Транснациональные корпорации понимают, что водородные технологии способны вывести человечество на новый виток технологического развития, и усиливают конкуренцию за первенство в этой инновационной нише.
Выдержит – не выдержит украинская экономика новые цены на газ? Подешевеет нефть – не подешевеет? Закрывать аварийно опасные шахты – не закрывать? Державные мужи все гадают, а воз энергетики и ныне там. В Украине о необходимости искать и широко внедрять альтернативные источники энергии и говорится-то немного, а делается еще меньше. Есть, конечно, предложения по разрешению топливного кризиса путем сжигания соломы, рапсового масла и некоторых менее приятных органических веществ… А тем временем в мире незаметно назревает новая технологическая революция, связанная с широким применением водорода в качестве самого доступного, эффективного и экологически чистого энергоносителя.
Добыча из газа и воды
В том, Что водороду принадлежит будущее энергетической и топливной отрасли, ученые-теоретики сходятся во мнении уже давно. На уровне практики всходы водородных технологий только сейчас становятся заметными и начинают формировать четкую тенденцию, постепенно переходя из области эксклюзивных разработок для аэрокосмической отрасли в массовый сектор электростанций, автомобилей и компьютеров. Примечательно, что мировые нефтяные гиганты, стремясь не допустить победы чужаков на своем поле, в последнее время заметно активизировали собственные R&D в области водородных технологий. Для этого создаются специальные подразделения и компании, такие как Shell Hydrogen, Hydrogen Unit of Chevron Technology Ventures и СП Hydrogen Energy (50% BP и 50% Rio Tinto).
Первой в истории водород в качестве топлива использовала NASA. В конце 1950-х она запустила в космос аппарат, приводимый в движение с помощью самого распространенного в мире химического элемента и до сих пор остается верна этому виду горючего. Далее водородные технологии развивались по двум направлениям: совершенствование способов добычи энергоносителя и развитие методов получения полезной энергии. Самые распространенные методы добычи водорода – это преобразование метанола и электролиз воды. В США, например, 95% промышленного водорода производится из метана (природный газ). Более дорогой (пока еще), но зато более перспективный с точки зрения экологии и неограниченности ресурсов метод добычи водорода – разложение воды на водород и кислород путем электролиза при высокой температуре в присутствии катализатора. Причем если производить электроэнергию из возобновляемых источников (энергия солнца, ветра, приливов и проч.), а водород – из воды, мы получаем экологически безупречную, самую доступную с точки зрения сырья и на сегодняшний день самую эффективную (ибо энергоемкость водорода в три раза выше, чем бензина) модель энергоснабжения человечества. И эта технология – уже не фантастика, а коммерческая реальность.
Сжигать или превращать
Применять водород для производства полезной энергии можно либо сжиганием его в двигателях внутреннего сгорания (ДВС), либо путем превращения в полезную энергию в ходе химической реакции в топливном элементе. Например, BMW и Mazda идут по пути прямого сжигания водорода в ДВС. BMW уже испытывает свою модель Hydrogen 7 с 12-цилиндровым двигателем мощностью 260 л. с., работающим на водородном топливе вместо бензина. «Экомобили» BMW не продаются, а в целях испытаний и рекламы только сдаются в аренду нашим выдающимся современникам – кинодивам Кейт Бланшетт и Джейн Фонде, оперным звездам Пласидо Доминго и Анне Нетребко и министру окружающей среды Баварии Вернеру Шнаппауфу… Да и неизвестно, нашлись бы покупатели на эту дорогую игрушку стоимостью 1,2 млн. евро, которая на 100 км съедает 4,2 кг водорода по 8 евро за килограмм на заправках Тotal, что в пересчете на бензиновый эквивалент составляет 2,7 евро за литр. А каков будет шок автовладельца, оставившего свою любимицу на некоторое время в гараже: за девять дней испаряется полбака дорогого топлива – просто вследствие летучести водорода. Похоже, ВМW несколько торопится презентовать свои водородные технологии (которые ранее планировала представить к 2010 г.), но в положение цугцванга ее ставят более оперативные конкуренты.
В отличие от ВМW инженеры DaimlerСhrysler и Ford в кооперации с Ballard, а также Toyota, Honda, General Motors, Nissan пошли другим путем: водород они используют не в двигателе внутреннего сгорания, а в топливных элементах, внутри которых в ходе химической реакции соединения с кислородом он преобразуется в электричество. Фактически двигатель на топливных элементах состоит из двух частей – водородная электростанция, преобразующая топливо в электроэнергию, и электродвигатель, приводящий автомобиль в движение. В зависимости от технического решения машину на топливных элементах можно заправлять непосредственно водородом, а можно – углеводородным топливом (бензином, спиртом). На выходе мы имеем воду и огромное количество полезной энергии. Если обычный бензиновый ДВС имеет кпд порядка 18-20%, водородный ДВС – около 25%, метаноловые топливные элементы – около 38%, то современный двигатель на водородных топливных элементах производства Toyota, Honda, Ballard имеет КПД на уровне 60%.
Именно с массовым коммерческим применением топливных водородных элементов аналитики связывают возможность технологического прорыва, сравнимого разве что с тем, который в свое время вызвала коммерциализация Интернета. Мировым лидером водородных технологий с использованием топливного элемента считается канадская фирма Ballard, которая видит свою миссию в том, чтобы превратить водородный топливный элемент в коммерческую реальность (что, судя по хронической убыточности компании, дается ей нелегко). Компания разрабатывает не только двигатели, но и генераторы электричества и тепла, а также системы питания для компьютерных установок. В резиденции японского премьер-министра установлен домашний генератор совместной разработки Ballard и Tokio Gas, работающий на водородном топливном элементе, мощностью 1 кВт с общим кпд системы 92% – против 40% у обычного генератора.
Наступление топливных элементов
Несмотря на трудности роста, наступление топливных элементов продолжается. DaimlerChrysler уже с 2004 г. успешно проводит полевые испытания своего самого крупного в мире автопарка на водородных топливных элементах – в общей сложности более 100 единиц. 60 легковых автомобилей Mercedes-Benz класса А колесят по дорогам Германии, Японии, Сингапура и США; курьерская служба UPS г. Детройта уже полгода успешно использует безэмиссионный Dodge Sprinter для развозки почты в тяжелых условиях калифорнийских автомобильных пробок; а 70-местные пассажирские экобусы выполняют экскурсионные и маршрутные рейсы дорогами Австралии, Китая и других стран, при этом демонстрируя приличную окупаемость даже в китайских условиях – и все это при нулевой эмиссии токсичных газов.
Honda в свою очередь отличилась тем, что первой заявила на лос-анджелесском автосалоне о мелкосерийном выпуске автомобиля с двигателем на водородных элементах Honda FCX Clarity, который появится на японском и американском рынках уже летом 2008 г. Правда, пока речь опять-таки идет лишь об ограниченной партии, которая будет отдана в лизинг. Honda позаботилась о потребителе дважды, спроектировав еще и домашнюю водородную теплоэлектростанцию, которая позволит не только решить актуальную проблему заправки автомобиля водородным топливом, но заодно и обеспечить жилище теплом и электроэнергией.
Экспериментальный образец домашней электростанции, генерирующей тепло, электроэнергию и водород из природного газа, находится в эксплуатации в Торрансе, Калифорния, с 2003 г. В сотрудничестве с технологическим партнером Plug Power к 2007 г. Honda усовершенствовала и удешевила домашнюю электростанцию Home Energy Station IV. Тем временем Ford Motors установила топливный элемент не только на своих экологически чистых внедорожниках Edge, но на новом беспилотном реактивном самолете HALE фирмы Boeing, способном непрерывно находиться в стратосфере до семи суток и зависать там в одной точке над конкретным объектом. Интересно, что в этом летательном аппарате используется многоступенчатый четырехцилиндровый ДВС с турбонаддувом, – такой же, как в гибридах Ford Fusion and Escape, только не в бензиновой, а в водородной версии с применением топливного элемента.
На пути широкой коммерциализации технологии топливных элементов стоит ряд препятствий, самые важные из которых – отсутствие инфраструктуры водородных заправочных станций, пока еще высокая цена по сравнению с традиционным топливом, а также необходимость технической доработки с точки зрения безопасности, герметичности, компактности, работы при низких температурах и проч. Но это закономерно для любой инновации. Водородные разработки и их внедрение щедро субсидируются правительствами США, Японии, Австралии и европейских стран под знаменем борьбы с парниковым эффектом. Существуют и международные программы финансовой поддержки для альтернативных источников энергии.