1. Як влаштований автомобіль Toyota Mirai
2. Брудне чисте паливо?
3. Про долю «Гінденбурга»
4. Твердий водень?
5. Політ на таблетках
6. Нічого не пропаде

У минулому квітні прем'єр-міністр Японії Сіндзо Абе заявив про наміри свого уряду розпочати перехід до водневої економіки при поступовій відмові від вуглеводневого палива. До 2030 року в країні Висхідного сонця має бути вже 800 000 машин з водневими двигунами. Цікаво, як буде відбуватися ця революція?

Насправді перевести автомобілі, літаки, кораблі і локомотиви на водневе паливо - вельми приваблива ідея. Застосування H2 не залишає «вуглецевого сліду». Легковий автомобіль Toyota Mirai, що працює на водневих паливних батареях, проїжджаючи 100 км, виробляє близько полуведра води. І все! Ніяких парникових газів. Ніяких токсичних викидів. Хіба це не прекрасна заміна вуглеводневому паливу? Заміна відмінна, але проблема в тому, що природа створила нам великі родовища нафти і газу, а ось родовищ водню не існує. Найлегший елемент таблиці Менделєєва рясно присутній в навколишньому світі, але у вигляді сполук - в основному з вуглецем і киснем. Щоб отримати водень у вільному вигляді, потрібно ці сполуки зруйнувати, для чого необхідно затратити енергію, причому при нинішньому рівні розвитку технологій енергію набагато більшу, ніж ми зможемо потім отримати, утилізацію водень.

Випромінювання Сонця, припливи, вітер називають сьогодні альтернативними джерелами енергії, але водень в їх ряду не варто. H2 - це екологічно чисте паливо, яке по суті є акумулятором енергії, витраченої на його виробництво (за вирахуванням неминучих втрат). Є цілий ряд нині застосовуються і перспективних технологій виробництва водню, але основні поділяються на два типи: відірвати водень від вуглецю і відірвати водень від кисню.

Як влаштований автомобіль Toyota Mirai

1. Блок паливних елементів Використано перші серійно вироблені концерном Toyota паливні елементи з високою питомою потужністю на одиницю об'єму (3,2 кВт / л) Максимальна потужність: 124 кВт 2. Підвищуючий перетворювач перетворює постійний струм, що виробляється паливним елементом, в змінний з підвищенням напруги до 650 В 3. Нікель-метал-гідридний акумулятор запасає енергію, рекуперіруемую при гальмуванні. При рушанні з місця живить двигун спільно з паливним елементом 4. Балони високого тиску Робочий тиск всередині: 700 атм. Внутрішній об'єм: 60 л (передній балон) 62,4 л (задній балон) 5. Електричний мотор Синхронний електродвигун змінного струму: максимальна потужність - 113 кВт (153,6 к.с.) максимальний крутний момент - 335 Нм 6. Блок управління управляє паливним елементом, а також зарядкою / розрядкою акумуляторної батареї 7 Додаткові пристосування Насос для підкачування водню та ін.

Брудне чисте паливо?

Більше половини водню в світі виробляється методом парової конверсії метану - це найдешевший і доступний спосіб. У багатоетапному процесі із застосуванням високих температур і каталізаторів молекули метану розкладаються на водень і чадний газ (монооксид вуглецю). Оскільки в процесі використовується викопне паливо, назвати отриманий таким шляхом водень що не дає «вуглецевого сліду» якось не виходить.

Інший досить поширений промисловий процес - це електроліз, знайомий всім ще з шкільних хімічним дослідам. Тут вже немає ні нафти, ні газу, ні вугілля - на кисень і водень розкладається звичайна вода при додатку до неї електричної енергії. Але звідки ця енергія? Якщо поруч з водневим виробництвом чадить теплова електростанція на мазуті, то і тут з «вуглецевим слідом» буде все не дуже добре. Візіонер енергетики майбутнього говорять про водневих фабриках, що харчуються електрикою виключно від вітропарків, сонячних електростанцій та інших відновлюваних джерел. В цьому випадку з'явиться дійсно безвуглецевої ланцюжок вироблення палива, але це зажадає колосального приросту генеруючих потужностей в сфері «зеленої» енергетики.

Виробництво водню із застосуванням біотехнологій

Про долю «Гінденбурга»

Для тотального переходу на водень будуть потрібні не тільки енергоресурси для його виробництва, але і розвинена інфраструктура для його транспортування і зберігання - трубопроводи, залізничні цистерни, морські танкери, резервуари, автозаправки. Одна з головних причин кілька настороженого ставлення суспільства до водневої революції полягає в тому, що водень дуже летючий і вибухонебезпечний. Там, де буде зберігатися, транспортуватися або використовуватися водень, необхідна наявність високочутливих газоаналізаторів, які просигналять про найменшу витоку. Правда, прихильники активного використання водню стверджують, що небезпека перебільшена. На відміну від важких газів типу метану, що потрапила з балона легкий водень миттєво піднімається вгору і розвіюється. У приклад наводять історію катастрофи дирижабля «Гінденбург», в якому спалахнула водень горів всього 32 секунди, що дозволило 62 з 97 пасажирів не згинути в вогні і вижити. Але в будь-якому випадку присутність на вулицях великої кількості транспортних засобів, в яких під тиском знаходиться вибухонебезпечний газ, зажадає нового рівня безпеки руху.

Всі ці фактори, що обмежують широке застосування водню, свідчать на користь того, що перехід на нове паливо буде відбуватися не дуже швидкими темпами. Продажі піонерської Toyota Mirai на водневих паливних елементах, що почалися в 2015 році, наблизилися лише до рубежу 3000 штук - і це на величезному ринку, в який входять не тільки Японія, а й США, ЄС, ОАЕ. Очевидно, що водень як паливо буде ще довго бути сусідами як з традиційними вуглеводнями, так і з літій-іонними акумуляторами (в електромобілях). При цьому випереджаючими темпами водневі технології зможуть розвиватися в окремих найбільш перспективних нішах, наприклад в сфері електричних БПЛА. Справа в тому, що ККД водневого паливного елемента дуже високий, за рахунок того що енергія, що виділяється при з'єднанні водню з киснем, буде утилізовано безпосередньо в електрику, без значних втрат у вигляді тепла, як це відбувалося б при спалюванні палива в циклі Карно. Використовуючи енергію палива по максимуму, БПЛА з паливним елементом може залишатися в повітрі набагато довше, ніж безпілотник з порівнянною злітною масою, але живить двигун від широко застосовуваних літій-іонних акумуляторів.

Твердий водень?

У нашій країні лідерами в створенні воднево-повітряних паливних елементів (ВВТЕ) для БПЛА і не тільки є Інститут проблем фізичної хімії ІПФХ РАН і Центральний інститут авіаційного моторобудування ЦИАМ ім. Баранова. ВВТЕ ІПФХ в квітні 2016 забезпечив рекордний політ тривалістю 3 години 10 хвилин октокоптера-концепту Нелкен-88 спільного виробництва компанії Нелкен і ІПФХ РАН.

Схема розміщення гранул «твердого водню» в крилі БПЛА

Воднева бортова система володіє дуже хорошим ВВТЕ і ефективно працює, але з появою на борту стисненого балонного водню виникли проблеми чималої ваги і габариту. Крім того, зберігається ймовірність витоку газу, що небезпечно. Новітні надміцні матеріали і технології до кінця цю проблему не вирішили.

Щоб мати на борту водню побільше і в легшій системі зберігання, пробували перейти на скраплений при температурі -253 ° C водень, щільність якого втричі більша за густину водню, стиснутого до стандартних для балонних систем тисків 300-350 атм., Що могло б збільшити енергоємність системи. Але проблеми з посудиною Дьюара, термоізоляцією, заправкою і т. П. Від такої ідеї змусили відмовитися. Вихід був знайдений, коли згадали про твердих металевих гидридах. У гидриде водень настільки щільно запакований, що про будь-які його просочування мови не йде. Тому «твердий» водень - це серйозний аргумент у вирішенні проблеми безпеки і людей, і техніки.

У різних гидридах - натрію, магнію, бору і ін. - водень у ваговому відношенні існує в різній кількості, і чемпіоном тут є боран аміаку (Боразан) з 20% -ним вмістом водню. Для отримання необхідного для ВВТЕ газоподібного водню боран аміаку досить обережно нагріти, щоб не було його плавлення з піноутворенням, до температури 85-100 ° С. Отримання такої температури на борту БПЛА не проблема: до неї при роботі, наприклад, нагріваються ВВТЕ.

Політ на таблетках

Не так давно в цій сфері відбулося дві знакові події. Перше - в самому початку лютого 2016 року, коли британська компанія Cella Energy спільно з шотландської асоціацією морських наук SAMS на полігоні в Аргайл провела успішні випробування твердоводородной технології на безпілотник-демонстраторів. За планом політ тривав десять хвилин, БЛА піднімався на висоту 80 м.

Друге подія мала місце в середині лютого 2016 року в Сінгапурі, напередодні відкриття там Air Show 2016. Тоді серійний міні-БЛА Skyblade 360 ​​UAV компанії HES Energy Systems здійснив керований політ протягом шести годин і сумарно налітав 300 км зі швидкістю 50-55 км / ч. В обох випадках розробники використовували схожі технології виготовлення матеріалу-носія водню і отримання з нього водню газоподібного.

Матеріал гідриду був виготовлений у вигляді гранул, які розміщувалися на друкованої монтажній стрічці, що робило зручним виробляти послідовний, від гранули до гранулі, їх обережний нагрів від бортового джерела тепла. Гранули компанії Cella з бoрана аміаку мали квадратний перетин зі стороною 1 см. Вони були поміщені в картридж-газогенератор циліндричної форми, в якому після виділення газоподібного водню підтримувався необхідний рівень робочого тиску - до речі, невеликий. Технологія «гранули в картриджі» дозволяє масштабувати паливну завантаження в залежності від конкретного завдання, що забезпечує гнучкість в застосуванні безпілотника.

Нічого не пропаде

При виробництві гранул Боразан використовувалася технологія наноструктурування з отриманням наночастинок гідриду розміром 4-6 нм (в 30 разів менше розмірів піщинки, як це було у компанії Cella), і це сприяло високій віддачі водню. 1 г структурованої гранули віддає з ефективністю більше 90-95% 1 л газоподібного водню.

Але що робити з відпрацьованим картриджем, в якому після вилучення водню з гідриду залишається багато корисного матеріалу? Звичайно, такий картридж ніхто не збирається викидати, а залишився в ньому рештки - поліборазілен - відновлюють до стану борана аміаку насиченням воднем в присутності спеціального каталізатора, наприклад, на основі рутенію. Вже є технологія регенерації, по якій все відбувається в «одному котлі» - прямо у відпрацьованому картриджі, що робить процес безпечним і спрощує виробничий ланцюжок.

Оцінюючи перспективи водню як джерела енергії, ми в основному спираємося на існуючі технології його виробництва і застосування. Однак мало не кожен день в цій сфері відбувається щось нове (що показує стрімке пришестя «твердого водню»), і, можливо, воднева економіка прийде до нас в підсумку в зовсім іншому вигляді.

Стаття «Водень, приходь» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №6, червень 2017 ).