Оригинал материала
Сам себе электростанция: есть ли шанс у автомобилей на водороде?
В зените лета японская автомобилестроительная компания Toyota анонсировала дату начала продаж своего первого серийного седана FCV на водородных топливных элементах: он выйдет на рынок в апреле 2015 года. Заявленные возможности нового водородного электромобиля впечатляют: зарядка за 3–5 минут, пробег 700 км с одной заправки, устойчивый запуск и работа при минус 30º.
Это стало возможным за счет того, что машина сама вырабатывает электричество из водорода и кислорода в специальных элементах, именуемых топливными энергетическими ячейками. В них происходит реакция соединения водорода и кислорода с образованием одного-единственного продукта – воды. Кроме этого, выделяется тепло, которое так нужно пассажирам в осенне-зимний период. Полученное электричество частично поступает в электродвигатели напрямую, частично – запасается в батареях. Вот такая электростанция на колесах.
Итак, от обычного электромобиля FCV отличается тем, что сам производит электроэнергию, а от привычного уже гибрида с двигателем внутреннего сгорания – отсутствием этого двигателя, неизбежных выхлопов СО2 и других малоприятных газов. Зато водородные заправки, по сути, – это вариант уже апробированных заправок сжатым природным газом, возможность легко переключиться на новый продукт.
Вот здесь и заключается главная интрига: водород – это не исходный продукт, как природный метан, добываемый из земных недр или получаемый в ходе биологических процессов. Это газ химически активный и присутствующий вокруг нас в виде разнообразных соединений, то есть, по сути, промежуточный носитель энергии. Если водородные машины станут популярны, кто еще сможет заработать на этом тренде, кроме их производителей?
Двигатели звезд
Водород – самый простой атом в природе. Чего уж проще – один протон в центре и один электрон на орбите вокруг него. Это и самый распространенный элемент в нашей Вселенной, на его долю приходится около 89% всей материи. Это он «горит» в звездах, превращаясь в гелий.
На нашей планете мы встречаем его в виде различных соединений, например в виде воды, H2O: два атома водорода и один кислорода. Еще одно очень распространенное вещество, природный газ метан, содержит один атом углерода и целых четыре – водорода. Вот вам и два основных способа получения водорода в промышленных масштабах: разбить атом воды или оторвать углерод от молекулы метана.
Самый простой технически способ – это разложение воды электрическим током, известный как электролиз. Постоянный ток течет через воду, и на одном электроде выделяется водород, на другом – кислород. Продукт получается высокой чистоты. Побочный продукт, кислород, также является важным сырьем не только для техники, но и для экологии – в процессах очистки загрязненных вод. Есть еще один – так называемая «тяжелая вода», которая нужна для атомной энергетики, а в перспективе – для термоядерной.
Второй путь – так называемая паровая конверсия метана (ПКМ). Процесс двухступенчатый: сначала при температуре 750–850º градусов на каталитической основе происходит разложение метана в присутствии водяного пара, а затем создается углекислый газ СО2 и водород. Газы разделяются, и водород поставляется потребителям, а вот парниковый СО2 сбрасывается в атмосферу. Есть еще один нюанс – процесс надо подогревать тем же самым природным газом. И все же именно ПКМ является самым распространенным в мире процессом получения промышленного водорода.
Есть и другие промышленные способы. Например, можно использовать раскаленный кокс (разновидность каменного угля), на который выпускается перегретый водяной пар. Или можно просто нагреть воду до более чем 2500º, и тогда молекулы воды начнут распадаться на атомы (правда, в этом случае достаточно сложно предотвратить их последующую рекомбинацию). То есть получать водород мы, люди, умеем. Вопрос в цене процесса и наличии исходных материалов.
Энергетическая демократия в действии
Можно сказать абсолютно определенно: если бы не забота развитых стран о глобальной экологии, в частности стремление сократить выбросы парниковых газов, и прежде всего СО2, в водородном топливе для машин не было бы никакой нужды. На коротких расстояниях вполне эффективны и практичны электромобили на уже имеющихся батареях, для более традиционных машин уже созданы вполне эффективные ДВС. Перевод автотранспорта на природный газ еще в большей степени чистит выхлоп.
Но есть и другой резон в развитии новых автомобилестроительных технологий. Он связан с желанием использовать грандиозный мировой парк автомашин в качестве главного потребителя «зеленой» электроэнергии. Солнечная энергетика, гидро- и ветроэнергетика, в перспективе – получение электроэнергии из геотермальных источников и за счет волн и морских течений объективно снижает зависимость локального потребителя от диктата крупных топливно-энергетических корпораций, таких как «Газпром», E.on, Exxon и т.д. Локальный производитель электроэнергии, он же потребитель, становится участником свободного рынка энергии, происходит демократизация ее производства.
Однако такие поставщики имеют один недостаток – их мощности нестабильны. И в случае пасмурной безветренной погоды требуется усиленная работа традиционных электростанций, угольных, газовых, атомных. В ветреный же полдень появляется другая проблема – избыток энергии, которую хотелось бы запасти на вечер. Армады машин, которым нужно электричество, – это и есть глобальная батарея для «зеленой» энергетики.
Кому нужен водородный завод
Само собой, при избытке электроэнергии вполне оправдано производство водорода методом электролиза. И уже сейчас есть страны и регионы, где экономически выгодно развивать электрохимические комплексы: это Северная Африка, Средиземноморье, Индия, Канада, Норвегия, США. У каждой страны свои плюсы: у Норвегии много гидроресурсов, у Испании – солнца, у Дании – ветра. И по большому счету, дело идет к тому, что практически везде, где есть яркое, сильное солнце или стабильный ветер, можно будет устанавливать локальные электролизеры. То есть создание таких мини-заводов по производству сжатого водорода станет само по себе хорошим бизнесом.
Но и производители водорода из природного газа, особенно если они сами его добывают, могут тоже успеть сесть на «водородного конька». Пока им никто не мешает выбрасывать СО2 в атмосферу, но в перспективе они могут закачивать отсепарированный углекислый газ в подземные хранилища. Технология эта уже отработана, и газовики могут выбросить на рынок водород «зеленого типа». То же самое могут сделать и производители водорода коксовым методом. Иначе в водородном топливе не будет никакого смысла.
Уже сейчас скептики говорят о том, что водород как топливо вызывает массу проблем и опасностей – газ этот легко создает с воздухом взрывоопасную смесь, он обладает потрясающей проницаемостью, гораздо более высокой, чем, например, метан, и уж тем более пропан и бутан. Вся водородная техника будет стоить достаточно дорого, потому что ее невозможно «сваять на коленке». Эти машины можно будет производить только на материнских предприятиях, только руками высококвалифицированных рабочих. Машины будут требовать фирменного обслуживания и ремонта, а значит, скорее всего, вступит в силу строгое лицензирование автосервиса. Системы заправки водородом также должны быть весьма качественными. То есть это производство технологически высокоразвитых стран, богатых возобновляемыми ресурсами, внутри себя и для самих себя, чреватое нерыночной защитой от производителей извне. В отличие, например, от обычных электромобилей, которые, как и инфраструктуру для них, может производить практически кто угодно.
С другой стороны, не одними водородными топливными ячейками жив автомобильный мир будущего: на подходе топливные элементы, работающие на метане, то есть на обычном природном газе. Стоит поменять один ящик на другой, и вот уже FCV работает на газе, который может быть произведен на животноводческих и прочих фермах, добыт газовиками Сибири, Катара или Аляски. Заправиться можно будет на уже существующих газовых заправках метана высокого давления. Сегодня они заправляют машины с ДВС.
Ну и, наконец, есть вариант использования топливных элементов, работающих на метаноле, – продукте, получаемом из того же природного газа. Метанол можно залить в бак машины на любой заправке. Так что проект FCV в принципе может обеспечить плавный переход к автомобилям на электротяге, при этом газовая отрасль может даже оказаться в выигрыше.
Однако процесс этот весьма длительный. Африка, изрядная часть Азии и Южной Америки, где как раз и наблюдается основной рост автопарка сейчас, как ездили, так и будут ездить на автомобилях с ДВС, использующих жидкое топливо, – бензин, соляр, этиловый спирт. Так появятся новые линии сегрегации, раскалывающие мировой энергетический и автомобильный рынок.