Водородный восход: как белое топливо меняет энергетическую картину мира

В Твери тестируют элементы первого российского поезда на водородном топливе. Четыре кузова головных вагонов собрали в единый состав и проверяют состав на прочность: сжимают, растягивают, нагружают весом, соответствующим полной нагрузке с пассажирами, и так далее.

Фото: Generated by AI (DALL·E 3 by OpenAI) is licensed under Free for commercial use (OpenAI License)

Топливный элемент: водород + кислород = электричество

Испытания пока проходят успешно. Судя по всему, в развитии железнодорожного транспорта на водороде Россия движется наравне с ведущими странами мира. Запасы углеводородов не бесконечны, хотя разведанных российских месторождений хватит ещё на десятки лет.

Экология не терпит полумер

Водородные двигатели — это действительно интересная и быстро развивающаяся технология, которая рассматривается как одна из главных альтернатив традиционному топливу. Строго говоря, под "водородным двигателем" чаще всего подразумевают два разных типа силовых установок, которые используют водород по-разному.

Первый тип можно назвать водородными электростанциями на колесах. В бак заливается сжатый или сжиженный водород. Внутри установки есть специальный блок — топливный элемент. Он состоит из анода и катода, разделённых мембраной. Водород подаётся на анод, а кислород (из воздуха) — на катод.

Под действием катализатора (часто используется платина) водород отдаёт электроны, которые создают электрический ток. Этот ток питает электромотор, который и крутит колёса. Единственный побочный продукт такой реакции — обычная вода и тепло.

Второй тип — водородный двигатель внутреннего сгорания. Конструктивно он похож на привычный нам бензиновый. Принцип тот же: топливо (в данном случае — водород) смешивается с воздухом, смесь воспламеняется от свечи зажигания, поршень движется, крутя коленвал.

Водородные двигатели внутреннего сгорания, в принципе, довольно экологичны. Но из-за высокой температуры сгорания могут образовываться вредные оксиды азота. Такие двигатели могут устанавливаться не только на автомобили, но и, к примеру, на железнодорожные локомотивы.

Кроме того, ведутся разработки гибридных двигателей для самолётов. Наконец, водородные топливные элементы идеально подходят для дронов, так как обеспечивают длительное время полёта — до нескольких часов. А водородные генераторы могут обеспечивать электричеством удалённые посёлки или телекоммуникационные вышки.

Дороже бензина и сложнее розетки, но это пока…

У водородного транспорта есть как очевидные преимущества, так и серьёзные недостатки, которые сдерживают его массовое распространение. К плюсам можно отнести экологичность и высокий КПД — в районе 50 % и даже немного выше у самых продвинутых моделей.

Самый заметный минус — высокая стоимость и высокие риски по всей линейке производства. Всё дело в том, что смесь водорода с воздухом становится взрывоопасной при концентрации водорода от 4 % до 75 %. При этом водород может вспыхнуть даже от очень слабой искры (например, статического электричества), которая не воспламенила бы пары бензина.

Молекулы водорода состоят из двух простейших атомов. Эти молекулы настолько малы, что способны просачиваться через микроскопические трещины и неплотности в соединениях, которые для других газов были бы герметичны.

Обладая самой высокой диффузионной способностью, водород проникает в структуру металлов (особенно высокопрочных сталей), делая их хрупкими и приводя к внезапному разрушению труб, клапанов и ёмкостей.

Белый, серый, голубой: сколько на самом деле стоит водородная энергетика?

Существует две группы технологий производства водорода, которые специалисты делят на традиционные (называемые "серыми") и экологичные ("голубые"). Самый распространённый способ — паровая конверсия метана.

Этот природный газ при высокой температуре взаимодействует с водяным паром. В результате реакции образуются водород и углекислый газ. Технология относительно простая и дешёвая, но экологически "грязная" из-за выбросов CO₂ в атмосферу.

На противоположном конце этой линейки технологий — электролиз воды. Здесь вообще нет вредных выбросов. Через воду пропускают электрический ток, она распадается на водород и кислород (напомним формулу воды из школьной химии: H₂O — на два атома водорода один атом кислорода).

Другой вопрос — что само по себе производство энергии, потребной для электролиза, тоже требует расходования природных ресурсов. Хотя, если в процессе используется энергия от возобновляемых источников, производство получается абсолютно чистым. В общем, по итогу такой "голубой" водород обходится нам непозволительно дорого.

Есть ещё один вариант: синтезировать водород из биомассы. Её нагревают до высоких температур без доступа воздуха, собирают выделившуюся смесь водорода и угарного газа, а потом отделяют один газ от другого. К сожалению, этот метод производства тоже сопровождается большими выбросами CO₂.

Тайна Байкала: существуют ли на самом деле природные хранилища водорода?

Некоторые учёные полагают, что в земных недрах существуют месторождения водорода, а отдельные специалисты даже допускают, что подземный водород находится там в свободной форме. Один из объектов интереса — дно Байкала. Учёные действительно обнаружили на дне этого уникального реликтового озера так называемые "мантийные газы", в том числе гелий и водород.

Это — безусловно доказанный факт. Газы поднимаются к земной поверхности из глубинных разломов Байкальской рифтовой зоны. В научной литературе этот процесс называется дегазацией мантии.

Никакого подземного резервуара водорода под Байкалом, к сожалению, нет. Водород очень летуч и подвижен, он не может храниться в пористых породах миллионами лет, как нефть или природный газ. Однако на западе Африки с 2012 года работает скважина, из которой добывают естественный (иначе говоря, "белый") водород исключительной чистоты. Месторождение постоянно самовозобновляется. Водород поступает туда через трещины с большой глубины.

В Албании на аналогичной шахте зафиксирован поток водорода объёмом 200 тонн в год. Во Франции недавно было обнаружено потенциально огромное месторождение "белого" водорода. По оценкам, оно может содержать до 46 миллионов тонн газа, что составляет более половины текущего мирового годового производства.

В общем, зоны глубинных разломов — это не просто каналы для утечки, а места, где водород можно собирать в промышленных количествах. Сейчас российские геологи ведут соответствующие изыскания, и есть вероятность, что их усилия увенчаются успехом.

Например, в районе Ковыктинского месторождения. Здесь проведены первые целенаправленные отборы проб. Водород обнаружен, хотя его концентрация пока не достигает коммерческих значений (до 3 %). Это подтверждает сам факт наличия водорода в недрах и служит основой для дальнейших поисков.

Ещё один вариант — Чаяндинское месторождение в Якутии. Учёные называют этот район очень перспективным. В одной из скважин зафиксирована концентрация водорода до 56 % с расчётным дебитом 100 000 м³/сут. Это прямое указание на наличие мощных водородных потоков.

В общем, есть все основания полагать, что в ближайшие годы мы станем свидетелями не просто обнаружения следов, а открытия первых промышленных месторождений этого уникального ресурса.

Но даже сейчас, когда производство водорода обходится недёшево, специалисты сходятся во мнении, что это — топливо будущего. Водородные технологии, которые ещё вчера казались фантастикой, сегодня становятся реальностью.