Все чаще появляются заманчивые статьи о «топливных элементах», имеющих потенциал для удвоения эффективности автомобиля и при этом значительно сокращающих вредные выбросы в атмосферу. В то же время, десятилетиями появляются новости о проблемах, связанных с нефтью. Все беды — от аварийного разлива нефти до глобального потепления происходят из-за нашей зависимости от ископаемого топлива.

Мир идет к водородной экономике. Если прогнозы верны, в течение следующих нескольких десятилетий мы увидим удивительный переход от ископаемого топлива, которое на сегодня преобладает в экономике, к гораздо более чистому «водородному будущему».

Проблемы экономики на ископаемом топливе

В настоящее время большая часть мира находится в состоянии, которое можно назвать как экономика на ископаемом топливе. Наши автомобили, поезда и самолеты  получают энергию почти исключительно из нефтепродуктов в виде бензина и дизтоплива. Огромный процент наших электростанций сжигают нефть, природный газ и уголь.

Если отрезать поток ископаемого топлива в экономически развитые страны, их экономика придет к остановке. Невозможно станет транспортировать продукцию, остановится транспорт. В целом, мировая экономика, в настоящее время, практически полностью зависит от ископаемого топлива.

В то время, как ископаемое топливо сыграло важную роль в том, что человеческое общество смогло достичь нынешнего уровня прогресса, существуют четыре большие проблемы, создаваемые ископаемыми видами топлива:

1. Загрязнение воздуха — Когда автомобили сжигают бензин, они совершают полезную механическую работу, но их двигатели внутреннего сгорания выбрасывают в атмосферу углекислый газ, окись углерода (ядовитый газ), оксиды азота (основной источник городского смога) и несгоревшие углеводороды — основной источник городского озона.

Каталитические нейтрализаторы на выхлопных системах современных автомобилей в значительной степени устраняют эти загрязнения, но и они не идеальны. Загрязнение воздуха от автомобилей и электростанций является реальной проблемой в больших городах.

2. Утечка нефти, взрывы трубопроводов или пожары могут создать огромные экологические проблемы. Разлив нефти в Мексиканском заливе наиболее известный пример экологической катастрофы, но незначительные разливы происходят постоянно.

3. Глобальное потепление — Когда вы сжигаете литр бензина в вашем автомобиле, при этом выделяется почти 0,5 килограмма углерода в атмосферу. Если бы это был твердый углерод, то было бы очень заметно, как из выхлопной трубы тонкой струйкой сыплется черный порошок. Но, поскольку, этот углерод выходит как невидимый газ, диоксид углерода, большинство из нас этого не замечают. Углекислый газ, выходящий из каждой выхлопной трубы автомобиля — это парниковый газ, постепенно повышающий температуру Земли.  Конечный эффект неизвестен, но есть большая вероятность, что, в конце концов, возникнут кардинальные изменения климата, которые повлияют на каждого человека на планете. Например, если полярные льды  растают, уровень моря значительно повысится, создавая наводнения и уничтожая всех прибрежные города, существующие сегодня. Это большой отрицательный побочный эффект.

4. Зависимость – Большинство экономически развитых стран (США, Япония, Германия), не могут производить достаточно нефти, чтобы удовлетворить свой спрос, и поэтому они импортируют ее из стран, богатых нефтью, что создает экономическую зависимость. Когда ближневосточные производители нефти решили поднять  цену на нефть, остальному миру ничего не осталось делать, кроме как заплатить за нее более высокую цену.

 

Преимущества водородной экономики

В предыдущем разделе мы видели значительные глобальные проблемы, создаваемые ископаемым топливом. Водородная экономика обещает устранить все подобные сложности. Таким образом, преимущества водородной экономики включают в себя:

1. Ликвидацию загрязнений, вызванных ископаемым топливом — Когда водород используется в топливных элементах для того, чтобы создать энергию, он является абсолютно экологически чистой технологией. Единственным побочным продуктом является вода. Нет также и экологических опасностей, таких, как разливы нефти.
2. Ликвидацию выбросов парниковых газов — Если водород получен из электролиза воды, то он не создает никаких выбросов парниковых газов в окружающую среду. Существует идеальный цикл — электролиз производит водород из воды, затем водород рекомбинируется с кислородом для создания воды и электроэнергии в топливных элементах.
3. Ликвидацию экономической зависимости – Ликвидация зависимости от нефти означает независимость от нефтедобывающих стран и их нефтяных запасов.
4. Распределенное производство — Водород может производиться в любом месте, где есть электричество и вода. Люди могут даже производить его в своих домах по относительно простой технологии.

Проблемы с экономикой на ископаемом топливе настолько велики и экологические преимущества водородной экономики настолько значительны, что переход к водородной экономике является насущной потребностью.

 

Технологические барьеры

Большой вопрос к водородной экономике: «Откуда взять так много водорода?» После этого встает вопрос транспортировки, распределения и хранения водорода. Водород, как правило, громоздок и проблематичен в своей естественной газообразной форме.

Как только все эти вопроса будут решены экономичным способом — возникнет водородная экономика.

 

Откуда взять водород?

Одна из наиболее интересных проблем у водородной экономики — добыча водорода. Откуда его брать? Можно из ископаемого топлива, просто выкачивая это топливо из земли и риформировав его. Затем можно использовать полученный водород в качестве источника энергии.

Большинство из нас воспринимают нефть, уголь и природный газ как должное, но на самом деле они являются, буквально, чудом. Эти ископаемые виды топлива представляют собой накопленную солнечную энергию, попавшую на Землю миллионы лет назад. Доисторические растения выросли с помощью этой солнечной энергии. Они умерли, и со временем превратились в нефть, уголь и природный газ. Когда мы качаем нефть из земли, то берем запасы из огромного склада солнечной энергии «бесплатно». Всякий раз, когда мы сжигаем бензин, мы используем эту энергию.

В водородной экономике нет подобного «природного склада». Нам необходимо создавать энергию в режиме реального времени.

Существуют два возможных источника водорода:

1. Электролиз воды — С помощью электричества можно расколоть молекулы воды, чтобы создать чистый водород и кислород. Одним большим преимуществом этого процесса является то, что вы можете сделать это где угодно. Например, вы могли бы в своем гараже получить водород из водопроводной воды, а затем ездить на вашем автомобиле, работающем на этом водороде.

2. Риформирование ископаемого топлива — Нефть и природный газ содержат углеводороды — молекулы, состоящие из водорода и углерода. С помощью устройства под названием топливный процессор или риформатор, вы можете отделить водород от углерода в углеводородах относительно легко, а потом использовать водород. Остатки углерода отбрасываются в атмосферу в виде углекислого газа.

Второй вариант, конечно, имеет изъяны. Такой подход уменьшает загрязнение воздуха, но он не решает проблемы парниковых газов (потому, что есть углерод, который уходит в атмосферу) и проблему зависимости (вы по-прежнему нуждаетесь в нефти). Однако, это может быть хорошим временным шагом в процессе перехода к водородной экономике. Когда вы слышите о «топливных элементах транспортных средств», разработанных автомобильными компаниями в ближайшее время, практически все из них планируют получать водород для этих топливных элементов из бензина с помощью риформатора. Причина в том, что бензин является легко доступным источником водорода. До тех пор, пока не существуют «водородные станции» на каждом углу, это самый простой способ получения водорода для питания автомобиля на топливных элементах.

И все-таки именно первый вариант является ядром реальной водородной экономики. Для чисто водородной экономики водород должен быть производным от возобновляемых источников вместо ископаемых видов топлива, чтобы мы перестали выпускать в атмосферу углерод. Имея достаточно электричества, чтобы выделить водород из воды, и генерируя это электричество без использования ископаемого топлива – именно это и будет самым большим изменением, которое требуется для создания водородной экономики.

Откуда возьмется электричество для электролиза воды? Сейчас более половины электроэнергии производимой в мире, создается из угля или природного газа. В водородной экономике все генерирующие мощности будут заменены возобновляемыми источниками. Кроме того, все виды ископаемого топлива, которые сегодня используются для транспортировки (в автомобилях, поездах, кораблях, самолетах) будут заменены на водород, созданный при помощи электричества. Иными словами, электрических генерирующих мощностей понадобится вдвое больше, чтобы обеспечить  только требования транспорта, а затем перевести на возобновляемую электроэнергию и всех остальных потребителей ископаемого топлива. Только таким образом можно остановить поток углерода в атмосферу.

Сейчас существует несколько различных способов создания электричества, не использующих ископаемое топливо:

1. Ядерная энергетика

2. Плотинные ГЭС

3. Солнечные элементы

4. Ветряные турбины

5. Геотермальная энергетика

6. Приливные электростанции

7. Когенерация (например, лесопильный завод способен сжигать кору, чтобы создать энергию или мусорный полигон может сжигать метан, который выделяется из мусора)

В Соединенных Штатах приблизительно 20 процентов энергии в настоящее время получают из атомных электростанций, и 7 процентов из гидроэлектростанций. Солнечная энергия, ветровая энергия, геотермальные и другие источники производят только 5 процентов энергии — едва достаточно, чтобы иметь практическое значение.

Необходим технологический прорыв, чтобы создать водородную экономику. Генерация ядерной энергии и солнечной энергии должны увеличиться существенно. Нужно, как минимум, удвоить количество электростанций, чтобы отказаться от ископаемого топлива хотя бы на транспорте.

«Электрическая проблема» — вероятно, самый большой барьер для водородной экономики. Как только технология будет усовершенствована и появятся недорогие транспортные средства на топливных элементах, приводимых в действие водородом, они смогут заменить двигатели внутреннего сгорания в течение десятилетия. Но массовое строительство ядерных и солнечных электростанций будет не слишком легким делом. У ядерной энергии есть политические проблемы и проблемы охраны окружающей среды, а солнечная энергия в настоящее время является дорогостоящей и сильно зависит от  «проблемы месторасположения».

 

Как хранить и транспортировать водород?

На данный момент проблема с вводом в действие «чисто-водородных» транспортных средств, возникает в  хранении и транспортировке водорода. Водород — это газ, занимающий большой объем и с ним не настолько легко работать, как с бензином. Сжатие газа требует энергии и даже в сжатом водороде содержится гораздо меньше энергии, чем в том же объеме бензина. Однако, есть решения для проблемы хранения водорода.

Например, водород можно хранить и в твердом виде, в веществе под названием боргидрид натрия и эту технологию тестирует концерн Chrysler. Это химическое вещество, созданное из буры (распространенный ингредиент в некоторых моющих средствах). Когда боргидрид натрия отдает свой водород, то превращается обратно в буру, поэтому он может быть переработан.

В случае решения проблемы и стандартизации способов хранения, сеть водородных станций и транспортная инфраструктура начнут развиваться.

Однако, возможен и технологический прорыв, который сможет быстро изменить «игровое поле». Например, если будет разработан недорогой аккумулятор с высокой производительностью и малым временем зарядки, тогда явное преимущество получат электромобили, которые не нуждаются в топливных элементах на водороде. Автомобили будут заряжать свои аккумуляторы, используя электроэнергию напрямую.

 

Перспективы на будущее

Наиболее очевидный шаг, который мы увидим, — это продажа автомобилей с двигателями на топливных элементах. Хотя они будут первоначально использовать бензин и риформаторы, топливные элементы воплощают в себе два основных улучшения по сравнению с двигателем внутреннего сгорания:

1. Они примерно в два раза эффективнее.

2. Они могут значительно снизить загрязнение воздуха в городах.

Автомобили с бензиновым двигателем на топливных элементах являются отличным переходным этапом.

Переход к чисто водородной экономике будет сложнее. Энергетические установки будут вынуждены перейти на возобновляемые источники энергии, и рынок должен прийти к унификации относительно способов хранения и транспортировки водорода. Эти барьеры, скорее всего, превратят переход к водородной экономике в довольно длительный процесс.