Ода водороду

«Девочка плачет / Шарик улетел» – лирическая песенка Окуджавы. Переходим от лирики к физике: а почему шарик улетел, а не упал на землю? Закон Архимеда, шарик легче воздуха, он наполнен водородом. А поднести огонь – взорвется.

Водород – это самый легкий из всех элементов, в нормальных условиях – газ. Для дыхания не пригоден, но и не ядовит. Еще стоит отметить, что водород – самый распространенный элемент во Вселенной, а на земле его содержится 1% (10-е место по распространенности). Из названия уже ясно, что водород – это «родящий воду» (по-немецки – Wasserstoff). А без воды жизни на нашей планете не было бы.

Рождающий воду

«Родить воду» водород может только при нагреве, тогда и проходит реакция образования воды H₂O. И то, еще не при всяких соотношениях элементов. Он может гореть на воздухе, но при определенных условиях может образовывать гремучий газ, который сгорает с хлопком (Knall) или даже детонирует. Кстати, об этом газе, он называется газ Брауна (Browns gas, по-немецки, Knallgas), существуют немало мифов и вымыслов. Ему приписываются целебные свойства, вплоть до его эффективности в борьбе с коронавирусом. Но это из той же области, что и целебные свойства камней.

Какая от водорода действительно польза? Он применялся весьма ограниченно в 19-м веке для освещения, с наступлением тогда же эры воздухоплавания использовался для наполнения воздушных шаров и дирижаблей. И не было бы лучшего наполнителя, чем водород, если бы не его горючесть. Плотность водорода составляет 0,09 кг/м³, это самый легкий газ, плотность воздуха – около 1,2 кг/м³, гелия –0,17 кг/м³. Гелий создает меньшую подъемную силу, чем водород, в десятки раз дороже, но он инертен, то есть безопасен.

Момент конца воздушного транспорта на водороде известен с точностью до минуты: 6 мая 1937 года в 19:25 за 34 секунды сгорел самый большой в мире дирижабль LZ 129«Гинденбург» («Hindenburg»), заполненный водородом. На этом эра дирижаблей (а они успешно конкурировали с авиацией) окончилась. Современные дирижаблив разы меньше немецких «Цеппелина» и «Гинденбурга», заполняются дорогим гелием и являются скорее экзотикой.

Да, воздушный транспорт, сменив дирижабль на самолет, отказался от водорода. Но остался еще один вид транспорта – космический, и он от водорода не отказался, напротив. Водород не только экстремально легок, он еще и идеален для энергетики. Есть такой показатель – удельная теплота сгорания, характеризующий эффективность топлива. У типичных топлив (керосин, бензин) это около 47 мДж/кг, метан, природный газ – 50, а вот у водорода эта величина составляет 120-140 мДж/кг. Но вот досадные нюансы: газ водород легок, а баллоны для него – тяжелые. Есть, правда, и жидкий водород, но испаряется та жидкость при -253 ⁰С, да еще и низкую по сравнению с другими топливами плотность имеет. Нужна специальная криогенная техника и очень большие объемы для хранения,

Кто интересуется техникой, постянно сталкивается с дилеммой: дешево/мало эффективно, высокая эффективность/сложность и цена. Полезные для чего-либо вещества оказываются дорогими, ядовитыми, радиоактивными. Дешево и качественно получается редко, обычно конструкторы выбирают некий компромиссный путь,

Выдающийся двигателист Валентин Глушко, многолетний соратник Королева, создал немало замечательных ракетных двигателей. Двигатель – сердце ракеты. Американские «Атласы», например, летают на советско-российских РД-180, ни одной аварии вообще, Так вот, великий Глушко не верил в возможность ракетных двигателей на водороде. А Вернер фон Браун – верил. В итоге американцы построили «Сатурн-5» с третьей ступенью на смеси водород-кислород и побывали на Луне. А Глушко ничего такого не сделал и порвал отношения с Королевым. Прошли годы, и тот же академик Глушко создал великолепные двигатели на водороде для «Энергии». Потом снова прошли годы, и Россия утратила свои водородные двигатели. А американцы на них летают, и европейцы, и японцы, а теперь уже и китайцы с индусами.

Да, водородные двигатели сложны и дороги, Илон Маск, например, их не использует, хотя они дают несопоставимо больше энергии, чем традиционные топлива. Для ракет, дорогих и запускаемых единицами в год, водород себя окупает, овчинка стоит выделки.

Но если спуститься с небес на землю, то что нам тут водород. На автомобилях стоят многие миллионы двигателей на обычном бензине, многие тысячи – на судах и самолетах. Производство, доставка к месту использования, хранение на транспортных средствах – эти задачи многократно сложнее при применении водорода. Да и про безопасность не забыть.

И вот, тем не менее, буквально повсюду, где это уместно, воздается хвала водороду как топливу будущего. Мы, говорят знатоки, вступаем в эру водородной энергетики. Даже наш «Партнер», отнюдь не техническое издание, поучаствовал в хоре оптимистичных прогнозов (2019/12).

Мы живем с ускорением. Не так давно электроавтомобили считались диковинкой, экзотической новинкой, предлагаемой неким Илоном Маском. А сегодня все без исключения ведущие производители наперегонки создают электротранспорт в погоне за Маском. Volvo, например, через 10 лет вообще прекратит выпуск традиционных автомобилей, будут только электрические.

Так что ваш следующий автомобиль будет скорее всего электрическим. Но не исключено, что заправляться он будет не электричеством, а водородом. И даже, возможно, российским водородом, поступающему по пресловутому «Северному потоку».

Водород не добывают как газ, его производят, для этого существуют несколько способов. Наиболее распространенный – из природного газа (конверсия с водяным паром при 1000 °C), так получают ¾ всего водорода. Другая технология предусматривает взаимодействие водяного пара с углем (коксом). Наконец, электролиз солевых растворов или даже чистой воды – так получают в мире всего лишь 0,1% водорода. Общее его производство составляет 80 млн. тонн в год, большая часть расходуется в производстве аммиака и переработке нефтепродуктов. Транспорт (суда, поезда, ракеты) использует ничтожно мало водорода, им, лучшим топливом в мире, вообще-то ничего не отапливают.

Но, как считают эксперты, ситуация на глазах меняется. Через 30 лет сегодняшние 80 миллионов тонн вырастут до 550.

Чтобы получить чистый водород, надо затратить энергию на отрыв его от молекулы воды или метана. То есть тратится энергия на получение эффективного энергоносителя водорода, а потом от него эта энергия с пользой отбирается, процесс замыкается. Мы тратим энергию, а затем получаем ее обратно, причем, конечно, с потерями. Да даже если бы КПД этого кругового процесса был бы равен 100% – в чем выгода?

Выгода в месте получения этой энергии. Водород обладает наибольшей энергетической плотностью, что делает его выгодным несмотря на все технические издержки. И не только на транспорте.

Водородное железо

Водород – идеальный химический восстановитель. Вся металлургия железа (да и многих других металлов) построена на восстановлении их из оксидов, то есть из руд. Железная руда восстанавливается углеродом (углем, коксом), это делается тысячи лет. Но на совершенно другой уровень этот процесс переходит при замене углерода на водород – металл получается быстрее, чище по примесям, содержит меньше углерода (то есть сталь, а не чугун). Водородная металлургия – это металлургия будущего.

В мире ежегодно производится 1,86 млрд тонн стали, причем 60% приходится на Китай. При этом получаются два продукта: железо (сталь, чугун) и отходы (шлаки и углекислый газ CO₂). А углекислый газ – это главный враг Греты Тунберг и всех, кто верит в рукотворное глобальное потепление, то есть большинства правительств мира. После низвержения Трампа – также и США. И единственный способ сделать металлургию CO₂-нейтральной – перейти на водород.

Насколько же это реально? Не вдаваясь в детали: крупнейший производитель стали в Германии, Thyssen-Krupp, выпускает 11 млн тонн ежегодно. В 2030 году предполагается четверть этого количества выпускать по водородной технологии, без выделения CO₂. А полный нейтралитет по углероду возможен лишь в 2050 году. Thyssen-Krupp этот прорыв обойдется в 12 млрд евро, а всей европейской металлургии – в 100 миллиардов. Столько обойдется нам экология только в производстве железа. Но Китай, Корея, Россия, еще кто-то не перестроятся, и европейская экономия окажется, с одной стороны, не ощутимой на фоне выделения CO₂ этими странами, с другой – цены подскочат и европейская сталь станет еще менее конкурентоспособной. Поэтому к эйфории по поводу перехода на чистую водородную металлургию примешивается изрядная доля скепсиса.

Водород – в каждый дом

И еще одно обстоятельство: для экологически чистых технологий необходим «зеленый» водород. «Газпром» предлагает Европе, в первую очередь Германии, наряду с природным газом – водород, который будет из него производиться. На конце трубы строится водородный завод, и Германия получает дешевый (менее 2 евро/кг) водород с малым углеродным следом. А куда девается углерод, который высвобождается при этом в виде углекислого газа? Если он идет в атмосферу, то пропадает вся экология. Правда, прозвучало предложение качать CO₂ назад в Россию, но это не решит проблему, атмосфера земли одна на всех, а складировать его никто пока не умеет.

По-настоящему «зеленый» водород – это получаемый электролизом воды (0,1% сегодня). И тут же встает вопрос: а откуда берется электроэнергия для электролиза? Если от сжигания угля или газа – опять пропадает «зеленость», опять выделяется проклятый парниковый газ CO₂,причем его вырабатывается в 10(!) раз больше, чем собственно водорода. Значит, электричество для водородного электролиза должно быть из возобновляемых источников (солнце, воздух и вода), тогда все компоненты технологии будут «зелеными».

Звучит как-то идиллически, в реальной жизни так просто не бывает. В соседней Австрии пошли, однако, именно по этому «зеленому» пути. Канцлер Курц вообще молится на водородную революцию и заражает своей верой других. Крупнейший в мире пилотный проект называется H2FUTURE, он включает производство и использование водорода в металлургии. Исполнителями являются концерны Voestalpine, Verbund AG, Siemens Österreich.

Такой проект – не единственный. Во всем мире начинается, все шире и шире, применение водорода. Видимо, настало время, видимо, мы уже достигли такого уровня развития.

Водород является эффективной добавкой к природному газу, используемому на кухне и в отопительных системах. 10-20 % заметно улучшают и энергетику горения, и экологию. В разных странах одновременно запускаются проекты по переводу городской энергетики на водород.

В Германии газовой компанией Avacon в Sachsen-Anhalt проводится пилот-проект, предусматривающий добавку 20% «зеленого» водорода к природному газу. При этом сохраняется все газовая инфраструктура, длина опытной линии составит 35 км, к ней будет подключено 350 пользователей. Для них ничего не меняется, те же отопительные котлы, газовые колонки и кухонные плиты, даже плата за газ останется прежней.

Еще радикальнее поступили в Шотландии в рамках пилот-проекта «H100 Fife». 300 жилых домов переводят на «зеленый» водород, полностью отказавшись от других энергетических источников, он будет покрывать все их энергетические нужды при нулевой эмиссии CO₂, на следующем этапе эксперимент расширят на 1000 домов.

Причем для подобных проектов предусматривается не водород, получаемый из природного газа, российского или любого другого, а только электролизом воды с опорой на возобновляемые источники электричества. В рамках ЕС разрабатываются технологии под общим названием «Power to Gas» (P2G). Крупнейшая в мире водородная установка возводится нефтегазовой фирмой Shell Rheinland Raffinerie в Веселинге под Кёльном, годовое производство первой очереди составляет 1300 тонн водорода. Водород будет использоваться как для собственных нужд очистительного завода (Raffinerie), так и для поддержки водородных проектов в NRW.

Водородный транспорт

Транспорт будущего (автомобили, поезда, корабли, самолеты) будет в значительной степени водородным, причем это будущее кое-где уже наступило.

Тут ключевое понятие – топливный элемент, электрохимический генератор с подводом водорода и кислорода извне. С кислородом на земле проблем нет, а вот водород надо запасать и возить с собой. И на это идут, ибо его энергетическая плотность при хранении в баллонах существенно выше, чем в аккумуляторах.

На водородном транспорте реализуется на первый взгляд довольно вычурная схема: транспорт заправляется водородом, он поступает в топливный элемент, вырабатывается электроэнергия, используемая для движения. И это оказалось экономным и уже работает.

Вот лишь отдельные примеры.

В Германии впервые в мире запущен в эксплуатацию водородный поезд Coradia iLint, его производит французская фирма Alstom. Пригородный поезд обслуживает трассу Cuxhaven-Buxtehude на севере Германии, уже закуплено более 40 поездов. Дальность на одной заправке составляет 1000 км, как и у дизельных поездов, только выхлоп – вода, а не углекислый газ. Те же поезда внедряются сейчас в Голландии. Они почти бесшумны и особенно выгодны на не электрифицированных линиях.

Создается также еще один немецкий региональный поезд на водороде – Siemens Mireo Plus H, развивающий скорость в 160 км/ч.

В Европе идут испытания речного транспортного корабля на водороде. Ну, а в подводном флоте водородная технология уже давно успешно внедрена. Лучшая в мире неатомная подводная лодка, немецкая U212A, оснащена топливными элементами на водороде.

Уже созданы серийные водородные автомобили, например, Toyota Mirai, Toyota FCHV-odv, Mercedes F-Cell, Hyundai Nexo, преодолевающие 500-750 км на одной заправке. В США строится завод для выпуска 12 тысяч грузовых автомобилей на водороде в год.

И, наконец, авиация: по той же схеме планируется создавать водородные самолеты. Специалисты Airbus планируют внедрение их на линиях средней протяженности в 2035 году.

Кстати, будучи прекрасным горючим, водород может как таковой заменить, скажем, бензин в двигателе. Такие опыты велись издавна. Первый советский водородный двигатель внутреннего сгорания был испытан... в 1942 году в блокадном Ленинграде. Пока они не прижились, однако попытки создать экологически чистый двигатель на водороде продолжаются по сей день.

С. Мучник (Дортмунд)

Читайте также:

1. Германия хочет стать водородной державой. Журнал «Партнёр», № 12 / 2019. «Курс Консалтинг»
2. Дирижабли возвращаются. Журнал «Партнёр», № 10 / 2016. Автор С. Мучник
3. Дирижабли – что дальше? Журнал «Партнёр», № 12 / 2006. Автор М. Арие
4. Германия резко форсирует переход на «зеленую» энергетику. Журнал «Партнёр», № 11 / 2020. «Курс Консалтинг»
5. 5.     Мировая экономика берет курс на декарбонизацию. Журнал «Партнёр», № 1 / 2020. «Курс Консалтинг»
6. 6.     Новости науки: электрический самолет и водородный поезд. Журнал «Партнёр», № 5 / 2017. Автор С.Мучник
7. 7.     Германия начала пересаживаться на электромобили. Журнал «Партнёр», № 3 / 2021. «Курс Консалтинг»