История водородной энергетики началась ещё в первой половине XIX века. Именно тогда был создан прототип водородно-кислотного топливного элемента, что стало экспериментальным доказательством возможности его использования для выработки энергии. Тем не менее, практического применения H2-энергетике пришлось ждать целое столетие. В 1959 году сотрудник Кембриджского университета Фрэнсис Томас Бэкон оснастил топливный элемент ионообменной мембраной, что привело к повышению эффективности его работы.
Это был уже успех, на который обратила внимание такая серьёзная организация как NASA: новый топливный элемент был установлен на космические аппараты «Аполлон» в качестве основного источника энергии. Причём он обеспечивал корабль не только электричеством, но ещё теплом и водой.
Впрочем, переход от использования на уникальных высокотехнологичных устройствах до широкого применения может занимать достаточно долгий срок и сопровождаться рядом проблем, которые непросто преодолеть. Водородная энергетика в этом смысле не стала исключением. А ведь, теоретически, водород — идеальный источник энергии. Поскольку он вырабатывается из воды, его дефицита не будет никогда и ни у кого. Конечно, на планете много засушливых стран, но территорий без нефти и природного газа значительно больше. Проще говоря, водород неисчерпаем.
Чем хорош водород и как его добывать
При окислении водорода, приводящем к выработке электроэнергии, образуется экологически чистая и во всех смыслах безопасная вода. Из неё снова можно добывать водород, и так без конца. К тому же КПД водородных элементов превышает аналогичный показатель всех остальных экологически чистых источников — он достигает 60 %, в то время как у солнечных электростанций едва дотягивает до 20 %, а у ветряных — до 40 %. И это при том, что и те и другие сильно зависят от погодных условий.
Несмотря на все эти достоинства водородная энергетика не торопится спускаться из космоса на землю. Причины этого заключаются, как ни странно, в сложности добычи самого распространённого в мире элемента. Точнее — в энергии, необходимой для выделения водорода из веществ, в которые он входит.
Наиболее эффективный, с точки зрения энергозатрат, способ добычи водорода предполагает использование метана. Если его соединить с водяным паром при высоких давлении и температуре, то образуется газ с содержанием водорода до 75 %. Однако энергоэффективные установки для добычи водорода имеют такие размеры, что применять их можно исключительно на крупных производствах. Да и метан туда нужно каким-то образом доставить.
А вот простейший электролиз воды, знакомый каждому ученику средней школы, требует немало дополнительной энергии. В конечном итоге остаток получается не таким большим, как хотелось бы. Тем не менее, установки полного цикла на основе обычной воды уже существуют и успешно применяются на практике.
Работающие решения
Пример работающей компактной установки, использующей водород, — мобильная электростанция H2One, разработанная компанией Toshiba. Необходимую для электролиза энергию в ней вырабатывают солнечные батареи, причём избыток электричества накапливается в аккумуляторе на случай неблагоприятных погодных условий.
Вырабатываемый водород направляется либо непосредственно на производство энергии, либо на хранение в специальный бак. В результате станция всегда имеет запас как электроэнергии, так и водорода. Общие показатели станции H2One соответствует её относительно небольшим размерам. За час установка производит до 2 куб. м водорода, для чего потребляет 5 куб. м воды. Мощность установки составляет 55 кВт.
Невысокая мощность с лихвой компенсируется автономностью. Например, на основе станций H2One можно построить эффективную и экологически чистую систему энергоснабжения дома или даже небольшого района. В настоящее время она уже применяется на железнодорожной станции японского города Кавасаки, обеспечивая её электричеством и горячей водой.
Если пожертвовать автономностью, то при помощи водородных станций можно решать серьёзные экологические проблемы — например, утилизировать продукт переработки бытовых отходов. Для этого в 2018 году во всё том же городе Кавасаки была создана установка H2Rex, обеспечивающая электроэнергией гостиницу King SkyFront. Водород она получает не посредством электролиза, а по километровому трубопроводу с мусороперерабатывающего завода Showa Denko. Там он вырабатывается из пластиковых отходов, поступающих, в том числе, из самого отеля.
Кислород, необходимый для генерации электроэнергии, станция H2Rex берёт из атмосферного воздуха. Таким образом, коэффициент использования водорода достигает 96 %, а на выходе образуется обычная вода. Мощности такой установки достаточно для обеспечения электричеством около 100 домовладений.
Наконец, весной 2020 года в городе Фукусима была запущена самая крупная в мире экспериментальная электростанция, работающая на водороде. Для питания электролизных установок на ней используются солнечные батареи общей мощностью 20 МВт, занимающие площадь 180 тыс. кв. м. Всего станция вырабатывает 1,2 тыс. куб. м водорода в час.
Глобальные перспективы
Безусловно, пока доля водородной энергетики относительно невелика. Да и сам водород сегодня не столько топливо, сколько сырьё для производства аммиака и метанола. Однако существующее положение вещей меняется и не исключено, что уже в среднесрочной перспективе водород сможет заменить природный газ.
В частности, в Японии уже началось создание глобальной сети производства водорода для энергетических установок. Причём для его транспортировки в жидком виде стране потребуется около 80 танкеров.
В 2019 году в австралийском городе Гастингсе начато строительство специального водородного терминала. Сжиженный водород оттуда будет отправляться, в том числе и в Японию.
Все эти факты говорят о том, что о высоком потенциале водородной энергетики свидетельствуют не только прогнозы аналитиков, но и инвестиции крупных корпораций. А это означает, что традиционным энергоносителям рано или поздно придётся уступить своё место на пьедестале.
Автор: Владимир Максимов, руководитель департамента развития новых направлений бизнеса ООО «Тошиба Рус»
