В последнее время все чаще можно встретить информацию о намерении ряда стран в ближайшее десятилетие обновить свои национальные автопарки, сделав их более «природоохранными» на основе безуглеродных или гибридных технологий. И хотя за подобной заботой об экологии сложно скрыть «уши» торгового протекционизма, тенденция развития будущего машиностроения очевидна. Экономисты уже сравнивают популярность электромобилей и машин, оснащенных водородными двигателями. Однако отраслевые эксперты с грустью замечают, что электроводородное будущее поставит крест на массовом автолюбителе. Собственный «железный конь» и свобода автотуризма вновь превратятся в недоступную роскошь.
Электромобили помогут нефтегазовой отрасли
На сегодняшний день разглядеть безуглеродность в модном «зеленом» транспорте сложно.
По данным Всемирного фонда дикой природы (WWF), повсеместный переход на электромобили приведет к увеличению потребления нефти и газа минимум на 20%, так как вырастет потребление электроэнергии.
А электроэнергия, как известно, даже в самых развитых странах в основном вырабатывается за счет сгорания ископаемого топлива. Кроме того, самые совершенные ТЭЦ – газовые – имеют КПД от 30 до 90%. При транспортировке электроэнергии идут потери в сетях. В лучшем случае это 10-12%, а как правило больше. Вот и получается, что электромобили ископаемое топливо и тем более климат планеты не берегут. Но ведь еще надо брать в расчет затраты на обновление устаревшего автопарка и утилизацию отработанных аккумуляторов.
Ученые ищут дешевый способ получения водорода
Что же касается водородных двигателей, то они, по идее, должны быть более экологичными, поскольку не требуют увеличения производства электроэнергии и не производят CO2. Правда, пока человечество не научилось производить дешевый водород из воды, на сегодняшний день для его выделения требуется платина. Кроме того, эксплуатация двигателей на водороде крайне сложна. Водородная машина не поедет без дорогостоящей инфраструктуры и высокой культуры обслуживания, поэтому пока автомобили на водороде непопулярны. По данным издания The Independent, за первое полугодие в мире было куплено или взято в аренду всего 1,6 тыс. таких машин.
Впрочем, ученые не отчаиваются и ищут новые способы удешевления водородной энергетики за счет разработки более дешевых катализаторов.
Новосибирский институт неорганической химии СО РАН разработал твердый раствор кобальта и иридия. Это соединение может служить катализатором в различных топливных элементах, придя на замену дорогостоящей платине. Ученые из National Renewable Energy Laboratory (NREL) Министерства энергетики США предложили использовать диоксид титана и сульфид молибдена. В Ливерморской национальной лаборатории сделали ставку на дисульфид тантала и дисульфид ниобия.
Однако если получать водород благодаря этим открытиям и станет легче, то другие проблемы водородного транспорта не исчезнут.
У отраслевых экспертов пока нет единого мнения о том, кто победит в гонке электромобилей с водородными машинами. Однако они уверены, что мировой транспорт в любом случае будет уходить от использования ископаемого топлива и человечество перестанет бездумно сжигать ценнейшие углеводороды.
Водородные технологии наиболее эффективны для переработки отходов
Профессор Санкт-Петербургского политехнического университета и председатель научного совета по проблемам ВИЭ Санкт-Петербургского центра РАН Виктор Елистратов заметил в интервью «НиК», что наука не стоит на месте: ученые постоянно работают над увеличением удельной энергоемкости и снижением стоимости производственного цикла. Что же касается практического использования именно водорода, выделенного за счет использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ), – водородного цикла, который мог бы аккумулировать нестабильную энергию от ВИЭ, – то, по словам ученого, КПД такого цикла составляет только 25-30%. Иначе говоря, он недостаточно эффективен с точки зрения затрат на создание подобных установок.
Виктор Елистратов считает, что более перспективным является получение водорода из твердых бытовых отходов или преобразование биогаза в водород, а затем уже использование его в энергетике. В отношении технологий выделения водорода из природного газа он настроен скептически.
«Природный газ достаточно экологически чистое топливо. Непонятно, зачем его тратить на получение водорода – это удлинение энергоцепочки»,
– считает ученый.
Елистратов отметил, что водородные машины пока проигрывают гонку.
«Пока преимущество у электромобилей. Учитывая прогресс в области накопления энергии и создания аккумуляторов новых типов, внедрение электромобилей будет опережать распространение машин на водороде. Водород – опасный газ, есть проблема с его хранением. А применение требует дополнительных дорогостоящих технологий», – заявил ученый.
Водородная энергетика – приемлемая альтернатива углеводородной
Президент фонда «Основание» Алексей Анпилогов напомнил в интервью «НиК», что каталитическая химия много раз двигала вперед ситуацию с топливными элементами.
«Основным недостатком водородных топливных элементов является низкая реакционная способность – скорость реакции получения электроэнергии из водорода. Катализаторы призваны увеличивать скорость. Поэтому применение для производства водорода дешевого оксида титана, достаточно доступного и производимого в промышленных количествах, – это шаг вперед»,
– считает эксперт.
Вместе с тем он отметил, что катализаторы изменяют только скорость реакции, но есть еще удельная мощность и удельная энергоемкость, которая у водорода гораздо более скромная, чем у бензина, дизельного топлива и других углеводородных топлив.
«Водород по этим показателям находится на уровне природного газа», – уточнил Анпилогов.
Он напомнил, что из-за физических свойств хранение водорода проблематично.
«Его сложно хранить в связанном виде, а в чистом он может проникать даже через металл. Его надо хранить в больших емкостях, которые для транспорта являются серьезным ограничением. Использование сжиженного водорода сразу же накладывает огромные ограничения на заправочную инфраструктуру, поскольку заводы по сжижению нельзя построить на каждой заправке, – указал эксперт. – Я оптимистично смотрю на применение водорода в качестве топлива для морского транспорта. Для личного автотранспорта, который сейчас является основным потребителем жидкого топлива, водородная технология – дорогое решение».
По его мнению, машина на водороде в любом случае окажется менее удобной.
«Привычных транспортных стандартов в водородной энергетике не будет, заправщики будут с высшим образованием. Машины будут зависеть от больших заводов по производству водорода и иметь меньший пробег на одной заправке. Как следствие, легковой транспорт станет более элитарным. Тем не менее водородная энергетика пока наиболее красивая альтернатива углеводородной»,
– заявил Алексей Анпилогов.
Водород – это удобный аккумулятор, который можно произвести практически везде. Но сам процесс производства сложнее и дороже, чем добыча нефти.
Однако эксперт считает, что, несмотря на недостатки водорода, у человечества нет выбора: «В водородной энергетике можно найти новые катализаторы, новые подходы, а химические источники тока уперлись в физические ограничения. Золотой век открытий в химических источниках тока уже закончился».
Мировые запасы углеводородов спасет сверхпроводимость
Очевидно, что на современном уровне развития технологий достойной замены углеводородам человечеству найти будет сложно. Но наука не стоит на месте, и, если ученым удастся в ближайшее время разработать для широкого промышленного применения сверхпроводники, это сможет значительно повысить эффективность современной генерации.
С помощью сверхпроводников может быть обеспечена магнитная левитация, привычные электродвигатели станут существенно меньше при равной мощности.
Именно с разработкой сверхпроводников связывают развитие будущей термоядерной энергетики. Поэтому человечеству, возможно, не надо будет искать замену природному газу и нефти, а сосредоточиться на создании принципиально новых технологий передачи и хранения энергии.