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.