Получить энергию на H<sub>2</sub>

Водород считается самым простым химическим веществом, однако все не так просто. Попытки использования водорода в качестве средства для получения энергии привели к появлению нового направления – водородной энергетики.

Разработки ведутся не один год, и уже есть автомобили и энергетические станции, работающие на водороде.

Водород – самый распространенный элемент во Вселенной. Его значение в химических процессах, происходящих на Земле, почти так же велико, как и кислорода. Получить водород можно из самых различных источников, а единственным побочным продуктом при его использовании в топливных элементах является вода. Именно поэтому водородная энергетика – одно из наиболее перспективных новых энергетических направлений.

Топливо будущего

Принцип действия топливных элементов был открыт в 1839 г. английским ученым Уильямом Гроувом. Он обнаружил, что процесс электролиза воды (разложение ее на водород и кислород с помощью электричества) обратим, то есть можно получить воду путем соединения двух газов, причем с выделением тепла и электричества. Свой прибор ученый назвал «газовой батареей», однако в последующее столетие идея не нашла практического применения. С 1930‑х гг. работать над топливным элементом начал профессор Фрэнсис Томас Бэкон, и в 1959 г. он смог представить публике 5‑киловаттный топливный элемент, который был способен снабжать энергией сварочный аппарат. В 1960‑х гг. первые исследования начались и в СССР (в основном такие топливные элементы применялись в космической отрасли).

Эксперты утверждают, что сегодня технология водородных топливных элементов находится на грани появления их на массовом рынке – в автомобилях, домах и в портативных устройствах.

Сегодня в мире существуют успешные примеры использования водородных топливных элементов в больших бизнес-центрах, госпиталях и жилых зданиях, а мировые компании вкладывают средства в развитие водородной энергетики. В 1991 г. в Калифорнии была введена в эксплуатацию электростанция, использующая технический водород в качестве топлива. В Японии такие станции работают еще с 1983 г., а в 2005 г. в стране было объявлено о начале многолетнего демонстрационного проекта. Была запланирована установка около 6000 бытовых энергетических установок на водородных топливных элементах, и уже в 2009 г. Япония вышла в лидеры по продажам топливных элементов для бытовых нужд.

Японская же компания Toshiba два года назад запустила автономную систему энергообеспечения на основе водорода «H₂One». Эта система получает водород из воды, накапливает его и использует для питания транспортных средств, нагревания воды и генерации электричества. Сообщается, что система способна обеспечить до трехсот человек электричеством и горячей водой на протяжении недели.

Водородный топливный элемент может решить и проблему мобильных устройств, обеспечив длительный период работы устройства без подзарядки. Для сравнения, стандартная батарейка в шесть раз уступает батарейке водородной в энергоемкости.

Несколько лет назад две японские компании – Rohm Semiconductor и Aquafairy Corp., разработали компактные, но достаточно мощные водородные топливные элементы для питания портативных мобильных устройств. В 2015 г. Apple также заявляла о начале разработки встроенных топливных элементов, на которых смартфоны смогут работать в течение недели. Совсем недавно на рынке презентовали российский прибор для зарядки портативных устройств HandyPower (грант на выпуск первой опытной партии создатели получили от фонда «Сколково»).

Водород может также использоваться в качестве топлива в обычном двигателе внутреннего сгорания автомобиля. При сжигании водорода в двигателе он соединяется с кислородом атмосферного воздуха, и вновь образуется вода. Страны Евросоюза, а также США и Япония уже более тридцати лет постепенно переходят на водородный транспорт. В Лондоне, к примеру, в настоящее время эксплуатируется более 8000 автобусов с двигателями внутреннего сгорания, работающими на водороде.

Среди компаний, которые производят такие автомобили, – Toyota, Honda и Hyundai. Разработкой автомобилей на водородном топливе занимаются также Audi, BMW, Ford, Nissan. Даже российский «АвтоВАЗ» на базе автомобиля ВАЗ-2131 создал несколько опытных экземпляров водородного автомобиля, пока в 2004 г. финансирование проекта не было остановлено.

Водородное развитие

Во многих странах были приняты программы развития водородной энергетики. В 2014 г. правительство Японии приняло энергетический план, согласно которому планировалось наращивать использование водорода, прокладывая путь к «водородному обществу». В США еще в 1996 г. была предусмотрена всеобъемлющая национальная энергетическая стратегия, частью которой стала водородная программа с задачей перехода экономики страны на водород как основной энергоноситель. Норвегия, Италия, Франция, Швейцария, Великобритания, Германия также реализуют национальные проекты в области водородной энергетики. В России в 2003 г. компания «Норильский никель» и Российская академия наук подписали соглашение о ведении научно-исследовательских работ в сфере водородной энергетики. «Норильский никель» вложил в исследования 40 млн долларов, однако с 2008 г. перестал финансировать проект.

Основные проблемы водородной энергетики заключаются в том, что получение вещества сопряжено с необходимостью траты иных энергоносителей, с высокими расходами на создание водородной энергоустановки (до нескольких тысяч долларов за 1 кВт), а также с высокой стоимостью этого вида топлива (около восьми евро за литр).

Специалисты стремятся устранить эти проблемы. Так, внимание уделяется вопросам получения водорода из воды (фактически неисчерпаемого ресурса). Снижение цены топлива возможно при строительстве инфраструктуры по доставке и хранению водорода. Пока в США действует 750 километров, а в Европе – 1500 километров водородных трубопроводных систем.

Свойства металла

Одна из самых спорных теорий – получение металлического водорода. Теории его существования более восьмидесяти лет, но до сих пор нельзя с уверенностью сказать, что он был получен. Между тем, металлический водород, являясь сверхпроводником, мог бы стать прорывом в энергетике.

Общепризнано, что водород может принимать три агрегатных состояния – газообразное, жидкое и твердое. При нормальном давлении и обычной комнатной температуре водород имеет форму газа. Если сжать обычный водород давлением в тысячи атмосфер, то можно получить его сначала в жидком, а потом и в твердом виде – прозрачного, не проводящего электричество материала. Однако уже давно существует теория о четвертом, дополнительном, агрегатном состоянии водорода – при значительном повышении давления водород может стать металлом.

Водород обычно встречается в молекулярном виде, то есть в виде молекул, состоящих из двух протонов и двух электронов. Однако если расщепить молекулу, то получится атомарный водород. Атом водорода – самый простой из атомов. Его ядро – один протон, вокруг него движется один электрон. При атмосферном давлении атомарный водород неустойчив и быстро переходит в молекулярную форму. При увеличении внешнего давления ядра водорода (протоны) сближаются друг с другом, а сила связи электрона с ядром уменьшается. В итоге электроны слабо связываются с протонами, что характерно для металлов.

Впервые теорию о металлическом водороде ученые озвучили в конце 30‑х гг. прошлого века. По их мнению, переход водорода в металлическое состояние происходит под действием высокого давления около 250 тыс. атм. В дальнейшем оценка давления, требуемого для перехода, была значительно повышена (не менее 1 млн атм.). Сначала металлический водород интересовал только ученых, пока в 1968 г. американский физик Нил Ашкрофт не доказал, что металлический водород может оставаться стабильным при атмосферном давлении. После этого получением металлического водорода занялись сразу несколько экспериментальных групп в разных странах.

Следующим шагом стало последовавшее в 1977 г. заявление ученых о достижении 1,7 млн атм. в миниатюрном устройстве (алмазных наковальнях), давление в котором создается с помощью двух алмазов. Металлический водород был синтезирован в лабораторных условиях в 1996 г. в Ливерморской национальной лаборатории Минэнерго США в Калифорнии, однако время его существования было недолгим – около одной микросекунды.

Наконец, в начале 2017 г. ученые из Гарварда во главе с Исааком Силверой и Рангой Диасом добились получения стабильного образца. Чтобы довести вещество до такого состояния, его зажали между двух кончиков алмаза. Под алмазным прессом им удалось достичь давления в 5 млн атм. Однако камера, где хранился образец, под давлением развалилась, и образец был потерян. Произошло это за несколько минут до упаковки алмазной наковальни для отправки в измерительную лабораторию. Научное сообщество скептически отнеслось к данной новости, ведь нужные тесты (в частности, проверка электропроводности материала) не были проведены. В любом случае ученые собираются повторить эксперимент, используя в прессе алмазы другого типа.

В теории металлический водород может быть использован для создания проводов с нулевым сопротивлением, а это приведет к революции в области передачи и хранения электроэнергии. С другой стороны, количество вещества, получаемое в алмазных наковальнях, настолько мало, что любые проекты, связанные с практическим использованием металлического водорода, пока остаются фантастикой.

Логин:
Пароль:
Запомнить меня
Регистрация
Забыли свой пароль?
Войти как пользователь:

Получить энергию на H2

Топливо будущего

Водородное развитие

Свойства металла

Получить энергию на H₂