Водородная мечта

long read - аж 4 страницы! Потом озвучу в ролике для простоты восприятия и опуская цифры.
В последние несколько месяцев много раз всплывала тема перехода европейской/мировой энергетики на водород. Мне несколько раз такой вопрос задавали, я кратко отмахивался, но решил, что нужно тему поподробнее раскрыть.
Чистая энергия, водородные автомобили, на выходе вода прозрачная, как слеза младенца. Красота! Вот он водородный рай!
Однако, есть пара нюансов. Как всегда, впрочем.
Способы, цвета, стоимости добычи/получения водорода убираем в конец рассказа. Считаем, что у нас его много и мы не обращаем внимания на его стоимость.
Теплота сгорания водорода ~120 МДж/кг, что в три раза больше, чем у сжиженной пропан-бутановой смеси и 92-го бензина оба по 44 Мдж/кг. Хорошая дебютная идея!
Нюанс первый.
Плотность водорода 90 грамм на кубический метр. То есть в килограмме водорода примерно 11 кубометров газа.
Для пропан-бутана этот показатель отличается в ~25 раз, плотность пропана (C3H8) 1,97 кг/м3, бутана (C4H10) - 2,56 кг/м3.
С учетом большей теплоты сгорания водорода получаем, что для получения одинаковой энергии нужен в 9 раз больший объем газа.
То есть по существующей инфраструктуре нужно прокачивать в 9 раз больше газа по новым трубам новыми компрессорами.
Теперь всем понятный и близкий пример и аналогия на автомобиле.
Бак бензина в 50 литров содержит 50*0,7*44 ≈ 1540 МДж энергии.
Каждый легко переведет 50 литров бензина в километры пробега глядя на собственную машину.
Для такого же пробега потребуется 1540/120/0,09 ≈ 142 м3 водорода или 15,5 м3 пропан-бутановой смеси.
Что такое 50 литров в объеме все себе представляют.
15 кубических метров это объем помещения площадью 6 кв метров с потолком 2,5 метра.
142 м3 это уже объем небольшой квартиры в 57 метров с потолками 2,5м.
Газы сжимаются и сжижаются! - скажет внимательный читатель - да, так и есть. Пара цифр про сжиженные газы, давление и температуры или
Нюанс номер 2.
Запихаем все полученные объемы газов в 50 литров бака.
Воспользуемся школьной термодинамикой и вспомним уравнение Менделеева-Клайперона: PV = (m/µ)RT. Температуру примем 20ºC для удобства восприятия.
Для водорода давление окажется 301 МПа, что в атмосферах составит чуть меньше 3000 (трех тысяч) атмосфер.
Цифра в три тысячи атмосфер абстрактная, мы не умеем ни сжать водород до такого давления, ни изготовить емкости, которые такие давления выдержат.
Для справки.
Подводная лодка при погружении на глубину 300 метров испытывает давление в 30 атмосфер. В 100 (сто) раз меньше.
То есть такое давление ~3000 атмосфер будет на глубине 30 километров, нет таких у нас океанов.
Мариинская впадина около 11 километров. В которой, кстати, побывало всего 3 (три!) человека, а в космосе к настоящему 565. Давление на дне Мариинского желоба составит 1100 атмосфер.
Про пропан-бутан пропустим, все видели газобаллонное оборудования и все представляют, как там и что.
А водород можно сжиженным делать! - скажет поборник зеленых технологий. Да.
Нюанс номер 3.
Температура сжиженного водорода 20К или -250˚C при атмосферном давлении. Проблема в том, что такое низкое давление сжиженного водорода удерживается при составе смеси из 99,8% химически чистого водорода. Как только вы начнете тратить газ их объема хранения, термодинамика станет совсем другой. И давление попрет вверх и прочее.
Такая температура требует очень специальных материалов. Обычные стали разрушаются и крошатся не только от низкой температурно, но и от реакции с водородом.
Нюанс номер 5.
Жидкий водород практически сверхтекучая жидкость. Что такое сверхтекучесть - смотрите в тырнете. Вкратце - такие жидкости могут утечь через трещину в сосуде толщиной в один атом металла.
Нюанс номер 6.
Температура горения.
Водород в воздухе горит создавая температуру около 2000 градусов. Жаропрочная сталь выдерживает 1400˚C. Сверхсовременные керамические лопатки авиационных турбин и энергетических газовых турбин выдерживают до 1700 ˚C.
Ваша кастрюлька или сковородка на плите расплавится вместе с супчиком или картошкой.
Температура горения обычной газовой горелки на плите около 800˚C.
Нюанс номер 7.
Водород активный газ и запросто внедряется в кристаллические решетки металлов, делая их хрупкими и ломкими.
Нюанс номер 8.
Оксиды азота. NOx образуются при температуре больше 1300 градусов при обычном атмосферном давлении. NOx вредны для здоровья: аллергии, кашель, насморк, летальный исход. NOx являются причиной запрета дизельных двигателей. А азота в нашей атмосфере 78% - для гуманитариев и экономистов. Кстати, катализатором при этих реакциях служит… ржавчина! Fe3О4
Нюанс номер 9.
Двумя основными промышленными способами получения водорода являются
А) разложение метана при нагревании CH4 —> C + 2H2
Б) пропуская водяные пары над раскаленным углем C + H2O —> CO + H2 (Эту реакцию не знали пожарные на ЧАЭС)
В) другие способы получения водорода значительно дороже и менее производительны.
Это об углеродных делах. Специально для Греты Тунберг, Джо Байдена, зеленых, Билла Гейтса и прочих.
О других способах и цветах получения водорода отсылаю к Михаилу Крутихину, ну, или в тырнет.
Нюанс номер 10.
Материаловедение. Мы пока не производим дешевые и доступные материалы, которые могут легко обращаться с водородом. То есть в существующую инфраструктуру водород не встроится. Создание новой стоит астрономических денег.
Водородные электрохимические ячейки.
Да, требуют дальнейших фундаментальных исследований, могут стать эффективными. Но не станут. Дорого. И нет инфраструктуры.
Нюанс номер 11.
Пары водорода в смеси с воздухом образуют гремучую смесь с гигантским разрушительным потенциалом. См. объемные/вакуумные бомбы. Герметичных емкостей хранения водорода на сегодня не существует.
В сухом остатке.
Водородная энергетика не более чем очередная озоновая дыра, потепление климата и прочие охлаждения Гольфстрима.
Хороший инструмент освоить триллионы налогоплательщиков под благими лозунгами, поднять налоги в очередной раз, создать бесконечные комиссии, гранты, комитеты, слеты, конференции и прочее.
Внедрение зеленой энергетики в Германии привело к самой дорогой э/э в Европе, импорту э/э из Франции, уничтожению атомной отрасли Германии, включая компетенцию по работе с ОЯТ и РАО. По сути страну вышвырнули из клуба технологически развитых стран и сделало это собственное правительство Германии. Вернуться в атомную компанию производителей энергии, тепла, изотопов, новых реакторов и прочее и прочее, уже нельзя.
Водородная энергетика не более чем очередной жупел леваков, не имеющий никаких ни технических, ни экологических, ни технологических, ни тем более экономических бенефитов на поверхности Земли ни сейчас, ни в отдаленном будущем.
Говоря проще - крайне дорогостоящее фуфло.
Водород хорош для ракетных двигателей, но в исключительных случаях. Не пошло, несмотря на высокую эффективность. Издержки оказались несоразмерно выше. SpaceX использует керосин и жидкий кислород.
На водороде действовали верхние ступени Сатурн-5, часть двигателей Space Shuttle. В СССР изготавливались двигатели РД-0120 для комплекса «Энергия», на сегодня водородные технологии в РФ утрачены.
Возможна добавка водорода в сложившиеся газовые циклы на ГТУ, ПГУ и так далее, Японцы добавляли 30% Н2 в газовой смеси в ПГУ на газовой турбине, выиграли немного в КПД и немного снизили выброс СО2. Но никто не подсчитал, сколько С, СО и/или СО2 вылетело при добыче этого водорода и сколько он стоил. И насколько сократился срок службы лопаток и агрегатов.
Мне представляется, что для начала нужно построить достаточное количество АЭС и других ЭС, чтобы обеспечить Землю избыточным количеством энергии на ближайшие 60 лет и потом уже экспериментировать с водородами-гелиями.
А самое полезное, что могут сделать правительства в энергетике, так это не мешать.
Anton Popov
Инженер-физик. Автор. Бизнесмен
https://www.facebook.com/anton.popov.pro/posts/2913666708955663
рис. Denis Lopatin