Самый лёгкий элемент таблицы Менделеева неожиданно стал главным героем энергетических стратегий десятков стран. Водородная энергетика давно вышла из научных лабораторий: автобусы на этом газе ездят по европейским улицам, поезда — по немецким неэлектрифицированным веткам, а заводы проектируют там, где ещё недавно стояли нефтеперерабатывающие комплексы. Автор разбирался, откуда берут водород, как он превращается в электричество и что мешает ему стать повседневным топливом будущего.
Почему именно водород
При сгорании водород даёт только воду: ни углекислого газа, ни сажи, ни золы. Килограмм этого газа несёт втрое больше энергии, чем килограмм бензина. Для отрасли, которая ищет способ запасать и перевозить чистую энергию, кандидат почти идеальный. Солнце село, ветер стих — а водород, наделанный в избыток ветреный день, можно вечером сжечь в турбине или залить в бак автобуса. По сути это батарея, только без лития, кобальта и многочасовой зарядки.
Альтернативная энергетика как раз упёрлась в эту проблему: солнце и ветер не совпадают с часами пиковой нагрузки, а углеродный след от резервных газовых станций портит всю картину энергоперехода. Есть, впрочем, и подвох. В чистом виде водород на Земле практически не встречается — его приходится производить, тратя энергию. И экологичность конечного топлива целиком зависит от того, откуда эта энергия пришла.
Цвета одного газа: как получают водород
В отрасли принято различать водород по «цветам» — так маркируют способ производства.
- Серый — самый дешёвый и массовый. Его добывают паровым риформингом метана (так называют извлечение водорода из природного газа при высоких температурах и давлении). Минус — тонны углекислого газа, летящие в атмосферу.
- Голубой — тот же риформинг, но выбросы улавливают и закачивают под землю.
- Зелёный — продукт электролиза воды, то есть расщепления H₂O электрическим током на водород и кислород. Если электричество ветряное или солнечное, выбросов нет вовсе.
Сегодня почти весь мировой объём — серый газ, который скупают нефтепереработка и производители удобрений. Зелёный пока дороже в два-три раза, но его себестоимость падает вслед за ценами на солнечные панели и ветряки — примерно по той же траектории, по которой десять лет назад дешевели аккумуляторы.
Топливный элемент: электростанция размером с чемодан
Сердце водородного транспорта — топливный элемент, устройство, превращающее водород напрямую в электричество, минуя горение. Внутри происходит та же реакция, что при сжигании газа, только управляемая и «холодная»: водород соединяется с кислородом из воздуха, а на выходе — ток, немного тепла и капли воды из выхлопной трубы. КПД таких установок доходит до 60%, тогда как у бензинового двигателя едва превышает 30%.
Когда обсуждают водород как топливо для легковушек, скептики обычно правы: заряжать аккумулятор дома дешевле. Но на дальних маршрутах расклад иной — заправка баллона занимает пять минут, запас хода 600–800 километров, и никакой минусовой погоды, убивающей батареи. Поэтому дальнобойные фуры и междугородние автобусы на топливных элементах многим инженерам кажутся более здравым вариантом, чем электрические.
Где водород уже работает
Мечта о «водородном двигателе в каждой машине» пока не сбылась — легковые модели остаются нишей. Зато в других местах газ прижился заметно быстрее:
- региональные поезда на топливных элементах заменили дизельные составы на неэлектрифицированных ветках в Германии;
- металлурги испытывают водород вместо кокса при выплавке стали — из такой продукции получают так называемое «зелёное железо»;
- вилочные погрузчики на крупных складах и портовая техника переезжают на водород там, где нужны минутная заправка и нулевой выхлоп в помещении;
- аммиак (соединение азота и водорода), сделанный из зелёного газа, считают удобным «контейнером» для перевозки энергии морем — сжижается он куда проще, чем сам водород;
- экспериментальные самолёты и речные суда проходят лётные и ходовые испытания в Европе.
Не только транспорт
Топливные элементы давно трудятся там, где мы их не видим: в резервном питании дата-центров и вышек сотовой связи, на подводных лодках, в японских домашних микроТЭЦ — миниатюрных теплоэлектроцентралях, которые греют воду и дают электричество частному дому. Водородом топят и обычные газовые турбины на электростанциях: подмешивают его к природному газу, снижая выбросы без замены оборудования.
Что тормозит: хранение, цена и недоверие
Главный технический затык — хранение. Газ летуч: его либо сжимают под давлением до 700 атмосфер, либо охлаждают до минус 253 градусов, либо прячут в гидриды металлов — соединения, впитывающие водород как губка и отдающие его обратно при нагреве. Каждый способ дорог по-своему, а сеть водородных заправочных станций пока редкая даже в странах-лидерах. Экономика тоже хромает: строительство одной заправки обходится в миллионы, а окупается лишь при сотнях машин в день — замкнутый круг, разорвать который помогают только государственные контракты.
С безопасностью, кстати, не всё так страшно, как рисует массовая культура. Водород легче воздуха: при утечке он улетает вверх и рассеивается, а не растекается лужей, как бензин. Настоящая сложность в другом — газ без цвета и запаха, он легко проходит через микрощели, поэтому без датчиков не обойтись.
За чем следить в ближайшие годы
Государства уже соревнуются в объёмах субсидий на электролизёры — установки, делающие зелёный водород из воды. Автор следит за этой гонкой с любопытством: ещё недавно топливо будущего выглядело фантазией, а сегодня его заливают в баки серийных автобусов. Понять, куда повернёт отрасль дальше, проще всего по нескольким конкретным маркерам.
- Себестоимость зелёного водорода: пока она держится в разы выше серого, массового перехода не случится.
- Появление заправок вдоль грузовых магистралей — где они возникают, там подтягивается и транспорт.
- Судьба первых водородных кластеров — территорий, где производство газа, заправки и заводы-потребители собраны на одной площадке.
- Прогресс в перевозке: если жидкие органические носители (маслянистые жидкости, которые «заряжают» водородом и возят в обычных цистернах) подешевеют, проблема доставки газа через океан отпадёт сама собой.