по канонам науки того времени определявшее температуру тел. Он прекрасно горел (а огонь считался почти чистым флогистоном), был необычайно легок, в 15 раз легче воздуха, хорошо впитывался металлами и так далее. Однако другой великий химик, француз Антуан-Лоран Лавуазье, уже в 1787 году доказал, что полученное Кавендишем вещество — вполне обычный, хотя и очень интересный химический элемент. Свое название водород получил оттого, что при горении давал не дым, сажу и копоть, а воду. Кстати, именно эта его особенность больше всего привлекает сегодняшних экологов и «зеленых».

Вплоть до конца XIX века получение водорода было делом достаточно хлопотным. Добывали его в мизерных количествах, растворяя обычные металлы в кислотах, а также щелочные и щелочноземельные в воде. Только после того, как электричество начали производить в промышленных масштабах, появилась возможность относительно легко добывать его тоннами с помощью электролиза. Выглядит электролитический процесс примерно так: в ванну с водой опускают два электрода, на одном — положительный потенциал, на другом — отрицательный. На плюсе в результате прохождения тока выделяется кислород, а на минусе — водород. Наработав в достаточном количестве этот легкий газ, люди сначала приспособили его для воздушных полетов. В этом качестве первый элемент Таблицы Менделеева применяли вплоть до 1937 года, когда в воздухе сгорел крупнейший в мире, в два футбольных поля размером, заполненный водородом немецкий дирижабль «Гинденбург».

Катастрофа унесла жизни 36 человек, и на таком использовании водорода был поставлен крест. С тех пор аэростаты заправляют исключительно гелием. Гелий — газ, увы, более плотный, но зато негорючий.


Погремушка

В 1944 году американские военные попытались использовать его в качестве ракетного топлива. Помешала делу высокая взрывоопасность газа: стоило совсем немного отклониться от нормальной работы двигателей или допустить малейшую протечку, и мирный водород мигом превращался в зловещий «гремучий газ». В результате ракеты не долетали до цели, взрываясь прямо на старте. По той же причине американцам не удалось в 50-е годы прошлого века построить водородный самолет, а в 70-е, во времена нефтяного кризиса, — водородный эсминец.

В этом смысле дела в СССР, основном тогдашнем конкуренте Штатов в области водородной энергетики, были более успешны. Советские ученые решили добывать из водорода энергию в виде электричества, напрямую окисляя его в водной среде, а не поджигая в смеси с кислородом. Для этого они использовали топливные элементы, в которых водород на специальной ионообменной мембране соединялся с кислородом, в результате чего получались вода и электричество. Технология оказалась настолько удобной, что сейчас без участия топливных элементов не проходит ни одна серьезная космическая экспедиция.


Движки-универсалы

Немного позже ученые все же придумали, как использовать водород в качестве именно горючего и при этом не взорваться. В газ стали добавлять специальные присадки-ингибиторы (химические «тормоза»). Например, пропилен. Всего один процент этого дешевого газа — и водород из грозного оружия превращается в безопасный газ. В результате уже в 1979 году компания BMW выпустила первый автомобиль, вполне успешно ездивший на водороде, при этом не взрывавшийся и выпускавший из выхлопной трубы водяной пар. В эпоху усиливающейся борьбы с вредными выхлопами машина была воспринята как вызов консервативному автомобильному рынку.

Вслед за BMW в экологическую сторону потянулись и другие производители. К концу века каждая уважающая себя автокомпания имела в запаснике хотя бы один концепт-кар, работающий на водородном топливе.

Баварские автомобилестроители в рамках программы CleanEnergy («чистая энергия») приспособили под езду на Н2 несколько «семерок» и MINI Cooper. Оборудованная 4-литровым двигателем водородная «семерка» развивает мощность в 184 лошадиные силы и проходит на одной заправке (170 литтров жидкого водорода «под завязку») 300 км. Mazda «подсадила» на водород свой знаменитый спорт-кар RX-8. В таком экологически чистом варианте он называется Mazda RX-8 HRE (Hydrogen Rotary Engine). Все эти машины могут ездить и на водороде, и на бензине.

Если BMW и Mazda пока чередуют два вида топлива, некоторые научились их совмещать. По дорогам США уже ездит множество седельных тягачей, в дизельных сердцах которых пылает соляро-водородная смесь. В результате мощность двигателя вместе с чистотой выхлопа растут, а расход топлива снижается на 10%. Оборудованную системой HFI (Hydrogen Fuel Injection — водородный топливный впрыск) машину не надо даже заправлять этим газом, достаточно залить в небольшой бачок несколько литров воды. Система сама проведет электролиз, соберет водород и направит его в камеру сгорания. Эффект заключается в том, что в смеси с водородом солярка сгорает значительно эффективнее.

Но большинство производителей пошли по пути создания электромобилей на топливных элементах. Ибо кроме «экологичности» у них есть масса других преимуществ. Например, гораздо более высокий (до нескольких раз) КПД двигателя или бесшумность.

А больше всех новым топливом заинтересовались японцы. И это понятно. Эта страна, практически лишенная хоть каких-нибудь природных запасов нефти и газа, обладает неограниченными объемами сырья для водорода (в виде океанской воды) и поистине завидной сообразительностью населения. А поэтому здесь водородные аналоги есть практически у любого вида техники — от работающего на топливных элементах локомотива до человекоподобного робота SpeecysFC. К тому же японцы вовсю ведут разработки топливных элементов для ноутбуков и мобильных телефонов.

Компания NEC еще в 2001 году создала первый рабочий прототип мобильного топливного элемента PEFC. «Батарейка» выдает «на-гора» в 10 раз больше энергии, чем стандартный литиево-ионный аккумулятор. Правда, заряжается она метанолом: в специальной камере под действием катализаторов и температуры (85 градусов по Цельсию) из него извлекается водород, который и «допускается» к энергопроизводящей мембране. Такая система работы связана с тем, что хранить водород не так-то просто.


Энергетические консервы

Пока человек не научился получать дешевый водород напрямую, без использования электричества, к этому газу можно относиться лишь как к аккумулятору энергии — этакой копилке мегаджоулей. Ведь всего двадцать грамм водорода способны совершить столько же работы, сколько полностью заряженный автомобильный аккумулятор. Однако и в этом качестве у него существует множество конкурентов. Всю свою историю человек разрабатывал новые способы сбора и хранения энергии. С самым простым видом такого накопителя мы сталкиваемся всякий раз, когда заводим механические часы. Главное достоинство металлической пружины — простота конструкции, однако по плотности накопленного она стоит в самом конце рейтинга энергетических аккумуляторов.

Самая лучшая пружина не может «сохранить» более 0,5 кДж на килограмм своего веса. Обычная резинка способна «собрать» в 8 раз больше. Еще более емкими являются детали, которые электрики часто так и называют «емкость». Правильное название — конденсатор. Тут уже можно с килограмма получить 12 кДж. Следом за конденсаторами в линейке накопителей идут газовые и гидрогазовые. Их конструкция довольно сложна, используют эти устройства довольно редко (исключение — гидравлические дверные доводчики). Зато электрические «пиробатарейки» с неводным электролитом (энергоемкость — до 70 кДж/кг) человек использует сплошь и рядом. При большой температуре емкость и энергоотдачу такого источника можно повысить на порядок.

Промышленный «горячий электрический аккумулятор» «запасает» от 400 до 700 кДж на килограмм. Однако высокая, до 800 градусов, рабочая температура и выделение ядовитого хлора делают его малопригодным для гражданского использования. Зато огромный срок хранения в холодном состоянии и быстрый выход на рабочий режим очень нравятся военным, которые такие батареи активно используют в составе стоящих на боевом дежурстве ракет и прочей техники быстрого реагирования. Настоящим «королем накопителей» следует признать обычный маховик. Юлу, которую мы знаем с детства. Тут уже речь идет о цифрах в тысячи и десятки тысяч килоджоулей. Хороший промышленный накопитель из углепластика способен «запасать» таких килоджоулей до 15 000. И это не предел. На самом деле энергоемкость такого маховика определяется только прочностью конструкции. Незадолго до начала Великой Отечественной войны на одном из наших оборонных заводов разорвало установленный в подвале маховик. Осколок маховика весом примерно 300 кг, пробив все потолочные бетонные перекрытия, улетел в небо, а упав обратно, во второй раз, пробил крышу — такая огромная энергия была в нем накоплена.



Камеры хранения

Так выглядит 3d орбиталь в атоме водорода. Согласно квантовой механике у электрона нет четкой траектории движения, и орбиталь — это та область пространства, где его пребывание наиболее вероятно

Сейчас водородное топливо сберегают тремя способами: в сжатом виде, в сжиженном и в металлогидридах. Самое простое, конечно, — закачать водород в бак мощным компрессором. В баках той же Mazda водородное топливо содержится под давлением 350 атмосфер. Но способ этот, будучи самым дешевым, и самый небезопасный. При таком высоком давлении любая слабинка в системе грозит протечкой газа. А где протечка, там пожар, а то и взрыв. Более надежный и практичный способ — держать водород в жидком виде. Но для этого его нужно охладить до –253 градусов Цельсия. В BMW топливо хранится именно в таком виде: поэтому почти половину топливной системы занимает мощнейшая теплоизоляция. И все равно, стоит оставить машину на стоянке, скажем, на недельку, и она встретит вернувшегося хозяина с пустыми баками. Никакая изоляция не может полностью защитить систему от нагрева. В результате водород начинает испаряться, давление в баке растет, и газ просто стравливается в атмосферу через предохранительный клапан. По техническим условиям полная заправка испаряется всего за три дня…

Самый перспективный способ — хранение в металлогидридных композициях. Водород, оказывается, очень хорошо растворяется металлами, как вода впитывается губкой. Причем он поглощается в огромных объемах, значительно превосходящих объемы «губки». Такие «напитанные» водородом металлы называются металлогидридами. При охлаждении они вбирают водород, при нагревании — активно его отдают. В прошлом году специалисты из американской Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории создали материал на основе борана аммиака, способный впитывать и отдавать уже при 80 градусах водород со скоростью, в сто раз превышающей те, что были доступны раньше. А Танер Иилдирим из американского Национального института стандартов и технологий вместе с Салимом Сайраки из турецкого университета Билкента разработали материал, способный впитывать газообразный водород в количестве до 9 000 литров на 10-килограммовый элемент! Это особый кристаллический нанокомплекс, состоящий из микроскопических, инкрустированных снаружи титаном, углеродных нанотрубок, каждая из которых в 5 000 раз тоньше человеческого волоса. Изготовить такой углеродно-титановый «накопитель» человек уже может, но стоит он слишком дорого. Пока. Однако заметим, что и персональный компьютер еще совсем не так давно стоил, как хороший автомобиль.

Казалось бы, человечество уже готово перепрыгнуть в водородную эпоху. Новое топливо устраивает и ученых, и экологов, и предпринимателей, и политиков, и простых людей. И перейти на него мешает всего одна проблема. Пока что совсем не понятно, где этот водород брать.


Как стать новым кувейтом

Получение водорода электролизом — малоперспективно. Ведь для того чтобы разложить воду на составляющие, нужно электричество, а его производят… правильно, сжигая в основном ту же нефть. Запасы природного газа, из которого можно выделять водород температурным разложением, тоже не бесконечны.

Экологи предлагают для производства водорода использовать только чистую энергию ветра и солнца, однако все эти прожекты не слишком реалистичны. Английские специалисты посчитали, что для того, чтобы перевести весь автотранспорт острова на такой «чистый» Н2, надо будет застроить несколькими рядами ветряков всю береговую полосу страны. С солнечной энергией тоже не совсем получается: фотоэлементы очень дороги, а при их производстве вредных отходов получается столько, что уж лучше нефть жечь. Строго говоря, самые популярные сейчас полупроводниковые солнечные батареи дороги прежде всего потому, что для выплавки, очистки и обработки кремния, из которого их делают, нужно больше энергии, чем они способны выработать в течение всего своего срока службы. Остается «мирный атом», но для того, чтобы произвести из воды необходимое английским автолюбителям количество водорода, на острове нужно построить более 100 новых АЭС — не самое привлекательное решение, если оценить размер необходимых инвестиций и проблему с утилизацией или захоронением отходов.

Ученые и изобретатели пытаются обойти проблему, выводя специальные породы бактерий, вырабатывающих водород, и покрывая крыши гаражей особыми солнечными элементами, в которых вода разлагается на водород и кислород без промежуточной электрической стадии. Химики из британского Университета Лидса предлагают даже извлекать водород из подсолнечного масла. Но очевидно, что все это — лишь временные решения.

Выходит, мы в тупике? Не совсем. Вообще, водород во Вселенной — самый распространенный элемент. Она состоит из него на 70%. А вот на Земле, как ни странно, этот элемент в свободном виде в дефиците: всего 3—4%. А может, его все-таки больше? Вот тут-то мы и подходим к самому интересному.

Еще в 70-х годах прошлого века известный геолог Владимир Ларин разработал теорию, поддержанную многими учеными и никем пока не опровергнутую, которая утверждает, что водорода у нас много больше. Не просто больше, его у нас — целый океан, до которого надо только добраться. И сделать это не так сложно. Достаточно пробурить несколько пяти-шестикилометровых скважин в нужных местах. За разработку этой концепции Ларин получил докторскую степень.

Суть теории заключается в том, что ядро нашей планеты состоит не из железа, как считалось ранее, а из металлогидридов. Из предельно насыщенных водородом магния и кремния и уж только потом — из железа. Собственно, никаких доказательств того, что ядро Земли железное, нет. Ученые еще в начале прошлого века выяснили, что оно состоит из некоего плотного металла, и посчитали, что этим металлом является железо. Зато доказательств металлогидридной теории — масса. Вулканы и земные разломы выбрасывают в атмосферу водород именно так, как требует металлогидридная теория и вопреки тому, что постулирует железная. На основе своей теории Ларин верно предсказал появление в базальтовых породах самородных металлов. Ею легко объясняются загадочные скачки плотности земной мантии на глубинах в 400, 670 и 1 050 км.

Но самое главное в этой теории вот что. На суше есть несколько точно установленных мест, в которых земная кора имеет толщину всего 5—10 км (обычно же — 100—150). Это так называемые области рифтогенеза. По теории Ларина, пробурив в этих местах несколько скважин, можно добраться до металлогидридного слоя. И тогда, закачивая в одну из скважин воду, из других можно будет получать чистый водород в практически неограниченных количествах. Причем нужный газ будет не только отдаваться металлогидридами, но и получаться благодаря соединению щелочноземельного магния с водой. Расчеты, сделанные учеными Сибирского отделения АН СССР в 1989 году, показали, что в случае правильности металлогидридной теории участок в 20 км2 даст за год водорода столько, что им можно будет заменить 400 млн. тонн нефти. А это, между прочим, больше, чем сейчас добывает вся Россия.

В том же 1989 году в Геологическом институте состоялось совещание под патронатом Академии наук, где заслушали доклад Ларина и постановили: «Рекомендовать сверхглубокое бурение (до 10—12 км) в области современного рифтогенеза… Предложить в качестве объекта Тункинскую впадину, где бурение может иметь исключительно большое значение для энергетики и экологии, так как позволит оценить и проверить научно обоснованную возможность обнаружения принципиально нового и экологически чистого энергоресурса, могущего составить конкуренцию традиционным энергетическим источникам…» Тункинская впадина — место недалеко от Байкала, где толщина земной коры составляет всего 4—5 км. На Земле подобных мест немного. Кроме этой впадины подходящие для бурения зоны есть в Исландии, Израиле (на зависть арабским нефтешейхам), на западе Канады и в США, в штате Невада.

Жаль, но тогда, в конце 80-х и начале 90-х, до «водородного» бурения дело не дошло. Стране стало не до экспериментальных скважин. Сегодня, когда нефть является «нашим всем», никто добывать водород особо не стремится, предлагая, как в том старом анекдоте, изобретателю бесплатного нефтезаменителя в награду за открытие на выбор либо расстрел, либо четвертование. Единственный из российских олигархов, вкладывающий серьезные деньги в развитие водородной энергетики, — абсолютно не нефтяной никелевый король Владимир Потанин. В апреле этого года он купил за 241 млн. долл. 35% акций убыточной американской компании Plug Power, занимающейся выпуском топливных элементов. Аналитики говорят, что это самые большие частные инвестиции из тех, что знает история водородной энергетики. А в 2003 году партнер олигарха Михаил Прохоров на совместном заседании президиума АН России и правления «Норильского никеля» заявил, что «если страна уже сегодня не предпримет попытки дерзкого прорыва в «водородную эру», то через пятнадцать лет она окажется в тяжелейшей депрессии, ибо ее нефть окажется ненужной миру».

Не исключено, что он был прав. Человеку свойственно быстро расставаться с менее удобными вещами в пользу более удобных. Вспомните, сколько лет ему понадобилось на то, чтобы сменить виниловые пластинки на компакт-диски. А сколько ушло на то, чтобы опутать мир сетью Интернет? А за какой срок нашу цивилизацию покорили мобильные телефоны? Что бы там ни говорили скептики, но если человечество получит дешевый водород в достаточных количествах, то переход на него произойдет не более чем за десятилетие. Это — всего лишь среднее время «жизни» обычного автомобиля.

Для нас главное — успеть пробурить к тому времени Тункинскую скважину.

Валерий Чумаков
http://www.vokrugsveta.ru/publishing/vs/archives/?item_id=2729