Некоторые проблемы развития водородного транспорта

К на­пи­са­нию этой работы спо­двиг­ла за­мет­ка ува­жа­е­мо­го юзера Hertz Hyundai уско­ря­ет раз­ви­тие тех­но­ло­гий для во­до­род­но­го транс­пор­та и упо­ми­на­ние ком­па­ний, ко­то­рые фи­нан­си­ру­ют­ся (и уско­ря­ют­ся) в целях раз­ви­тия тех­но­ло­гии во­до­род­но­го транс­пор­та. Будучи че­ло­ве­ком до­воль­но лю­бо­пыт­ным, за­гуг­лил на­зва­ние фирм. И вот на сайте кон­то­ры GRZ Technologies на­ты­ка­юсь на очень хо­ро­ший обзор по этой про­бле­ме: Application of hydrides in hydrogen storage and compression: Achievements, outlook and perspectives. Все на­пи­са­но по­дроб­но, с при­ве­де­ни­ем ссылок, с циф­ра­ми, а глав­ное – это не пресс-релиз для ин­ве­сто­ров с обе­ща­ни­ем ве­ли­ко­леп­ных пер­спек­тив вот прям через год, а нор­маль­ная на­уч­ная работа с адек­ват­ным раз­бо­ром всех плюсов и ми­ну­сов тех­но­ло­гии в ее те­ку­щем (статья да­ти­ро­ва­на мартом 2019) со­сто­я­нии. Кто ин­те­ре­су­ет­ся – ре­ко­мен­дую. А для осталь­ных по­ста­ра­юсь дать неболь­шое резюме.

Итак, немно­го физики. Хра­не­ние во­до­ро­да для ис­поль­зо­ва­ния в виде топ­ли­ва в любом аг­ре­гат­ном со­сто­я­нии со­пря­же­но с неко­то­ры­ми труд­но­стя­ми. В га­зо­об­раз­ном виде, чтобы за­па­сти сколь­ко-нибудь зна­чи­тель­ное ко­ли­че­ство во­до­ро­да, его при­хо­дит­ся хра­нить под дав­ле­ни­я­ми ~700 атм, что при­во­дит к вы­со­ким тре­бо­ва­ни­ям к бал­ло­нам для хра­не­ния и, в осо­бен­но­сти, к ар­ма­ту­ре для за­прав­ки. В жидком со­сто­я­нии его нужно хра­нить при крио­ген­ных тем­пе­ра­ту­рах, по­лу­че­ние и под­дер­жа­ние ко­то­рых тре­бу­ет затрат энер­гии, плюс надо как-то решать вопрос с ис­па­рен­ны­ми объ­е­ма­ми газа, адек­ват­но­го ре­ше­ния (пока) не най­де­но. Наи­бо­лее пер­спек­тив­ным и без­опас­ным вы­гля­дит ва­ри­ант хра­не­ния во­до­ро­да в аб­сор­би­ро­ван­ном со­сто­я­нии, именно этот ва­ри­ант сейчас наи­бо­лее ак­тив­но рас­смат­ри­ва­ет­ся в ка­че­стве аль­тер­на­ти­вы уг­ле­во­до­род­ным ис­точ­ни­кам энер­гии. Вот про него сейчас и по­го­во­рим.

В ка­че­стве хра­ни­ли­ща для во­до­ро­да пред­ла­га­ет­ся ис­поль­зо­вать гид­ри­ды, то есть ве­ще­ства, в ко­то­рых во­до­род хи­ми­че­ски свя­зы­ва­ет­ся с дру­ги­ми эле­мен­та­ми. По­сколь­ку раз­ме­ры атома во­до­ро­да (про­то­на) меньше всех других, он спо­со­бен раз­ме­щать­ся в "порах" кри­стал­ли­че­ской ре­шет­ки других эле­мен­тов и хи­ми­че­ских со­еди­не­ний (так на­зы­ва­е­мый атом внед­ре­ния). В от­дель­ных слу­ча­ях он спо­со­бен рас­тво­рять­ся до 1000 объ­е­мов во­до­ро­да на 1 объем ме­тал­ла! Звучит здо­ро­во. Но если вспом­нить, что 1 моль во­до­ро­да за­ни­ма­ет объем 22.4 литра и весит при этом 1 грамм (2 грамма, по­пра­ви­ли меня в ком­мен­та­ри­ях), а тот же пал­ла­дий (в ко­то­ром рас­тво­ря­ет­ся 760 объ­е­мов во­до­ро­да) весит 12 ки­ло­грамм на литр... В общем, объем-объ­е­мом, а масса за­па­са­е­мо­го в пал­ла­дии во­до­ро­да по срав­не­нию с массой самого пал­ла­дия – меньше про­цен­та. А значит, в ка­че­стве ак­ку­му­ля­то­ра во­до­ро­да он не очень го­дит­ся – возить при­дет­ся в ос­нов­ном его, а не во­до­род. Ну и стоит он весьма неде­ше­во.

Но пал­ла­дий в ка­че­стве хра­ни­ли­ща во­до­ро­да из­ве­стен давно, а наука не стоит на месте, и вот по­яв­ля­ют­ся новые ве­ще­ства. Правда, как ска­за­но выше, во­до­род в гид­ри­дах свя­зы­ва­ет­ся с дру­ги­ми эле­мен­та­ми хи­ми­че­ски, а значит, не очень хочет вы­хо­дить об­рат­но. Чтобы его из гид­ри­да вы­та­щить (де­сор­би­ро­вать), нужно за­тра­тить энер­гию, в про­стей­шем ва­ри­ан­те – на­греть. И у боль­шин­ства гид­ри­дов ме­тал­лов и ин­тер­ме­тал­ли­дов тем­пе­ра­ту­ра, при ко­то­рой уда­ет­ся вынуть во­до­род об­рат­но, со­став­ля­ет более 100 гра­ду­сов Цель­сия. Ну то есть, вообще говоря, по­лу­ча­ет­ся неудоб­но – чтобы по­лу­чить топ­ли­во, ко­то­рое будет сжи­гать­ся в дви­га­те­ле и вы­да­вать энер­гию (ну или по-дру­го­му пре­об­ра­зо­вы­вать­ся в энер­гию, сейчас это не очень важно), нужно это во­до­ро­до­хра­ни­ли­ще сперва на­греть. На что нужно за­тра­тить энер­гию. Ко­то­рую надо откуда-то взять. И надо ее не так уж мало – объемы во­до­род­но­го бака несколь­ко литров. Пред­ставь­те, какую энер­гию (и время) нужно за­тра­тить, чтобы на­греть до ки­пе­ния трех­лит­ро­вую ка­стрю­лю воды, здесь ре­зуль­та­ты будут со­по­ста­ви­мы.

Но это пол­бе­ды. По­гло­ще­ние (и вы­сво­бож­де­ние) во­до­ро­да про­ис­хо­дит с по­верх­но­сти. По­это­му, чтобы за­па­сти мак­си­маль­ное ко­ли­че­ство во­до­ро­да, гидрид должен быть в виде по­рош­ка. А для оп­ти­маль­но­го вы­де­ле­ния во­до­ро­да этот самый по­ро­шок должен быть про­грет рав­но­мер­но – иначе с одной сто­ро­ны он пе­ре­гре­ет­ся и спе­чет­ся, а с другой сто­ро­ны – будет хо­лод­ным и ничего не вы­де­лит. По­это­му гид­рид­ные баки пред­став­ля­ют собой два вло­жен­ных ци­лин­дра, между ко­то­ры­ми на­сы­пан тот самый гид­рид­ный по­ро­шок, сна­ру­жи рас­по­ло­жен на­гре­ва­тель, а внутри... должны быть обес­пе­че­ны усло­вия для съема энер­гии, чтобы по­ро­шок под­дер­жи­вал­ся при оп­ти­маль­ной тем­пе­ра­ту­ре. В про­стей­шем случае – про­ка­чи­ва­ет­ся теп­ло­но­си­тель. В самом про­стей­шем случае – вода. То есть та энер­гия, ко­то­рую мы за­тра­ти­ли на преды­ду­щем шаге (чтобы вообще по­лу­чить воз­мож­ность по­лу­чить во­до­род), теперь должна куда-то ути­ли­зи­ро­вать­ся. Она может быть как-то пущена в дело, но это уже другая ис­то­рия, и в любом случае – это услож­не­ние уста­нов­ки. То есть мы не просто ки­пя­тим воду, как ска­за­но ранее – мы после этого ее еще и вы­ли­ва­ем.

Из­вест­ны ве­ще­ства, ко­то­рые вы­де­ля­ют во­до­род при низкой тем­пе­ра­ту­ре, около ком­нат­ной. Но у таких ве­ществ про­цент за­па­са­е­мо­го во­до­ро­да ~ 1,5-2 % массы. А у вы­со­ко­тем­пе­ра­тур­ных, в районе 100 гра­ду­сов – 3-5%. Раз­ни­ца в массе более 2 раз, есть за что по­бо­роть­ся.

Вопрос самого дви­га­те­ля на во­до­ро­де в статье не рас­смат­ри­вал­ся, так что счи­та­ем, что все там за­ме­ча­тель­но – сожгли во­до­род в кис­ло­ро­де, по­лу­чи­ли мощ­ность на валу и во­дя­ной пар. Ко­то­рый, кстати, тоже яв­ля­ет­ся пар­ни­ко­вым газом, но не будем огор­чать Грету.

А теперь по из­вест­ным при­ме­не­ни­ям гид­рид­ных хра­ни­лищ во­до­ро­да. Ва­ри­ант первый – ста­ци­о­нар­ные уста­нов­ки. Здесь такие хра­ни­ли­ща вполне на­хо­дят себе при­ме­не­ния. Сол­неч­ная ба­та­рея питает элек­тро­ли­зер, во­до­род через неко­то­рый ре­си­вер под неболь­шим дав­ле­ни­ем (8-10 атм) по­да­ет­ся в бак с гид­ри­дом, также име­ют­ся Li-ion ба­та­рей­ки, ко­то­рые обес­пе­чи­ва­ют вы­де­ле­ние во­до­ро­да. Си­сте­ма обес­пе­чи­ва­ла по­лу­че­ние элек­три­че­ства на каком-то ост­ро­ве круг­лый год. Как долго и сколь­ко все это стоило – не со­об­ща­ет­ся. Но, как го­во­рил один мой зна­ко­мый, "тео­ре­ма су­ще­ство­ва­ния до­ка­за­на".

Другая уста­нов­ка. Мо­биль­ная (в смысле, пе­ре­во­зи­мая, видимо). Для по­до­гре­ва бака с гид­ри­дом ис­поль­зо­ва­лась энер­гия, вы­де­ля­е­мая при его сжи­га­нии. Си­сте­ма могла ра­бо­тать непре­рыв­но 58 часов, вы­да­вая в сред­нем 5 кВт. За­прав­ка за­ни­ма­ла от 3 до 8 часов в за­ви­си­мо­сти от по­год­ных усло­вий. Именно так и на­пи­са­но – в за­ви­си­мо­сти от по­год­ных усло­вий! Аб­со­лют­но не ро­баст­ная штука. И дальше: "По срав­не­нию с обычно ис­поль­зу­е­мым ди­зе­лем была тише, ра­бо­та­ла дольше и вы­де­ля­ла зна­чи­тель­но меньше СО2. Однако время за­прав­ки было дольше, и сто­и­мость была зна­чи­тель­но выше".

Теперь уста­нов­ки по­движ­ные. Начнем с про­сто­го – при­ло­же­ние, где не слиш­ком важна сто­и­мость и вес, но важны ав­то­ном­ность и тишина. В под­вод­ной лодке, на­при­мер. Немцы еще в 90-х по­стро­и­ли несколь­ко ди­зель­ных суб­ма­рин с воз­ду­хо­не­за­ви­си­мым дви­га­те­лем на про­тон­но-об­мен­ных топ­лив­ных ячей­ках с во­до­ро­дом в гид­ри­де и крио­ген­ных ци­стер­нах с жидким кис­ло­ро­дом. Под­вод­ные лодки про­ек­та 212А. Осо­бен­но впе­чат­ли­ло упо­ми­на­ние, что из-за удачно рас­по­ло­жен­но­го бака с гид­ри­дом лодке не тре­бу­ет­ся до­пол­ни­тель­ный бал­ласт.

Стро­ит­ся несколь­ко ва­ри­ан­тов же­лез­но­до­рож­ных плат­форм с во­до­род­ным дви­га­те­лем на гид­ри­де. Но, хотя их пре­иму­ще­ства неоспо­ри­мы, этим раз­ра­бот­кам все еще тре­бу­ет­ся до­пол­ни­тель­ное фи­нан­си­ро­ва­ние. Это почти до­слов­ный пе­ре­вод. А вот с ло­ко­мо­ти­вом на жидком во­до­ро­де с крио­ген­ным баком свя­зы­вать­ся не за­хо­те­ли.

Ну и, на­ко­нец, к ав­то­мо­би­лям. Ци­ти­рую: "Во­до­род и топ­лив­ные ячейки по­все­мест­но рас­смат­ри­ва­ют­ся как дол­го­вре­мен­ное ре­ше­ние, поз­во­ля­ю­щее ис­поль­зо­вать воз­об­нов­ля­е­мую энер­ге­ти­ку для пе­ре­ме­ще­ния с ну­ле­вы­ми вы­бро­са­ми. К со­жа­ле­нию, без­опас­ные, де­ше­вые и энер­го­эф­фек­тив­ные ре­ше­ния для сжатия, за­прав­ки и хра­не­ния на борту транс­порт­но­го сред­ства для во­до­ро­да, ко­то­рые поз­во­лят ему вы­тес­нить бензин, еще ждут своего от­кры­тия."

Правда, пред­ло­же­на ги­брид­ная си­сте­ма, ко­то­рая со­че­та­ет до­сто­ин­ства (и недо­стат­ки) хра­не­ния во­до­ро­да как в га­зо­вом, так и в гид­рид­ном виде. Это неболь­шой га­зо­вый бак на 350 атм, гид­рид­ный бак, в ко­то­рый за­ка­чи­ва­ет­ся во­до­род из га­зо­во­го, топ­лив­ная ячейка и элек­тро­дви­га­тель, ко­то­рый от нее пи­та­ет­ся. При­ем­ле­мое время за­прав­ки – около 3 минут, эко­ло­гич­ность, ну­ле­вой выброс. Судя по всему, по при­мер­но такой схеме по­стро­е­на Тойота Мираи. Самая (на мой взгляд) боль­шая про­бле­ма в этой схеме – за­пра­воч­ный штуцер на 350 атм. Если что-то пойдет не так, вокруг авто быстро об­ра­зу­ет­ся боль­шой объем гре­му­че­го газа (ко­то­рый де­то­ни­ру­ет при кон­цен­тра­ции во­до­ро­да от 4 до 75 % с очень неболь­шой энер­ги­ей вспыш­ки).

Из за­клю­че­ния: "В бу­ду­щем из­ме­не­ния в энер­ге­ти­че­ской по­ли­ти­ке могут дать толчок раз­ви­тию про­дви­ну­тых, но пока мало из­вест­ных тех­но­ло­гий, таких как гид­ри­ды в хра­не­нии во­до­ро­да и других свя­зан­ных с энер­ге­ти­кой при­ме­не­ни­ях. В этом случае элек­тро­ге­не­ра­ция может уйти от энер­ге­ти­че­ских уста­но­вок на ис­ко­па­е­мом топ­ли­ве к чистым и воз­об­нов­ля­е­мым. В транс­порт­ных при­ло­же­ни­ях, осо­бен­но ав­то­мо­биль­ных, во­до­род­ная тех­но­ло­гия слиш­ком сырая, чтобы пред­ла­гать ее пуб­ли­ке. В на­сто­я­щее время гра­нич­ные усло­вия для ис­поль­зо­ва­ния гид­ри­дов ме­тал­лов, видимо, не могут быть со­блю­де­ны. Однако, даль­ней­шее раз­ви­тие тех­но­ло­гий, воз­мож­но, от­кро­ет им дорогу и в этом на­прав­ле­нии".

Это пишет, на­по­ми­наю, фирма, ко­то­рая и за­ни­ма­ет­ся раз­ра­бот­кой этих самых гид­рид­ных систем хра­не­ния во­до­ро­да.