Накануне водородной революции

Мир стоит перед серьезным изменением технологий в энергетике и транспорте. Последнее связано со взрывным характером внедрения электромобилей.

Хотя на первый план перехода на электротягу ставятся экологические проблемы, снижение выхлопов и углекислого газа в атмосферу, не менее важно создание совершенно другой энергетики и транспорта.

Как каждая технологическая революция, а мы имеем дело именно с ней, она влечет коммерческие, финансовые и социальные изменения. Чаще всего сложные и местами весьма болезненные. Последние во многом связаны с быстротой перемен и недостаточным временем на подготовку к ним.

Автомобильный, железнодорожный, водный и воздушный транспорт определяют спрос на 52% мировой добычи нефти. При этом автомобильный транспорт потребляет 44% нефти. Из этой величины половина приходится на автомобили.

Загрязнение окружающей среды заставляет либо ужесточать требования к используемым двигателям — внутреннего сгорания и дизельным (ДВС), либо переходить к электромобилям.

Новые правила экономичности и экологичноти двигателя в 2020-2025 гг. вступают в силу на трех основных авторынках мира: ЕС, японском, китайском.

По ряду оценок повышение экономичности ДВС в 2025 году уменьшит мировой спрос на нефть на 4 млн баррелей в день (б/д) или 200 млн т в год, а в 20130-м — до 7,4 млн б/д, 378 млн т в год соответственно. Однако основной угрозой падения потребления нефти является переход на электротранспорт и вслед за ним на водородную энергетику. И это относится не только к добыче и потреблению нефти, а также к углю и пока в меньшей степени к газу.

Норвегия в первых рядах внедрения электротранспорта, в первую очередь автомобильного. В этой стране спрос на нефть и ее продукты стал падать после того, как доля электромобилей превысила 7% новых продаж. Если экстраполировать опыт Норвегии, то спрос на нефть от автомобильного транспорта начнет падать, когда уровень мировых продаж электромобилей составит 10-11 млн в год.

По наметкам китайского правительства и обнародованным планам ведущих автопроизводителей Changan, Beijing Automotive Group, BYD, а также китайского подразделения Tesla они в 2015 году произведут около 5 млн электромобилей, что составит более 5% мировых продаж.

По данным организации Transport and Environment, в Европе в 2025 году будет произведено около 4 млн электроавтомобилей и электроавтобусов, что составит 4% мировых продаж. И это без учета производства и продаж в США и Японии.

Добавим, что уже начался массовый выпуск средних и тяжелых грузовиков на электродвигателе (Tesla Semi). В США грузовой автотранспорт потребляет 26 % моторного топлива. При этом штаты с населением 140 млн человек намерены в противовес политике президента Дональда Трампа отстоять свое право ввести еще более жесткие нормы экономичности двигателей. В результате с 2022 года продажи электромобилей в США могут вырасти в разы

Тем самым мир приблизится к черте, за которой начнется неуклонное и ускоряющееся падение спроса на нефть и ее продукты. Соответственно увеличится конкуренция между производителями, а с ней борьба за рынки и, как следствие, падение цены на нефть.

Переход на электротранспорт будет в значительной степени влиять на развитие энергетики. Здесь также ужесточаются экологические требования. Из-за большого уровня вредных выбросов в Европе все больше отказываются от угольной генерации электроэнергии. Как промежуточный вариант расширяется применение газа, но это только снижает остроту проблемы, но не решает ее.

Выходом является расширение применения возобновляемых источников энергии (ВИЭ), среди которых наибольший потенциал имеет солнечная энергетика. Успехи физики твердого тела привели к тому, что КПД солнечных элементов приблизился к 30% и будет увеличиваться. Соответственно падает стоимость производства электроэнергии из ВИЭ.

И здесь встает первая проблема. Так называемая зеленая электроэнергия производится не все время, острой становится проблема ее накопления и хранения. Аккумуляторы в обозримой перспективе эту роль выполнить не могут, что отлично видно по этой проблеме в электротранспорте. Хотя успехи здесь налицо, но до больших объемов еще очень далеко. Выходом и не только в этом частном вопросе является переход к водородной энергетике транспорту. 

Речь идет об использовании водорода в качестве энергетического носителя. Трудно представить, но еще два-три года назад во многих изданиях писали, что перехода на водород, в частности, в транспорте либо никогда не произойдет, либо это дело очень отдаленной перспективы. Как тут не вспомнить президента Франции Феликса Фора, который открыл первый Mondial de l’Automobile — Парижский автосалон в 1898 году. При этом он не мог скрыть своего скептического отношения к новому тогда виду транспорта и демонстративно покинул мероприятие на карете в упряжке из белых лошадей.

Первый водородный топливный элемент был сконструирован английским ученым Уильямом Гроувом в 30-х годах XIX века.

В 1959 году, Фрэнсис Бэкон из Кембриджа добавил в водородный топливный элемент ионообменную мембрану для облегчения транспорта гидроксид-ионов. Изобретением Бэкона сразу заинтересовалось правительство США и NASA, обновленный топливный элемент стал использоваться на космических аппаратах «Аполлон» в качестве главного источника энергии во время их полетов. 

Топливный элемент на водороде напоминает традиционный гальванический элемент, но с существенной разницей. Вещество для реакции не хранится в элементе, а постоянно поставляется извне. Просачиваясь через пористый анод, водород теряет электроны, которые уходят в электрическую цепь, а сквозь мембрану проходят катионы водорода. Далее на катоде кислород ловит протон и внешний электрон, в результате чего образуется вода. Она же и выходит наружу в виде выхлопа.

Наряду с энергетическим преимуществом топливные водородные элементы обладают и экологическими. Разработчики водородного кроссовера  Hyundai Nexo уверяют, что их авто не только не выбрасывает в атмосферу вредные вещества, но и очищает за час несколько десятков килограммов воздуха, которых может хватить более чем на 40 человек. Сообщается, что 10 тыс. подобных водородных кроссоверов на улицах мегаполисов могут заменить около 600 тыс. деревьев.

К тому же водород является одним из наиболее распространенных элементов в природе, в отличие от основных элементов батарей для электрокаров — лития и кобальта, за которые компании уже ведут настоящие войны.

У водородных топливных элементов очень высокий КПД — 60%. У лучших двигателей внутреннего сгорания этот коэффициент составляет 35-40%.

Наиболее экологически чистый способ получения водорода состоит в электролизе воды. В результате электрохимических реакций получается водород и кислород. Проблема этого способа состоит в энергоемкости. Необходимо большое количество электроэнергии. И здесь будущее за использованием ВИЭ. По мере удешевления производства, например, электроэнергии солнечных элементов электролиз воды для получения водорода вполне может конкурировать с химическими способами получения водорода из газа.

Хотя водород горюч и должен содержаться под высоким давлением инженерами уже решены эти проблемы. Зато загрузка водорода под давлением в автомобильный топливный элемент занимает считанные минуты в отличие от зарядки нынешних аккумуляторов.

Преимущества водородных топливных элементов настолько очевидны, что автомобильный транспорт уже в ближайшие годы начнет переход на них.

Современный водородный автомобиль представляет разновидность электромобиля, так как движение осуществляет электрический двигатель. В водородном топливном элементе производится электроэнергия, которая направляется в буферный аккумулятор, а затем после преобразования инвертором в переменный ток и повышения напряжения подается на зажимы электродвигателя. При этом буферный аккумулятор по сравнению с электромобилем значительно меньшей емкости и габаритов, так как он не является главным источником энергии.

В Токио в конце сентября текущего года прошла встреча министров энергетики и руководителей энергетических структур из более чем 30 стран. На ней обсуждались перспективы водородных энергетических систем в мире на предстоящее десятилетие. Как сообщает агентство Kyodo News, в постановлении совещания названа цель добиться, чтобы через 10 лет в мире было «10 миллионов транспортных средств с водородными системами» и «10 тысяч станций заправки водородом». В январе 2017 года по инициативе японских компаний Toyota Motor Corp. и Air Liquide был создан Hydrogen Council — Международный совет по водородным технологиям. В него вошли 27 концернов, фирм и компаний, в том числе, кроме японских, Audi, BMW, Daimler, Shell, Total и др. Переход на водород позволит значительно сократить выбросы СО2 в таких отраслях, как транспорт, химическая промышленность и металлургия.

Наступление водорода не ограничивается легковым автомобильным транспортом.  В Германии водородные поезда Coradia iLint перевозят пассажиров по стокилометровому маршруту между городами Бремерхафен, Куксхафен, Букстехуде и Бремерферде. Они уже успешно отработали свои первые 100 тысяч километров спустя десять месяцев после начала регулярной перевозки пассажиров. До конца 2021 года на этой не электрифицированной железнодорожной линии на северо-западе страны в федеральной земле Нижняя Саксония собираются полностью отказаться от дизельных локомотивов, заменив их на 14 поездов, вырабатывающих электроэнергию в водородных топливных элементах.

Такие же водородные электрички решили использовать и в федеральной земле Гессен. В мае выпускающий их французский концерн Alstom получил заказ в €500 млн на 27 поездов, которые с 2022 года планируется использовать для пригородного сообщения с горным массивом Таунус к северо-западу от Франкфурта-на-Майне.

В третьем по величине британском городе Лидсе энергетическая компания Northern Gas Networks готовит пилотный проект под многозначительным названием H21. Его конечная цель состоит в том, чтобы во всем городе полностью перевести отопление с природного газа, метана, на водород. Аналогичные работы ведутся в немецком Гентхине.

Использование водорода означает революцию в технологиях производства, транспорта, преобразования и использования энергии. Водород по всем параметрам превосходит ископаемые виды топлива. От угольной генерации Европа уже отказывается. На очереди газ.

В Австрии три ведущих концерна готовят сразу несколько совместных пилотных проектов, в том числе по использованию водорода вместо угля при производстве стали, а канцлер Себастьян Курц в ходе недавней парламентской избирательной кампании выдвинул лозунг превращения своей страны в «водородную державу №1». На эту же роль претендует и Франция.

Металлургические компании Германии и Швеции осваивают новые экологичные технологии производства стали. В них вместо сжигания угля используется водород. Хотя затраты пока на 20-30% выше, зато выбросов в атмосферу гораздо меньше.  Эксперты предсказывают, что экологи в ближайшее время развернут атаку на традиционные технологии в металлургии по всему миру. Металлургическая промышленность при изготовлении чугуна и стали дает около 7-9% всех антропогенных выбросов углерода.

Как пишет агентство Bloomberg, немецкий промышленный конгломерат Thyssenkrupp внедряет технологии использования водорода в металлургии. В частности, будут проведены испытания по использованию водорода в одной из доменных печей в городе Дуйсбург. Как сказал главный технический директор Thyssenkrupp Steel Арнд Кефлер, «Мы говорим о миллионе тонн в месяц».

Украинским металлургам тоже следует задуматься. В европейских странах могут ввести заградительные пошлины на неэкологичную сталь и это существенно сузит экспортные возможности для украинской металлургической промышленности. И таких примеров можно привести много.

В то же время есть потенциал использования ВИЭ в нашей стране для производства водорода и его экспорта. Важно не упустить время и привлекать инвестиции в важнейшую технологию будущего в энергетике и транспорте.