Тема вечного двигателя будоражит умы человечества не одно столетие. На заре науки изобретатели активно экспериментировали в этой области, но все их начинания перечеркнула фундаментальная физика с законами термодинамики. Они показали, что создание вечного двигателя невозможно. И хотя этот факт охладил многих, вопрос с повестки дня не снял, а просто немного его переформатировал: «Хорошо, не вечный, но что нам мешает создать двигатель, работающий на неисчерпаемом источнике?». Так и стали топливом дрова, уголь, нефть, газ и другие. Но оказалось, что всё не то.
Наконец, после долгого периода исканий и разочарований человечество обратило внимание на водород. На первый взгляд в нём всё сошлось: высокая энергоёмкость, экологичность, нетоксичность и самое главное — бесконечные запасы. Как сообщает «Википедия», «одноатомная форма водорода — самое распространённое химическое вещество во Вселенной, составляющее примерно 75% всей барионной массы». Первые эксперименты с водородом в качестве топлива случились еще в начале XIX века, и вот уже в 2014 году Toyota выпустила в продажу первый в мире серийный автомобиль на водороде (стоит отметить, что первенство оспаривают и другие производители).
На фоне мирового дефицита энергоносителей многие европейские политики призывают отказываться от «грязного» российского газа и переходить на «чистый» водород. Даже недавний Парижский автосалон прошел под знаменем водородных автомобилей, что должно показать всему миру, куда следует двигаться (подробно о мероприятии рассказал Владимир Нимин в отдельном материале.
Итак, путь проложен, перспективы огромны, но почему же водород до сих пор не вытеснил все другие виды топлива? Ответ на этот вопрос нам дадут физика, экономика и, как ни странно, экология.
Первое, что и так понимает большинство потребителей: водород — очень дорогое топливо. Но не просто дорогое: главная проблема экономики водорода в том, что для получения этого вида топлива нужно потратить больше энергии, чем полученный водород даст впоследствии. Закон сохранения энергии никто не отменял! Потери при получении водорода зависят от способа производства, но избавиться от них не получится. В копилку отрицательного энергобаланса также следует добавить затраты на очистку этого вещества и сложности с транспортировкой и хранением. Сейчас водород чаще всего либо «пакуется» в баллоны высокого давления (до 700 атм), либо сжижается при очень низких температурах (на один-два десятка градусов выше абсолютного нуля, который равен −273,15 °С). Несложно догадаться, что такие экстремальные условия требуют больших экономических и энергетических затрат.
(Изображение с сайта geliymash.ru)
С экономикой разобрались. Но тут можно возразить: «Пусть дорого, пусть энергозатратно, зато экологию спасём». И здесь всё не так просто. Дело в том, что 75% водорода добывается из природного газа, а практически вся оставшаяся часть приходится на уголь. Например, метан, не считая примесей, состоит из углерода и водорода. Этот газ разлагают на составляющие, после чего полезный водород забирается, а оставшийся углерод образует оксиды — печально известные угарный и углекислый газы, что идет вразрез с современными экологическими установками (первый вообще смертельно опасен для человека). Кратко из «Википедии» (статья «Водород»): «При производстве водорода в атмосферу поступает около 830 млн тонн [углекислого газа] CO2». При этом в данном процессе в год расходуется около 205 млрд м3 природного газа, того самого газа, зависимость от которого так мечтает побороть Европа.
Однако можно смириться с вредностью где-то там на производстве, главное, чтобы у нас в городах ездил экологичный транспорт. Ведь, по идее, при сжигании водорода в двигателе автомобиля будет выделяться полезная энергия, а в качестве отходов образуется вода, а не выхлопные газы. Но это лишь отчасти так. В воздухе, помимо кислорода, который будет участвовать в процессе горения, присутствует другой газ — азот. И при сгорании водорода будут образовываться такие вредные вещества, как оксиды азота. Даже небольшие их концентрации могут вызвать нарушения самочувствия, боли, легочные заболевания и отравления. Кислотные дожди, которыми нас пугали в школе, тоже вызваны испарениями в атмосферу оксидов азота (справедливости ради стоит отметить, что оксиды азота образуются при использовании любого топлива с температурой сжигания выше 600 °С).
Теоретически, для снижения вреда окружающей среде ответственные производители должны ставить специальные улавливающие ёмкости для углекислого газа на производстве водорода и катализаторы в автомобилях. Но мы-то знаем, что начнётся при действительно массовом переходе на это топливо. К этому еще добавятся проблемы со взрывоопасностью водорода и его текучестью (молекулы водорода очень маленькие и легкие, так что они могут проникать сквозь материалы, способные удерживать обычные газы).
Казалось бы, тупик. Но не всё потеряно, как обычно, нас выручит электричество. Оказывается, есть ещё один способ получения водорода — электролиз. С его помощью наш полезный газ можно получать из воды, при этом побочным продуктом будут не вредные газы, а очень даже полезный кислород. Только почему-то этим методом вырабатывается не более 0,1% от всего промышленного водорода. Причина проста: очень высокие цена и энергозатраты. Для сравнения, при получении водорода из газа себестоимость 1 кг составит $1,5-3, тогда как при электролизе этот показатель может превышать $10.
Также для этого метода желательно иметь развитую традиционную энергетику, которая сможет сгенерировать необходимые «излишки» для получения водорода. Это могут быть гидро- или атомные электростанции, так как себестоимость производства электричества на них наиболее низкая. Альтернативные источники, например, ветровые или солнечные станции, не смогут выдать достаточного количества энергии для производства водорода во всемирном масштабе, да и стоимость электричества на них (без учета субсидий) высокая. Получается, что даже в водородную эпоху без традиционных электростанций никуда и шагу не ступишь.
С выбросами в атмосферу при производстве топлива разобрались, теперь надо победить выхлопы в автомобилях. Это возможно благодаря отказу от ДВС и переходу на топливные элементы. Топливный элемент — это почти как аккумулятор, только активные вещества (в нашем случае водород) не находятся внутри корпуса, а подаются извне. Никаких выбросов в процессе работы, так как энергия вырабатывается в результате «холодной» реакции, ещё и КПД гораздо выше, чем в традиционных двигателях. Ставим такие элементы на автомобиль, периодически дозаправляем водородом, и всё, победа!
Но если подумать критически, то вот что мы получили: высокие денежные и энергетические затраты, технологические сложности, проблемы с транспортировкой и хранением топлива, а на выходе — всего лишь электромобиль, пусть и с немного увеличенным запасом хода.
Кратко подведём итоги:
- для государства производство водорода убыточно и экономически, и энергетически;
- водородная энергетика всё равно требует наличия ископаемого топлива или традиционных источников энергии;
- водород — очень проблемное вещество с точки зрения безопасности, хранения и транспортировки;
- при массовом производстве и использовании водорода неизбежны выбросы в атмосферу и другие вредные факторы.
Неудивительно, что экономики абсолютно всех стран не спешат с переходом на водород, а такие планы озвучивают только легкомысленные политики. Уж лучше использовать дефицитную энергию напрямую, избегая таких неудобных посредников. Так что пока удел водорода — применение в промышленности, например, в нефтепереработке или производстве удобрений. А ещё он продолжит нас радовать в дорогих и красивых автомобилях «из будущего».
Однако хотелось бы закончить на оптимистической ноте и заявить, что вечный (почти) двигатель у человечества уже практически есть! Но об этом — как-нибудь в другой раз.