в каком случае водородные топливо может быть рентабельным
Водородное топливо
LH2 является самым экологически чистым видом моторного топлива, поэтому его перспективы очевидны
Водородное топливо
В Австралии на бурых углях в штате Виктория отрабатывается технология технология газификации угля с последующим выделением водорода, вернее удаления серы, ртути и двуокиси углерода (СО2).
Водород
Водород (H) является самым распространенным элементом на Земле, но в обычных условиях он не встречается ни в виде водорода H, ни в виде газообразного водорода (H2).
Благодаря своим характеристикам он легко вступает в реакцию с другими органическими соединениями с образованием, например, воды (H2O).
Во время этой реакции образования воды из водорода и воздуха выделяется энергия, которую можно использовать в качестве электричества.
Чтобы сделать эту реакцию полезной для промышленного производства электроэнергии, необходимо произвести водород, например из воды путем разделения атомов на кислород и водород посредством электролиза.
Есть другие технологии:
Реакция взаимодействия водорода с кислородом происходит с выделением тепла.
Если взять 1 моль H2 (2 г) и 0,5 моль O2 (16 г) при стандартных условиях и возбудить реакцию, то согласно уравнению
после завершения реакции образуется 1 моль H2O (18 г) с выделением энергии 285,8 кДж/моль.
1 м³ водорода весит 89,8 г (44,9 моль), поэтому для получения 1 м³ водорода будет затрачено 12832,4 кДж энергии.
1 кВт*ч = 3600 кДж, поэтому получим 3,56 кВт*ч электроэнергии.
Целесообразность перехода на водородное топливо можно оценить, сравнив имеющийся тариф на 1 кВт*ч электричества и, к примеру, стоимость 1 м³ газа или стоимость другого энергоносителя.
Получение водорода
2NaCl + 2H2O → H2↑ + 2NaOH + Cl2
Конверсия с водяным паром: CH4 + H2O ⇄ CO + 3H2 (1000 °C) Каталитическое окисление кислородом: 2CH4 + O2 ⇄ 2CO + 4H2
Физические свойства
Химические свойства
Молекулы водорода Н₂ довольно прочны, и для того, чтобы водород мог вступить в реакцию, должна быть затрачена большая энергия:
Поэтому при обычных температурах водород реагирует только с очень активными металлами, например с кальцием, образуя гидрид кальция:
С большинством же металлов и неметаллов водород реагирует при повышенной температуре или при другом воздействии, например при освещении.
Он может «отнимать» кислород от некоторых оксидов, например:
Реакция восстановления противоположна реакции окисления.
Обе эти реакции всегда протекают одновременно как 1 процесс: при окислении (восстановлении) одного вещества обязательно одновременно происходит восстановление (окисление) другого.
С галогенами образует галогеноводороды:
F2 + H2 → 2 HF, реакция протекает со взрывом в темноте и при любой температуре, Cl2 + H2 → 2 HCl, реакция протекает со взрывом, только на свету.
С сажей взаимодействует при сильном нагревании:
Томские ученые нашли способ удешевить производство водородного топлива
Водород считается практически идеальным топливом, поскольку при сгорании он не выделяет вредных парниковых газов типа CO2 — только водяной пар. Эра чистого топлива, однако, еще не наступила — производить водород слишком дорого. Одна из причин в том, что в процессе используются катализаторы из благородных металлов.
Ученые Томского политехнического университета (ТПУ) нашли более доступную альтернативу металлам платиновой группы и разработали технологию получения перспективного материала — кубического карбида вольфрама. Как открытие российских исследователей приблизит повсеместное использование водородного топлива — под катом.
Почему водород?
Востребованность водорода растет, а объемы его использования удваиваются каждые 15 лет. Широкое применение этот химический элемент нашел в нефтепромышленности.
Помимо этого, водород имеет ключевое значение в так называемой декарбонизации экономики, подразумевающей уход от использования углеводородов. В качестве топлива он является одной из самых безвредных альтернатив. По оценкам BloombergNEF (BNEF), так называемый «зеленый» водород, полученный с помощью электролиза, может сократить глобальные выбросы парниковых газов до 34% к 2050 году.
Трудности производства
Водород практически не встречается на Земле в чистом виде, элемент извлекают из других соединений в результате химических реакций. Как правило, это производство, которое экономически невыгодно либо его сложно поставить на промышленные рельсы. Ученые изучают различные способы удешевления и облегчения производства водорода. Ведь это напрямую влияет на то, как быстро мир сможет перейти на более экологичное топливо.
Производство водорода из воды. Источник
Перспективы хорошие. Так, год назад немецкая нефтедобывающая компания Shell начала строить одну из крупнейших в мире установок по производству водорода методом электролиза. Планируется, что работать она начнет к концу года и сможет производить до 1300 тонн водорода ежегодно.
Более дешевый катализатор
Обычно при электролизе водорода используются катализаторы из металлов платиновой группы — платины, иридия, рутения и их производных. Все они причисляются к благородным металлам и являются очень дорогими.
Более дешевый аналог — кубический карбид вольфрама. Условия его производства непросты: для синтеза нужна температура под 3000°С и очень быстрое охлаждение. Но ученым Томского политехнического университета удалось разработать установку, позволяющую производить этот материал с высоким процентом чистоты (до 95 %).
Установка — коаксиальный магнитоплазменный ускоритель. Высокой температуры и сверхбыстрого охлаждения он достигает с помощью плазменных струй. Их скорость составляет более 3 км/c, а сама реакция занимает менее 1 мс. В ускоритель помещают доступные и относительно дешевые порошки вольфрама и технического углерода. В рабочей камере устройства исходные порошки в ходе плазмохимической реакции трансформируются в кубический карбид вольфрама. Результаты экспериментов ученые описали в научном журнале Journal of Alloys and Compounds.
«Полученные в ходе реакции наночастицы кубического карбида вольфрама успешно применяются в реакции получения водорода из воды. Это позволит минимизировать использование редких и дорогостоящих благородных металлов платиновой группы», — рассказывает доцент отделения электроэнергетики и электротехники ТПУ Иван Шаненков.
Иван Шаненков. Источник: ТПУ
Что дальше
Перспективность материала ученые ТПУ подтвердили вместе с китайскими исследователями из Цзилиньского университета и Университета Циндао. В будущем ученые планируют повысить каталитическую активность материала и полностью отказаться от использования дорогостоящих благородных металлов при электрокатализе водорода из воды.
Спасет ли водородное топливо экологию Земли?
Водородное топливо — сможет ли оно спасти экологию нашей планеты? Потенциал водородной энергетики. В конце — видео про добычу топлива из воды. Водородное топливо — сможет ли оно спасти экологию нашей планеты? Потенциал водородной энергетики. В конце — видео про добычу топлива из воды.
Для полноценного развития и активной жизнедеятельности современного общества необходима энергия, каковую сейчас поставляет нефть. Однако, используемая абсолютно во всех отраслях, она не является бесконечным ресурсом и стремительно приближается к исчезновению.
Большие надежды ученые возлагают на водород — самый лёгкий и обильный элемент на планете. Сможет ли он предотвратить экологическую и экономическую катастрофу на Земле?
Зарождение водородных технологий
Плотное изучение водорода как потенциального топлива началось в США в 70-х годах, когда впервые заговорили о скором истощении топливных ископаемых.
На несколько лет лучшие специалисты компании бросили все силы на работу над автомобилем с водородным двигателем, приостановив прочую деятельность, в том числе участие в престижной Формуле 1.
С конца 80-х годов японская корпорация серийно выпускает водородные автомобили, которые продемонстрировали и сравнимую с электрическими агрегатами экологичность, и достойную производительность. А в части технических характеристик они даже превосходят своих прямых конкурентов.
Единственным на сегодня недостатком водородных агрегатов по сравнению с электрическими является невозможность подзарядки — специальных заправочных водородных станций пока насчитывается лишь несколько десятков во всем мире.
Преимущества водородной энергии
При сгорании водорода с целью получения топлива из него выделяется исключительно вода, что делает такую энергетику наиболее выигрышной с точки зрения решения экологических проблем планеты. Именно поэтому правительства многих развитых государств, а также крупные частные компании инвестируют колоссальные денежные средства в развитие этой отрасли.
Среди преимуществ водорода — такие факторы, как:
При таком количестве достоинств минусом можно назвать лишь один – при безграничности элемента его добыча представляется процедурой очень трудоемкой как в части получения, так и хранения, а также последующей транспортировки.
Методы добычи водорода
Водород — не чистое «ископаемое», которое можно просто обнаружить и начать разрабатывать с помощью обычной техники, поэтому требует особой технологии переработки.
Наиболее распространенный метод производства водородного топлива носит название парового риформинга, отличающегося низким энергопотреблением.
Вследствие эндотермической реакции природный или сжиженный газ, сырая нефть и прочие легкие углеводороды преобразуются в чистый водород. Полученное топливо не имеет в своем составе вредных веществ, а потому не будет вредить окружающей среде в процессе эксплуатации.
Если это вещество настолько идеально, почему его до сих пор массово не применяют в разных сферах промышленности?
Аналогичным образом некоторые двигатели сконструированы таким образом, что могут самостоятельно перерабатывать водород в топливо. Но и они во время данной процедуры производят слишком большое количество углекислого газа, чтобы получить широкое распространение.
Вторым доступным методом является электролиз, заключающийся в воздействии тока на воду и распаде ее на водород и кислород. Он существенно экологичнее, позволяет дополнительно получить кислород, но при этом несоизмеримо дороже.
Наконец, третий способ, наиболее перспективный, заключается в переработке аммиака, который вследствие определенного химического воздействия распадается на азот и водород.
Этот способ дешевле электролиза и безопаснее риформинга. Кроме того, сам аммиак более пригоден для его транспортировки к перерабатывающему предприятию.
Водородный автотранспорт
Активное использование водорода на автомобилях в первую очередь связано с проблемой безопасного и одновременно компактного хранения вещества на борту.
Если большие его объемы, каковые встречаются в ракетно-космической или авиационной технике, хранятся в криогенном виде, то для транспорта такое решение не применимо. Для небольшого расхода в городском цикле более эффективным станет сжатый вид или металлопластиковые баллоны для природного газа (метана).
Вторая задача состоит в том, чтобы получать водород непосредственно на борту автомобиля, для чего сейчас проектируется и тестируется компактное бортовое оборудование для риформинга.
Сейчас практически все крупные компании-автомобилестроители занимаются изучением возможностей водородной энергии. В России такие работы ведет ОАО «АвтоВАЗ», однако вследствие недостаточного финансирования отечественные разработки отстают от зарубежных конкурентов как минимум на одно десятилетие.
Потенциал водородной энергии
При всех неоспоримых преимуществах переход на водородную энергию займет несколько десятков лет и многочисленные изыскания.
Например, для применения автотранспорта на водородных двигателях в городе-миллионнике потребуется производить около 500 т водорода в сутки. Если применять электролитический метод получения топлива, то энергетические затраты составят 15 млрд. кВт*ч в год или 30000 млрд. кВт*ч в год в мировом масштабе. Текущая же мировая выработка электроэнергии находится на уровне 15000 млрд. кВт*ч, что наглядно демонстрирует невозможность производства достаточного количества энергии при имеющихся мощностях.
Безусловно, хотя бы постепенный переход к освоению водорода для нужд автотранспортной системы необходим. Для его производства можно задействовать крупные электростанции (АЭС, ТЭС, ГЭС), что будет оправдано с экономической точки зрения.
Стоимость такого топлива с учетом затрат на электроэнергию, а также капитальных вложений в развитие соответствующей инфраструктуры составит примерно 93 руб./кг.
При этом в стоимость водорода следует заложить колоссальное снижение экологического ущерба, который оценен в мегаполисе с миллионным населением в 800-900 тыс. долл. в год.
То есть, при должных экономических механизмах капитальные затраты на развитие водородной энергетики окупятся за несколько лет благодаря экономии бензина и уменьшению вредных выбросов.
Заключение
Проводимые исследования показывают реальный технический и экономический потенциал для применения водородной энергии на основе избыточных электрических мощностей существующих станций, что позволит ощутимо улучшить экологическую обстановку в крупных городах.
Такие двигатели могут прослужить до 10 лет без обслуживания, превосходят по КПД классические бензиновые агрегаты и способны преодолевать до 500-600 км на одном баллоне.
Кроме того, водородные двигатели абсолютно бесшумны, что существенно оздоровит население мегаполисов, страдающих от дорожного шума. Автопроизводители даже устанавливают на свои модели «искусственный шум», чтобы автомобиль можно было заметить и избежать столкновения.
Безусловно, подобная перспектива вызывает определенное недовольство нефтяных компаний, которые опасаются снижения собственных доходов.
Даже глава Tesla Илон Маск называет подобный путь развития тупиковым, считая, что водородные ячейки в качестве мест для хранения энергии основательно уступают аккумуляторам из-за больших потерь в процессе преобразования химической энергии в электрическую.
Другие критики заявляют о небезопасности таких двигателей для жизни и здоровья, так как отсутствие запаха и цвета не позволят автомобилисту заметить утечку топлива.
Хотя Toyota и Honda, которые уже несколько лет поставляют на рынок водородные автомобили, единогласно акцентируют внимание на том, что вещество помещается в герметичные и ударопрочные углеволоконные контейнеры, угроза взрыва от удара во время ДТП остается слишком велика.
Широкомасштабные программы по изучению и развитию водородной энергетики, проводимые в разных странах, говорит о заинтересованности в переходе на новый вид топлива, который не только сэкономит природные ресурсы, но и восстановит уничтожаемую экосистему.
Видео про добычу топлива из воды:
Об эксперте: Флориан Виллерсхаузен, директор Creon Capital, управляющей компании люксембургского фонда Creon Energy Fund, инвестирующего в проекты «зеленых» технологий, возобновляемой энергетики и логистики. Фонд входит в структуру CREON Group, стратегического консультанта по переводу бизнесов на рельсы устойчивого развития с учетом факторов ESG.
Перспективы развития водородной энергетики
Перевод европейской промышленности и транспорта на водородное топливо сократит вредные выбросы, создаст новые рынки и сделает водородные технологии экспортным «шлягером».
Каждому, кто хоть раз задумывался о будущем энергопоставок в Европу, стоит пройтись по вокзалу Куксхафена в Нижней Саксонии. Отсюда в Букстехуде ежечасно отходит синяя электричка Coradia iLint. Бесшумный поезд французского производителя Alstom работает на водороде, климатически он совершенно нейтрален: вместо углекислого газа водородный привод выделяет всего несколько капель воды на метр движения. Пока этот поезд почти в три раза дороже дизельного, но Нижняя Саксония и другие федеральные земли активно субсидируют новую технологию. И не за горами тот час, когда водородные поезда отправят своих чадящих дизельных праотцов на запасной путь.
Водородная энергетика в Германии
Курс на водородную энергетику окончательно зафиксировала Национальная стратегия развития водородной энергетики ФРГ, опубликованная 10 июня 2020 года. Долгосрочная цель страны — создать нейтральную для климата экономику с сокращением выбросов СО2 на 95% от уровня 1990 года. И водороду, на который будет переведен не только транспорт, но и металлургия с нефтехимической промышленностью, в этом процессе отводится центральная роль.
На развитие водородной энергетики Германия выделит более €10 млрд до 2023 года: €7 млрд на «запуск рынка» (то есть на создание рамочных условий и стимулирование внутреннего спроса), €2 млрд на международное сотрудничество и еще €1 млрд — на нужды промышленности, которая должна внедрить водородные технологии, чтобы в перспективе стать их экспортером номер один в мире.
Правда, стратегия признает, что Германия не сможет обеспечить свои потребности в водороде самостоятельно, и ей придется импортировать либо электроэнергию для производства «зеленого водорода», либо исходные продукты. И €2 млрд, выделенные на развитие международного сотрудничества, пойдут в первую очередь на пилотные проекты солнечной энергетики для производства «зеленого водорода» в Северной Африке и Марокко, где солнце светит круглый год.
Роль компаний из России в водородной энергетике
Однако для пилотных проектов подходит не только Северная Африка. Как показывает проект водородного трамвая, запущенного в Санкт-Петербурге в ноябре 2019 года, современные российские города прекрасно подходят в качестве «шоурумов» для водородных технологий. Такие яркие примеры внедрения инноваций будут иметь положительный имиджевый эффект не только для экономики России, но и для долгосрочного сотрудничества с Евросоюзом.
Потенциал этого сотрудничества частично отражен в энергетической стратегии Российской Федерации, опубликованной день в день с немецкой водородной стратегией. В документе водород обозначен как топливо с высоким экспортным потенциалом. К 2024 году российский экспорт водорода должен составить 0,2 млн т, а к 2035 вырасти до 2 млн т. По планам Минэнерго, Россия должна занять до 16% мирового рынка водорода.
В парадигме, когда уровень развития и благосостояния страны напрямую зависят от экспорта энергоресурсов, ставка на водород совершенно оправдана. Эта технология может стать дополнительным драйвером развития в общем балансе экспорта. Но чтобы реализовать эти амбициозные планы, российским корпорациям нужно уже сейчас развивать водородную энергетику и оперативно пересматривать свои бизнес-модели, ведь «энергетический переход», на который нацелились немцы, неминуемо приведет к снижению спроса на нефтепродукты и природный газ в ближайшем будущем.
Подкаст о водородной энергетике
В водородной экономике самая дорогая часть — это транспортировка и хранение водорода. В рыночной стоимости водорода эта часть может достигать 70%, рассказал доктор химических наук, профессор, руководитель Центра Компетенций НТИ при Институте проблем химической физики РАН «Технологии новых и мобильных источников энергии» Юрий Добровольский в подкасте «Что изменилось?».
Водород — очень легкий газ, который сжижается при очень низких температурах, из-за чего его нужно хранить или перевозить в жидком состоянии, либо транспортировать под давлением. Самый простой способ транспортировать водород — трубопровод, когда для транспортировки не используется высокое давление и не нужно тратить энергию на сжатие газа.
Достоинство России как страны экспортера нефти в наличии системы трубопровода в Европу. Задача — проверить газовую инфраструктуру на возможность перекачки по ней водорода. Для России это шанс остаться экспортерами энергоресурсов. Кроме того, сейчас, когда рынок водородной экономики еще только формируется, у России также есть шанс стать экспортером водородных технологий.
Драйвер водородной энергетики — внутренний рынок
Развитие водородной энергетики начинается с внутреннего рынка и его потребностей. В интересах общей энергетической безопасности нужно сначала определить собственные потребности в водороде, чтобы в перспективе обеспечить надежность поставок на внешние рынки.
Российским нефтегазовым компаниям необходимо подготовиться к производству водорода из возобновляемых источников в непосредственной близи от рынков сбыта — в первую очередь, в странах ЕС. Гигантские потребности Евросоюза в электроэнергии, которые многократно вырастут на фоне производства водорода и перевода общественного транспорта на электричество, невозможно будет покрыть только за счет энергии ветра и солнца.
Одновременно, российский бизнес должен развивать собственные международные инвестиционные проекты водородной инфраструктуры — строить пиролизные установки и сети водородных заправочных станций, разрабатывать концепции сбыта углерода, полученного в процессе переработки и принципы конкурентного ценообразования. В этом ему помогут европейские фонды и институциональные инвесторы, которые охотно инвестируют в водород и проекты «зеленой экономики», отвечающие принципам ESG — экологическим, социальным и управленческим факторам устойчивого развития и ведения бизнеса.
Нефтяники на службе «зеленой экономики»
В первую очередь о водороде стоит задуматься нефтяным компаниям, поскольку эта технология напрямую ударит по их бизнес-моделям. Первыми это осознали в Shell. Британско-нидерландский концерн осознанно выбрал путь перелома собственной бизнес-модели и начал инвестировать в возобновляемые источники энергии, синтетическое топливо и электромобили. На данном этапе эти направления полностью противоречат существующей бизнес-модели компании, основанной на добыче, переработке и торговле нефтяными продуктами. Однако в долгосрочной перспективе, с наступлением «зеленой экономики», эти технологии станут для корпорации точками колоссального роста.
О смене парадигмы пора задуматься и «Газпрому», тем более что водород не противоречит существующей бизнес-стратегии концерна, а наоборот дополняет ее. Компания обладает обширной сетью трубопроводов, которые могут транспортировать не только природный газ, но и водород. Впрочем, концерн уже изучает возможности водорода и заказал технико-экономическое обоснование его промышленного производства Немецкому технологическому институту Карлсруэ (KIT).
От сжигания до электролиза: история водородного транспорта и проблемы массовой эксплуатации
Мало кто знает, что впервые водород начали массово применять в автомобильных двигателях внутреннего сгорания в Советском Союзе во время Великой Отечественной войны. Его подавали в цилиндры полуторок из дирижаблей, у которых газовые смеси отработали свой срок. Делали это не от хорошей жизни, а исключительно из-за нехватки бензина, и с окончанием войны практика ушла в небытие. Однако в последующие годы водородная тема всплывала еще много раз.
Далее — краткая история водородного транспорта и подборка фактов о том, почему водород — превосходное топливо и почему он, скорее всего, не станет основным игроком в частном сегменте.
В основе исторической части статьи лежит лекция к. т. н. Евгения Захарова, заведующего кафедрой технической эксплуатации и ремонта автомобилей ВолгГТУ, которая прошла в волгоградской Точке кипения.
Почему водород — превосходное топливо
Водород — первый химический элемент в таблице Менделеева. Это газ с самой маленькой молярной массой — он легче воздуха в 14,5 раз. Обладает очень высоким коэффициентом диффузии, то есть отлично смешивается с любыми другими газами.
Это самый распространенный элемент во всей нашей Вселенной. В связанном состоянии водород находится в составе молекулы воды, так что на Земле с его доступностью также нет никаких проблем.
Как человек с образованием инженера-автомеханика по специальности «двигатель внутреннего сгорания», я считаю, что водород — уникальное топливо для автомобильного двигателя. От других видов топлива его отличают:
Самая высокая теплота сгорания. При сжигании одного килограмма бензина мы можем получить 45 МДж теплоты, а при сжигании такого же количества водорода — почти в три раза больше, 120 МДж теплоты. И это низшая теплота сгорания водорода.
Широкие пределы воспламенения. Можно воспламенить как очень бедную топливо-воздушную смесь, в которой по массе мало водорода, так и очень богатую. Предел воспламенения смеси водорода с воздухом — от 0,2 до 10 единиц. Для сравнения: у бензовоздушной смеси коэффициент избытка воздуха должен быть в диапазоне 0,7–1,2.
Самая высокая скорость сгорания. Этот параметр очень важен с точки зрения достижения необходимых характеристик автомобильного двигателя, в частности эффективной работы в цикле. В одном и том же двигателе скорость сгорания водорода будет примерно в три раза выше, чем скорость сгорания бензовоздушной смеси.
С чего началось применение водорода на транспорте
Редко встретишь человека, который знает, что пионером в области массового применения водорода в качестве топлива для автотранспорта был Советский Союз.
В этом контексте чаще вспоминают Германию, Японию или США. Возможно, из-за того, что идея возникла в очень тяжелый период для нашего государства — во время Великой Отечественной войны.
Водородная лебедка для аэростата
С первых дней войны Ленинград подвергался массированным бомбардировкам. Чтобы защитить город, по всей его территории развернули так называемые посты аэростатных заграждений.
Аэростат — это легкая оболочка из прорезиненной баллонной материи, алюминированная снаружи и заполненная водородом. Его поднимали на тросе на определенную высоту. К тросу присоединяли взрывчатый заряд.
Кроме мины на тросе закрепляли небольшой парашют, благодаря которому трос глубоко врезался в корпус самолета и разворачивал его. Использовали и тандемы из дирижаблей, чтобы добиться большей высоты подъема
Посты аэростатного заграждения показали неплохую эффективность. Находясь на высоте километра и выше, аэростаты не давали немецким пилотам снизиться для прицельного бомбометания, поскольку они могли встретиться с тросом, зацепить взрывчатый заряд и погибнуть. В итоге бомбы сбрасывали на большей высоте, и точной атаки не получалось.
Сделать герметичную оболочку для водорода очень сложно. Газ постепенно выходил, взамен туда попадали кислород и влага, и аэростаты теряли подъемную силу. По регламенту раз в 20 дней их спускали на тросах и перезаправляли водородом. Для этого использовали лебедки, установленные на знаменитых грузовиках-полуторках.
Лебедку приводил в движение двигатель автомобиля, работающего на традиционном топливе — бензине. Однако уже с началом октября 1941 года поставки бензина в Ленинград практически прекратились.
Сначала аэростаты спускали вручную. Это был нелучший выход, так как служили на тех постах в основном молодые девушки. Потом предложили другое решение — использовать электродвигатели. Оно тоже не подошло: из-за эвакуации оборудования Волховской ГЭС город остался практически без электричества.
И тогда молодому лейтенанту Борису Шелищу пришла идея использовать в двигателе внутреннего сгорания вместо бензина гремучую смесь водорода с воздухом, которую брали из тех самых спущенных на перезаправку аэростатов.
Получив одобрение у руководства, он начал экспериментировать. На удивление двигатель отлично заработал на смеси водорода с воздухом. Правда, не обошлось без происшествий. Во время первых экспериментов сгорели два аэростата, взорвался газгольдер, а самого Бориса Шелища контузило. Тогда для безопасной эксплуатации воздушно-водородной смеси он придумал специальный водяной затвор, исключающий воспламенение при вспышке во всасывающей трубе двигателя.
В итоге уже к ноябрю 1941 года все ленинградские посты заграждения перешли на водородное топливо.
Первая зима (1941–1942 года) была самой тяжелой для жителей блокадного Ленинграда. Именно тогда погибло больше всего людей. Чтобы поднять дух защитников города, в январе 1942 года было принято решение сделать выставку достижений народного хозяйства. Борису Шелищу предложили поучаствовать — выставить полуторку на водородном топливе.
Выставка проходила в закрытом павильоне. Но во время работы автомобиля не чувствовалось запаха выхлопных газов, поскольку единственный продукт сгорания при сжигании водорода — это водяной пар.
В 1941 году Борис Шелищ оформил патент Советского Союза на свое изобретение — способ работы автомобильного двигателя на водородном топливе. Именно этот патент сделал нашу страну пионером в области водородной энергетики для автомобильного транспорта.
Надо отметить, что посты аэростатного заграждения переводили на водородное топливо и в Москве. Но к концу Великой Отечественной войны проблему с поставками бензина решили и забыли о водородном топливе на многие годы — до 1960-х.
Аэростат воздушного заграждения на Тверском бульваре в Москве во время Великой Отечественной войны. 1941 г.
Водород плюс бензин: эксперименты советского автомобилестроения
На стыке 1960–1970-х годов в мире разразился топливный кризис. И в Советском Союзе начали активную работу по изучению альтернативных видов топлива, в частности водорода. Плодами этого труда стало множество интересных прототипов. Ниже приведу пару примеров транспортных средств, которые в качестве топлива потребляли водород в составе бензовоздушных смесей.
Это микроавтобус РАФ 22031:
Их должны были выпустить партией в 200 штук, но из-за политического кризиса дальше прототипа дело не пошло.
Кроме него к началу 1980‑х годов в СССР разные организации создали и испытали опытные легковые автомобили ВАЗ «Жигули», АЗЛК «Москвич», ГАЗ-24 «Волга» и ГАЗ-69, грузовые ЗИЛ-130, микроавтобусы УАЗ, работающие на водороде и бензоводородных смесях.
В Киеве одно время в опытной эксплуатации находились такси на базе «Волги» (ГАЗ-24), которые работали на смеси бензина с водородом. Добавление в смесь 5% водорода (по массе) обеспечивало прекрасные мощностные характеристики и увеличивало экологичность. Замеры токсичности показывали, что выбросы продуктов неполного сгорания — CO и СH — снижались в разы. Плюс на треть сокращалось потребление бензина, а общие эксплуатационные расходы падали на четверть.
Авиастроение
Ко всему прочему Советский Союз стал пионером и в области использования водорода в качестве топлива для авиационных двигателей.
Ниже на снимке самолет Ту-155 — экспериментальный вариант модели Ту-154. В нем для отработки всех возможных условий использования жидкого водорода один из трех двигателей оснастили водородной системой питания.
Этот самолет совершил 12 испытательных полетов, установив 14 мировых рекордов. А на конференции по использованию криогенных технологий в летательных аппаратах, которая проходила в Ганновере, известный американский авиационный инженер Карл Бревер оставил о самолете восторженный отзыв: «Русские совершили в авиации дело, соразмерное полету первого искусственного спутника Земли».
К большому сожалению, с началом перестройки и развалом Советского Союза работы, которые активно вели в 1970–1980 годы, приостановили.
Переход на топливные элементы
Начиная примерно с 90-х годов прошлого века в автомобилестроении начали активно говорить про использование водорода в топливных элементах, хотя до этого уже существовало несколько прототипов. В этом случае КПД силовой установки возрастает до 50–80%, что заметно выше 45%, когда водород горит в цилиндрах.
В настоящее время на рынке присутствует около десяти моделей водородомобилей на топливных элементах. Самый популярный — Hyundai Nexo. За восемь месяцев 2021 года по всему миру продали 11 200 экземпляров этой модели — это 52% всех продаж водородных легковушек.
Пять проблем, мешающих водороду стать массовым
Использование водорода в качестве топлива для автомобильных двигателей связано с рядом проблем. Их нельзя не вспомнить, говоря о водороде как о возможной альтернативе бензину.
Проблема 1. Это очень дорого
Себестоимость производства водорода крайне высока. В чистом виде на Земле он практически отсутствует. Больше всего его в связанном виде, например в воде.
Все помнят простейшие опыты по электролизу воды, когда, подавая электроэнергию на два электрода, можно выделить водород. Как оказалось, это дорогое удовольствие. В таблице стоимость килограмма водорода при разных способах производства. Сравните с ценой бензина.
Способ получения водорода
Себестоимость в долларах США на кг
Паровая конверсия природного газа (метана)
Электролиз воды от электроэнергии из единой энергосистемы
Электролиз воды от электроэнергии ветрогенераторов
Электролиз воды от электроэнергии солнечной электростанции
Сейчас многие городские автобусы переводят именно на метановое топливо, потому что водород просто не может конкурировать с ним по цене. Хотя в борьбе за снижение выбросов CO2 получение водорода из метана методом пиролиза позволяет нивелировать выбросы углекислоты, которая в этом случае концентрируется в виде сажи.
Проблема 2. Сложно держать в автомобиле
Если водород сжать до давления 200 атм, то в одном литре будет всего 16 грамм вещества. Это значит, чтобы иметь достаточный запас топлива на борту автомобиля, нужно возить с собой баллоны очень большого объема (фактически мы будем возить только их).
Есть другой вариант — криогенные технологии. В качестве топлива для авиационного двигателя в Ту-155 использовали именно сжиженный водород. После сжижения в одном литре объема мы получим уже 70 грамм вещества. Но в сравнении с бензином и другими видами топлива это все равно на порядок меньше.
Вид топлива
Плотность, кг/л
Низшая теплота сгорания, МДж/кг