Утечка водорода чем опасна
Как работает водородный двигатель и какие у него перспективы
С 2018 года в ЕС действует запрет на дизельные автомобили новейшего поколения в населенных пунктах [1]. Это стало поворотным моментом в развитии рынка электрокаров, а также — гибридных и водородных двигателей.
Великобритания еще в 2017-м высказывалась за полный запрет бензиновых авто к 2040 году. Тогда же, если верить исследованию Bloomberg New Energy Finance [2], на электрокары будет приходиться 35% от всех продаж автомобилей. Уже к 2030 году Jaguar и Land Rover планируют довести число электрокаров в своих линейках до 100% [3]. Часть из них тоже работает на водороде.
История развития рынка водородных двигателей
Первый двигатель, работающий на водороде, придумал в 1806 году французский изобретатель Франсуа Исаак де Риваз [4]. Он получал водород при помощи электролиза воды.
Первый патент на водородный двигатель выдали в Великобритании в 1841 году [5]. В 1852 году в Германии построили двигатель внутреннего сгорания (ДВС), который работал на воздушно-водородной смеси. Еще через 11 лет французский изобретатель Этьен Ленуар сконструировал гиппомобиль [6], первые версии которого работали на водороде.
В 1933 году норвежская нефтегазовая и металлургическая компания Norsk Hydro Power переоборудовала [7] один из своих небольших грузовиков для работы на водороде. Химический элемент выделялся за счет риформинга аммиака и поступал в ДВС.
В Ленинграде в период блокады на воздушно-водородной смеси работали около 600 аэростатов. Такое решение предложил военный техник Борис Шепелиц, чтобы решить проблему нехватки бензина. Он же переоборудовал 200 грузовиков ГАЗ-АА для работы на водороде.
Первый транспорт на водороде выпустила в 1959 году американская компания Allis-Chalmers Manufacturing Company — это был трактор [8].
Первым автомобилем на водородных топливных элементах стал Electrovan от General Motors 1966 года. Он был оборудован резервуарами для хранения водорода и мог проехать до 193 км на одном заряде. Однако это был единичный демонстрационный экземпляр, который передвигался только по территории завода.
В 1979-м появился первый автомобиль BMW с водородным двигателем. Толчком к его созданию послужили нефтяные кризисы 1970-х, и по их окончании об идее альтернативных двигателей забыли вплоть до 2000-х годов.
В 2007 году та же BMW выпустила ограниченную серию автомобилей Hydrogen 7, которые могли работать как на бензине, так и на водороде. Но машина была недешевой, при этом 8-килограммового баллона с газом хватало всего на 200-250 км.
Первой серийной моделью автомобиля с водородным двигателем стала Toyota Mirai, выпущенная в 2014 году. Сегодня такие модели есть в линейках многих крупных автопроизводителей: Honda, Hyundai, Audi, BMW, Ford и других.
Как работает водородный двигатель?
На специальных заправках топливный бак заправляют сжатым водородом. Он поступает в топливный элемент, где есть мембрана, которая разделяет собой камеры с анодом и катодом. В первую поступает водород, а во вторую — кислород из воздухозаборника.
Каждый из электродов мембраны покрывают слоем катализатора (чаще всего — платиной), в результате чего водород начинает терять электроны — отрицательно заряженные частицы. В это время через мембрану к катоду проходят протоны — положительно заряженные частицы. Они соединяются с электронами и на выходе образуют водяной пар и электричество.
По сути, это — тот же электромобиль, только с другим аккумулятором. Емкость водородного аккумулятора в десять раз больше емкости литий-ионного. Баллон с 5 кг водорода заправляется около 3 минут, его хватает до 500 км.
Где применяют водородное топливо?
Плюсы водородного двигателя
Минусы водородного двигателя
Водород для топлива можно получать разными способами. В зависимости от того, насколько они безвредны, итоговый продукт называют [13] «желтым» или «зеленым». Желтый водород — тот, для которого нужна атомная энергия. Зеленый — тот, для которого используют возобновляемые ресурсы. Именно на этот водород делают ставку международные организации.
Самый безвредный способ — электролиз, то есть, извлечение водорода из воды при помощи электрического тока. Пока что он не такой выгодный, как остальные (например, паровая конверсия метана и природного газа). Но проблему можно решить, если сделать цепочку замкнутой — пускать электричество, которое выделяется в водородных топливных элементах для получения нового водорода.
Водородный транспорт в России
В России в 2014 году появился свой производитель водородных топливных ячеек — AT Energy. Компания специализируется на аккумуляторных системах для дронов, в том числе военных. Именно ее топливные ячейки использовали для беспилотников, которые снимали Олимпиаду-2014 в Сочи.
В 2019 году Россия подписала Парижское соглашение по климату, которое подразумевает постепенный переход стран на экологичные виды топлива.
Чуть позже «Газпром» и «Росатом» подготовили совместную программу развития водородной технологии на десять лет.
Главный фактор, который может обеспечить России преимущество на рынке водорода — это богатые запасы пресной воды [14] за счет внутренних водоемов, тающих ледников Арктики и снегов Сибири. Вблизи последних уже есть добывающая инфраструктура от «Роснефти», «Газпрома» и «Новатэка».
В конце 2020 года власти Санкт-Петербурга анонсировали [15] запуск каршеринга на водородном топливе совместно с Hyundai. В случае успеха проект расширят и на другие крупные города России.
Перспективы технологии
Вокруг водородных двигателей немало противоречивых заявлений. Одни безоговорочно верят в их будущее — например, Арнольд Шварценеггер еще в 2004 году, будучи губернатором Калифорнии, обещал [16], что к 2010 году весь его штат будет покрыт «водородными шоссе». Но этого так и не произошло. В этом отчасти виноват глобальный экономический кризис: автопроизводителям пришлось выживать в тяжелейших финансовых условиях, а подобные технологии требуют больших и долгосрочных вложений.
Другие, напротив, критикуют технологию за ее очевидные недостатки. Так, основатель Tesla Илон Маск назвал водородные двигатели «ошеломляюще тупой технологией» [17], которая по эффективности заметно уступает электрическим аккумуляторам. Отчасти он прав: сегодня водородным автомобилям приходится конкурировать с электрокарами, гибридами, транспортом на сжатом воздухе и жидком азоте. И пока что до лидерства им очень далеко.
Но у водородного топлива есть существенное преимущество перед электрическими аккумуляторами — долговечность. Если аккумулятора в электрокаре хватает на три-пять лет, то водородной топливной ячейки — уже на восемь-десять лет. При этом водородные аккумуляторы лучше приспособлены для сурового климата: не теряют заряд на морозе, как это происходит с электрокарами.
Есть еще одна перспективная сфера применения водородного топлива — стационарное резервное питание: ячейки с водородом могут снабжать энергией сотовые вышки и другие небольшие сооружения. Их можно приспособить даже для энергоснабжения небольших автономных пунктов вроде полярных станций. В этом случае можно раз в год наполнять газгольдер, экономя на обслуживании и транспорте.
Основной упрек критиков — дороговизна водородного топлива и логистики. Однако Международное энергетическое агентство прогнозирует, что цена водорода к 2030 году упадет минимум на 30% [20]. Это сделает водородное топливо сопоставимым по цене с другими видами [21].
Если вспомнить, как развивался рынок электрокаров, то его росту способствовали три главных фактора:
Водородные двигатели ждет примерно тот же сценарий. В Toyota видят главные перспективы [26] для водородных двигателей в компактных автомобилях, а также в среднем и премиум-классе. Пока что производство не вышло на тот уровень, чтобы бюджетные модели работали на водороде и оставались рентабельными. Современные водородные машины стоят вдвое дороже обычных [27] и на 20% больше, чем гибридные.
Влияние фторида водорода на организм человека. Водный раствор фтороводорода
Образование HF может быть связано со взрывом при взаимосвязи с водородом, в процессе взаимодействия плавикового шпата и сильных нелетучих кислот. Процедура выполняется в печах из стали при 120-300 градусах C, и занимает много времени. Установочные части, предназначенные для вбирания HF, производятся из свинца.
Водный раствор фтороводорода
В сжиженном виде фтористый водород представляет собой плавиковую кислоту, и применяется как 40-72 %-ный раствор. В ней могут содержаться примеси железа, мышьяка, сернистого газа. Концентрация 60 % раствора участвует в химии органического синтеза. Хранение смеси производится в полиэтиленовых или тефлоновых сосудах, а многотоннажная плавиковая кислота транспортируется в резервуарах из стали. Применяется при производстве кремнефторидов, синтетических смазочных масел и борфторида аммония, который служит компонентом флюсов в металлургии. Используется при электролизе для получения чистого бора, цементов и эмалей, не восприимчивых к минеральным кислотам. Флюаты обеспечивают водонепроницаемость стройматериалов. Большую значимость имеет раствор в матировании стекла и полупроводниковой индустрии, участвуя в травлении кремния. Используется для получения криолита, фтористых производных урана, фреонов. При добавлении в примесь акцепторов фтора образуются сверхкислые среды. В нефтехимической промышленности раствор необходим для обработки и очистки поверхностей. Применяется в призабойных зонах добывающих скважин. В сочетании с прочими кислотами счищает со стенок аппаратуры отложения асфальтов и парафинов, что увеличивает эффективность нефтедобычи. Присутствует в системах фильтрации.
Влияние фторида водорода на человека
Вещество ядовито и представляет большую опасность для человека, как в состоянии газа, так и виде жидкости. Плавиковая кислота оказывает наркотическое воздействие, и пагубно сказывается на работе сердечно-сосудистой, выделительной, дыхательной системы, поражает кожные покровы и слизистые оболочки. Отравление смесью через кожные покровы протекает безболезненно, симптомы проявляются на следующий день: образование язв на участках кожи и ожогов на слизистой глаз. Попадание в организм путем вдыхания, влечет за собой разрушение тканей легких. При острой интоксикации первой помощью является 2 % раствор СаСЬ. При ожогах пострадавшую область необходимо долгое время промывать под струей холодной воды, после чего наложить компресс 20 %-ной взвеси MgO в глицерине.
Обеспечение безопасности при работе с HF
Качественную и надежную аппаратуру можно приобрести в компании RTECO — проверенного поставщика КИПиА известных производителей.
Дополнительными средствами индивидуальной защиты от ядовитых примесей в воздухе являются респираторы, фильтрующие и изолирующие противогазы. Для защиты от химических и термических ожогов при работе со смесью нужно пользоваться шерстяной спецодеждой, резиновой обувью, перчатками и изолирующими очками. Несоблюдение перечисленных мер может привести к аварийной ситуации на производстве, интоксикации или смерти работников.
Водород – штука очень непростая и совсем небезопасная
Россия займет не менее 20% мирового рынка водорода. Об этом заявил Александр Новак на сессии по развитию водородной энергетики. По словам Новака, Россия обладает соответствующими технологиями, готовыми продуктами и кадрами.
Проблема в том, что все ныне существующие установки в России по производству водорода на российских НПЗ построены по лицензиям западных компаний Halder Topsoe, Linde и UOP. Обладать-то соответствующими технологиями Россия обладает, но.
Второй момент — водород обладает диффузионными свойствами, активно проникая в металл и вызывая его коррозию. Кроме того, водород — активный элемент и охотно образует самые разные соединения, многие из которых весьма агрессивны. К примеру, с серой он образует сероводород, активно разрушающий поверхность труб и любых иных металлических деталей и узлов.
В общем, водород – штука очень непростая и совсем небезопасная. А значит, вот так просто взять и заместить природный газ водородом нельзя. Требуется серьезный комплекс мероприятий по упрочнению всей инфраструктуры, создание, применение и использование нейтральных к водороду конструкционных материалов.
Именно поэтому, несмотря на некоторый «зеленый» психоз, отношение к водороду остается достаточно осторожным. В этом смысле любые идеи, звучащие из Кремля, про захват лидерских позиций на рынке водорода, могут быть чем-то сильно похожими на медведевскую концепцию перехода на энергосберегающие лампы. Перешли, но не на те.
Водородная энергетика – «подводные камни» и «экологические мины»
Здравствуй, дивный водородный мир!
Автор – Борис Марцинкевич
В начале июля 2020 года еврокомиссар по энергетике Кадри Симсон выступила с кратким, но емким заявлением: «Цель ЕС – в том, чтобы к 2050 году стать климатически нейтральным. Это значит, что к этому времени мы выведем из употребления все ископаемые энергоносители, и все поставщики Евросоюза должны иметь это в виду». Единственной и неповторимой альтернативой углю, нефти и нефтепродуктам, природному газу назначен водород, при этом очевидно, что инициатива исходит не лично от госпожи Симсон – она всего лишь озвучила то, на чем больше всех настаивала Германия, правительство которой уже заявило об амбициозной национальной программе водородной энергетики, согласно которой уже к 2030 году в стране, к примеру, должны быть построены 20 ГВт дополнительных электростанций, предназначение которых будет только одно – производство так называемого «зелёного» водорода. Тема активно подхвачена и растиражирована многими новостными и даже аналитическими агентствами, спектр оценок которых начинается от очередной, невесть какой по счету, «смерти России» до оптимизма по поводу того, что именно наша страна и сумеет стать мировым лидером этого нового рынка. Информации много, систематизированной ее назвать невозможно, поэтому стоит попробовать привести ее в порядок.
«Здравствуй, чудный водородный мир!»
Если водород претендует на замену собой всех энергетических ресурсов разом, то и ему предстоит «взять» на себя всё, что сегодня касается алгоритма использования любого ископаемого топлива. Для того, чтобы использовать тем или иным способом уголь, газ и нефть, их, прежде всего, нужно добыть, а в случае водорода первым вопросом становится технология его производства. После добычи ископаемое топливо подлежит предварительной очистке – эта же процедура потребуется и при производстве водорода, он тоже должен быть максимально очищен от вредных примесей. Далее топливо нужно транспортировать к месту его использования или дальнейшей переработки – это в полной мере касается и водорода. Ну, и последний пункт в цепочке – использование топлива по назначению, сжигание с использованием той или иной технологии. Собственно говоря, именно по этому поводу нам всем и приказано испытывать энтузиазм и душевный подъём – ведь при сжигании топлива не образуется углекислого газа, единственный продукт его горения – вода, чистая, как слеза младенца. Легко и непринужденно мы избежим глобального потепления, улицы городов очистятся от смога, счастливая Грета Тунберг, избавленная от забот и тревог, снова пойдет в школу, будут цвести цветы, по ним весело станут порхать бабочки, снова начнут расти айсберги и ледовые поля в Северном Ледовитом океане, через Финский залив снова можно будет ходить зимой на лыжах, а мы с вами будем петь и смеяться, как дети.
Мы приносим извинения за то, что отказываемся от традиционного построения рассказов о водородной энергетике и начинаем с конца. Но выдающийся банкир современности уверяет, что обществу прежде всего нужны качественные потребители – вот и «побудем» таковыми какое-то время. Когда качественного потребителя спрашивают, откуда берётся электроэнергия, он уверенно дает безукоризненно точный ответ: «Из розетки!». Отбрасываем все подробности первых трёх этапов использования водорода – производство, очистку, транспортировку, рисуем в воображении картины восхитительного счастья. Водорода много, он доступен, на нем катаются все без исключения транспортные средства, возле каждой электростанции уже построены каскады бассейнов с теплой и чистой водой, благодаря чему в Воркуте цветут бананы, в Магадане собирают по два урожая ананасов в год, а на заборах вместо воробьёв уже индюки восседают. А как иначе? Вот же она, заветная формула сжигания водорода:
И эта замечательная химическая реакция сопровождается выделением большого количества тепла. Вот и вообразим на минуточку, что мы живём в мире, где реализованы все до одной водородные программы – немецкая, американская, программа ЕС и все прочие, благо их сейчас немало. Все, все успели и сумели, в воздух чепчики подбросили – и нет больше в употреблении ни нефти, ни газа, ни угля с ураном вместе, везде и всюду только водород: на электростанциях, в баках автомобилей и даже в плитах на наших кухнях. О том, как именно будет производиться водород, все нюансы отличий между водородом «зелёным», «голубым» и даже «коричневым», рассмотрим в следующий раз.
Механизм Зельдовича и оксиды азота
«Главная водородная формула» совершенно точна, но начинать придётся с того, чтобы опуститься на нашу грешную Землю, атмосфера которой отнюдь не состоит из чистого кислорода – его в ней куда как меньше, чем азота. Температура горения водорода в кислородной среде может превышать 2 800 градусов, то есть на тысячу градусов выше, чем температура горения метана, основной составляющей природного газа. Вот уже созрел первый вопрос – а из каких таких металлов выполнены топки водородных электростанций? Какие такие сплавы ведут себя прилично при температуре, скажем, в 2 500 градусов? Такая температура характерна для авиационных и ракетных двигателей, состав материалов для которых, конечно, известен, но известна и цена такого удовольствия. Ладно, отбрасываем эту досадную мелочь в сторону – денег у нас полным-полно, жаропрочных металлов на Земле пруд пруди – справимся, нам ли привыкать, мы вон и без денег держимся. Но вот с химией горения водорода в атмосферном воздухе справиться не получится – она не про бабочек на айсбергах, она куда как более суровая наука. И, как и во многих других отраслях научных знаний, в ней имеются непререкаемые авторитеты, которые стали непререкаемыми после того, как все желающие с ними попрекаться это сделали и убедились, что ничего не получается – аргументы корифеев незыблемы, как скала. Всё, что можно знать об образовании оксидов азота, в 40-е годы прошлого века сказал Яков Борисович Зельдович – у него тогда было ещё свободное время на занятия химией, это после создания Спецкомитета по атомной энергии он был занят до предела, пока не разработал теорию атомных и ядерных боезарядов. Химические реакции, которые неизбежно происходят между азотом и кислородом при наличии высоких температур:
Механизм образования оксидов азота так и называют – механизм Зельдовича. Чуть позже был открыт ещё и механизм Фенимора, по имени открывшего его ученого, но нам дополнительные тонкости в этот раз не требуются, нам уже и так хорошо.
Бесконечные рассказы о зловредности углекислого газа – дело полезное, но они похоронили под собой описание тех «радости и счастья», которую нам с вами обеспечивает присутствие в окружающем нам воздухе оксид азота. «NO не имеет запаха, но при вдыхании может связываться с гемоглобином крови, переводя его в форму, не способную переносить кислород, Оксид азота в высоких концентрациях раздражает легкие и может приводить к серьезным последствиям для здоровья. Он легко соединяется с водой и растворяется в жире и может проникать в капилляры легких, где он вызывает воспаление и астматические процессы. Высокая концентрация оксидов азота сначала дает неприятные ощущения и жжение, при ее дальнейшем повышении вызывает летальный исход. Более низкие концентрации могут вызывать головную боль, проблемы с пищеварением, кашель и легочные заболевания. Больного могут беспокоить конъюнктивит, ринит и фарингит за счет раздражения слизистых оболочек, проявляющихся кашлем, слезотечением и общим недомоганием. На следующей стадии отравления появляется влажный кашель со слизистой или кровянистой мокротой, одышка, цианоз, тахикардия и фебрильное повышение температуры. Возникает чувство страха, психомоторное возбуждение и судороги. В отсутствие квалифицированной медицинской помощи приводит к летальному исходу».
Достаточно? Нет. Именно наличие в воздухе оксидов азота в высокой концентрации – причина кислотных дождей, о которых нам тоже любят рассказывать. Оксиды азота в разы опаснее для человека, чем углекислый газ, а более высокая температура сгорания водорода неизбежно приведет к более интенсивному их образования. Здравствуй, дивный водородный мир!
На практике это означает, что на всех электростанциях, на которых будет использоваться горение водорода, потребуется дополнительное оборудование для выделения из атмосферного воздуха чистого кислорода. К смете на строительство самих электростанций, которая и так уже радует глаз из-за материалов топочного оборудования, добавится ещё N инвестиций, причем нельзя исключать того, что это станет отдельным термином – «N-инвестиции». При некотором напряжении, не исключено, что такое оборудование можно будет умудриться ставить на тяжелые грузовики, железнодорожные локомотивы и даже морские и речные суда, а вот оснастить им же ещё и легковые автомобили не получится – тогда легковые автомобили автоматически начнут превращаться в грузовые. Вот ещё одно, дополнительное направление необходимого развития технологий – миниатюризация оборудования для сепарирования атмосферного воздуха. Мы, квалифицированные потребители, согласны либо подождать, либо смириться с тем, что оксидов азота в городском воздухе будет становиться больше, а кислотные дожди будут идти чаще. Конечно, можно еще пробовать экспериментировать с интенсивностью подачи водорода в камеру сгорания, чтобы температура была ниже порогового значения, после которого механизм Зельдовича включается в действие автоматически. Однако тогда становится менее очевиден смысл использования водорода в качестве топлива – КПД двигателя окажется сопоставим с КПД обычного двигателя внутреннего сгорания, использующего бензин или дизель. Как потребители потребителям – сейчас средняя цена килограмма водорода составляет около 8 долларов, что, мягко будь сказано, значительно превышает стоимость традиционных видов топлива.
Опытно-исследовательские данные из Японии
Если же речь вести об энергетических компаниях, живущих и работающих в реальном мире, а не в мире фантазий европейских чиновников, то среди них нет желающих вышвыривать на свалку истории оборудование электростанций и устанавливать новое, из дорогих сплавов с вольфрамом, молибденом, титаном. На всякий случай напомним, что цель деятельности любой компании – прибыль для их акционеров, а не чьи-то мечтания, да ещё и дорогостоящие. Mitsubishi Hitachi Power Systems (MHPS) еще несколько лет назад успешно испытала газовую турбину большой мощности на одной из своих электростанций, подав в камеру сгорания природный газ с добавкой 30% водорода. Температура газов на выходе – 1600 градусов, оборудование такую нагрузку, хоть и не без сложностей, но выдержало. КПД незначительно, но увеличился, а вот количество образовавшегося углекислого газа оказалось ниже сразу на 10%, а по поводу оксидов азота японская компания информацию раскрыла не полностью, ограничившись фразой «остались на приемлемом уровне». Рекомендация MHPS – экономически оправдано и экологически полезно использовать топливную смесь из 80% природного газа и 20% водорода. Там же, в Японии, в 2018 году Kawasaki Heavy Industries и Obayashi провели краткосрочные испытания турбины при подаче в камеру сгорания 100% водорода. Об экономике эксперимента отчета не последовало, но вполне достаточно знать о том, что принадлежащая консорциуму этих компаний ТЭЦ в Кобе работает на смеси водорода и природного газа 20% на 80% – то есть в соответствии с рекомендациями, которые дала MHPS. Эксперименты с добавками водорода в топливную смесь для газовых ТЭЦ идут, конечно, не только в Японии, но мы рассказали о самых оптимистичных результатах, которые зависят от национальных технических стандартов для оборудования и материалов, из которого оно произведено.
Вот таковы, в соответствии со стандартами, допустимые доли водорода в природном газе на день сегодняшний: Бельгия, Новая Зеландия, США, Великобритания – 0,1%; Германия – 10%, Нидерланды – 12%. Водородные мечтания о полном отказе от использования традиционного топлива на сегодняшний день проигрывают суровой действительности – нужны целые серии научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, нужны изменения национальных технических стандартов, проверка полученных результатов на опытно-промышленном оборудовании и так далее. За каждым использованным в предыдущей фразе термином незримо стоят вопросы о финансировании, о квалифицированных кадрах, о необходимом времени – с учетом того, что никто ведь не гарантирует, что все эксперименты и испытания окажутся успешными.
Если уж Германия и Евросоюз действительно хотят реализации своих «водородных программ», то в этих программах, на наш взгляд, должны присутствовать графики проведения НИОКР и последующих испытаний, должны быть предусмотрены соответствующие инвестиции, а вот жестких сроков быть не должно – в том случае, если коллективы разработчиков программ не возглавляют прямые потомки Мишеля Ностардамуса, конечно. И речь не о некоем абстрактном «финансировании вообще», а о конкретных НИИ, исследовательских группах и их объединениях. Впрочем, это не наши с вами заботы – если в бюджетах ЕС и в бюджетах отдельных государств имеются запасы денег, пусть тратят так, как считают нужным. А пока, если без «водородных жар-птиц», то можно опираться на расчеты МЭА, Международного Энергетического Агентства: создание масштабной европейской сети электростанций, где использовалось бы газово-водородная смесь в пропорциях 80/20, обеспечит снижение выбросов углекислого газа на 7% или на 60 млн тонн. В своих расчетах МЭА опиралось на данные, полученные в Японии – по той простой причине, что эти данные были «добыты» в нормальном для любой новой технологии режиме. А текст от европейского чиновника про 100% водорода, про полное отсутствие выбросов углекислого газа и при полном склерозе относительно оксидов азота характеризуется просто и незатейливо – популизм.
Килограммы и кубометры – почувствуйте разницу
Да, раз уж в тексте выше случайно было напечатано слово «килограмм», на это тоже необходимо обратить внимание квалифицированных потребителей. Это слово используют для демонстрации еще одной «заманухи» со стороны неквалифицированных поклонников водородной энергетики: «Удельная теплота сгорания 1 килограмма метана около 50 МДж (мегаджоулей), а удельная теплота сгорания 1 килограмма водорода – около 130 МДж. Видите, насколько водород выгоднее?!»
Видим, конечно – видим то, что в качестве единицы используется килограмм. Загляните к себе в платежку, уважаемые читатели – уж нет ли там строки «цена килограмма газа»? Ничего подобного – кубометры, и всё тут. Кубометр метана можно взвесить, не проблема – при нормальном атмосферном давлении и при 20 градусах Цельсия измерительный прибор покажет 657 грамм. Но и кубометр водорода тоже можно взвесить, разве что прибор поточнее потребуется, поскольку кубометр этого газа весит 89,9 грамма. То же, но другими словами – водород весит в 7,3 раза легче метана. Если вы живёте в доме с газовой плитой, то для того, чтобы получить 130 Мдж тепла, вам придётся сжечь 3,96 кубометров природного газа, а если вы каким-то чудом оказались в доме, который в 2050 году построил евробюрократ, то для получения тех же 130 МДж вам потребуется 11,11 кубометров водорода. Как квалифицированный потребитель, мы можем посчитать это в деньгах – это ведь основная задача этого неведомого существа. Розничная стоимость газа в разных регионах разная, давайте возьмем Московскую область – 6,56 рубля за кубометр. Значит, 130 МДж тепла обойдутся 6,56 *4,0 = 26,24 рубля. Достижимые цены водорода в Европе к 2025 году, согласно исследовательскому центру ACIL ALLEN Consulting для Евросоюза – 5,43 доллара за килограмм. Доллары в рубли пересчитайте по вкусу – мы ведь не знаем, каким он будет в тот день, когда вам на глаза попадется эта статья. Возьмём, к примеру, какой-нибудь «среднепотолочный» 1 доллар по 70 рублей, но умножать мы не будем – лениво, если честно, всё равно получится что-то от 350 до 400 рублей за те же самые 130 МДж тепла.
При этом в наших платежках – розничные цены для нас с вами как конечных потребителей, а в ACIL ALLEN рассчитывал цены для производителей водорода, так что и без того безумная разница цен в реальности окажется ещё выше. Транспортные услуги, коммерческие наценки – за всё это, в конечном счете, заплатит именно конечный потребитель, в данном случае – явно конечное число раз. Всё, что можно сказать по этому поводу в качестве комментария, так только: «Здравствуй, дивный водородный мир!» Да, чуть не забыли: если из европейской газовой плиты в 2050 году будет идти чистый водород, то из какого металла будет изготовлена эта плита и ее конфорки – мы понятия не имеем, поскольку температура пламени будет не меньше 2 000 градусов. Подумайте сами, а, пока будете думать – мысленно распрощайтесь со всеми вашими кастрюлями и сковородками, поскольку их расплавленный металл всю европлиту закапает, оттирать замучаетесь. Если ЕС намерен отказаться от газификации своего населения, переведя весь жилой фонд исключительно на электроэнергию, кастрюли, конечно, уцелеют, но какой будет цена электричества, в замечательных планах окончательной победы водородной энергетики, авторы планов скромно умалчивают. А мы напомним, что стоимость электроэнергии на тепловых электростанциях зависит от цены сырья на 90% – выводы можете сделать самостоятельно, а заодно получится объективная оценка перспективности жития обывателей в «водородной» Европе после 2050 года.
Плотность водорода, наряду с его химическими и физическими свойствами – это следующий блок проблем, стоящий перед развитием водородной энергетики. Причем блок крепенький – именно он, во многом стал причиной того, что интерес к этой теме, который в Европе впервые обострился в 1974 году, дальше полуакадемического уровня так и не пошел. Произошло это именно в 1974 году, то есть во время того самого мирового нефтяного кризиса, от воспоминаний о котором и по сей день у тех, кто его пережил, волосы дыбом. Напомним, что кризис нынешний, 2020 года, вызван падением спроса и вызванном им падением цены в два раза, причем, как сейчас выясняется, падение оказалось столь значительным на 3-4 месяца. А в 1974 году цена нефти в Европе выросла в 3-4 раза, да так вниз и не опустилась, поэтому в Европе готовы были на какие угодно технологии, лишь бы избавиться от зависимости от импорта нефти. В числе прочих вариантов рассматривалась и водородная энергетика, но тогда, кроме самого рассмотрения, никаких последствий не состоялось. Водород, как известно, самый распространенный химический элемент во Вселенной, именно из него состоит 92% её вещества, а вот на планете Земля в чистом виде его просто нет – он настолько химически активен, что с невероятной легкостью и скоростью вступает во взаимодействие с любым другим химическим веществом. Поэтому и условия для хранения этого газа чрезвычайно высокие – водород норовит вступить во взаимодействие со всеми материалами, из которых изготовлены емкости для его хранения. Аналогично обстоят дела, само собой, и с любыми трубопроводами, из которых состоят газотранспортная и газораспределительная системы Европы. Мечты о том, что уже существующие трубы можно будет использовать для транспортировки и распределения водорода, никакого научно-технического обоснования под собой не имеют – потери из-за утечек лишат экономического смысла любой проект подобного рода, внутренняя поверхность труб неизбежно будет деградировать вплоть до полного выхода из строя. Газпром, между прочим, уже соответствующие исследования провел, результат секретным не является: за исключением «Северных» и «Турецкого» потоков, все остальные трубопроводы будут исправно функционировать при добавке к природному газу не более 30% водорода, новейшие «морские» трубы выдержат до 70%. Проводили ли подобные проверки своих газовых трубопроводов в Европе – информации нет, а Газпром полученный результат вполне устраивает, поскольку специалисты компании опираются на данные, полученные из Японии. 20% содержания водорода в топливной смеси газовых электростанций – уровень, который не потребует триллионных вливаний в переоснащение всего оборудования и уровень, который дает весьма заметный результат по снижению выбросов углекислого газа при «приемлемом содержании выбросов оксидов азота».
Бензин или водород?
Прежде чем переходить к рассказу о новых технологиях хранения водорода мы, квалифицированные потребители, не можем не коснуться водородного автотранспорта, который уже появился, количество которого постепенно растёт. Для начала оценим, какое количество тепла владелец легкового автомобиля может получить, «выжав досуха» стандартный бензобак емкостью 50 литров. Удельная теплота сгорания килограмма бензина составляет 43,6 МДж, удельная теплота сгорания килограмма дизельного топлива – 42,7 МДж, потому спокойно усредняем до 43,0 МДж. Плотность бензина – 710 грамм в литре, плотность дизельного топлива (летнего) – 850 грамм в литре, средняя – 780 грамм, то есть в 50-литровых баках легковых автомобилей в среднем «спрятаны» 1 677 МДж, которые и обеспечивают нам 500-600 км пробега в городских условиях. Ну, а 50 литров водорода при обычном атмосферном давлении – это простите, 5 граммов и, соответственно, 0,65 МДж, что в 2 500 (в две тысячи пятьсот, опечаток нет) раз меньше, чем в баке с традиционным топливом. Каким будет пробег или, точнее, «прополз», в таком случае – предлагаем посчитать самостоятельно, но больше 200 метров не получится, даже без учета перерасхода топлива при старте. Следовательно, никаких вариантов – водорода в баке должно быть больше, а самый очевидный способ добиться этого – повысить давление. Повышаем давление – повышаются и требования, предъявляемые к материалу, из которого изготавливается такой резервуар. Требования – двойные, поскольку необходима не только прочность, чтобы выдержать давление, но и способность выдерживать химическую активность водорода, способность избежать утечек. В таблице Менделеева у водорода почётный номер 1, то есть это самый маленький атом ещё и по размеру, потому при высоком давлении у этого газа повышается «желание сбежать» через мельчайшие дефекты внутренней поверхности резервуара.
В России принят стандарт маркировки баллонов с водородом, находящимся в них под давлением в 200 атмосфер:
Тёмно-зелёные, надпись – красным цветом, но и 200 атмосфер – слишком мало, при таком давлении для хранения 1 кг водорода требуется баллон емкостью 56,3 литра. Следующий шаг в развитии технологий хранения газообразного водорода – баллоны, выполненные из титана, они выдерживают уже 400 атмосфер, но разработчики на этом не остановились.
Поскольку Япония является мировым лидером по производству легковых водородных автомобилей, берём в качестве примера водородный бак Toyota:
Водород может быть жидким, но кому от этого легко?
И, пожалуй, последнее «потребительское» по отношению к водороду, что тоже, в общем-то «висит в воздухе»: если всё так сложно и дорого при хранении и транспортировке водорода как газа, то нельзя ли поступить с ним ровно так же, как с природным газом в случае отсутствия возможности транспортировать его потребителям при помощи трубопроводов – превратить его в жидкость? Есть и такая технология, вот только температура, при которой водород становится жидким – «минус» 252,76 градуса Цельсия при нормальном давлении. Природный газ становится жидким, напомним, при «минус» 161 градусе, но и этого более, чем достаточно, чтобы по праву считать СПГ-отрасль самой высокотехнологичной из всего, что относится к промышленности природного газа. В случае водорода требуется достичь температуры на 90 градусов ниже, чем в случае СПГ, а практический результат не впечатляет – при обычном давлении плотность жидкого водорода составляет 77 килограмм на кубометр. Для сравнения – плотность СПГ при тех же условиях выше в 7,8 раза, около 600 кг на кубометр. Так что и сжижение водорода при кратно более высоких затратах на его производство, чем на производство СПГ, усугубляется необходимостью поддерживать в емкостях с жидким водородом высокого давления – иначе для его транспортировки и хранения потребуются емкости огромного объема, в которых, напомним, необходимо поддерживать криогенную температуру. Для хранения жидкого водорода используются высококачественные стали, резервуары оснащены фильтрами тонкой очистки жидкого водорода и пробоотборниками специальной конструкции, и, само собой, высокоэффективную теплоизоляционную систему. Если в случае резервуаров большой емкости с испарением, которого не избежать, еще можно мириться, то с резервуарами для легковых автомобилей любые потери на испарение бьют непосредственно по кошельку автовладельца, поэтому здесь требования еще более высокие. Впереди планеты всей – компания BMW, специалисты которой для BMW Hydrogen 7 разработали 74-литровый бак для жидкого водорода, потери на испарение у которого составляют всего 1,5% в день. В абсолютных цифрах – 1,1 литра жидкого водорода в сутки из полного бака исчезают бесследно.
Выводы, на наш взгляд, достаточно очевидны.
Использование на электростанциях не смеси природного газа и водорода, а чистого водорода – путь к многомиллиардным инвестициям в переоборудование существующих электростанций и высоким сметам при строительстве новых. Стоимость растёт ещё и в связи с необходимостью сепарирования атмосферного воздуха, чтобы обеспечить поступление в топку электростанции чистого кислорода для предотвращения роста выбросов оксидов азота, который для здоровья человека представляет большую опасность, чем углекислый газ.
Сжигание водорода в двигателях автотранспорта снизит образование углекислого газа, но повысит образование оксидов азота. Поставки чистого водорода по существующим газовым трубопроводам невозможны, для них потребуется строительство совершенно новой «водородотранспортной» и «водородораспределительной» систем. Хранение и использование водорода в газообразном состоянии требует производства резервуаров различной емкости из композитных материалов – как в случае электростанций, так и в случае баллонов для авто– или любого другого транспорта. Хранение и использование водорода в жидком виде требует ровно того же, но при условии работы в криогенном диапазоне температур.
Исключительно для краткости в конце каждой фразы нет единственного логичного возможного продолжения: «это потребует огромных инвестиций».
Использование водорода в быту, на кухнях, невозможно из-за физических и химических характеристик процесса его горения в атмосферном воздухе, поэтому отказ от природного газа потребует перехода на 100%-ное использования электроэнергии во всем имеющемся жилом фонде.
Зачем в таком случае ЕС и его отдельные страны решили осуществить переход к водородной энергетике при полном отказе от ископаемого топлива? Вопрос настолько интересный, что заслуживает отдельной статьи.
Но считать, что «водородный переход» с технической точки зрения – полная утопия, тоже не приходится, поскольку учёные, конструкторы и инженеры не бездельничают, прикладываются огромные усилия для того, чтобы сделать использование водорода экономически целесообразным. Переход от каменного века к бронзовому произошел не из-за того, что кончились камни, гужевой транспорт ушёл в прошлое, уступив автомобилям не из-за нехватки овса – причиной в обоих случаях стал технологический прорыв.
Но и о том, что такое водородный топливный элемент, какое отношение к водородной энергетике может иметь атомная энергетика – тоже не в этот раз.
Россия через 30 лет «всё» (1)? Водородная энергетика: Почему о ней заговорили и как это работает
Водородная энергетика (2): на зло маме уши отморожу
Водородная энергетика (3): «великая водородная держава»… это Россия в будущем
Более подробную и разнообразную информацию о событиях, происходящих в России, на Украине и в других странах нашей прекрасной планеты, можно получить на Интернет-Конференциях, постоянно проводящихся на сайте «Ключи познания». Все Конференции – открытые и совершенно безплатные. Приглашаем всех просыпающихся и интересующихся…