Н2 как вечный двигатель прогресса

Водородные мечты человечества: от прошлого к будущему

Водород в наши дни нередко называют универсальной основой энерготехнологий будущего, однако первой реализованной идее использовать водород в качестве топлива уже больше двух столетий, а в ХХ веке транспортные средства на водороде передвигались и по земле, и по воде, и по воздуху, и даже в безвоздушном пространстве. Рассказываем, как появлялись и развивались водородные технологии и почему человечество до сих пор не научилось использовать все их возможности.

Отцы технологий

В 1807 году франко-швейцарский изобретатель Франсуа Исаак де Риваз, которого называют отцом первого поршневого двигателя внутреннего сгорания, изобрел четырехколесное транспортное средство, которое приводилось в движение благодаря водороду и кислороду. А «родителем» водородной энергетики считается англичанин Уильям Сесил. В 1820 году он представил Кембриджскому философскому обществу работу, в которой описал свой водородный двигатель. Согласно объяснению Сесила, движение вызывалось давлением атмосферы на вакуум, который образуется в результате взрывов при взаимодействии водорода и атмосферного воздуха. Водород был в основе и прототипа топливного элемента, концепцию которого в 1842 году предложил англичанин Уильям Гроув, который был судьей и одновременно ученым.

Еще в начале XIX века британские ученые Уильям Николсон и Энтони Карлайл предложили использовать электричество, чтобы превращать воду в водород и кислород. Впоследствии Гроув решил повернуть этот процесс в обратную сторону. Погрузив электроды из платиновой фольги в стеклянные трубки с водородом и кислородом, находящиеся в ванночке с серной кислотой, он собрал несколько таких ячеек и получил газовую гальваническую батарею.

И хотя концепция топливного элемента была описана немцем Кристианом Фридрихом Шёнбейном еще в 1839 году, свое название (fuel cell) он получил лишь в 1889 году. Тогда работавший в Великобритании химик немецкого происхождения Людвиг Монд и его ассистент Карл Лангер разработали устройство, которое давало гораздо больше электричества, чем изобретение Гроува, и служило дольше. Качественно улучшить характеристики топливного элемента удалось благодаря использованию электродов из тонкой перфорированной платины и полутвердых электролитов.

Предсказание Жюля Верна

Главным же «пиарщиком» водородной энергетики можно назвать Жюля Верна, который в своем романе «Таинственный остров» устами главного героя провозгласил, что в будущем вода станет топливом. «Придет день, когда котлы паровозов, пароходов и тендеры локомотивов будут вместо угля нагружены сжатыми газами, и они станут гореть в топках с огромной энергией. <…> Пока на Земле живут люди, они будут обеспечены всем, и им не придется терпеть недостатка в свете, тепле и продуктах животного, растительного или минерального царства. Повторяю, я думаю, что, когда истощатся залежи каменного угля, человечество будет отапливаться и греться водой. Вода — уголь будущего», — уверял выдуманный писателем-фантастом инженер Сайрес Смит. Уголь пока не удалось заменить водой, но до сих пор рассуждения о водородной энергетике связывают с надеждами на лучшее, во всяком случае с экологической точки зрения, будущее.

«Лошадиное» авто

В 1860 году бельгийский изобретатель Жан Жозеф Этьен Ленуар запатентовал собственный двигатель внутреннего сгорания и разработал трехколесный автомобиль, который приводился в движение таким двигателем — одноцилиндровым, мощностью в полторы лошадиные силы. Двигатель работал на водороде, полученном из воды с помощью электролиза.

Поскольку машина постоянно нуждалась в воде, ее по аналогии с лошадью назвали гиппомобилем. В 1862 году гиппомобиль был подвергнут тест-драйву, он проехал 18 км от Парижа до Жуанвиля почти за три часа, что по тем меркам было довольно хорошим результатом. В ХХ веке Ленуара назвали человеком, опередившим свое время на сто лет.

Ниагара как источник вдохновения

Новый всплеск интереса к водороду как источнику энергии пришелся на начало 1900-х. В Канаде пионером в развитии водородных технологий стал Александр Томас Стюарт, выпускник Университета Торонто, специализировавшийся в химии и минералогии. Еще во время практики в университете он работал на электрохимическом заводе на водопаде Ниагара. Стюарт догадался, что, используя излишки электричества, можно осуществлять электролиз воды и производить водород и кислород.

В 1913 году он разработал систему электролиза, которая впоследствии больше века использовалась как одна из основных и получила название «электролизер Стюарта». В 1920-е годы ученый продолжал вести свои исследования, на основе которых была создана Stuart Oxygen Company. Кстати, ее подразделение в Сан-Франциско в 1930-е годы участвовало в получении экспериментальных объемов тяжелой воды для Манхэттенского проекта.

Мне бы в небо

В начале прошлого века водородные технологии пошли в небо — благодаря настойчивости и упорству немецкого графа Фердинанда фон Цеппелина, который во время поездки в Америку увидел аэростаты, поднялся на одном из них в небо и… навсегда полюбил летать. Всю оставшуюся жизнь он посвятил созданию дирижаблей.

Справедливости ради надо напомнить, что идея запустить в воздух шар, наполненный водородом, впервые появилась у французского профессора физики Жака Александра Сезара Шарля (в его честь такой шар был назван шарльером). Чтобы оболочка шара могла удержать водород, ее пропитали каучуком. Первое успешное испытание прошло 27 августа 1783 года в Париже на Марсовом поле.

Фон Цеппелин же в начале XX века не стал мелочиться и сразу приступил к созданию гигантских дирижаблей, которые получили его имя. Летом 1900 года цеппелин длиной 127 м впервые поднялся в небо. Это было над Боденским озером, посмотреть на запуск пришли толпы людей. Дирижабль оправдал их ожидания, продержавшись в воздухе 18 минут.

После этого была создана компания по производству цеппелинов и первая в мире пассажирская транспортная компания «Германские дирижабли». Похожий на огромный кабачок дирижабль состоял из отсеков, где находился водород, необходимый для подъема. Внутри обтянутого тканью корпуса или под ним была расположена гондола, где размещался экипаж с пассажирами.

В 1928 году был построен самый совершенный на тот момент дирижабль «Граф Цеппелин». Его длина составляла уже почти 237 м, а мощность силовой установки, состоящей из пяти двигателей «Майбах», достигала 2650 лошадиных сил. На следующий год он совершил кругосветное путешествие из Лейкхерста (США) за 21 день и произвел настоящий фурор во Фридрихсхафене, Токио и Лос-Анджелесе, где он приземлялся. За девять лет службы «Граф Цеппелин» совершил 590 рейсов общей протяженностью почти 1,7 млн км.

Осенью 1930 года «Граф Цеппелин» побывал в Москве. А летом 1931 года провел аэрофотосъемку советской Арктики. По случайному совпадению именно там, где пролетал цеппелин, во время Великой Отечественной войны немцами была проведена секретная операция — развернута полярная станция на одном из островов архипелага Земля Франца-Иосифа.

К весне 1936 года был построен дирижабль «Гинденбург», длина которого достигала 245 м. Чуть более года спустя, в мае 1937-го, при приземлении в Лейкхерсте на борту «Гинденбурга» начался пожар и произошел взрыв водорода, который привел к гибели 36 человек (с учетом одного погибшего на земле). Это стало громким концом эпохи дирижаблей.

Тем не менее концом эпохи водорода эта трагедия не обернулась. В 1939 году немецкий инженер Рудольф Эррен получил в США патент на двигатель внутреннего сгорания, в котором в качестве топлива использовался водород. С 1920-х годов он работал над тем, чтобы перевести ДВС автобусов, грузовиков и подлодок на водород. Именно он впервые применил в ДВС, использующих водород, внутреннее смесеобразование, что снижало риск обратной вспышки, то есть взрывоопасность при работе двигателя. Сохранение системы подачи основного вида топлива позволяло использовать двигатель в комбинированном режиме.

На военной службе

Применение водорода бывало и вынужденной мерой. Так, осенью 1941 года в блокадном Ленинграде изобретатель, а на время войны автотехник 3-го полка аэростатов заграждения второго корпуса ПВО Борис Шелищ придумал, как в условиях отсутствия бензина заставить работать двигатели грузовых автомобилей ГАЗ-АА на водороде после его использования в аэростатах. По воспоминаниям Шелища, на эту мысль его натолкнул Жюль Верн. Установленные на ГАЗ-АА лебедки были задействованы в подъеме и спуске аэростатов, которые служили помехой для немецких самолетов и использовались для воздушной разведки. Предложение Шелища нашло поддержку, после испытания все городские лебедки было решено перевести на водород. В конце 1941 года Шелища наградили орденом Красной Звезды, а в 1942 году отправили в Москву передавать опыт. Всего в СССР в годы войны на водород были переведены более 400 автомобильных двигателей.

Также во время Второй мировой войны водород был востребован как топливо для подводных лодок и торпед. В Австралии, оказавшейся из-за военных действий в Европе без нефти, была запущена программа крупномасштабного производства водорода для использования в качестве моторного топлива.

Медленно, но верно

С окончанием войны и снижением цен на нефть водородная тематика перестала быть востребованной. Однако к 1970-м годам, когда после создания ОПЕК цены на нефть снова стали расти, про водород как источник энергии вновь вспомнили во многих странах мира. Кроме того, уже тогда одной из существенных проблем для больших городов стало загрязнение воздуха выхлопами от транспорта.

Австрийский химик и изобретатель Карл Кордеш, переехавший в США, в 1970 году установил на своем четырехместном автомобиле Austin A40 водородо-кислородный щелочной топливный элемент мощностью 6 кВт, запас хода которого превышал 280 км. Впоследствии предложенная Кордешем конструкция была использована в электромобиле General Motors. Единичные версии автомобилей, работающих полностью или частично на водороде, неизменно привлекали большое внимание. В 1972 году в Мичигане был представлен модифицированный Volkswagen Beetle — Brigham Young Superbeetle. В 1979 году был выпущен работающий на водороде или бензине BMW 520h. В 1984 году Mercedes представил десятиместный минивэн TN 310 с ДВС, работающим на сжиженном водороде.

В 1974 году была создана Международная ассоциация водородной энергетики, которая объединила ученых, конструкторов и управленцев, занимающихся развитием водородных технологий. Членом ассоциации стал и Советский Союз, где основные работы в этой области осуществлялись под эгидой Комиссии Академии наук СССР по водородной энергетике и при непосредственном участии Института атомной энергии им. И. В. Курчатова.

В том же году в Японии началась реализации проекта по альтернативной энергетике Sunshine, пятую долю финансирования в котором — 3,6 млрд долларов из 15 млрд — занимала водородная энергетика. Программа была рассчитана до 2000 года.

А в США в конце 1980-х в силу достаточно быстрого разочарования (из-за отсутствия мгновенных результатов) бюджет программ по исследованию возобновляемых источников энергии, включая водород, был сокращен на 80% администрацией президента Рональда Рейгана. Но это не повлияло на разработки для космоса: для выведения Space Shuttle на орбиту использовался водород и кислород.

«Волга» на водороде

В СССР в 1970-е годы активно исследовали возможности внедрения водородного топлива в таких областях, как автотранспорт, энергетика, авиация, ракетостроение.

В исследовательских целях на водород переводили разные модели, которые выпускал советский автопром, — «Волгу», «Москвич», «Жигули», ЗИЛ-130, а также микроавтобусы РАФ и УАЗ. Совместная разработка НПО «Квант» и Рижской автобусной фабрики — микроавтобус «Квант-РАФ» с топливным водородо-воздушным элементом мощностью 2 кВт и никель-цинковым аккумулятором — была представлена в 1982 году на Международной выставке «Электро-82» в Москве.

С 1980 года в Харькове проходили опытную эксплуатацию бензоводородные «Волги». Выяснилось, что при содержании водорода в топливной смеси на уровне 5% расход бензина снижается на 35–40%, сокращая токсичность выбросов. В 1986 году Минавтопром принял решение о создании 200 экспериментальных РАФов на бензоводородных смесях для опытной эксплуатации в качестве городского транспорта. Однако в силу известных исторических событий этим планам было не суждено сбыться.

Тем не менее в нашей стране, как и за рубежом, был заложен фундамент технологий по использованию водорода. В ракетно-космической промышленности был создан масштабный проект «Буран — Энергия» с первой советской ракетой-носителем, использующей криогенное горючее (водород) на маршевой ступени.

С 1980 года в СССР развивали проект водородного самолета. Один из трех двигателей летающей лаборатории — самолета Ту-155, совершившего первый полет в 1988 году, — мог работать на сжиженном водороде. Но затем его перевели на сжиженный природный газ.

В чем сила?

Преимущества водорода позволяют ему вот уже два века держаться в шорт-листе перспективных технологий. Первый и главный плюс — распространенность этого химического элемента.

Водород химически активен, при этом выбросы при его использовании в качестве топлива абсолютно безвредны. Водород считается идеальным источником энергии для топливных элементов: он легко подводится, а продукт реакции (вода) легко отводится из топливного элемента. Кроме того, он обладает высокой энергоэффективностью и почти в три раза большей энергоемкостью, чем традиционное топливо из ископаемых источников.

А создание баллонов высокого давления, в том числе композитных, решило давнюю проблему хранения водорода — в таких резервуарах его можно хранить в виде сжатого газа, экономя объем.

Непростым путем

В конце 1990-х — начале 2000-х водород вновь вошел в моду. Многие мировые автомобильные гиганты представили свои модели на водороде: Renault Fever, BMW 728hL и 750hL, Ford P2000 FC и различные модификации Honda FCX. В России в результате сотрудничества «АвтоВАЗа» и Уральского электрохимического комбината были созданы два концепт-кара с электрохимическими генераторами вместо двигателя внутреннего сгорания. В 2001 году на базе удлиненного автомобиля «Нива» сделали водородный АНТЭЛ-1, а спустя два года — АНТЭЛ-2 на базе ВАЗ-2111.

В 1999 году в Гамбурге открылась первая в Европе общедоступная водородная заправка. В 2013 году был выпущен водородный гибридный автомобиль на топливных элементах Toyota Mirai, который тут же окрестили автомобилем будущего.

Из последних разработок в этой области в России можно назвать водородный автомобиль Aurus Senat, представленный в октябре 2021 года ФГУП «НАМИ». Его пробег от заправки до заправки составляет около 700 км. Однако развитие водородного автотранспорта в нашей стране сдерживается в том числе отсутствием инфраструктуры: по состоянию на 2022 год в России работали всего три водородных заправки — одна в Москве и две в Подмосковье. В Казанском государственном энергетическом университете пока только проектируется первая российская водородная заправочная станция из отечественных комплектующих. В мире ситуация лучше, но количество водородных заправок все еще несопоставимо меньше по сравнению с бензиновыми и электрическими.

Но не водородомобилями едиными: о развитии железнодорожного водородного транспорта в последние годы заговорили в Японии, Франции, Италии, Китае, Индии, России. В Германии первая в мире железнодорожная линия с водородными поездами работает с 2022 года. Летом текущего года первый поезд на водороде был запущен в Канаде. 1 кг водородного топлива, используемого поездом, заменяет 4,5 кг дизельного топлива. Однако, как обратили внимание журналисты, для транспортировки водорода к месту заправки поезда пока используется грузовик с дизельным двигателем.

Затишье перед бумом?

Планы по развитию водородных технологий за последние годы почти стали синонимом ответственного отношения к будущим поколениям. Однако стало понятно, что ответственность должна распространяться на все стадии топливного цикла и, в случае с водородом, на способы его производства. Процесс получения водорода требует большого количества энергии, а наиболее экономически эффективные и наиболее распространенные на сегодняшний день технологии производства водорода используют ископаемое топливо, что не соответствует зеленым целям.

Как несложно догадаться, зеленый водород получают с применением возобновляемых источников энергии методом электролиза, однако пока его доля в общем объеме производства составляет лишь несколько процентов, так как остается нерешенной проблема высокой стоимости водорода, вырабатываемого с использованием ВИЭ.

Складывается ощущение, что в последнее время бурные и порой спекулятивные рассуждения на тему перспектив водородной энергетики несколько поутихли. Однако это затишье лишь в медиа, а в кабинетах ученых и конструкторов кипит работа, которая обязательно приведет к прорыву. И тогда водород не просто займет место угля, как в романе Жюля Верна, а станет большой и важной частью надежной мировой энергосистемы.