В ноябре 2003 года в Москве произошло знаменательное событие. Российская академия наук и горно-металлургическая компания “Норильский никель” подписали Генеральное соглашение о сотрудничестве в области водородной энергетики. В соответствии с этим документом компания будет выделять на исследования от 20 до 40 миллионов долларов ежегодно. 9 декабря 2003 года на совместном заседании Президиума Российской академии наук и правления компании “Норильский никель” президент РАН Ю. С. Осипов и генеральный директор горно-металлургической компании “Норильский никель” М. Д. Прохоров утвердили комплексную “Программу научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по водородной энергетике и топливным элементам”. Руководить российской водородной программой будет вице-президент РАН академик Г. А. Месяц. В ней примут участие около 20 академических и отраслевых институтов: Институт электрохимии РАН, Институт катализа СО РАН, Институт высокотемпературной электрохимии УРО РАН, институты Сарова, Снежинска, РНЦ “Курчатовский институт” и многие другие.
“Совместная работа с Российской академией наук в области водородной энергетики и топливных элементов — это уникальная возможность для нашей страны вернуться в число ведущих экономически развитых держав мира”, — считает М. Д. Прохоров. В США, государствах Европейского союза и многих других странах исследования по водородной энергетике относятся к приоритетным направлениям развития науки и техники и получают финансовую поддержку как со стороны государства, так и от представителей бизнеса. Основная цель развития водородных технологий — снижение зависимости от существующих энергоносителей — нефти и газа, составляющих сегодня основу российской экономики. Если через 15 лет мир перейдет на водород, то Россия может оказаться далеко позади. Мы не должны этого допустить, тем более что, по мнению участников водородной программы, у нашей страны есть конкурентные преимущества: во-первых, уникальные научные разработки в области водородных технологий, а во-вторых, богатые запасы палладия — металла, который может служить прекрасным катализатором в энергетических установках на основе водорода. Используя и то и другое, участники водородной программы надеются уже в ближайшие годы занять нишу высоких технологий на базе водородной энергетики.
Напомним читателям: основные преимущества водорода — экологическая безопасность и высокая энергетическая отдача. При горении водорода образуется только вода, а теплота его сгорания составляет 143 кДж/г, то есть примерно в 5 раз выше, чем у углеводородов (29 кДж/г). Водород — самое распространенное вещество во Вселенной (по оценкам, он составляет около половины массы звезд и большую часть межзвездного газа), однако на Земле в свободном виде его практически нет. Небольшое количество водорода выбрасывают вулканы, но газ этот настолько легкий, что его молекулы очень быстро улетают из атмосферы в космическое пространство. Строго говоря, водород не источник энергии, а лишь ее носитель. Чтобы использовать водород в качестве топлива, надо сначала извлечь его из другого вещества.
Сейчас водород получают, главным образом, из природного газа методом каталитической конверсии с водяным паром. Пока это самый дешевый способ, но в конечном итоге такой путь ведет в тупик, ведь запасы газа рано или поздно тоже закончатся. Неиссякаемым источником водорода может служить вода. Электролиз воды технически осуществить довольно просто, но этот процесс требует значительных энергозатрат. Технология будет экономически выгодной только в том случае, если использовать дешевую электроэнергию, получаемую желательно из возобновляемых источников, — за счет энергии воды, ветра, солнца.
В последнее время появился интерес к технологиям получения водорода из биомассы, остающейся после переработки сельскохозяйственного сырья. Здесь есть несколько возможностей: конверсия спресованной биомассы, ферментация либо использование бактерий, способных продуцировать водород.
Каким бы методом ни получали водород, его надо как-то хранить. Наиболее известный способ — в баллонах, в сжатом виде. Сейчас уже существуют сверхлегкие баллоны, рассчитанные на давление до 450 атм. Можно ли сжать водород сильнее? Атом водорода настолько мал, что при очень высоких давлениях способен просто “просочиться” сквозь стенки баллона. Ученым из Института физики твердого тела РАН удалось преодолеть эту трудность: они разработали пионерскую методику, которая позволяет сжимать водород до огромных давлений.
При обычных условиях водород — это газ, но при низких температурах он превращается в жидкость, и тогда его можно хранить и транспортировать в теплоизолированных сосудах-криостатах. Уже испытаны криогенные баки для автомобилей с экранно-вакуумной изоляцией, которые продлевают срок автономного хранения водорода до двух с лишним недель (и это при разности температур между жидким водородом и окружающей средой более 250°С).
Но все-таки наиболее перспективны способы хранения водорода с помощью твердых носителей, например в виде гидридов металлов. Молекула водорода так мала, что она легко “вписывается” в пустоты кристаллической решетки многих металлов. Некоторые металлы и сплавы “впитывают” водород, подобно тому, как губка — воду. Например, кусок палладия определенного объема способен поглотить до 800 таких же объемов водорода! Водород, “застрявший” в кристаллической решетке, образует с атомами металлов химические соединения — гидриды. При образовании гидридов выделяется тепло. Соответственно, чтобы извлечь водород из металлической “губки”, ее нужно нагреть. Особый интерес представляют интерметаллические сплавы титана, железа, магния, никеля, лантана, ванадия.
Главный недостаток металлогидридов в том, что накопители водорода на их основе слишком много весят. Но для “впитывания” и хранения водорода можно использовать и более легкие вещества — например, углеродные нанотрубки и стеклянные микросферы. В российских научных институтах есть уникальные достижения в этой области.
Основное условие перехода к водородной энергетике — создание надежных и экономически выгодных топливных элементов на основе водорода. В таком элементе химическая энергия, высвобождающаяся в реакции водорода с кислородом, превращается непосредственно в электрическую. Коэффициент полезного действия топливного элемента может достигать 90%. Это дает огромную выгоду по сравнению с любой тепловой машиной, где процесс превращения энергии топлива в электрическую включает несколько промежуточных стадий: сначала образование теплоты в результате сгорания, затем переход тепловой энергии в механическую энергию турбины или двигателя и, наконец, выработка электричества с помощью генератора.
Топливный элемент, как и любой другой химический источник тока, включает в себя электроды и электролит. Но если в гальваническом элементе (обычной батарейке) электричество образуется за счет расходования активных веществ электродов, то в топливном элементе химические реагенты (например, водород и кислород) подаются извне. Электроды топливных элементов обычно делают из пористых материалов с высокоразвитой поверхностью. Для ускорения химических реакций электроды активируют катализаторами на основе платины, палладия, никеля и некоторых других материалов.
Принцип работы топливного элемента открыт еще в 1839 году английским исследователем Уильямом Гроувом. Но в то время реализовать его на практике не удалось. В середине XX века началась активная разработка устройств, позволяющих напрямую преобразовывать химическую энергию топлива в электричество. В России первый электрохимический генератор “Волна” на основе водородных топливных элементов появился в 1970 году, а вскоре ему на смену пришел более долговечный и эффективный “Фотон” (см. “Наука и жизнь” № 9, 1990 г.). Поначалу топливные элементы нашли практическое применение в космических проектах (“Аполлон” и “Шаттл” в США, “Буран” — в нашей стране). Был создан и самолет-лаборатория Ту-155 с двигателем, работающим на жидком водороде (см. “Наука и жизнь” № 1, 1989 г.; № 3, 2001 г.).
В первых топливных элементах использовался щелочной электролит. Такая конструкция требует тщательной очистки водорода и кислорода, поскольку примеси, особенно углекислый газ, реагируют со щелочью. Позднее появились менее капризные устройства с электролитом на основе фосфорной кислоты и графитовыми электродами; окислителем в таких топливных элементах может служить кислород воздуха. Разработаны также высокотемпературные топливные элементы двух типов: в одном — электролит состоит из расплава карбонатов щелочных металлов (лития, калия, натрия), а в другом — используется твердый электролит на основе оксидов циркония и иттрия.
Для транспортных средств и портативных источников тока наиболее перспективны топливные элементы с твердополимерным электролитом. В таком устройстве электроды разделены полимерной мембраной, которая пропускает только протоны и не дает пройти электронам.
Пока что топливные элементы не находят широкого применения из-за непомерно высокой цены: стоимость 1 квт.ч составляет несколько тысяч долларов. Другая проблема — короткий срок службы топливных элементов, и над этим предстоит работать. Тем не менее во всем мире создаются опытные устройства, работающие на водороде, причем самого разного калибра — от электростанций до портативных источников питания для микрокалькуляторов. Образцы автомобилей на водородной тяге выпускают многие крупные автомобильные компании - “Даймлер-Крайслер”, “Форд”, “Мазда”, “Тойота”, “БМВ”, “Рено”. Есть новые модели автомобилей на топливных элементах и у нас в стране, например “АНТЭЛ”, изготовленный на Волжском автомобильном заводе (см. “Наука и жизнь” № 8, 2003 г.).
Говоря о развитии водородной энергетики, нельзя не упомянуть о проблемах безопасности. Водород нетоксичен, но пожаро- и взрывоопасен, при высокой температуре он способен самовоспламеняться на воздухе. Чтобы обеспечить меры безопасности, требуются дополнительные затраты, однако развитые страны готовы пойти и на эти расходы.
В Европейском союзе своеобразным полигоном по освоению водородной энергетики станет Исландия, где для производства водорода можно использовать дешевую энергию геотермальных источников и гидроэлектростанций. Стране выделено 60 млн евро, чтобы она в ближайшие 15—20 лет перешла в основном на водородное топливо. Форсируют развитие водородной энергетики и в США: к 2020 году надеются перевести американскую автомобильную промышленность на водород. На эти цели в ближайшее время будет выделено около 5 млрд долларов.
По фундаментальным научным разработкам российские ученые во многом опережают западных коллег. Но чтобы эти достижения не остались на уровне лабораторных экспериментов, необходим технический рывок. Именно такую задачу и ставит российская водородная программа.
