Из чего делается водородное топливо

Водородное топливо

Водородное топливо — это топливо, где в качестве вещества, способного выделять энергию, используется водород.
Водородная энергетика стремительно развивается.
В Австралии на бурых углях в штате Виктория отрабатывается технология технология газификации угля с последующим выделением водорода, вернее удаления серы, ртути и двуокиси углерода (СО₂).
В Норвегии — Nel Hydrogen отрабатывает технологию использования ВИЭ для высокотемпературного электролиза для разделения воды на водород и кислород, который будет выбрасываться в атмосферу.
Kawasaki Heavy Industries разрабатывает морской танкер — водородовоз для транспортировки жидкого водорода ( LH₂).

• в промышленности,
• в ЖКС для отопления домохозяйств.

• более чистый производственный процесс;
• нулевое загрязнение после утилизации;
• более высокая плотность энергии.

• водород — 33 кВт•ч / кг;
• аккумуляторная батарея — около 1 кВт•ч / кг);
• бензин и дизельное топливо — около 12 кВт•ч / кг.

Применение водорода кроме энергетики:

• для атомно-водородной сварки,
• в пищевой промышленности, как пищевая добавка E949- упаковочный газ, для производства маргарина из жидких растительных масел,
• химической промышленности — при производстве аммиака, мыла и пластмасс,
• в качестве ракетного топлива.

Водород

Водород (H) является самым распространенным элементом на Земле, но в обычных условиях он не встречается ни в виде водорода H, ни в виде газообразного водорода (H₂).

Благодаря своим характеристикам он легко вступает в реакцию с другими органическими соединениями с образованием, например, воды (H₂O).

Во время этой реакции образования воды из водорода и воздуха выделяется энергия, которую можно использовать в качестве электричества.

Чтобы сделать эту реакцию полезной для промышленного производства электроэнергии, необходимо произвести водород, например из воды путем разделения атомов на кислород и водород посредством электролиза.

Есть другие технологии:

• использование газов, оставшихся от химических процессов, например метана, угля, нефти и биомассы.

Реакция взаимодействия водорода с кислородом происходит с выделением тепла.
Если взять 1 моль H₂ (2 г) и 0,5 моль O₂ (16 г) при стандартных условиях и возбудить реакцию, то согласно уравнению Н₂ + 0,5 О₂= Н₂О после завершения реакции образуется 1 моль H₂O (18 г) с выделением энергии 285,8 кДж/моль.
Для сравнения: теплота сгорания ацетилена — 1300 кДж/моль, пропана — 2200 кДж/моль.

1 м³ водорода весит 89,8 г (44,9 моль), поэтому для получения 1 м³ водорода будет затрачено 12832,4 кДж энергии.

1 кВт•ч = 3600 кДж, поэтому получим 3,56 кВт•ч электроэнергии.

Целесообразность перехода на водородное топливо можно оценить, сравнив имеющийся тариф на 1 кВт•ч электричества и, к примеру, стоимость 1 м³ газа или стоимость другого энергоносителя.

При сжигании водорода получается чистая вода.
То есть водородное топливо производится без вреда для окружающей среды, в отличие от газа или бензина.

Получение водорода

Для получения водорода используют химические методы, в тч реакции разложения воды электрическим током.
Основной промышленный способ получения водорода — реакция с водой метана, который входит в состав природного газа.
Она проводится при высокой температуре:

• 1.Электролиз водных растворов солей:

2NaCl + 2H₂O → H2↑ + 2NaOH + Cl2

• 2.Пропускание паров воды над раскаленным коксом при температуре около 1000°C:

• 3.Из природного газа.

Конверсия с водяным паром: CH₄ + H₂O ⇄ CO + 3H₂ (1000 °C) Каталитическое окисление кислородом: 2CH₄ + O₂ ⇄ 2CO + 4H₂

• 4. Крекинг и реформинг углеводородов в процессе переработки нефти.
• 5. Действие разбавленных кислот на металлы. Для проведения такой реакции чаще всего используют цинк и соляную кислоту:

• 6.Взаимодействие кальция с водой:

• 7.Гидролиз гидридов:

• 8.Действие щелочей на цинк или алюминий:

• 9 .С помощью электролиза. При электролизе водных растворов щелочей или кислот на катоде происходит выделение водорода, например:

• Биореактор для производства водорода

Физические свойства

Газообразный водород может существовать в 2 х формах (модификациях) — в виде орто — и пара-водорода.
В молекуле ортоводорода (т. пл. −259,10 °C, т. кип. −252,56 °C) ядерные спины направлены одинаково (параллельны), а у параводорода (т. пл. −259,32 °C, т. кип. −252,89 °C) — противоположно друг другу (антипараллельны).
Разделить аллотропные формы водорода можно адсорбцией на активном угле при температуре жидкого азота.
При очень низких температурах равновесие между ортоводородом и параводородом почти нацело сдвинуто в сторону параводорода.
При 80 К соотношение форм приблизительно 1:1. Десорбированный параводород при нагревании превращается в ортоводород вплоть до образования равновесной при комнатной температуре смеси (орто-пара: 75:25).
Без катализатора превращение происходит медленно, что дает возможность изучить свойства отдельных аллотропных форм.
Молекула водорода двухатомна — Н_₂. При обычных условиях — это газ без цвета, запаха и вкуса.
Водород — самый легкий газ, его плотность во много раз меньше плотности воздуха. Очевидно, что чем меньше масса молекул, тем выше их скорость при одной и той же температуре.
Как самые легкие, молекулы водорода движутся быстрее молекул любого другого газа и тем самым быстрее могут передавать теплоту от одного тела к другому.
Отсюда следует, что водород обладает самой высокой теплопроводностью среди газообразных веществ. Его теплопроводность примерно в 7 раз выше теплопроводности воздуха.

Химические свойства

Молекулы водорода Н_₂ довольно прочны, и для того, чтобы водород мог вступить в реакцию, должна быть затрачена большая энергия:

Поэтому при обычных температурах водород реагирует только с очень активными металлами, например с кальцием, образуя гидрид кальция:

Ca + Н₂ = СаН₂ и с единственным неметаллом — фтором, образуя фтороводород:

С большинством же металлов и неметаллов водород реагирует при повышенной температуре или при другом воздействии, например при освещении.

Он может «отнимать» кислород от некоторых оксидов, например:

Записанное уравнение отражает реакцию восстановления — процесс, в результате которого от соединения отнимается кислород; вещества, отнимающие кислород, называются восстановителями (при этом они сами окисляются).

Реакция восстановления противоположна реакции окисления.

Обе эти реакции всегда протекают одновременно как 1 процесс: при окислении (восстановлении) одного вещества обязательно одновременно происходит восстановление (окисление) другого.

С галогенами образует галогеноводороды:

F₂ + H₂ → 2 HF, реакция протекает со взрывом в темноте и при любой температуре, Cl₂ + H₂ → 2 HCl, реакция протекает со взрывом, только на свету.

С сажей взаимодействует при сильном нагревании:

Оксиды восстанавливаются до металлов:

Геохимия водорода

Водород — самый распространенный элемент, и все элементы образуются из него в результате термоядерных и ядерных реакций.
На Земле содержание водорода понижено по сравнению с Солнцем.
Свободный водород H₂ относительно редко встречается в земных газах, но в виде воды он принимает исключительно важное участие в геохимических процессах.
В состав минералов водород может входить в виде иона аммония, гидроксил-иона и кристаллической воды.
В атмосфере водород непрерывно образуется в результате разложения воды солнечным излучением.
Он мигрирует в верхние слои атмосферы и улетучивается в космос.

Пожароопасность и взрывоопасность

Водород при смеси с воздухом образует взрывоопасную смесь — гремучий газ.
Наибольшую взрывоопасность — при объемном отношении водорода и кислорода 2:1, или водорода и воздуха приближенно 2:5, так как в воздухе кислорода содержится примерно 21%.
Водород пожароопасен.

Переход на водород

Технологические решения для широкого использования самого эффективного топлива уже существуют

Водород — это самое энергоемкое и легкое вещество из всех видов топлива. Его производство не относится к инновациям — он производился миллионами тонн еще в советские времена, когда его использовали для производства аммиака для получения азотных удобрений.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Экспериментальная установка Wendelstein 7-X для исследования управляемого термоядерного синтеза. Грайфсвальд (Германия)

Фото: Getty Images

Водород и сегодня используют для производства удобрений, повышения качества бензина, улучшения свойств стали, а также в пищевой промышленности для производства маргарина и твердых кондитерских жиров методом гидрогенизации растительных масел. Без него не обходятся все процессы гидроочистки, гидрообессеривания, гидрокрекинга, регенерации катализаторов. Его также широко применяют для охлаждения генераторов на электростанциях.

С тех пор как появилась перспектива перехода на водородную энергетику с углеводородной, потребность в водороде увеличилась на порядки. Сегодня эта перспектива стала реальностью, поскольку примерно десять лет назад была решена одна из основных проблем с его хранением для дальнейшего использования в качестве автомобильного топлива. Вместо тяжелых, дорогих и небезопасных стальных баллонов для сжатого под высоким давлением водорода стали применять легкие композитные емкости из углепластика, которые прекрасно помещаются в легковых автомобилях. Кроме того, стало возможным получать водород прямо по месту употребления. Появление таких технологий зажгло для водородной энергетики зеленый свет.

Около 20 лет назад во всем мире начали появляться автомобили на водороде, и бывшие выставочные центры пилотных моделей превратились в салоны-магазины серийных образцов. Количество автомобилей на водородном топливе сегодня исчисляется тысячами. Их стоимость составляет около $50–60 тыс. Серийные автомобили на водороде есть у Toyota, Hyundai, Honda. Предсерийные образцы тестируют Audi, Mercedes, BMW, Mazda, Ford и ряд других производителей. Все технические препятствия, столько десятилетий казавшиеся непреодолимыми, пройдены за считаные годы, и теперь вопрос только в экономической целесообразности для массового потребителя. В России такой автомобиль приобрел себе житель Красноярска, но в связи с отсутствием заправок в своем городе перевез машину в Москву и получает топливо в одном из научных институтов.

Как получить водород?

Для развития водородной энергетики нужно будет на государственном уровне решить вопрос, в каком виде доставлять водород к месту его получения. Дело в том, что водород содержится в очень многих видах ископаемых топлив.

«Наиболее дешевый водород получается методом паровой конверсии метана,— рассказывает заведующий отделом гетерогенного катализа Института катализа СО РАН Павел Снытников.— Другой способ — из аммиака. Для его транспортировки, как и для природного газа, в нашей стране даже существует трубопровод, так как аммиак сжижается всего при давлении 8,5 атмосферы. Третье решение — перевозка будущего водорода в виде метанола. В Китае метанол используют как автомобильное топливо. Но в России против метанола почему-то предубеждение, по-видимому, в связи с тем, что с давних пор у нас простой народ пил все, что горело, в том числе и метанол, и люди лишались зрения».

А вот получать его лучше всего там же, где будут потреблять, чтобы уйти от проблем транспортировки чистого водорода. Чтобы использовать водород, например, как автомобильное топливо, нужно закачать его в баллоны под давлением 700 атмосфер. Правда, на сжатие нужна дополнительная энергия. Не меньше энергии требуется на сжижение водорода, так что один из подходящих способов его транспортировки — это перевозка в химически связанном состоянии, например в виде метана, из которого водород должен производиться там же, где будет использоваться. То есть до заправки везут метан, а уже на самой заправке устанавливается небольшое производство, например, конвертер метана в водород. Но этот способ не очень хорош для экологии, поскольку на небольших производствах сложно обеспечить качественную очистку выбросов. Зато экономически он себя вполне оправдывает. Опыт Японии, Кореи и ряда других стран показал, что километр пробега на водороде выходит не дороже бензина. 4 кг водорода, закачанного в баллон, хватает примерно на 800 км пути обычного седана.

Получать водород можно практически из любого углеводородного топлива: из бензина, дизельного топлива или пропан-бутановых смесей. В Институте катализа им. Г. К. Борескова СО РАН ведется работа по гранту РНФ по тематике получения водорода из дизельного топлива. Также разрабатываются методы получения водорода даже из органических носителей, например из бор-гидридов. Главные задачи на будущее развитие водородной энергетики — это не только получение водорода, но и его хранение. Жидкий водород можно хранить только при низких температурах, поэтому его использовали только в критически важных областях, например, как ракетное топливо.

Если отвлечься от автомобилей и обратить внимание на энергообеспечение более крупных стационарных объектов, например жилых или промышленных комплексов, то вся идеология водородной энергетики строится на ее связке с другими источниками энергии. Например, с возобновляемыми — гидро-, ветряными, солнечными электростанциями или с крупными атомными электростанциями. Производство такой энергии идет в одном режиме, а тратится потребителями она в другом, поэтому, когда есть излишки энергии, ее можно тратить на получение водорода даже из обычной воды методом электролиза.

Голубая мечта о зеленом водороде

Электролиз — это способ получения водорода из воды, который, к сожалению, требует больших энергозатрат, поэтому он оправдан только в тех случаях, когда вырабатываемую энергию необходимо запасти, пусть даже и с невысоким КПД. Лучше всего использовать для этого источники, где постоянно возникают достаточно большие излишки энергии. Емкости аккумуляторов для ее сохранения не хватает, кроме того, аккумуляторы быстро разряжаются, а полученный методом электролиза водород — это гарантированный запас энергии, можно сказать, воплощение мечты о чистой энергии, так называемом зеленом водороде. К сожалению, пока всего 2% общего объема водорода в мире производится методом электролиза. 75% водорода получают из природного газа и 25% — сжиганием угля. Цены топлива, полученного по этим технологиям, также несопоставимы: $1,7 за 1 кг водорода из природного газа и $5–10 за водород, полученный электролизом. Впрочем, стоимость зависит от источника энергии. Например, от энергии АЭС зеленый водород вдвое дешевле ($3–5), чем от возобновляемых источников энергии.

Основные организации в России, заинтересованные в получении водорода — это компании «Росатом» и «Газпром». Атомные электростанции нуждаются в сохранении избытка энергии в виде водорода и дальнейшего его использования. А добывающая компания хочет перерабатывать природный газ в водород, имея соответствующие установки непосредственно в местах использования, например на автомобильных заправках. Для решения проблемы транспортировки водорода можно переводить его в спирты — метанол, диметиловый эфир, чтобы получать из них водород, что называется, «по требованию» для дальнейшего использования на энергоустановках. Это химия получения водородсодержащих компонентов, и она достаточно хорошо освоена.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Как перестать сжигать топливо

Вообще, заявления о том, что водород — это экологически чистое топливо, не совсем справедливы. Из школьного курса химии мы помним, что после сжигания водорода получается вода. Но горит-то он в воздухе, где высокое содержание азота, и в результате реакции кислорода и азота при высоких температурах мы получаем те же токсичные оксиды азота, что и при сжигании бензина, только в меньшем объеме. Собственно, водород здесь ни при чем: любое высокотемпературное горение вызывает в воздухе реакцию взаимодействия кислорода и азота с образованием оксидов. По этой причине получать электричество с помощью сжигания любого топлива — это не самый экологичный способ. А тем более углеводородного, которое сгорает с выделением выбросов углекислого газа в атмосферу. Чтобы решить проблемы с выбросами в атмосферу, нужно прекратить сжигать топливо и снизить градус его потребления до комнатной температуры. В этом могут помочь топливные элементы.

Применение водорода в топливных элементах является самым экологичным. Разные топливные элементы используют водород при разных температурах и могут быть более или менее привередливы к его чистоте. Низкотемпературные топливные элементы работают на чистом водороде, а высокотемпературные вполне удовлетворяются синтез-газом. Топливный элемент — это электрохимическое устройство, которое преобразует химическую энергию водорода в электрическую (процесс, обратный электролизу) с достаточно высоким КПД. Институт катализа СО РАН сотрудничает с российскими производителями топливных элементов — ГК «ИнЭнерджи» и Институтом проблем химической физики РАН, где были разработаны и созданы сверхлегкие топливные элементы для беспилотных летательных аппаратов. В настоящее время там ведутся разработки более крупных топливных элементов для автомобильных передвижных платформ. Рынок топливных элементов еще только формируется, поскольку область их применения постоянно растет. Появляются новые возможности в разработке — осваивается новый экономический сектор. Вопросы могут быть самые разные — например, обеспечение дальних трасс или камер видеонаблюдения источниками связи или возможность установки автономных вышек сотовой связи. Источники водородной энергии всегда работают как тандем «топливный элемент на водороде плюс аккумулятор». Аккумулятор способен сглаживать пиковые нагрузки, а топливный элемент обеспечивает длительную выработку электроэнергии.

Сегодня в мире на топливных элементах работают тысячи небольших энергоустановок. В США, Японии и некоторых странах Европы они уже около 30 лет снабжают водородной энергией небольшие частные поселки, большие и удаленные от города супермаркеты или промышленные объекты. В отличие от дизель-генераторов это намного более бесшумные системы, так что их широко используют как запасные источники энергии в случае сбоев в работе основного источника энергообеспечения.

Сколько стоит чистый воздух

В качестве грантового финансирования на развитие индустрии водородной энергетики некоторые страны ЕС ежегодно выделяют сотни миллионов евро, США — сотни миллионов долларов. Совокупные вложения Европы и США в эту отрасль исчисляются миллиардами. Сейчас многие компании во всем мире делают попытки использовать источники энергии на топливных элементах в самых разных областях. В ближайшие десятилетия может измениться сама концепция человеческого энергопотребления.

В России развитие топливных элементов исторически связано с космическими программами в середине ХХ века. Щелочные топливные элементы использовались во многих космических проектах, где требовались автономные энергоустановки.

В 2020 году правительство России утвердило энергетическую стратегию Российской Федерации на период до 2035 года и ключевые меры развития водородной энергетики. В этом же году был создан консорциум по водородной энергетике, куда вошли ведущие научные институты: Томский политехнический университет, Институт катализа СО РАН, Институт проблем химической физики РАН, Институт нефтехимического синтеза РАН, Самарский государственный технический университет и Сахалинский государственный университет. В программе развития водородной энергетики РФ намечено создание водородных кластеров и пилотных проектов по производству и экспорту водорода. Планируется развитие первых коммерческих проектов производства водорода. Сегодня в РФ появляются отдельные пилотные проекты с использованием водородной энергетики, но до массового внедрения пока не дошло: скорее производители демонстрируют свою готовность к реализации подобных проектов в случае выделения финансирования со стороны, например, госкорпораций. Так, в конце 2019 года в Санкт-Петербурге был запущен трамвай на водородном топливе, а ОАО «Газпром» и ОАО «РЖД» в качестве пилотного проекта обсуждают возможность запуска поезда на Сахалине на топливных водородных элементах.

• Журнал «Коммерсантъ Наука» №23 от 23.06.2021, стр. 21

Как работает водородный двигатель и какие у него перспективы

Автомобили с водородными двигателями называют главными конкурентами электрокаров. Но у технологии пока что немало минусов, и, например, основатель Tesla Илон Маск называет ее «тупой и бесполезной». Прав он или нет?

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.

Toyota Mirai 2016 года выпуска

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.

Схема работы водородного двигателя

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.

Как работает водородный двигатель внутри Toyota Mirai

Где применяют водородное топливо?

• В автомобилях с водородными и гибридными двигателями. Такие уже выпускают Toyota, Honda, Hyundai, Audi, BMW, Ford, Nissan, Daimler;
• В поездах. Первый такой был выпущен в Германии компанией Alstom и ходит по маршруту Букстехуде — Куксхафен;
• В автобусах: например, в городских низкопольных автобусах марки MAN.
• В самолетах. Первый беспилотник на водороде выпустила компания Boeing, внутри — водородный двигатель Ford;
• На водном транспорте. Siemens выпускает подводные лодки на водороде, а в Исландии планируют перевести на водородное топливо все рыболовецкие суда;
• Во вспомогательном транспорте. Водород используют в электрокарах для гольфа, складских погрузчиках, сервисных автомобилях логистических компаний и аэропортов;
• В энергетике. Электростанции мощностью от 1 до 5 кВт, работающие на водороде, могут обеспечивать теплом и энергией небольшие города и отдельные здания. Например, после аварии на Фукусиме в 2018 году Япония активнее начала переходить на водородную энергетику [9], планируя перевести на водород 1,4 млн электрогенераторов;
• В смесях с обычным топливом. Например, с дизельным или газовым — чтобы удешевить производство.

Плюсы водородного двигателя

• Экологичность при использовании. Водородный транспорт не выбрасывает в атмосферу диоксид углерода;
• Высокий КПД. У двигателя внутреннего сгорания (ДВС) он составляет около 35%, а у водородного — от 45%. Водородный автомобиль сможет проехать на 1 кг водорода в 2,5-3 раза больше, чем на эквивалентном ему по энергоемкости и объему галлоне (3,8 л) бензина;
• Бесшумная работа двигателя;
• Более быстрая заправка — особенно в сравнении с электрокарами;
• Сокращение зависимости от углеводородов. Водородным двигателям не нужна нефть, запасы которой не бесконечны и к тому же сосредоточены в нескольких странах. Это позволяет нефтяным государствам диктовать цены на рынке, что невыгодно для развитых экономик.

Минусы водородного двигателя

• Высокая стоимость. Галлон бензина в США стоит около $3,1 [10], а эквивалентный ему 1 кг водорода — $8,6. Водородные батареи содержат платину — один из самых дорогих металлов в мире. Дополнительные меры безопасности также делают двигатель дорогим: в частности, специальные системы хранения и баки из углепластика, чтобы избежать взрыва.
• Проблемы с инфраструктурой. Для заправки водородом нужны специальные станции, которые стоят дороже, чем обычные.
• Не самое экологичное производство. До 95% сырья для водородного топлива получают из ископаемых [11]. Кроме того, при создании топлива используют паровой риформинг метана, для которого нужны углеводороды. Так что и здесь возникает зависимость от природных ресурсов.
• Высокий риск. Для использования в двигателях водород сжимают в 850 раз [12], из-за чего давление газа достигает 700 атмосфер. В сочетании с высокой температурой это повышает риск самовоспламенения.

Водород обладает высокой летучестью, проникает даже в небольшие щели и легко воспламеняется. Если он заполнит собой весь капот и салон автомобиля, малейшая искра вызовет пожар или взрыв. Так, в июне 2019 года утечка водорода привела к взрыву на заправке в Норвегии. Сила ударной волны была сопоставима с землетрясением в радиусе 28 км. После этого случая водородные АЗС в Норвегии запретили

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.

С одной стороны, в Европе Toyota Mirai II стоит несколько дешевле, чем Tesla Model S (€64 тыс. против €77 тыс.) [18]. Полная зарядка водородного автомобиля занимает около 3 минут — против 30-75 минут для электрокара. Однако вся разница — в обслуживании: Toyota Mirai вмещает 5 кг водородного топлива [19] по цене $8-9 за кг. Таким образом, полный бак обойдется в $45, и его хватит на 500 км — получаем около $9 за 100 км пробега. Для Tesla Model S те же 100 км обойдутся всего в $3.

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:

1. Лобби со стороны развитых государств: в США [22], ЕС [23], Японии [24], России [25] и других странах приняты законы в поддержку экологичного транспорта.
2. Удешевление аккумуляторов: согласно исследованию Bloomberg New Energy Finance, за последние десять лет цены на литий-ионные аккумуляторы упали с $1200 до $137 за кВт·ч.
3. Развитие инфраструктуры: специальные электрозарядные станции и зарядки в крупных бизнес-центрах, на парковках ТЦ и аэропортов.

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.

Согласно прогнозу Markets&Markets [28], к 2022 году объем мирового производства водорода вырастет со $115 до $154 млрд. Остается главный вопрос: как быть с инфраструктурой? Чтобы водородные двигатели стали массовыми, нужны сети заправок, трубопроводы для топлива, отлаженные логистические цепочки. Все это пока только зарождается. Но и тут есть позитивные сдвиги: например, канадская Ballard Power по заказу китайского Министерства транспорта запустила пилотный проект, в рамках которого водородное топливо можно будет заливать в обычные АЗС.

Почему водородные автомобили проигрывают электромобилям?

Водород (H2) – это химический элемент, самый легкий газ получаемый из углеводородов, биомассы, мусора. Водород используют в нефтепереработке для гидроочистки, гидрокрекинга, для производства аммиака, при гидрогенизации угля, нефти и как альтернативный источник топлива (электроэнергии) для автомобилей. В автомобили ставят топливные элементы вместо бензобака, и заправляют туда H2 под давлением. При нажатии на педаль газа, в воздухозаборник поступает кислород, который вступает в реакцию с водородным элементом, отчего вырабатывается электричество. Электричество раскручивает электромотор, автомобиль начинает движение.

H2 как альтернативное топливо

Чем интересен водород, как альтернативный источник топлива:

• нулевые выбросы в атмосферу;
• потенциал для внутреннего производства в странах, где нет нефтяных запасов;
• быстрая заправка автомобилей (3-5 минут);
• по расходу и цене, топливные элементы до 80 % эффективнее бензина;
• электродвигатель питающийся от водородного топливного элемента, в два-три раза быстрее и экономичнее, чем двигатель внутреннего сгорания.

Преимущества водородных автомобилей над электромобилями:

• скорость зарядки;
• от полностью заправленного водородом топливного элемента на выходе электроэнергии больше, чем от полностью заряженной АКБ электромобиля. Т.е. машина на полностью заряженном водородном топливном элементе (FCEV-fuel cell electric vehicle) преодолеет большее расстояние, чем такой же электромобиль с полностью заряженной батареей.

Модели автомобилей на водороде

Автопарк автомобилей на водороде к концу 2019 года превысил 25 тыс. машин, причем свыше 12 тыс. было продано за 2019 год. В основном парк расширяется в Китае, Японии, Республике Корея, хотя лидером по количеству водородных автомобилей остаются США.
Модели на водороде собирают Toyota, GM, Honda, Hyundai, Mercedes-Benz и продают в регионах с развитой сетью водородных заправок. Цена машин в районе 4-6 миллионов рублей — Toyota Mirai – 4 млн. руб., Honda FCX Clarity – 4 млн. руб.

Выпускают ограниченной серией:

• Audi A7 h-tron quattro – электро-водородный гибридный легковой автомобиль.
• Hyundai Tucson FCEV
• Ford E-450.
• Городские автобусы MAN Lion City Bus.

Испытывают:

• Ford Motor Company – Focus FCV;
• Honda – Honda FCX;
• Hyundai Nexo
• Nissan – X-TRAIL FCV (топливные элементы компании UTC Power);
• Toyota – Toyota Highlander FCHV
• Volkswagen – space up!;
• General Motors;
• Daimler AG – Mercedes-Benz A-Class;
• Daimler AG – Mercedes-Benz Citaro (топливные элементы компании Ballard Power Systems);
• Toyota – FCHV-BUS;
• Thor Industries – (топливные элементы компании UTC Power);
• Irisbus – (топливные элементы компании UTC Power).

Ограниченными сериями выпускаются BMW Hydrogen 7 и Mazda RX-8 hydrogen – двухтопливные модели использующие либо жидкий водород, хранящийся в баке при температуре не выше −253 °C, либо бензин. Принцип тот же, что и в автомобилях на газу. В отличие от FCEV двухтопливные модели выпускают вредные выхлопные газы, двигатели не такие мощные и быстрее изнашиваются.
На водородных топливных элементах (FCEV) конструируют спецтехнику: автобусы, погрузочно-разгрузочное оборудование (например, вилочные погрузчики), наземно-вспомогательное оборудование, средние и большие грузовики. Активно в этой сфере работает американская компания Plug Power Inc (PLUG). PLUG выпускает комплектующие для спецтехники на водороде. Недавно PLUG провела симпозиум, на котором заявила:

• о покупке поставщика технологий, оборудования и услуг для сжиженного водорода Applied Cryo Technologies;
• о строительстве в Австрии завода по производству литий-ионных аккумуляторов;
• презентовала прототип фургона HyVia Renault Master Van на водородных топливных элементах.

Honda огласила цель по поэтапному отказу от бензиновых двигателей в Северной Америке к 2040 году.
Daimler Trucks и Volvo стали партнерами в Европе, чтобы попытаться снизить себестоимость FCEV и сделать водород выгодным для дальних перевозок.

Водород и проблемы с экологией

Водород обилен в природе. Он хранится в воде (H2O), углеводородах (метан, CH4) и других органических веществах. Проблема водорода как топлива в эффективности его извлечения.
При извлечении водорода, в зависимости от источника, в атмосферу попадают вредные выбросы. При этом, сам автомобиль работающий на водороде, в качестве выхлопных газов выделяет только водяной пар и теплый воздух, у него нулевой уровень выбросов.

СПОСОБЫ ДОБЫЧИ ВОДОРОДА

• паровая конверсия метана и природного газа;
• электролиз воды;
• газификация угля;
• пиролиз;
• частичное окисление;
• биотехнологии;
• паровой риформинг метана.

Паровой риформинг метана

Способ отделения водорода путем парового метанового риформинга применим к ископаемому топливу, например, к природному газу – его нагревают и добавляют катализатор. Природный газ не возобновляемый источник энергии, но пока он есть и добывается из недр земли. Министерство энергетики США утверждает, что выбросы автомобилей, работающих на реформированном водороде, вдвое меньше, чем в бензиновых автомобилях. Производство реформированного водорода уже запущено на полную катушку и добывать водород таким способом дешевле, чем водород из других источников.

Газификация биомассы

Водород также добывают из биомассы – сельскохозяйственных отходов, отходов животноводства и сточных вод. Используя процесс называемый газификация, биомассу помещают под воздействие температуры, пара, кислорода, чтобы образовать газ, который после обработки дает чистый водород. «Существуют целые полигоны для сбора сельскохозяйственных отходов – готовые источники водорода, потенциал которых недооценен и тратится впустую», сетует директор по политике Ассоциации по исследованию водородной энергетики и топливных элементов, Джеймс Варнер.

Электролиз

Электролиз – процесс отделение водорода из воды электрическим током. Этот способ звучит проще, чем возня с ископаемым топливом и отходами животноводства, но у него есть недостатки. Электролиз конкурентоспособен в тех районах, где электричество дешевое (в России этом могла бы быть Иркутская область – 8 электростанций на область, 1 рубль 6 копеек за киловатт-час).
Солнечные водородные станции Honda используют энергию солнца и электролиз, чтобы отделить «Н» от «О» в Н2О. После отделения водород хранится в баке под давлением в 34.47 МПа (мегапаскаль). Используя только солнечную энергию, станция создает 5 700 литров водорода в год (этого топлива достаточно для одного автомобиля со средним годовым пробегом). При подключении к электрической сети, станция выдает до 26 тысяч литров в год.

Планы компаний по развитию производства H2

В Токио, недалеко от Токийского залива, построили завод для получения водорода из сточных вод и мусора.
PowerTap планирует построить на водородных АЗС помещения с оборудованием для получения водорода из природного газа и городской воды. Оставшийся углерод будут улавливать, и хранить там же.
Ways2H Inc. огласила планы построить небольшие заводы по переработке водорода возле мусорных свалок. Формула успеха компании Ways2H Inc.: мусор + термохимический процесс = водород. Завод стандартного размера обрабатывает 24 тонны отходов в день, получая от 1 до 1,5 тонны водорода.

Сколько стоит производство водорода

По оценке Международного агентства по возобновляемым источникам энергии IRENA в 2019 году, стоимость 1 кг водорода получаемого за счет ветровой энергии составляла в среднем около 4 $, солнечной – почти 7 $, тогда как «загрязняющее» получение H2 из угля или газа обходится в 1,5–2,5 $. Даже с учетом технологии CCS (carbon capture&storage – технология улавливания, транспортировки и хранения углерода), получение H2 из угля не экологичней ветровой и солнечной энергии. С развитием «солнечных» технологий разница в цене между «чистым» и «грязным» способом добычи водорода исчезнет далеко после 2030 года.

На сколько экономней водородный автомобиль?

В Европе заправка полного бака водорода емкостью в 4.7 килограмма обойдется в 3 369 ₽ (717 ₽ за килограмм). На полном баке Toyota Mirai в среднем проезжает 600 километров, итого 561 ₽ на 100 километров. Для сравнения, цена 95-го бензина в Европе равна 101 ₽, т.е. 10 л. бензина обойдется в 1010 ₽ или 6 060 ₽ за 600 километров [цены на 2018 год.] Из примера видим, что заправка водородного автомобиля в два раза дешевле, чем автомобиля с двигателем внутреннего сгорания.
В России активисты из г. Черноголовки Московской области, ради эксперимента сконструировали собственную водородную станцию, купили Toyota Mirai и посчитали, во сколько обойдется эксплуатация автомобиля. По расчетам владельца машины 100 километров на водороде ему обходится в 250 рублей.

Как заправляют топливные элементы водородом

В 1 килограмме газообразного водорода столько же энергии сколько в 1 галлоне бензина (4,5 литра = 2,8 килограмма). Поскольку в водороде низкая объемная плотность энергии, он хранится в резервуарах высокого давления (топливных элементах) – 5000 или 10000 фунтов на квадратный дюйм (psi) (340 или 680 атмосфер), в виде сжатого газа. Водородные диспенсеры на заправках заполняют такие резервуары за 5 минут. Разрабатываются и другие технологии хранения, включая химическое соединение водорода с металл-гидридом или низкотемпературными сорбционными материалами.

Как работает топливный элемент заполненный водородом

Прокачивая кислород и водород через катоды и аноды, контактирующие с платиновым катализатором, происходит химическая реакция, в результате которой получается вода и электрический ток. Набор из нескольких элементов (ячеек) необходим, чтобы увеличить заряд в 0,7 вольт в одной ячейке, что увеличивает напряжение.
Ниже смотрите схему работы топливного элемента.

Где заправлять автомобили водородом?

Карта заправочных станций здесь.
Революция FCEV не начнется без достаточного количества водородных АЗС, поэтому отсутствие инфраструктуры водородных заправочных станций по-прежнему тормозит развитие водорода как альтернативного вида топлива Развитие сетей водородных АЗС идет туго.
В Америке самый большой автопарк FCEV моделей, с концентрацией в штате Калифорния. Заправок там достаточно, но начались проблемы с поставкой водорода. Водители повально отказываются от водородных автомобилей, столкнувшись с пустыми заправками. Подробнее здесь.

Расходы на содержание водородных станций

В 2004 году в Европе и США работало 168 000 бензиновых АЗС. Заменить обширную сеть бензозаправочных станций водородными в США обойдется в полтора триллиона $. При этом, к примеру, цена водородной топливной сети в Европе может быть в 5 раз ниже, чем цена заправочной сети для электромобилей (EV). Цена одной EV – станции от 200 000 до 1 500 000 рублей. Цена водородной станции – 3 миллиона долларов. При этом, водородная сеть будет все равно дешевле сети станций для электромобилей по окупаемости. Причина в быстрой заправке водородных автомобилей (от 3 до 5 минут). На миллион автомобилей на топливных водородных элементах требуется меньше водородных станций, чем зарядных станций на миллион электромобилей.

Снижение стоимости водородных технологий за счет прогресса

Еще одно препятствие для производителей автомобилей на водородном топливе – цена водородных технологий. Например, набор топливных элементов для автомобилей до настоящего момента, опирается на платину в качестве катализатора. Покупали когда-нибудь колечко из платины для любимой? Цена Вам известна.
Ученые из Лос-Аламосской национальной лаборатории доказали, что замена дорогой платины на более распространенные – железо или кобальт, в качестве катализатора возможна. А ученые из Case Western Reserve University разработали катализатор из углеродных нанотрубок, которые в 650 раз дешевле, чем платина. Замена платины, заметно снизит себестоимость топливных элементов. Параллельно ученые пытаются снизить себестоимость производства аккумуляторов для электромобилей, подробней здесь.
На этом исследования по совершенствованию водородного топливного элемента не заканчиваются. Mercedes разрабатывает технологию сжатия водорода до давления в 68.95 МПа (мегапаскаль), чтобы эффективней заправлять топливный элемент большим количеством H2. В связке с передовым литий-ионным аккумулятором как дополнительным хранилищем энергии, это увеличит количество энергии на борту автомобиля. «Если все получится, у автомобилей на водороде диапазон движения превысит 1000 км.» считает доктор Герберт Колер, вице-президент Daimler AG.

Министерство энергетики США утверждает, что себестоимость сборки автомобилей с топливным элементом снижены на 30 % за последние три года и на 80 % за последнее десятилетие. Срок службы топливных элементов увеличился вдвое, но этого недостаточно. Для конкурентоспособности с электромобилями срок службы топливных элементов нужно увеличить еще в два раза. Нынешние водородные топливные элементы, «живут» около 2 500 часов (или примерно 120 000 км), но этого мало. «Чтобы конкурировать с другими технологиями, нужно продлить их жизнь до 5 000 часов, как минимум», говорит один из членов ученого совета министерской программы по топливным элементам.

Развитие технологий водородных топливных элементов снизит себестоимость производство автомобилей за счет упрощения механизмов и систем, но выгоду производители получат только при серийном выпуске. Препятствием на пути к массовому выпуску автомобилей на водороде, стоит отсутствие оптовых поставок запчастей для автомобилей с водородным топливным элементом. Даже автомобиль FCX Clarity, который уже выпускается серией, не обеспечен дополнительными запчастями по оптовым ценам. Автопроизводители решают проблему по-своему, устанавливают топливные элементы водорода в дорогие модели для обкатки. Дорогие автомобили выпускаются в меньшем количестве, чем бюджетные, поэтому и проблем с поставкой запчастей к ним нет. «Мы внедряем «водородную технологию» в люксовые автомобили и следим, как она себя показывают «в народе». Пока рынок принимает водородные автомобили, как лет 10 назад принимал технологию гибридов, автопроизводители в это время наращивают объемы водородных моделей, спускаясь по цепочке к бюджетным авто», говорит Стив Эллис, менеджер по продажам автомобилей с топливным элементом компании Honda.

В 2005 году канадский производитель протон-обменных топливных элементов, обещал, что к 2010 году будет продавать автокомпаниям от 200 000 до 500 000 топливных элементов в год. Цель так и не была достигнута, топливные элементы в таком количестве заводам были не нужны.

В 2009 году несколько производителей автомобилей подписали совместное письмо о намерениях к 2014 году продавать сотни тысяч автомобилей с водородным двигателем. Этого тоже не произошло.

Получит ли «водородная программа» поддержку государства

Производители автомобилей и строители заправочных сетей сходятся во мнении, что снизить затраты в краткосрочной перспективе без вмешательства со стороны государства не выйдет. Что в США, однако, представляется маловероятным, при всех описанных денежных вливаниях местной администрации Штатов и Министерств.

С министром энергетики Стивеном Чу, администрация Обамы не раз пыталась сократить финансирование программы развития водородных топливных элементов, но сокращения отменял конгресс.

Популярность электрических автомобилей сторонникам водорода кажется абсурдной. «Это взаимодополняющие технологии», говорит Стив Эллис, представитель Honda. Аккумулятор, разработанный для Honda FCX, например, устанавливают и на электромобиль Fit. «Считаем, что водородные топливные элементы в сочетании с электромобилями переплюнут все альтернативные источники энергии, возглавив список самых экономичных машин этого десятилетия».

Недовольны и те, кто платит из своего кармана за строительство новых заправочных станций. Говорят, что не отказались бы от помощи государства до тех пор, пока не увеличится спрос на водородное топливо и не снизятся затраты на возобновляемые источники энергии.

Том Салливан верит в энергетическую независимость настолько сильно, что вложил все деньги, полученные от сети супермаркетов в компанию SunHydro. SunHydro строит водородные заправочные станции на солнечных батареях. Том считает, что целевое снижение налогов могло бы стимулировать предпринимателей вкладывать деньги в строительство водородных станций, работающих от солнечной энергии. «Необходим стимул, чтобы люди вкладывались в такие предприятия», говорит Том. «Инвесторы в трезвом уме, вероятно, не станут вкладывать деньги в строительство водородных заправочных станций».

В России Правительство в 2020 году утвердило план по развитию водородной энергетики в Российской Федерации до 2024 года. В нем говорится:

• о намерениях господдержки производителей водорода, с целью в последующем наладить продажи за границу;
• развитие H2 АЗС;
• стимулирование внутреннего спроса на водородоносители за счет развития транспортной инфраструктуры на водороде.

ПОДВЕДЕМ ИТОГИ:

Минусы водородного топлива:

• добыча водорода пока не совершенна и загрязняет окружающую среду;
• создание сети водородных заправочных станций дорого (полтора триллиона $ только для США);
• владельцы машин привязаны к заправочным станциям в своем городе, штате – деревню к бабушке не съездишь.

Плюсы водородного топлива:

• у водородных автомобилей нулевой уровень выбросов, бережем природу;
• быстрая заправка – от 3 до 5 минут;
• экономически водород выигрывает у бензиновых автомобилей по цене расхода топлива (600 км за 3 369 рублей на водороде против 6 060 рублей за путешествие на бензине).