Водородные элементы: шаг за шагом

15.08.2022

Довольно часто в дискуссиях о перспективных водородных двигателях и, конечно, самом перспективном топливе для авиации проскакивает сравнение с переходом от гужевого транспорта к автомобилям на двигателях внутреннего сгорания. Мол, поставил на телегу мотор и ты уже в будущем. Ну, а если эта телега еще и с крыльями или лопастями, то вот вам, пожалуйста, самолет либо вертолет в зависимости от специфических конструктивных элементов. И все бы было прекрасно, если бы не детали.

Когда политика не в помощь

Сегодня мы живем в цивилизации почти тотального безоговорочного диктата ДВС. Чего только стоит инфраструктура, обеспечивающая функционирование двигателей внутреннего сгорания — добыча, производство и хранение топлива. Ну и, конечно, сами моторы с навесным оборудованием. И проектировалось все это, строилось, проходило наладку многие, многие годы, с затратами, сопоставимыми с десятками, если не сотнями космических программ. А главным импульсом развитию, как всегда, служила война — война моторов.

Что касается политической ситуации, то обострившееся геополитическое, экономическое и технологическое соперничество между странами и корпорациями в нынешних условиях вряд ли может стать толчком к активному продвижению хрупких, капиталоемких технологий, того же водородного направления в авиастроении. Скорее, наоборот, в виду запредельной дороговизны новых проектов, их «нежности», зависимости от принципиально новой инфраструктуры, которую еще следует построить.

Несмотря на то, что тема дрейфа транспортной системы в зеленую зону становится ключевой в западной политической повестке, требования глобального сдвига пока не обеспечены технологиями и представляют собой набор пропагандистских мантр и спекуляций по поводу экологии и прогресса.

Дорого, немыслимо, но необратимо

Но с другой стороны, кто бы что ни говорил, а мир уже стоит на пороге очередной технической революции, хотя бы потому, что ископаемая энергетика конечна и не обеспечивает в ее нынешнем виде экологическую безопасность населения. Здесь легко сопоставлять экологические успехи Европы с его требованиями по загрязнению воды и воздуха на фоне того же Китая с постоянной токсичной дымкой над мегаполисами. И нас не должна сбивать с толку политическая обусловленность этого движения, электро-водородная альтернатива в транспортной сфере — необходимый этап общемирового развития. Поэтому все громче заявляют о себе работы по созданию тех или иных компонентов новой реальности — движителей и топливных элементов, основанных на использовании альтернативных энергоносителей. И работы идут сразу по нескольким направлениям, хотя бы потому, что до сих пор не удается определить единственный, перспективный, универсальный тип нового движителя для летательных аппаратов.

В самом деле, казалось, нет ничего чище и эффективнее электротяги. Вместе с тем, масса практических экспериментов позволяет сделать вывод о том, что здесь гораздо больше технологических проблем, чем достижений. Да, экспериментальные малые летательные аппараты существуют и весьма хорошо себя позиционируют, особенно в рекламной отрасли. Вот только переход к промышленному применению в виде полноразмерных воздушных судов затруднен отсутствием ряда элементов. Те же аккумуляторы пока не вышли на уровень, достаточный для «полноразмерного» применения.

Издержки гидрогенной химии

Если говорить про альтернативные топлива, то и здесь проблемы. К примеру, перспектива чистого во всех отношениях водорода явно не такая, как гласят рекламные проспекты. Во многом, это обусловлено отсутствием необходимых технологических решений. Нет, разработки и весьма успешные здесь имеются, чего только стоят кислородно-водородные двигатели ракетоносителя «Энергия», либо работавший на водороде самолет Ту-155. Но затраты, необходимые для дальнейшего развития таких проектов были настолько велики, что их пришлось частично свернуть.

При нынешнем развитии технологий водород как энергоноситель в любом случае, к сожалению, будет экономически невыгоден. Во-первых, высокая стоимость электричества от ветряков и солнечных батарей в ближайшие десятилетия не составит конкуренции генерации ТЭС и тем более ГРЭС и АЭС, энергетика продолжит базироваться на ископаемых источниках и оставаться недорогой. Во-вторых, для получения водорода из электролиза воды даже помимо каталитических компонетов требуются дорогостоящие дистилляторы — простая вода из озера для такого хайтека не годится. И это также дополнительные затраты. А если производство «зеленого» водорода действительно станет массовым (ценой неимоверных затрат), то куда утилизировать сотни тысяч тонн рассола, оставшегося после дистилляции исходного?

К тому же, трудно назвать панацеей топливо, при использовании которого резко увеличится количество водяного пара в атмосфере. Так что еще неизвестно, что хуже углеродные выбросы, либо водяной пар. Это еще никто особо и не просчитывал. То есть, проблем, которые стоят перед разработчиками движителей на альтернативных, чистых топливах, не просто много — их число огромно.

И все равно — летать

Сегодня в мире вырабатывается примерно 69 миллионов тонн водорода в год. Львиная доля его (более 60 процентов) используется в химической отрасли, чуть больше 37 процентов расходуется по другим отраслям и лишь 1 процент используется в качестве топлива. То есть для экотранспорта понадобится в сотни раз больше. На этом фоне Airbus уже заявляет о возможном начале коммерческих полетов в 2035 году аж трех своих концептов.

Среди них небольшой самолет с турбовинтовым двигателем c дальностью полета до 1850 километров, вмещающий до 100 пассажиров и подходящий для выполнения ближнемагистральных рейсов. Следующий самолет с турбовентиляторным двигателем с дальностью до 3700 километров и вместимостью в 120-200 пассажиров. Жидкий водород в этих моделях будет храниться в специальных баках, расположенных в хвосте фюзеляжа. Третий концепт — самолет с интегрированным фюзеляжем («летающее крыло»), также на 3700 километров и до 200 пассажиров, с водородным гибридным турбовентиляторным двигателем.

Кстати говоря, именно третий вариант, гибридный, как видно, пока ближе всех реализации. Дело в том, что подобные силовые установки более всего приспособлены к использованию на натурных летательных аппаратах. Взять, к примеру, гибридную установку самолета «Сигма-4Э» с водородным топливным элементом, научно-исследовательские работы по которой планирует завершить в 2022 году Центральный институт авиационного моторостроения имени П. И. Баранова.

Дорого — удешевим, активность — увеличим

Между тем, масса водородного топливного элемента в данном случае сопоставима с массой аккумуляторной батареи, а продолжительность и дальность полета значительно выше, чем у судна с электрическим двигателем. Единственная проблема — пока еще довольно низкая эффективность существующих водородных топливных элементов, которую они могут сохранять в течение эксплуатации при перезарядке, а также их крайне высокая стоимость.

Кстати, твердотельные накопители, которые можно большое количество раз «заряжать» водородом, разрабатывают в НИИЭФА имени Д. В.Ефремова по программе Росатома.

Параллельно с этим в направлении удешевления и увеличения эффективности топливных элементов ведутся работы в Гонконгском университете науки и технологии. Там был разработан водородный топливный элемент, который не только показал рекордную эффективность и срок службы, но и для работы ему нужно в пять раз меньше платины в качестве катализатора. То есть он может быть в разы дешевле. При этом его каталитическая активность (выход энергии за единицу времени) в 3,7 раза выше, чем у топливных элементов с полностью платиновым катализатором.

Главное — довести до промышленности

Ученые давно пытаются разработать альтернативу платиновым катализаторам, заменив этот металл на что-нибудь менее дорогое, но такие материалы оказывались либо неэффективными, либо слишком недолговечными. И вот в Гонконге сумели найти новую формулу, снижающую потребность в платине на 80 процентов, а также увеличивающую срок службы элемента до рекордных пределов. Несмотря на низкое содержание платины, новый гибридный катализатор сохраняет активность на уровне 97 процентов после 100 тысяч циклов теста с повышенными нагрузками. Для сравнения: эффективность обычного платинового катализатора падает после 300000 циклов наполовину.

Еще одну разработку, снижающую стоимость водородного накопителя предложили ученые Копенгагенского университета. Они разработали катализатор, содержащий в разы меньше платины, чем его современные аналоги. При этом платина в комбинации с оксидом кобальта после 800 циклов работы теряет всего 15 процентов своей эффективности. Для сравнения, эффективность катализатора из платины на слое углерода падает на 80 процентов по истечении того же количества циклов. Со временем, как у любого катализатора, у нового материала падает активность в реакции восстановления кислорода. Однако падение это находится на умеренном уровне и позволяет использовать соединения для создания промышленных образцов.

Тема без внимания не останется

Свою лепту в водородную энергетику, в частности — добычу самого легкого и экологичного газа, внесли специалисты института лазерных и плазменных технологий Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» (Институт ЛаПлаз НИЯУ МИФИ). Ведь стоимость топлива начинается с его производства, где опять же повсеместно используется та же платина. Ученые разработали комплекс лазерных методов, позволяющих создавать электроды для получения водорода, используя в них вместо дорогостоящей платины новые наноструктурированные материалы. Как пример — сульфид молибдена. Этот материал можно получить из концентрата природного минерала молибденита, тонна которого стоит в 10 миллиардов раз дешевле, чем тонна платины — самого эффективного катализатора расщепления воды.

В свою очередь новаторский способ синтеза катализатора, близкого по составу к оптимальному, предложили для очистки водорода сотрудники лаборатории катализа и газовой электрохимии кафедры физической химии химфака МГУ. Он предназначен для очистки водорода от примесей монооксида углерода СО, который сокращает время жизни топливных элементов.

Таким образом, сегодня мы наблюдаем тот самый процесс — порой хаотичный, порой основанный исключительно на рекламных и политических стимулах, но, все же, более оптимизированный, чем прежде — который, в конце концов должен выкристаллизовать облик того самого альтернативного движителя, что, в конце концов, заменит все, связанное с двигателями внутреннего сгорания. И это необратимый, хотя и сильно растянутый по времени процесс. Остается лишь запастись терпением и с надеждой наблюдать за поисками ученых и технологов.

Герман Спирин