Топливо из воды: обещает ли водородный поезд революцию в энергетике
В Германии начал работать первый регулярный поезд на водородном топливе. Состав, изготовленный французской компанией Alstom, проехал от Букстехуде недалеко от Гамбурга до Куксхафена на побережье Северного моря. Поезд движется со скоростью до 140 км/ч, одной заправки ему хватает на тысячу километров. Топливный бак находится на крыше, топливный элемент преобразует энергию горения водорода в электричество, за счет которого работает мотор. Для экономии энергии состав также снабжен аккумуляторами, запасающими электричество в случае перепроизводства (допустим, мы едем под горку) и поставляющими — в случае недостатка (наоборот — в горку). К 2021 году число таких поездов на маршруте обещают довести до 14. Чем же хорошо (и чем плохо) водородное топливо?
Бегство от нефти
Основным сырьем для моторного топлива была и остается нефть. Долгое время переживали, что это ископаемый вид топлива, который может в какой-то момент кончиться. Этот отдаленный риск имеет более серьезные последствия, чем неработающие двигатели: нефть — основной источник сырья для органического синтеза. Практически все синтетические материалы — ткани, пластики для мебели, бытовой техники и прочих полезных современных вещей — производятся из нефти. Собственно, приписываемое Менделееву выражение «топить печь нефтью — это все равно что топить печь ассигнациями» предостерегало именно от этого. Нефть слишком ценна, чтобы ее сжигать.
Встал вопрос о поиске возобновляемого источника углеводородов. Им могло бы стать биотопливо, и в начале века это направление было очень важным и перспективным в науке. Перед учеными стояла задача — научиться перерабатывать растения так, чтобы из них получалось топливо, не уступающее по эффективности ископаемому. Собственно, самое простое такое топливо — тот же алкоголь. Одна беда — перерабатывать в него хорошо получается только съедобные растения, а их производство энергозатратно само по себе. К тому же многие люди на Земле и так голодают, — как можно использовать продукты питания для топлива?
Есть еще и проблема изменения климата. Традиционное топливо плохо не только ископаемостью, но и неизменным выделением углекислого газа в атмосферу. Бум биотоплива закончился, не начавшись, в том числе и потому, что при сжигании этилового спирта тоже производится углекислота. Хотя свою нишу биотопливо, несомненно, займет, — там, где его производство легко и выгодно. Например, в Бразилии, где его делают из прекрасно там растущего сахарного тростника, биоэтанол успешно используется на обычных заправках.
Неудивительно, что наука ищет источники энергии, совсем не завязанные на углеводородах — ни ископаемых, ни возобновляемых. Основные направления этих поисков хорошо известны: использование энергии атома, Солнца, ветра и разные типы гидроэнергии — реки, приливы и отливы. Однако все эти источники энергии сложно взять с собой на поезд или автомобиль. Энергию нужно или передавать по проводам, что влечет ее потери, или хранить — для этого нужны очень мощные аккумуляторы, возможности которых тоже ограничены. Поэтому для работы двигателей требуется что-то другое. Образно говоря, то, что можно залить в бак и сжечь.
Водородный запас
Собственно, так возникла идея сжигать водород. Молекула H2 «запасает» энергию связи между двумя атомами водорода, она рвется при окислении, а в результате получается только вода — в жидком виде или в виде пара. Выглядит идеально, но нужно понять, откуда брать водород и как его хранить для использования в виде топлива.
Водорода в чистом виде на Земле очень мало — 0,00005% по объему в сухом воздухе. Значит, его нужно производить, а на это тоже потребуется энергия (впрочем, энергия расходуется и на крекинг нефти). Есть два основных варианта производства водорода: из воды под действием электрического тока в ходе процесса электролиза (так она разлагается на водород и кислород) и из все тех же углеводородов. Второе можно рассматривать, конечно, только как временное решение — оно воспроизводит, хотя и в меньшем масштабе, проблему зависимости от ископаемого топлива и угрозу для климата. Значит, вода?
Проводить электролиз можно там, где есть источник энергии — АЭС, например, если мы не берем станции, работающие на нефти и газе. Ну, а вода есть более или менее везде. Но зачем тратить энергию на электролиз, когда можно просто пустить ее в двигатель? Дело в том, что водород позволяет решать описанную выше проблему сложности хранения и транспортировки энергии. Возвращаясь к Нижней Саксонии — как раз проблему запасания энергии пытаются решить немецкие транспортники. Железнодорожная сеть Германии очень развита: по общей длине дорог она всего вдвое уступает России и занимает в мире шестое место по длине. Однако 40% линий не электрифицированы, там сейчас используются дизели. Аккумуляторы для таких расстояний пока слишком маломощны. Электрификация — дорогая инфраструктура. Поэтому ставка на водородное топливо выглядит вполне естественной.
Необходимые условия
Однако водород не так просто хранить. О рисках взрыва при скоплениях газообразного водорода известно со времен катастрофы «Гинденбурга», да и занимает он неадекватно большой объем. Поэтому об использовании его в такой форме речь, конечно, не идет. На помощь приходит химия — хранение водорода в виде таких соединений, как боргидрид натрия, компактно и безопасно, а вещества-носители — натрий с бором — могут быть использованы повторно. Плюс к этому сами водородные двигатели работают не в точности как двигатели внутреннего сгорания, а с помощью так называемых топливных элементов. Вместо обычного горения (взаимодействия с кислородом) реакция происходит электрохимически — это немного похоже на процесс зарядки-разрядки батареек. Это позволяет вести ее более эффективно и контролируемо.
Водородное топливо само по себе не является панацеей, решением всех проблем. Это не источник энергии, а один из способов ее более эффективного и безопасного для окружающей среды использования. Он может быть экономически обоснован, но для этого необходима продуманная система производства и распределения энергии из возобновляемых источников. Ее можно создать, если государственные и надгосударственные образования (такие как ЕС) возьмут на себя затраты на необходимую инфраструктуру, а также меры, стимулирующие частный сектор к ее эффективному использованию. Сейчас этой системы нет, но черты ее уже просматриваются на улицах — в тех же зарядках для электромобилей и первом поезде на водородном топливе. Ничего принципиально нового в этой задаче нет. Если задуматься, то массовое использование современных автомобилей стало экономически обоснованным только потому, что в свое время были построены сети заправок и автомобильных дорог.
