Дело в химии. Как все устроено? - Джузеппе Алончи
Центральной деталью топливного элемента, таким образом, служат электроды из платины и полимер, который их отделяет друг от друга: вообразите, что первая топливная ячейка была изобретена еще в 1837 году химиком из Уэльса сэром Уильямом Робертом Грове, но ему не удалось распространить изобретение из-за его слишком низкой производительности. Чтобы заставить элемент работать эффективнее, нужно было решить две задачи: создать единый электрод, который бы расщеплял водород на два изолированных атома, а также найти способ быстро переправлять ионы H+ с одного электрода на другой. Задача с электродами была решена довольно быстро, учитывая, что сродство платины к водороду известна была давно – даже Грове использовал электроды именно из этого металла, – однако найти материал, который бы не препятствовал свободной циркуляции ионов водорода из одной части элемента в другой, оказалось куда как труднее. Только благодаря изобретению «Нафиона», созданного фирмой Дюпон в 1967 году, удалось создать подходящую мембрану, ознаменовавшую возрождение концепции топливного элемента.
Использование водорода, кажется, может решить значительную часть проблем, с которыми мы сейчас сталкиваемся: этот двигатель экологичен, топливо возобновляемо, не надо часами ждать перезарядки, и не только – даже в нынешнем состоянии водород дает плотность энергии (на единицу веса) примерно в 140 раз выше, чем самые современные аккумуляторы.
Поэтому многие исследователи начали работы в области водородной экономики, используя ее как основу развития человеческой цивилизации, предполагая, что ее энергетика будет основана не на ископаемом топливе, а на водороде. Но почему же тогда мы еще не пересели на машины на водородном топливе? Чего мы ждем? Может быть, это нефтяное лобби строит козни? Нет, все гораздо проще, проблема в том… что у нас не только нет водорода, но мы вдобавок еще и не знаем, как его хранить и перевозить!
Начнем с задачи попроще: транспортировка. Представим себе, что водород у нас есть и поэтому нет никаких проблем с поставками. Но тут возникает вопрос: как мы могли бы его распределять так же, как мы делаем с углеводородами? У нас есть газопроводы, нефтепроводы, кабели высокого напряжения, но ничего подобного, подходящего для водорода. В то время как метан транспортируется под давлением, примерно равным атмосферному, водород требует для перемещения гораздо более высоких давлений, в двести-триста атмосферных. Однако сжатие газа до такого состояния требует значительных энергетических затрат, что существенно снижает КПД всей системы и несет дополнительные риски. По сравнению с метаном водород намного более опасный газ, поэтому его хранение требует тотальной перестройки всей системы распределения и складирования. Управление машиной на автостраде с баллоном водорода под давлением в 200 атмосфер под сиденьем как-то не внушает уверенности…
Можно обсудить также вариант хранения и транспортировки водорода в составе некой молекулы, чтобы потом выделять газ в нужный момент посредством химической реакции. Эта стратегия была исследована, в частности в военной сфере, но не привела к определенным результатам. Тепловые элементы весьма интересуют военных – они не создают шума, вибраций и почти не выделяют тепла, поэтому трудно поддаются обнаружению противником. Эти двигатели были опробованы на подводных лодках, например немецкой U212, но и в этом случае результаты не были слишком обнадеживающими из-за низкой энергетической плотности и невысокого уровня обратимости процесса. Другими словами, относительно простого перетаскивания баллонов со сжатым газом, возникла проблема транспортировки еще большего груза, и процесс «подзарядки» стал медленным и малоэффективным.
Однако даже если мы решим проблему транспортировки, перед нами встанет другая и еще более трудная: на Земле практически нет чистого водорода. Конечно, это наиболее часто встречающийся элемент во Вселенной, но на Земле он присутствует в связанном виде, поскольку очень легко вступает в реакции. Весь водород на Земле связан либо с кислородом, образуя воду, либо с углеродом, формируя углеводороды. Ну да, углеводороды нужны будут и для добычи водорода. Это звучит как шутка, но это не шутка: на сегодняшний день 97 % водорода производятся из угля и ископаемых углеводородов, как правило из метана, обрабатываемого водяным паром при очень высокой температуре. Реакция выглядит так:
CH4 + H2O → 3 H2 + CO
Конечным продуктом этой реакции является смесь водорода и монооксида углерода, так называемый синтез-газ, обладающий высокой ценностью для промышленности и используемый в самых разных производствах, например для производства аммиака или метанола. Но он совершенно не годится для заправки автомобиля. Самое время вспомнить дорогущие электроды из платины, необходимые для работы этого двигателя. Для их дезактивации достаточно самого микроскопического количества монооксида углерода. На техническом жаргоне это звучит как «разъедание» платины монооксидом углерода – это похоже на действие свинца на катализаторы в каталитических конверторах. Чтобы получить достаточно чистый водород, годный к использованию в топливном элементе, нужно организовать весьма энергозатратный и сложный процесс очистки, состоящий из нескольких этапов, на первом из которых удаляются следы углекислого и сернистого газа, потом большая часть СО тоже превращается в углекислый газ и снова удаляется и, наконец, последние следы СО устраняются путем пропускания водорода сквозь специальные фильтры под давлением.
Этот процесс не только сущий энергетический кошмар по сути, но и основан на все тех же ископаемых ресурсах и возвращает нас туда же, откуда мы пытались уйти. А существует ли альтернатива? Не можем ли мы попытаться найти экологический способ получения водорода без сопутствующего загрязнения? Как было бы прекрасно: мы бы могли получать водород из воды, а потом, «сжигая» его в топливном элементе, возвращать обратно в воду. Прекрасный, экологичный, остроумный цикл… который противоречит термодинамике. Помните длинное-длинное вступление в самом начале раздела? Оно написано специально, чтобы вы не строили себе иллюзий относительно возможности выиграть сражение за энергию: это невозможно. Как ни эффективны были бы способы производства водорода из воды, как ни эффективны были бы методы его превращения обратно в воду, мы непременно должны будем затрачивать больше энергии для его производства, чем сможем получить от его использования. Единственный способ сделать этот процесс свободным – это найти бесплатный и изобильный источник энергии… типа Солнца. А почему бы не использовать солнечную энергию для добычи водорода из воды?
Самым эффективным способом добычи водорода из воды является процесс так называемого электролиза, в котором мы используем электрическую энергию для запуска химической реакции. Если подключить электрический ток к двум электродам, то можно создать источник энергии для разрыва одних
