20 апреля

Слишком быстрое топливо

Недавно президент холдинговой компании «Интеррос» Владимир Потанин в очередной раз озвучил свою поддержку водородной энергетики России. На личной аудиенции у Путина он пообещал вложить в ее развитие $100 млн. «Мы верим, что это действительно технология будущего», — сказал Потанин. Между тем скептиков масштабного развития этой ветви энергетики на планете все больше. Самые неблагоприятные прогнозы даются, как ни странно, экологами США — родины водородных мегапроектов. Bодородной программе в России, в принципе, повезло. В ней сошлись интересы двух главных заинтересованных сторон. Первая — это ученые Российской академии, у которых полно перспективных разработок, касающихся самых разных аспектов энергетики, в том числе и водородной. Вторая сторона — ОАО «Горно-металлургическая компания «Норильский никель», которой нужно было куда-то пристроить сопутствующий никелю палладий. Этого благородного металла у компании накопилось ни много ни мало 50% мирового рынка. Компания, следовательно, заинтересована, чтобы цена на палладий на рынке держалась стабильно, а еще лучше — росла. И тут очень кстати выяснилось, что он является великолепным катализатором — ускорителем химических реакций — при очистке газовых смесей и получении чистого водорода. А именно такой нужен для процессов «холодного горения» — окисления кислородом водорода в топливном элементе. Сейчас топливный элемент стоит очень дорого: один киловатт мощности, полученный от него, обходится примерно в $5000. А конкурентоспособная цена — $200 за киловатт. Задача ученых и технологов во всем мире одна: добиться радикального снижения цены, например за счет оптимизации состава и структуры катализаторов. Поэтому альянс РАН и горно-металлургической компании вполне оправдан и понятен, а помешать плавному развитию сотрудничества может только неумение ученых, унаследованное от советской науки, внятно отчитываться за потраченные спонсорские средства. Речь идет о десятках миллионов долларов. Учиться этому все равно придется: глава Минобрнауки РФ Андрей Фурсенко недавно высказал обобщенную государственную точку зрения — прикладная наука должна финансироваться за счет договоров промышленности. Экологическая перспектива Два года назад, когда соглашение между РАН и «Норильским никелем» было подписано, вице-президент Академии наук Геннадий Месяц, возглавивший программу по водородной энергетике, с воодушевлением заявил: «Мы планируем объединить усилия двух десятков институтов и через несколько лет получить коммерчески пригодный продукт — батарею на топливных элементах». В общем хоре одобрения только один статусный ученый, академик-секретарь Отделения энергетики, машиностроения, механики и процессов управления Владимир Фортов предупреждал о рисках, связанных с водородной энергетикой: «Водород обладает физико-химическими свойствами, которые делают его применение очень опасным. Скорость диффузии водорода в открытом пространстве — 2 м/с (у обычного газа — 20 см/с). Более того, концентрационный предел по горению и детонации у водорода на порядки более высокий, чем у топливного газа и паров бензина. А главное, водород обладает наибольшей калорийностью и в зависимости от гидродинамической схемы развития взрыва может в десятки раз превосходить тротиловый эквивалент тринитротолуола. Незакрученный штуцер в водородном двигателе в гараже под небоскребом может вызвать взрыв и поставить крест на всей водородной энергетике». Пожалуй, первым ученым, всерьез столкнувшимся с взрывоопасностью водорода, был директор Парижского музея науки Пилатр де Розье. Это было лет двести пятьдесят назад, когда Розье решил проверить, что будет, если несколько раз вдохнуть водород, а затем выдохнуть его на огонь свечи. Ученый ожидал увидеть вспышку пламени. Однако водород из легких перемешался с воздухом, и произошел сильный взрыв. «Я думал, что у меня вылетели все зубы вместе с корнями», — описывал он впоследствии опыт, который чуть не стоил ему жизни. Но дело не только во взрывоопасности водорода, а и в тех экологических последствиях, которые повлечет за собой бурное развитие водородной энергетики буквально в ближайшие десятилетия. И пусть сейчас водорода в атмосфере всего 0,00005% и его влияние на климат ничтожно. В XVII веке, на заре технической революции, человечество тоже не предполагало, что все это кончится борьбой с промышленными выбросами, парниковыми газами, глобальным изменением климата и Киотским протоколом. Сейчас в России этими прогнозами не занимаются ни климатологи, ни специалисты по физике атмосферы. Вообще никто. А вот их американские коллеги из Калифорнийского технологического института (КТИ) в Пасадене уже создали соответствующую математическую модель и пришли к неутешительным выводам. Коллектив ученых во главе с Трейси Тромпом, опубликовавший свою модель в журнале Sciensе, утверждает, что массовый переход на водород в качестве топлива для автомобильных и других двигателей может способствовать деградации озонового слоя, особенно над полюсами, а также охлаждению атмосферы. Но для таких масштабных климатических перемен нужно очень много водорода. Специалисты КТИ предрекают колоссальные утечки этого газа из трубопроводов, топливных терминалов и различных двигателей, которыми в эпоху развитой водородной энергетики будет напичкан весь земной шар. По словам Юка Юна, одного из калифорнийских исследователей, ежегодно таким образом может теряться от 10% до 20% производимого водорода. Речь идет о десятках миллионов тонн в год. Ученые считают, что легкий водород будет быстро подниматься в верхние слои атмосферы и окисляться кислородом воздуха, образуя воду. Как сообщает Трейси Тромп, предполагаемое увлажнение стратосферы повлечет снижение ее температуры приблизительно на 0,5 градуса Цельсия. Понижение температуры будет особенно заметно в области полюсов, где образуется больше всего водяного пара, и проявится, в частности, в более позднем приходе весны. Не исключено, что большая концентрация водорода в атмосфере будет «дырявить» озоновый слой и образовывать в нем новые бреши, которые составят порядка 7—8% от существующей площади. Как с нефтью — не выйдет Есть еще одна проблема, заметно снижающая экологичность водородной энергетики, — получение чистого Н2. В принципе, водород можно получать электролизом воды, то есть разложением ее под воздействием электрического тока. Но, по свидетельству Геннадия Месяца, главным источником все же является природное топливо: метан, уголь, древесина и т.д. При взаимодействии топлива с парами воды или воздухом образуется синтезгаз — смесь СО и Н2. Из нее затем выделяется водород. Другой источник — отходы сельскохозяйственного производства, из которых получают биогаз, а затем — синтезгаз. На этот счет существуют исследования лаборатории проблем энергетики и окружающей среды одного из авторитетнейших научных учреждений США — Массачусетского технологического института. В них дается прогноз состояния атмосферы на ближайшие два десятка лет. Ученые делают вывод, что, хотя сами водородные двигатели не загрязняют воздух, выбросы заводов, которые будут производить водородное топливо из углеводородов, компенсируют всю выгоду. Вердикт специалистов МИТ: для уменьшения выбросов необходимо совершенствовать существующие бензиновые и дизельные двигатели, а также расширять использование гибридных моторов. То ли дело, если бы водород в чистом виде хранился где-нибудь в земной коре. Тогда можно было бы извлечь его оттуда, всего лишь пробурив скважину. Был такой момент пару лет назад, когда ученые NASA уверяли энергетиков в существовании такой возможности. Они провели ряд исследований и пришли к выводу о том, водород в земной коре высвобождается в момент, когда внутри породы происходит процесс «расщепления молекулы воды». По их расчетам, в некоторых участках земной коры может содержаться до 1000 литров водорода на каждый кубический метр породы. Но российские ученые относятся к подобной перспективе предельно скептически. «В геологической толще Земли не может сложиться условий глобального накопления водорода, — утверждает доктор геологоминералогических наук из Института геохимии РАН Олег Луканин. — Он может высвобождаться в виде Н2 из газгидратов, выходить в смеси газов из разломов земной коры и при извержении вулканов. Водород даже будет обгонять все другие газообразные соединения, потому что он легкий и быстрый. Но по пути следования он обязательно прореагирует с кислородом и оксидами углерода. Так что в конечном счете мы получим не столь желанный Н2, а воду и метан». Кто во что горазд К водородной энергетике сегодня пристраиваются все, и все по-разному. Островные государства намереваются эксплуатировать Мировой океан, получая водород путем электролиза воды. Странам ОПЕК вовсе нечего беспокоиться, пока у них есть нефть и газ. Но некоторые государства собираются идти своим эксклюзивным путем. Например, в Австралии много титана. Никому он пока не нужен. Исследователи из университета Нового Южного Уэльса синтезировали из диоксида титана специальную керамику, которая собирает солнечный свет и разлагает воду для производства водородного топлива. Ученые остановились на титановых фотоэлектродах, потому что они обладают нужными полупроводниковыми свойствами и самым высоким сопротивлением к создаваемой водой коррозии. Но самый экстравагантный подход к водородной энергетике — исторический — предложила Исландия. Правительство этой страны ратует за полный отказ от бензина и утверждает, что именно Исландия идеально подходит для поиска новых топливных водородных технологий из-за наличия геотермальных источников. «Когда викинги пришли сюда, они использовали только возобновляемую энергию ветра и солнца. Сейчас мы делаем первые шаги в сторону водородной экономики. Это возврат на путь викингов», — говорит профессор химии Исландского университета Брейджи Арнасон. Возвращение к истокам — это красиво, но слабо подходит современной энергетике. Потому что, если следовать логике исландских ученых и государственных мужей, Арабским Эмиратам нужно завязывать с нефтью и переходить на экспорт саксаулового хвороста и верблюжьего кизяка.