|
Экономика легче воздуха
Главная /
Архив номеров / 2018 / Выпуск №07 (80) / Экономика легче воздуха
Рубрика:
Альтернативные технологии
Facebook
Мой мир
Вконтакте
Одноклассники
Google+
Алексей Лагутенков, MBA Kingston University UK, ITSM Manager, MCSE+I, MCSE:S:M, MCDBA, MCDST
Экономика легче воздуха
Рыбак, нашедший после долгих поисков место, где хорошо клюет, не замечает ничего вокруг. Все его внимание сосредоточено на поплавке. Вот кто-то потянул его под воду, но через мгновение от былой активности не осталось и следа. И снова долгие часы медитации в ожидании крупной рыбы. Водородная энергия чем-то напоминает поведение этого поплавка: периоды восторга и бурного обсуждения вдруг сменяются общественной апатией и полной потерей интереса. Что такого особенного в водороде, что люди никак не могут решить: будущее за ним или прошлое?
 Большинство значительных технологических изменений приходит в нашу жизнь незаметно. Часто мы даже не замечаем, что мир вчера и мир сегодня – это две совершенно разные реальности. Например, одной из главных проблем больших городов в конце XIX – начале XX веков были лошади. Города росли, и гужевого транспорта с каждым годом становилось все больше. Однако даже не избыток лошадей был главной проблемой. Города утопали в навозе. Собственно, появлению тротуара, пространства возвышающегося над мостовой, мы обязаны именно навозу. Любой небольшой дождь в городе имел свойство смывать все результаты жизнедеятельности непарнокопытных помощников человека прямо в подвалы, где проживали недовольные граждане.
Газета «Times of London» в 1894 году опубликовала прогноз, что к 1950-м все улицы Лондона будут равномерно покрыты отходами жизнедеятельности гужевого транспорта высотой около трех метров. Тогда не могло и в голову прийти, что никому не известный «гаражный» механик-самоучка Генри Форд в 1903 году перевернет мир и в середине XX века о лошадях и связанных с ними проблемах никто даже и не вспомнит. Через каких-то 30-40 лет после появления первого «Форда Т» углеводороды и двигатели внутреннего сгорания практически полностью завладели миром.
| Существует технология, которая может подарить всему человечеству море электроэнергии. Разговор идет об «водородных топливных элементах» |
Спустя всего лишь сто лет после экспансии автомобилей людей волнуют совершенно другие проблемы. Весь мир активно борется с выхлопами автомобилей и загрязнением окружающей среды. Публикуются прогнозы, что, если темпы выброса в атмосферу отходов отработанных нефтепродуктов сохранятся, в ближайшие годы нас ждет неминуемая катастрофа! По другим предсказаниям через пятьдесят лет или даже раньше начнется острая нехватка нефтепродуктов и человечество будущего ждут «нефтяные войны» и транспортно-энергетический кризис.
По всей видимости, эти угрозы – не пустые слова, поскольку именно крупные нефтяные компании больше всех инвестируют в исследование альтернативных источников энергии. Во многих странах мира некоторая часть электричества уже вырабатывается за счет энергии солнца и ветра. Кое-где даже электромобили на литиевых аккумуляторах перестали удивлять прохожих. Литий выглядит промежуточным спасителем человечества, когда углеводороды еще не закончились, а альтернативные источники энергии не развились до такой степени, чтобы стать повсеместными.
Между тем существует технология, которая может подарить всему человечеству море электроэнергии. Это изобретение за последние 170-180 лет много раз забывалось напрочь, потом вновь вытаскивалось из чулана. Разговор идет об энергии водорода или «водородных топливных элементах» (англ. «fuel cell»).
Точку отсчета водородной энергетики можно условно установить в 1670 году, когда англо-ирландский ученый Роберт Бойль впервые описал реакцию кислоты и металла. Наука того времени была весьма специфичной, с упором в магию и эзотерику, поэтому исчезновение металла в кислоте с выделением булькающих пузырьков было истолковано ученым с позиций алхимии и мистицизма. Это был первый водород, полученный в условиях лаборатории.
Прошло чуть меньше ста лет, и в 1766 году британский физик и химик Генри Кавендиш, также исследуя реакцию металла и кислоты, открыл неизвестный науке газ. Этот газ был чрезвычайно легким и взрывался на воздухе от малейшей искры, оставляя после себя воду. Двадцатью годами позже величайший французский химик Антуан Лавуазье назвал неизвестный газ, открытый Кавендишем, «Hydrogen» или «водород», от древнегреческих слов «ὕδωρ» – «вода» и «γενναω» – «рождаю». С тех пор водород не дает ученым покоя.
В далеком 1800 году химики-самоучки Уильям Николсон и Энтони Карлайл разложили воду на кислород и водород с помощью электрического тока. Потенциал водорода как топлива ученые оценили уже тогда: водород и воздух взрывались с выделением большого количества тепла. Эту энергию наверняка как-то можно было бы использовать для построения двигателя! К сожалению, технологии конца XVIII – начала XIX веков не давали возможности найти какой-либо адекватный способ обращения с новооткрытым газом.
Первое настоящее применение водород нашел в дирижаблях. Водородные корабли как транспортное средство просуществовали с конца XIX века и до 1937 года, пока один из самых больших в мире дирижаблей «Гинденбург» не взорвался во время посадки в Лейквуде, штат Нью-Джерси, США. Погибли 35 из 97 находившихся на его борту человек. Это вызвало большой резонанс в мире. Достопочтенная публика испугалась, и водородное воздухоплавание сошло на нет. Про этот горючий газ на некоторое время забыли.
Между тем еще в октябре 1838 года в английский научный журнал «The London and Edinburgh Philosophical Magazine and Journal of Science» (в пер. с англ. – «Лондонский и Эдинбургский философский и научный журнал») пришло письмо. В нем некий английский адвокат и по совместительству ученый-физик Уильям Гроув утверждал, что с помощью железных и медных электродов, фарфоровых пластин, разбавленной серной кислоты, а также некоторого количества кислорода и водорода ему удалось получить электричество, в процессе выработки которого расходуются только участвующие в эксперименте газы. В декабре того же года тот же журнал получил еще одно письмо, на этот раз от швейцарского химика Кристиана Фридриха Шенбейна, где говорилось об изобретении им «газовой батареи» и открытии процесса извлечения электричества из содержащихся в воде водорода и кислорода.
Оба исследователя обнаружили, что для того, чтобы добыть электричество из водорода, его не обязательно сжигать или взрывать. Водород и кислород можно соединить вместе без горения и в результате получить воду и электрический ток. Фактически с этих двух писем начинается современная история «водородной энергетики». Первая сложность, с которой столкнулась свежеизобретенная «газовая батарейка», – это полное отсутствие интереса со стороны научного сообщества. О топливном элементе вспомнили лишь спустя сто с лишним лет!
В 1959 году Фрэнсис Т. Бэкон, английский инженер из Кембриджского университета, построил первый в мире водородно-воздушный топливный элемент мощностью пять киловатт. Он назвал свое изобретение ячейкой Бэкона. Во время демонстрации к этой электрической установке подключили сварочный аппарат. Устройство Бэкона прошло проверку на прочность в проекте NASA – Gemini. С помощью топливных элементов астронавты на борту космического корабля «Аполлон» обеспечивались электроэнергией, теплом и водой.
Наверное, пришло время попробовать понять, что собой представляет топливный элемент и по какому принципу работает эта «газовая батарейка».
Прежде всего топливный элемент – это устройство, которое вырабатывает постоянный ток, тепло и воду с помощью электрохимической реакции. Топливный элемент похож на обычную батарейку, которую мы используем, например, в пультах дистанционного управления телевизором.
Точно так же, как и в обычной батарейке, в топливном элементе есть анод, катод и электролит. Отличие состоит в том, что топливные элементы не хранят и не накапливают электроэнергию. Они вырабатывают электричество ровно до того момента, пока на них поступают газы: водород на анод и кислород на катод. Возможны варианты, когда вместо водорода используют метан или метанол, а на катод поступает воздух из атмосферы.
Анод и катод топливного элемента разделены интересной субстанцией – особым электролитом, который отличается от такового в обычных батарейках. Основное и уникальное свойство этого электролита в том, что через него свободно проходят положительно заряженные ионы (протоны), но электроны он пропустить не может.
Если подать водород на анод, а кислород на катод, то под действием платинового катализатора молекулы водорода диссоциируют (распадаются на отдельные атомы) и теряют электрон, становясь положительно заряженными ионами. Поскольку электролит способен пропускать лишь положительно заряженные частицы, электроны уходят в сторону катода через внешнюю электрическую цепь, то есть через нагрузку. На катоде молекула кислорода соединяется с электроном из внешней электрической цепи и протоном, прошедшим через мембрану. В результате образуются вода и тепло.
Сегодня известно около двух десятков разновидностей топливных элементов, которые отличаются технологией изготовления, рабочей температурой, используемым электролитом и видом топлива.
В высокотемпературных топливных ячейках можно использовать не чистый водород, а вообще любые углеводороды. Например, с 1950-х годов известны твердооксидные элементы. Их рабочая температура 600-1000°C, а электролит – это тонкий слой твердого оксида иттрия и циркония на керамической пластинке. Самым нашумевшим применением этого вида водородных преобразователей энергии стал недавний анонс проекта Microsoft, где они объявили о создании ЦОД с полностью автономным питанием на базе твердооксидных ячеек, топливом для которых служит газ – метан [1].
Элементы с расплавленным карбонатным электролитом работают при температуре около 650°C. У них один из самых высоких КПД – 60-80%, а электролит состоит из смеси расплавленных карбонатных солей лития и натрия.
Щелочные топливные элементы (ЩТЭ) – самая изученная технология. Рабочая температура ЩТЭ – от 50°C до 200°C, КПД – до 65%, а электролит – расплав гидроксида калия, заключенный в особой пористой матрице.
Топливные элементы на основе фосфорной кислоты – первые устройства коммерческого применения. В них используют электролит на основе ортофосфорной кислоты (H3PO4), а рабочая температура подобных устройств – 150-220°C.
Все перечисленные выше устройства довольно неплохо изучены и уже около полувека используются в промышленности. Однако высокая рабочая температура этих конструкций ограничивает их применение в других сферах.
Одно из наиболее перспективных и безопасных на сегодня коммерческих решений – топливные элементы с твердой протон-обменной мембраной или с «полимерным электролитом» (в англоязычной литературе это Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell или PEM, PEMFC).
Относительно небольшие размеры, низкие рабочие температуры от 20 до 100°C и достаточно высокий КПД 35-50% определяют главное направление применения этих ТЭ –транспортные средства будущего.
Разделителем протонов и электронов в этих топливных элементах служит вещество, которое называется «нафион». Это полимер, получаемый из хорошо известного любой домохозяйке политетрафторэтилена, или тефлона, которым покрывают большинство современных сковородок.
Топливные элементы PEM обладают одним чрезвычайно полезным свойством! Твердый электролит не вытекает, а значит, не надо заботиться о правильной ориентации ячейки в пространстве. По всей видимости, именно этот тип ячеек может открыть человечеству дорогу в «водородное будущее».
В качестве наглядного примера проникновения PEM в нашу обычную жизнь, можно сказать несколько слов о необычных детских конструкторах, продающихся в Европе и США. Эти наборы позволяют собрать действующие модели водородных электромобилей.
Интересно, что топливные элементы в этих наборах реверсивные. С их помощью можно как разложить воду на составляющие, так и извлечь из полученного водорода электричество, которым питается электромотор миниатюрной модели автомобиля. Электролиз воды можно провести с помощью солнечной батареи, имеющейся в комплекте.
Фото 1. Реверсивный топливный элемент PEM. Credit: © Mr. Luis Beltran and Fadisel Company
Фото 2. Действующий игрушечный набор для электролиза воды и обратного преобразования энергии водорода в электричество на основе PEM. Credit: © Mr. Luis Beltran and Fadisel Company
Фото 3. Действующий игрушечный автомобиль на водородном топливном элементе PEM. Credit: © Mr. Luis Beltran and Fadisel Company
Конечно же, сфера применения PEM не ограничивается игрушками. Производители настоящих автомобилей никак не могли пройти мимо столь интересной разработки. Направление FCEV (от англ. Fuel Cell Electric Vehicles – «Электрические автомобили на топливных элементах») осваивается автогигантами с начала 2000-х годов, правда, не очень активно.
В 2017 году в мире насчитывалось около 6500 автомобилей на топливных элементах. В 2010-м появился Hyundai Tucson ix35 FCEV, а в 2015 году поступила в продажу Toyota Mirai ценой $57 000. Свои «водородомобили» выпустили Honda и Mercedes-Benz. Основные проблемы FCEV сегодня – это малое количество водородных заправок и высокая цена самих автомобилей. Правда, это не помешало столице Франции обзавестись в этом году сотней такси на базе Toyota Mirai. Главные аргументы «за» – это сравнительно быстрая заправка водородом и нулевой выброс в атмосферу. Если на зарядку самого продвинутого электромобиля на литиевых батареях сегодня требуется несколько часов, то Mirai заправляется водородом буквально за пять минут [2].
Фото 4. Toyota Mirai. © Toyota
Топливные ячейки служат источниками энергии не только в автомобилях. Велосипеды и мотоциклы, автобусы и яхты, винтовые самолеты и подводные лодки – и это список, вероятно, будет расширяться.
В 2017 году французская компания Pragma Industries выпустила первый в мире «водородный велосипед» Alpha 2.0. С силовой установкой 0.15 кВт/ч велосипед способен пройти расстояние в 100 км со скоростью 25 км/ч. Емкость бака – 2 литра сжатого водорода. Самое интересное в этой конструкции – заправка. Достаточно подключить байк к водопроводу и электросети, и уже через пару минут он готов к работе. Стоимость этого чуда техники пока неизвестна.
Фото 5. FCEV байк от Pragma Industries Alpha 2.0. © Pragma Industries
Фото 6. FCEV байк от Pragma Industries Alpha 2.0. © Pragma Industries
На улицах Токио в этом году появятся водородные автобусы Toyota Sora [3]. Катамаран Toyota Energy Observer мало того, что использует водород в качестве основного топлива, так еще и получает его из опресненной морской воды прямо на борту! Судно оборудовано солнечными батареями и в следующем году отправляется в шестилетний вояж по пятидесяти странам мира, чтобы испытать новые технологии в реальных условиях [4].
Фото 7. Водородный автобус Toyota Sora. © Toyota
Фото 8. Водородная яхта Toyota Energy Observer. © Toyota
Фото 9. Водородная яхта Toyota Energy Observer. © Toyota
Еще одна область применения топливных ячеек – «вилочные погрузчики». Глобализация экономики привела к возникновению огромных логистических центров и гигантских закрытых складских помещений. Все операции по погрузке-разгрузке в таких центрах выполняются с помощью автопогрузчиков, техники, без которой современный склад невозможно представить.
Закрытое складское помещение не позволяет использовать в погрузчиках бензиновый или дизельный двигатели из-за выхлопов. Электропогрузчики быстро изнашивают аккумуляторы и слишком долго заряжаются. Всех этих недостатков лишены системы на водороде. Быстрая заправка и полное отсутствие вредных выхлопов простимулировали бурное развитие этого рынка.
В 2013 году в США использовалось около 4000 погрузчиков на топливных элементах, но уже в 2018-м потребность рынка оценивается в один миллион штук. FedEx и Coca-Cola, Amazon и Walmart активно переводят свои логистические центры на водородное топливо [5]. Ожидается, что к 2020 году, именно вилочные погрузчики станут самым крупным потребителем водородного топлива [6].
Транспорт – не единственная область, где ожидается водородный бум (в хорошем смысле этого слова). Еще один вид топливных элементов: «с прямым окислением метанола» (англ. Direct-methanol fuel cells, DMFC) претендует на лидерство мирового производства и применения.
Так же, как и PEM, этот вид топливных ячеек использует твердую полимерную мембрану в качестве электролита, а носитель заряда – ион водорода. Однако топливом служит не чистый водород, а жидкий метанол (CH3OH). При наличии воды он окисляется на аноде с выделением СО2, ионов водорода и электронов, которые и создают ток во внешней электрической цепи.
Основные преимущества этого элемента – даже более компактные размеры, чем у PEM, а также возможность использовать жидкое топливо вместо сжатого водорода. За счет простоты заправки и миниатюрности эти водородные преобразователи энергии – одни из лучших кандидатов для применения в современных носимых гаджетах, таких как ноутбуки, планшеты и смартфоны.
Главный вопрос, который может возникнуть у внимательного читателя к этому моменту: «Если топливные элементы и водородное топливо настолько хороши, почему мы до сих пор не видим их массового применения?» Настало время поговорить о недостатках водородной энергетики.
Высокая цена – это главное «проклятие» водородной энергетики. Платина – основной материал для изготовления катализаторов топливного элемента. Ученые всего мира ищут альтернативные платине материалы, но пока этот металл диссоциирует водород наиболее эффективно.
Еще один недостаток ТЭ в том, что их жизнь, к сожалению, не бесконечна. Если не слишком чистое водородное топливо содержит монооксид углерода, или по-простому угарный газ– СО, происходит «отравление катализатора», и, если это продлится долго, топливный элемент перестанет работать. В 2012 году отходы водородной энергетики или отработанные топливные элементы оценивались в один миллиард долларов. По-видимому, в дальнейшем эта сумма будет только увеличиваться.
Кроме всего прочего, водород – летучий газ. Потери при его производстве, хранении и транспортировке велики. Исследование IEEE от 2006 года показало, что «электричество, выработанное с помощью водородных топливных элементов, в четыре раза дороже, чем взятое из обычной электрической сети... Из-за высоких потерь энергии [водород] не может конкурировать с электричеством» [7]. Много времени прошло с тех пор, однако эта проблема по-прежнему остается.
Топливные элементы с прямым окислением метанола обладают множеством достоинств, но также одним существенным недостатком. Метанол, или метиловый спирт, – смертельный яд. Попадание внутрь организма человека даже десяти миллилитров метилового спирта обычно означает слепоту, а более 80 мл вызывает смертельный исход.
Самой неожиданной и странной выглядит претензия к водородной энергетике от некоторых экологов. Топливные элементы считаются одной из самых «зеленых» и «природосберегающих» технологий в мире. Однако некоторые ее критики замечают, что постоянно увеличивающееся производство водорода и его утечка в атмосферу могут рано или поздно привести к усилению такого явления, как диссипация атмосферы, что, в свою очередь, вызовет дегенерацию озонового слоя [8].
Диссипация атмосферы планеты, или «планетарный ветер», – потеря газов из верхних слоев атмосферы планеты вследствие их рассеяния в космическое пространство. Водород – самый легкий из существующих газов. Он поднимается выше всех, поэтому он самый «теряемый». На сегодняшний день атмосферу Земли каждую секунду покидает около трех килограммов водорода. Что если в результате развития водородной энергетики эта потеря вырастет многократно? Впрочем, противники этой теории утверждают, что даже если потери водорода увеличатся во много раз, не произойдет ровным счетом ничего. Земля слишком велика, чтобы потерять значительную часть своей атмосферы через диссипацию.
Каким станет будущее? Будут ли автомобили будущего заправляться чистым водородом или водой из водопровода? Будем ли мы заливать в наши планшеты и смартфоны метиловый спирт? Пока на этот вопрос нет ответа. Очевидно, что у водородной энергетики большое будущее, но как и когда оно наступит и наступит ли вообще, пока никто не знает. Скорее всего мы этого и не заметим. Возможно, будет так, что однажды утром в недалеком будущем, садясь в беспилотное такси, никому не придет в голову, что двигатель этого автомобиля питается от водородного элемента, а не от литиевой батарейки.
Un agradecimiento especial a los señores Luis Beltrán y Fadisel Company (España) por las fotos o celdas de combustible de hidrógeno. http://fadisel.com
Special thanks personally to Mr. Luis Beltran and Fadisel Company (Spain) for the photos or hydrogen fuel cells. http://fadisel.com
- Microsoft продемонстрировала рабочий ЦОД с электропитанием от топливных элементов – https://habr.com/company/kingservers/blog/340068/?utm_source=habrahabr&utm_medium=rss&utm_campaign=best.
- В Париже насчитывается уже 100 водородных такси – http://www.topclimat.ru/news/field/there_are_100_h2_taxis_in_paris.html.
- Toyota Launches Production Model Sora FC Bus – https://newsroom.toyota.co.jp/en/corporate/21863761.html.
- Toyota: Sailing into the future with Energy Observer – https://newsroom.toyota.eu/toyota-sailing-into-the-future-with-energy-observer/.
- Amazon and Wal-Mart Finally Found a Use for Hydrogen Power – https://www.bloomberg.com/businessweek.
- Hydrogen Fueling Stations Could Reach 5,200 by 2020 – https://www.environmentalleader.com/2011/07/hydrogen-fueling-stations-could-reach-5200-by-2020/.
- Does a Hydrogen Economy Make Sense? by Ulf Bossel – http://www.industrializedcyclist.com/ulf%20bossel.pdf.
- Fuel cells: environmental friend or foe? – https://physicsworld.com/a/fuel-cells-environmental-friend-or-foe/.
В начало⇑
Facebook
Мой мир
Вконтакте
Одноклассники
Google+
Комментарии отсутствуют
Комментарии могут отставлять только зарегистрированные пользователи
|
_cover.jpg)
_cover.jpg)
_cover.jpg)
_cover.jpg)
