Напередодні водневої революції

Світ стоїть перед серйозною зміною технологій в енергетиці і транспорті. Останнє пов’язане з вибуховим характером впровадження електромобілів.

Хоча на перший план переходу на електротягу ставлять екологічні проблеми, зниження вихлопів і вуглекислого газу в атмосферу, не менш важливим є створення абсолютно іншої енергетики і транспорту.

Як кожна технологічна революція, а ми маємо справу саме з нею, вона передбачає комерційні, фінансові та соціальні зміни. Найчастіше складні і деколи вельми хворобливі. Останні багато в чому пов’язані зі швидкістю змін і браком часу на підготовку до них.

Автомобільний, залізничний, водний і повітряний транспорт визначають попит на 52% світового видобутку нафти. При цьому автомобільний транспорт споживає 44% нафти. З цієї величини половина припадає на автомобілі.

Забруднення довкілля змушує або посилювати вимоги до використовуваних двигунів — внутрішнього згоряння і дизельним (ДВЗ), або переходити до електромобілів.

Нові правила економічності і екологічності двигуна в 2020-2025 рр. набирають чинності на трьох основних авторинках світу: ЄС, японському, китайському.

За низкою оцінок підвищення економічності ДВЗ в 2025 році зменшить світовий попит на нафту на 4 млн барелів у день (б/д) або 200 млн т у рік, а в 2030-му — до 7,4 млн б/д, 378 млн т у рік відповідно. Проте основною загрозою зниження споживання нафти є перехід на електротранспорт і услід за ним на водневу енергетику. І це відноситься не лише до видобутку і використання нафти, а також до вугілля і дещо менше до газу.

Норвегія в перших лавах впровадження електротранспорту, насамперед автомобільного. У цій країні попит на нафту та її продукти став падати після того, як частка електромобілів перевищила 7% нових продажів. Якщо екстраполювати досвід Норвегії, то попит на нафту від автомобільного транспорту почне падати, коли рівень світових продажів електромобілів становитиме 10-11 млн на рік.

За прогнозами китайського уряду і оприлюдненими планами провідних автовиробників Changan, Beijing Automotive Group, BYD, а також китайського підрозділу Tesla вони в 2015 році вироблять близько 5 млн електромобілів, що становитиме понад 5% світових продажів.

За даними організації Transport and Environment, в Європі в 2025 році буде вироблено близько 4 млн електроавтомобілів і електроавтобусів, що становитиме 4% світових продажів. І це без урахування виробництва і продажів у США та Японії.

Додамо, що вже почався масовий випуск середніх і важких вантажівок на електродвигуні (Tesla Semi). У США вантажний автотранспорт споживає 26 % моторного палива. При цьому Штати з населенням 140 млн людей мають намір на противагу політиці президента Дональда Трампа обстояти своє право ввести ще більш жорсткі норми економічності двигунів. Зрештою з 2022 року продаж електромобілів у США може вирости в рази.

Тим самим світ наблизиться до риски, за якою почнеться неухильне прискорене падіння попиту на нафту і її продукти. Відповідно збільшиться конкуренція між виробниками, а з нею боротьба за ринки і, як наслідок, падіння ціни на нафту.

Перехід на електротранспорт суттєво впливатиме на розвиток енергетики. Тут також посилюються екологічні вимоги. Через великий рівень шкідливих викидів у Європі все більше відмовляються від вугільної генерації електроенергії. Як проміжний варіант розширюється вживання газу, але це лише знижує гостроту проблеми, проте не вирішує її.

Виходом є розширення використання поновлюваних джерел енергії (ПДЕ), серед яких найбільший потенціал має сонячна енергетика. Успіхи фізики твердого тіла привели до того, що ККД сонячних елементів наблизився до 30% і збільшуватиметься. Відповідно падає вартість виробництва електроенергії з ПДЕ.

І тут постає перша проблема. Так звана зелена електроенергія виробляється не весь час, гострою стає проблема її накопичення і зберігання. Акумулятори в осяжній перспективі цю роль виконати не можуть, що чудово видно з цієї проблеми в електротранспорті. Хоча успіхи тут в наявності, але до великих об’ємів ще дуже далеко. Виходом і не лише в цьому приватному питанні є перехід до водневої енергетики транспорту.

Йдеться про використанні водню як енергетичного носія. Важко уявити, але ще два-три роки тому в багатьох виданнях писали, що переходу на водень, зокрема в транспорті або ніколи не станеться, або це справа дуже віддаленої перспективи. Як тут не пригадати президента Франції Фелікса Фора, який відкрив перший Mondial de l’Automobile, — Паризький автосалон у 1898 році. При цьому він не міг приховати свого скептичного ставлення до нового тоді виду транспорту і демонстративно залишив захід на кареті в упряжці з білих коней.

Перший водневий паливний елемент було сконструйовано англійським вченим Вільямом Гроувом у 30-х роках XIX століття.

1959 року, Френсіс Бекон з Кембріджа додав у водневий паливний елемент іонообмінну мембрану для полегшення транспорту гідроксид-іонів. Винаходом Бекона відразу зацікавився уряд США і NASA, оновлений паливний елемент став використовуватися на космічних апаратах «Аполлон» як головне джерело енергії під час їх польотів.

Паливний елемент на водні нагадує традиційний гальванічний елемент, але з істотною різницею. Речовина для реакції не зберігається в елементі, а постійно постачається ззовні. Просочуючись через пористий анод, водень втрачає електрони, які вирушають у електричний ланцюг, а крізь мембрану проходять катіони водню. Далі на катоді кисень ловить протон і зовнішній електрон, внаслідок чого утворюється вода. Вона ж і виходить назовні у вигляді вихлопу.

Разом з енергетичною перевагою паливні водневі елементи мають і екологічні властивості. Розробники водневого кросовера Hyundai Nexo запевняють, що їх авто не лише не викидає в атмосферу шкідливі речовини, але й очищує за годину декілька десятків кілограмів повітря, яких може вистачити більш ніж на 40 чоловік. Повідомляється, що 10 тисяч подібних водневих кросоверів на вулицях мегаполісів можуть замінити близько 600 тисяч дерев.

До того ж водень є одним з найбільш поширених елементів у природі, на відміну від основних елементів батарей для електрокарів — літію і кобальту — за які компанії вже ведуть справжні війни.

У водневих паливних елементів дуже високий ККД — 60%. У кращих двигунів внутрішнього згоряння цей коефіцієнт становить 35-40%.

Найбільш екологічно чистий спосіб видобутку водню полягає в електролізі води. В результаті електрохімічних реакцій виходить водень і кисень. Проблема цього способу полягає в енергоємності. Необхідна велика кількість електроенергії. І тут майбутнє за використанням ПДЕ. Внаслідок здешевлення виробництва, наприклад, електроенергії сонячних елементів електроліз води для видобування водню цілком може конкурувати з хімічними способами видобутку водню з газу.

Хоча водень горючий і повинен зберігатися під високим тиском, інженерами вже вирішені ці проблеми. Натомість завантаження водню під тиском у автомобільний паливний елемент займає лічені хвилини, на відміну від заряджання нинішніх акумуляторів.

Переваги водневих паливних елементів настільки очевидні, що автомобільний транспорт вже найближчими роками почне перехід на них.

Сучасний водневий автомобіль є різновидом електромобіля, оскільки рух здійснює електричний двигун. У водневому паливному елементі виробляється електроенергія, яка прямує в буферний акумулятор, а потім після перетворення інвертором на змінний струм і підвищення напруги подається на затискачі електродвигуна. При цьому буферний акумулятор у порівнянні з електромобілем значно меншої ємкості і габаритів, оскільки він не є головним джерелом енергії.

У Токіо в кінці вересня поточного року відбулася зустріч міністрів енергетики і керівників енергетичних структур з понад 30 країн. На ній обговорювалися перспективи водневих енергетичних систем у світі на майбутнє десятиліття. Як повідомляє агентство Kyodo News, у постанові наради названо мету — щоб через 10 років у світі було «10 мільйонів транспортних засобів з водневими системами» і «10 тисяч станцій заправки воднем». У січні 2017 року за ініціативи японських компаній Toyota Motor Corp. і Air Liquide було створено Hydrogen Council — Міжнародну раду з водневих технологій. До її складу увійшло 27 концернів, фірм і компаній, у тому числі, окрім японських, Audi, BMW, Daimler, Shell, Total та ін. Перехід на водень дозволить значно скоротити викиди СО2 в таких галузях, як транспорт, хімічна промисловість і металургія.

Застосування водню не обмежується легковим автомобільним транспортом. У Німеччині водневі потяги Coradia iLint перевозять пасажирів на стокілометрові маршрути між містами Бремерхафен, Куксхафен, Букстехуде і Бремерферде. Вони вже успішно відпрацювали свої перші 100 тисяч кілометрів упродовж десяти місяців після початку регулярного перевезення пасажирів. До кінця 2021 року на цій не електрифікованій залізничній лінії на північному заході країни у федеральній землі Нижня Саксонія збираються повністю відмовитися від дизельних локомотивів, замінивши їх на 14 потягів, що виробляють електроенергію у водневих паливних елементах.

Такі ж водневі електрички вирішили використовувати і у федеральній землі Гессен. У травні французький концерн Alstom, який їх виробляє, отримав замовлення на €500 млн на 27 потягів, які з 2022 року планується використовувати для приміського сполучення з гірським масивом Таунус на північний захід від Франкфурту-на-Майні.

У третьому за величиною британському місті Лідсі енергетична компанія Northern Gas Networks готує пілотний проект під багатозначною назвою H21. Його кінцева мета полягає в тому, аби у всьому місті повністю перевести опалення з природного газу, метану, на водень. Аналогічні роботи ведуться в німецькому Гентіні.

Використання водню означає революцію в технологіях виробництва, транспорту, переробки і використання енергії. Водень за всіма параметрами перевершує видобувні види палива. Від вугільної генерації Європа вже відмовляється. На черзі газ.

В Австрії три провідних концерни готують відразу декілька спільних пілотних проектів, у тому числі з використання водню замість вугілля при виробництві сталі, а канцлер Себастьян Курц у ході недавньої парламентської виборчої кампанії висунув гасло перетворення своєї країни на «водневу державу №1». На цю ж роль претендує і Франція.

Металургійні компанії Німеччини і Швеції освоюють нові екологічні технології виробництва сталі. У них замість спалювання вугілля використовується водень. Хоча витрати поки на 20-30% вищі, натомість викидів у атмосферу значно менше. Експерти передбачають, що екологи найближчим часом розгорнуть атаку на традиційні технології в металургії по всьому світу. Металургійна промисловість при виготовленні чавуну і сталі дає близько 7-9% усіх антропогенних викидів вуглецю.

Як пише агентство Bloomberg, німецький промисловий конгломерат Thyssenkrupp упроваджує технології використання водню в металургії. Зокрема буде проведено випробування з використання водню в одній з доменних печей у місті Дуйсбург. Як сказав головний технічний директор Thyssenkrupp Steel Арнд Кефлер, «Ми говоримо про мільйон тонн на місяць».

Українським металургам теж слід замислитись. У європейських країнах можуть запровадити загороджувальні мита на неекологічну сталь, і це істотно звузить експортні можливості для української металургійної промисловості. І таких прикладів можна навести багато.

В той же час є потенціал використання ПДЕ в нашій країні для виробництва водню і його експорту. Важливо не згаяти час і залучати інвестиції в найважливішу технологію майбутнього в енергетиці і транспорті.