Современный мир требует всё больше и больше электроэнергии. Однако хорошо известно, что существующие способы производства и хранения электричества наносят вред окружающей среде.
Одним из наиболее вероятных путей выхода из энергетического кризиса является использование водорода как в качестве топлива, так и для хранения энергии. Если с первым пунктом всё более или менее понятно, то водородный аккумулятор сейчас для большинства представляется очередным громким «прожектом», не имеющим будущего. Так ли это? Рассмотрим всё подробно.
Проблемы добычи, передачи и аккумулирования водорода
Как всем известно, из школьного курса, водород является самым распространённым элементом во Вселенной. При этом количество энергии, которую можно получить при его сжигании, примерно в три раза больше, чем при сжигании бензина. Вдобавок ко всему, при сжигании водорода не выделяется никаких вредных для здоровья или экологии газов, а выделяется только водяной пар.
Возникает вполне резонный вопрос — а почему же, человечество до сих пор не перешло на водород и разрушает природу, используя ископаемые виды топлива?
Как всегда, всё дело в экономике, а вернее, в стоимости добычи и транспортировки.
Ведь при производстве одного килограмма водорода самым экономически эффективным на данный момент способом паровой конверсии метана с улавливанием СО2 придётся потратить примерно 2–3 доллара.
Если рассмотреть стоимость производства одного килограмма водорода за счёт электроэнергии, которая вырабатывается на атомных или гидроэлектростанциях, то увидим, что данный показатель будет составлять уже 4 доллара. Также выработка аналогичного количества водорода с использованием «зелёной» электроэнергии уже обойдётся в 5–6 долларов.
Учитывая то обстоятельство, что водород при сжигании выделяет энергии в три раза больше, можно предположить, что даже такая цена на топливо будет способна составить конкуренцию бензину.
Однако на конечную стоимость полученного водородного топлива неизбежно окажет влияние ещё и стоимость его передачи и хранения. Конечно, при развитии соответствующей инфраструктуры стоимость должна неизбежно снизиться, но когда это произойдёт, никто, даже приблизительно сказать не сможет.
История создания
Прежде чем приступить к рассмотрению истории создания водородных источников питания, например, топливных элементов, нужно буквально пару слов сказать и о попытках использовать водородную смесь в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Ведь уже в наше время стали вполне обычными ДВС, работающие на газе. Почему же нельзя также использовать и водород?
Подобная идея пришла в голову нашему соотечественнику Щелищ Борису Исааковичу в 1941 году в блокадном Ленинграде. Водород в это время применялся для заправки заградительных аэростатов, а бензина как раз катастрофически не хватало.
После нескольких неудачных попыток Борису Исааковичу удалось решить все проблемы и добиться стабильной работы ДВС. Впоследствии в Ленинграде, примерно 200 автомобилей было переведено на водородную смесь.
Однако при эксплуатации этих автомобилей выяснилось, что КПД такого двигателя заметно ниже, чем у двигателя, работающего на бензине. Например, для ГАЗ-АА, мощность двигателя составляла 60 л. с. при использовании бензинового топлива, а при работе на водородной смеси, мощность составляла всего 20 л. с. Конечно, после Великой Отечественной Войны конструкторы продолжили эксперименты, например, добавляли водород в бензин, но дальнейшего развития подобная технология не получила.
Более эффективным способом оказалось использование водородных топливных элементов питания, где в результате химических реакций вырабатывался электрический ток. Первые опыты, провёл и описал в 1839 году английский учёный Уильям Роберт Грове. Опыты показали, что можно создать устройство, преобразующее химическую реакцию в электрический ток.
Газовая батарея — так учёный назвал устройство, при помощи которого удалось провести реакцию. Батарея состояла из двух платиновых электродов, один из которых омывался кислородом, а другой омывался водородом. При этом возникал электрический ток, который фиксировался гальванометром.
Позже, в 1887 году российским учёным П. Н. Яблочковым был получен патент на топливный элемент питания собственной конструкции.
Однако улучшить конструкцию водородного источника питания настолько, чтобы он работал длительное время, удалось только в 1939 году англичанину Ф. Т. Бекону. Элемент выдавал ток 13 мА с одного квадратного сантиметра. Время работы составило 48 минут, температура равнялась 100 °C, а давление, при этом составляло 200 атмосфер.
В дальнейшем, проведя исследования, в 1959 году учёный усовершенствовал конструкцию и создал работающую батарею из 40 элементов, мощность которой составляла 5 кВт. При этом он добился КПД в 80%.
Нужно отметить, что переход от теоретических изысканий к практическому применению был очень быстрым. В этом же году американский производитель оборудования для различных отраслей промышленности, компания Allis — Chalmers, представляет трактор на топливных водородных элементах, мощностью 15 кВт.
Разновидности и сфера применения
Благодаря своим преимуществам: экологичности, компактности эффективности и надёжности топливные элементы применяются в различных сферах.
Например, они уже достаточно широко применяются в космической и автомобильной отрасли, при этом область их применения постоянно растёт.
Так, в последнее время, всё чаще появляются новости о разработке и применении таких установок в качестве хранилища энергии для частных домохозяйств. Примером такого водородного аккумулятора служит установка компании Lavo из Австралии.
Габариты установки немалые и составляют 1,7*1,24*0,4 м при весе в 324 кг. Однако такая установка может хранить 40 кВт*ч энергии, а это больше в 3 раза, чем у конкурента — установки Tesla Powerwall 2, производимого одним из лидеров в этом сегменте, всем известной компанией из США.
Предполагается, что установка Lavo подключается через специальный очиститель к водопроводу. Затем избыточная электроэнергия, полученная от солнечных батарей или от ветрогенератора, посредством электролизёра будет преобразована в водород, который будет храниться в специальных аккумуляторах.
При необходимости запасённый водород подаётся на топливные ячейки, где происходит его преобразование в электроэнергию. При этом производитель заявляет, что ёмкости одной установки должно хватить для обеспечения потребностей в энергии одного домохозяйства в течение 2 дней.
Если ёмкости не хватает, то к установке можно подключить ещё несколько таких установок Lavo. Также предусмотрена буферная литиевая батарея на 5 кВт*ч для мгновенной выдачи электричества.
Несомненным преимуществом данной системы является её экологическая безопасность, ведь при утилизации не будет образовываться вредных для окружающей среды веществ. Кроме того, водородный аккумулятор обладает длительным сроком службы — примерно 30 лет.
Также производитель заявляет, что благодаря применению никель-водородных аккумуляторов будет обеспечена требуемая безопасность. Даже при появлении утечек, опасность возгорания или взрыва останется невысокой, так как водород будет выделяться сравнительно медленно и не успеет накопиться в опасных объёмах.
Перспективы
Нужно отметить, что водородная энергетика развивается очень быстрыми темпами. Для Российской Федерации это направление уже является приоритетным. Так, в 2023 году на Конференции ООН посвящённой климатическим изменениям, наша страна подтвердила намерение активно развивать водородную энергетику и достичь производства в 550 тысяч тонн к 2030 году. Субсидии бюджета до 2024 года могут превысить 9,3 миллиарда рублей.
Правительство РФ планирует создание 5 кластеров по производству водорода на Сахалине, Якутии, Ямале и Восточной Сибири. Также с 2023 года, Росстандартом водород был признан как самостоятельное полезное ископаемое и Министерство энергетики уже планирует его экспортировать наравне с природным газом. Несомненно, в мире найдётся место и системам для накопления электроэнергии, основанных на водородных аккумуляторах.
Заключение
Именно водородная энергетика способна дать надежду человечеству на будущее. Ведь рано или поздно запасы ископаемого топлива на нашей планете закончатся. При этом источники возобновляемой энергии покрыть все потребности, к сожалению, не смогут.
Однако для повсеместного применения водорода как источника энергии нужно решить проблемы, связанные с производством, транспортировкой и хранением. Преодолев эти технологические барьеры, человечество может получить безопасный и дешёвый источник энергии.
Сейчас читают:
