Водородная экономика

Водородная экономика

Распространенное мнение о том, что водород сможет спасти технологическую цивилизацию от надвигающейся катастрофы, — типичный пример того, насколько недальновидно стало наше зависимое от нефти общество. Идея, конечно, привлекательная, поскольку при горении водорода выделяется лишь водяной пар и, соответственно, окружающей среде не причиняется вреда. К тому же самого водорода в избытке. Было бы замечательно, если бы вся механизированная инфраструктура и оборудование нашего общества просто перешли на водород, но такого не произойдет. Что-то можно перевести на водород, но не все. Водород не заменит нам нефть и газ в полном объеме.

План по переходу от нефти и газа на водородную экономику обычно связан с технологией топливных элементов. Сам топливный элемент представляет собой кусок пластмассы, помещенный между несколькими углеродными пластинами, которые проложены между двумя концевыми пластинами, действующими как электроды. Эти пластины имеют дорожки, которые распределяют топливо и кислород. Они модульные и могут быть размещены так, чтобы производить энергию. Топливные элементы действуют в 2–3 раза мощнее, чем двигатель внутреннего сгорания, и при этом не требуют никаких движущих частей. В процессе, обратном электролизу, водород, введенный через каталитическую металлическую мембрану, соединяясь с кислородом, производит пар и электрический ток. В автомобиле, работающем на топливных элементах, электричество от топливного элемента приводит в действие двигатель. Однако из-за того, что получать чистый водород очень дорого, в качестве топлива предпочитают использовать природный газ или метанол.

О топливных элементах известно уже давно. Сэр Вильям Роберт Гров продемонстрировал возможность получения электроэнергии с помощью кислорода и водорода в топливном элементе еще в 1893 году. В конце 1950-х годов НАСА начало создавать компактный электрогенератор на топливных элементах для использования его во время космических полетов. Расходы не имели значения. Расчетная масса энергоустановки из водородно-кислородных топливных элементов намного меньше, чем у батарей. И это очень важно, потому что в космосе каждый грамм на учете. Позднее в пилотируемом космическом корабле астронавты смогли даже пить воду, производимую топливными элементами.

Нет сомнения в существовании и пользе топливных элементов. Но возникают многочисленные и настораживающие вопросы по поводу водородной экономики. Проблема в том, что водород не совсем топливо. Это скорее «носитель» энергии, чем топливо. Для получения водорода требуется больше энергии, чем производит сам водород. Таким образом, сегодня производство водорода зависит от других известных источников энергии, которые по той или иной причине представляют собой проблему — это все те же нефть, природный газ, уголь, вода, солнце, ветер. В некоторой степени термин «водородная экономика» — это прикрытие для ядерной экономики, поскольку ядерная экономика предполагает масштабную выработку электроэнергии, подразумевается, что многочисленные современные атомные станции могут с экономической точки зрения производить огромное количество водорода. Я собираюсь вернуться к вопросу ядерной энергии позже.

Безусловно, водород производится сегодня в промышленном масштабе и имеет множественное применение. Но если сравнивать количество водорода, используемое промышленностью, с объемом сжигаемой нефти, то оно невелико. Применение водорода в качестве промышленного катализатора или химического компонента — это одна сторона вопроса, совсем другое дело рассматривать водород как энергетически ценный ресурс. Когда речь идет о сотнях миллионов автомобилей, водород, как говорят инженеры, не поможет. Если мы будем получать из водорода меньше энергии, чем затрачивать на его получение, стоит ли игра свеч? К тому же «водородная экономика» не сможет обогреть десятки миллионов жилых и производственных зданий.

Вселенная на 73 % состоит из водорода. Правда он не находится в свободном состоянии на планете Земля, а связан с другими элементами в химические соединения. Вода, Н₂O — самое распространенное соединение: два атома водорода соединены с одним атомом кислорода. Такие углеводороды, как нефть и природный газ (метан), естественные природные соединения, которые способны при горении высвобождать энергию.

Почему бы не попытаться синтезировать нефть и природный газ из водорода и углерода? Потому что для начала водород необходимо освободить, а уже потом соединить с углеродом. А это требует больше энергии, чем сможет дать конечное соединение. (Синтезирование бензина из угля — другой вопрос, так как здесь речь идет об очистке одного углеводорода с целью получения другого, что до сих пор остается очень дорогостоящим процессом.) Углеводороды, существующие в природе, представляют собой накопленную в течение тысячелетий солнечную энергию, впитанную растениями и очищенную геологической формацией. Вспышка, возникающая при воспламенении унции угольного топлива, длится пару секунд. А ведь это энергия, полученная от доисторического папоротника, накапливавшего солнечный свет в течение девяти лет. Сто лет нефтяной цивилизации — ничто по сравнению с геологическим временем. Нефть и газ — невозобновляемые природные ресурсы, запасы которых ограничены. Мы не можем создать их искусственным путем из свободных элементарных частиц водорода и углерода. В этом-то и проблема. Что касается загрязнения, то в процессе синтезирования метана (СН₄) из угля и метанола (СН₄ОН) из нефти и биомассы производится больше углекислого газа, чем если бы эти элементы просто горели.

Вода, с другой стороны, не воспламеняемая. Для того чтобы отделить легковоспламеняющиеся атомы водорода от атомов кислорода, требуется много энергии. Это можно сделать с помощью электролиза, пропуская электрический ток через сосуд с водой и захватывая «расщепленные» газы. Другой способ получить водород заключается в нагревании воды до очень высокой температуры с целью «вымывания» природного газа при очень высоком давлении, которое отделяет атомы водорода. Конечно же, это предполагает, что богатые месторождения природного газа будут использоваться как исходное сырье. Также потребуется много энергии для нагревания воды. Процессы «освобождения» водорода всегда ассоциируются с потерей чистой энергии. Энергетическая рентабельность в среднем составит примерно 1 : 1,4. То есть, вы получаете одну единицу энергии из 1,4 единицы вложенной энергии. Это нерентабельно. Вспомните, что в 1930-х годах в Техасе показатель ERoEI нефти составлял 20 : 1, и вы прекрасно поймете, почему нефть предпочтительнее.

Существует множество дополнительных проблем в отношении водорода как альтернативы углеводородного топлива. Речь идет о его хранении и транспортировке. Чрезвычайно низкая плотность водорода, дающая низкий атомный вес, означает, что ему необходимо много пространства. В автомобилях он должен находиться в сжатом состоянии и содержаться в резервуарах под высоким давлением. Такой «топливный» бак будет занимать много места. Сжимание газа требует много энергии — а это дополнительные расходы. Для того чтобы создать автомобиль, работающий на водородном топливе и не уступающий по своим техническим характеристикам современному автомобилю с бензиновым двигателем, потребуется 703 кг/см² водорода, находящегося под сверхвысоким давлением. Этого можно добиться, используя сверхпрочные углеродные волокна для укрепления баков. Такой бак может выдержать удар от столкновения на большой скорости. Вопрос в том, сможет ли «устоять» более чувствительное внутреннее содержание. Если нет, то водород, находящийся под чрезвычайно высоким давлением, начнет быстро выходить. А это огнеопасное вещество. Смесь водорода с воздухом загорается в широком диапазоне концентрации от 4 до 75 % и взрывается от малейшей искры. Поскольку водород выделяет много тепла при снижении давления, он может самовозгораться от удара, когда газ начнет выходить из бака через поврежденные клапаны.

Чтобы поместить водород в бак, нужно решить еще две задачи. Во-первых, этот газ легко рассеивается. Его крайне тяжело удерживать. Кроме этого, водород чрезвычайно едкий. Он любит вступать в реакцию с другими элементами и соединениями. Внутренняя часть бака, соединительные муфты для труб, клапаны и пломбы — это те детали, которые намного быстрее разъедаются водородом, чем такими газами, как метан. К тому же, в отличие от бензина, который остается жидким при постоянной температуре воздуха, сжатые газы сложно перемещать из одной емкости в другую. Опять же, для того чтобы заправиться водородом на АЗС, потребуется дополнительная энергия.

Помимо прочего, возникает вопрос о доставке водорода на АЗС. Бензин транспортируется в негерметизированных цистернах на грузовых машинах. Жидкий водород необходимо доставлять в баках, где он находится под невероятно высоким давлением. Груженая 40-тонная автоцистерна предназначена для перевозки примерно 25 тонн бензина. Из-за того, что водород такой легкий, указанная цистерна сможет вместить только 0,5 тонны водорода. Если сравнить энергопотребление грузовой машины с энергоценностью ее груза, то становится очевидным, что в плане транспортировки водород неэкономичен практически на любом расстоянии.

Автозаправочная станция средних размеров на любой скоростной автостраде ежедневно продает минимум 25 тонн горючего. Это топливо может доставить один 40-тонный бензовоз. Для того чтобы доставить такое же количество водорода на станцию, то есть обеспечить топливом то же количество автомобилей в день, необходима 21 грузовая машина. Автомобили, работающие на топливных элементах, в какой-то мере изменят эти показатели, но не намного. Перекачка находящегося под давлением водорода из бензовоза в заправочную колонку требует намного больше времени, чем наполнение подземного резервуара бензином. Заправочная колонка в целях безопасности должна быть закрыта в течение нескольких часов в день. Сегодня примерно 1 из 100 грузовых автомобилей — бензовоз или грузовик, перевозящий дизельное топливо. Когда перевозится водородное топливо, из 120 грузовых машин 21 машина (или 17 % от общего числа) перевозит водород. В одной из шести аварий с участием грузовых машин присутствует грузовик, перевозящий водород. Такая ситуация неприемлема по политическим и социальным причинам.

Трубопроводы для распределения водорода представляют собой большие проблемы. Существующую систему для подачи природного газа нельзя просто так использовать. Газовые трубопроводы недостаточно широкие для водорода. Водород может разъесть стыки труб и разрушить смазку в насосах на насосных станциях, отвечающих за прокачку газа и расположенных через определенные интервалы на протяжении всей газовой трубы. Склонность водорода к рассеиванию может оказаться причиной большой протечки. Таким образом, для подачи водорода существующую систему трубопроводов необходимо реконструировать, а это будет стоить миллиарды долларов (при условии, что получится решить и другие технические проблемы). Маловероятно, что это произойдет. Добавьте к этому еще и то, что необходимо будет изменить инфраструктуру каждой отдельной заправочной станции.

Все это сводится к тому, что автомобиль, использующий в качестве топлива водород, и вся соответствующая инфраструктура не могут в равной степени заменить системы, основанной на нефтяном топливе. Особая сущность нефти и уникальность систем, которые мы создали для ее использования, ставят нас в затруднительное положение. Кроме этого, нынешняя система имеет огромный социальный смысл. Было продемонстрировано, что автомобиль, работающий на топливных элементах, построить можно, по крайней мере дорогой опытный образец. Но что будет, если начать его массовое производство? Продавать такой автомобиль придется по цене, которая для обычных людей окажется слишком высокой, — не менее, чем за $80 000 (в 2005 году). Таким образом, невозможность приобретения автомобиля станет проблемой для общества, в котором личный транспорт, по сути, представляет собой неотъемлемую часть повседневной жизни.

Чем больше вы узнаете подробностей о «водородной экономике», тем отчетливее понимаете, что она с трудом применима к нашей жизни.

Подводя итог, можно сделать вывод, что «водородная экономика» вряд ли будет существовать. Можно находить все новое применение водороду и даже продолжать производить химические продукты с его использованием. Расширенная атомная инфраструктура может снизить расходы на получению водорода путем электролиза. Но в наши планы не входит менять современные автомобили на машины, работающие на водородном топливе. И если вдруг появятся удивительные технологические достижения, которые изменят известные законы термодинамики и смогут сделать процесс получения водорода таким же дешевым, как добыча нефти, тогда период Глобальной Катастрофы нам известен — между «сегодня» и тем светлым будущим.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.