Впервые внимание на применение водорода в качестве моторного топлива было обращено в 70-е годы во время энергетического кризиса, который охватил США и страны Западной Европы. В то время проблемой было уменьшение мировых запасов углеводородных энергетических носителей, сегодня же на первый план выходит угроза быстро нарастающего над нашей планетой экологического кризиса.

Поэтому применение водородного топлива рассматривается во многих проектах как фактор сокращения экологического давления на окружающую среду, так как результатом сгорания водорода с кислородом являются водяные пары. Вода также является ключевой сырьевой базой водорода.

Особо критичной ситуация с загрязнением воздушной среды является в промышленных центрах и крупных городах. Несмотря на небольшое потребление среди общего баланса энергоносителей моторных топлив (14%), главным источником загрязнения окружающей среды (60-70%) является городской автотранспорт. При этом большая часть вредных выбросов приходится на автобусный и грузовой автопарки. Поэтому проблемы экологии в первую очередь связаны с функционированием автотранспорта, а вернее с применением нефтяных моторных топлив.

По причине актуальности экологической проблемы в крупных городах, во многих странах проводится работа по уменьшению токсичности автомобильных выхлопов. Рассмотрению подлежат несколько направлений: производство искусственных моторных топлив и модификаций бензина, которые соответствуют более низкому уровню токсичности (Калифорнийский стандарт, ЕВРО-1, ЕВРО-2 и т.д.).

Финансовые затраты на данные цели лишь в США измеряются сотнями миллионов долларов. Для уменьшения токсичности выхлопных газов используют каталитические дожигатели и фильтры, которые значительно повышают стоимость автомобиля, но в эксплуатации российского автотранспорта они не достаточно эффективны. Правительство Москвы планирует переводить дизельные двигатели на диметилэфир. Его продукты сгорания менее токсичны в сравнении с дизельным топливом, тем более по содержанию NОх.

• Водородное топливо для автомобилей: экономия и экология. Часть 2
• В ближайшее десятилетие автомобили на водороде станут дешёвыми
• Автомобили на водородных топливных элементах прибыли в Кардифф
• Японцы будут производить в Магаданской области сжиженный водород
• Японский плавающий электромобиль поразил мотоциклетным рулем
• Эстония будет полностью покрыта сетью заправок для электромобилей к концу этого года
• Электротрайк Toyota i-Road пойдет в серию
• Электромобиль – спасательный круг Евросоюза

Но, несмотря на дорогую стоимость указанных проектов, они не могут гарантировать абсолютное исключение токсичности продуктов сгорания и приводят к накоплению диоксида углерода в окружающей атмосфере, который относится к разряду парниковых газов. К существенному улучшению экологической обстановки, сложившейся в крупных городах, могло бы привести использование водородного топлива в автотранспортных системах городов.

Эффективность и особенность использования водородного топлива подтверждена множеством экспериментальных исследований, в том числе в условиях городской езды. Результаты показывают, что водород можно использовать в качестве моторного топлива, не требуя для этого разработки нового двигателя. Особенности горения водорода (высокие температура и скорость пламени) корректируются небольшой конструктивной доработкой двигателя и его регулировкой.

Водород можно использовать в чистом виде или смешивать с углеводородным топливом. Так как физико-химическая активность водорода небольшая (5-10% масс.), то его добавка к бензину снижает токсичность выхлопных газов на 65-75%.

Из большого количества моторных топлив смесь водорода с бензином приближается к европейскому стандарту ЕВРО-1. Расход бензина при этом сокращается на 30-40%. Самое меньшее содержание NОх в продуктах сгорания зафиксировано при нагрузках меньше 50% максимально возможной мощности, т.е. при рабочих параметрах двигателя, которые представляют наибольший интерес для эксплуатации автомобилей на городских дорогах.

В качестве сырья водородное топливо используется в больших объемах (сотни миллионов ежегодно) в химической отрасли (для производства аммиака, метанола), нефтехимической (для гидрокрекинга, гидроочистки, нефтехимического синтеза, каталитического риформинга, получения синтетического топлива) и других производственных отраслях.

На транспорте и в энергетике водород еще не нашел повсеместного применения, кроме ракетно-космической техники, где оно используется как горючее и для охлаждения мощных электрогенераторов (меньше 0,01% от всего объема потребления). В качестве сырья применяется в основном неочищенный (технический) водород, который получается методом паровой конверсии природного газа прямо на месте его потребления, что не требует организации специальной инфраструктуры для его хранения, ожижения, очистки, заправки и т.д.

Поэтому стоит такой водород не очень дорого, но для применения его в качестве энергетического носителя и последующего ожижения необходима дополнительная очистка (до 99,995% Н2), что повышает стоимость конверсионного водорода в 5-7 раз и больше, приравнивая его к более чистому электролитическому водороду по стоимости.

Применение водородного топлива в транспорте требует изыскания больших энергетических и производственных ресурсов. Их масштабы можно оценить, взяв, например, город с населением 1 млн. человек (что соответствует 250 тыс. единиц автомобильного транспорта). С учетом более высокой эффективности и энергоемкости водорода в сравнении с бензином потребовалось бы выпускать около 500 т водорода в сутки. Затраты энергии на получение электролитического водорода и его дальнейшего ожижения составили бы около 15 млрд. кВтч в год. В расчете на весь мир (500 млн. единиц автомобильного транспорта) это бы приравнивалось к 30000 млрд. кВтч в год. Мировая же выработка электрической энергии составляет около 15000 млрд. кВтч. Из примера видно, что широкомасштабное использование водородного топлива для автотранспорта (если не использовать для его выработки углеводородное сырье), на сегодняшний день лишено реальности, пока не будут найдены дешевые и неограниченные источники энергии.

Тем не менее, есть принципиальная возможность уже сейчас приступить, хотя бы в небольших масштабах, к постепенному освоению водорода в системах автотранспорта. Она заключается в использовании для выпуска водорода избыточных мощностей крупнейших электростанций (ТЭС, ГЭС, АЭС). Эти избыточные мощности являются следствием двух причин: необходимостью сокращения мощностей в ночное время, праздничные и выходные дни (диспетчерские разгрузки), в связи с резким снижением потребления электрической энергии в данные периоды, а также в сокращении в последние годы потребностей в энергии некоторых промышленных предприятий.

Неизрасходованные мощности энергетики могут быть использованы для производства электролитического водорода, что разумно и с экономической стороны, и с точки зрения безопасности работы агрегатов электростанций, агрегатов АЭС в первую очередь. Например, на Ленинградской АЭС за счет диспетчерского регулирования энергетические потери составляют около 400 млн. кВтч в год, а в целом по Северо-Западному региону данный показатель составляет 20 млрд. кВтч.

Применение одних лишь избыточных мощностей ЛАЭС дало возможность получать около 7,2 тыс. т водорода в чистом виде в год, чего достаточно для обеспечения 6 тыс. единиц транспорта (а в случае использования водорода как 5% добавки к основному топливу – до 50 тыс. единиц).

Цена электролитического водорода зависит не столько от стоимости электроэнергии, сколько от капитальных затрат на получение специальной инфраструктуры (ожижители, электролизеры, средства транспортировки и т.д.). Например, такие затраты, рассчитанные на применение избыточных мощностей ЛАЭС, составляют около 75-80 млн. долларов. Отсюда получаем стоимость водорода – 93 руб./кг. Стоимость энергетической единицы, полученной на водороде, составит при этом 2,8 руб./кВтч. На бензине же она равна 1,3 руб./кВтч и постоянно увеличивается. При данном расчете стоимости водорода не было учтено сокращение экологического ущерба для окружающей среды, который в масштабах города с населением 1 млн. чел. оценивается в 800-900 тыс. долларов в год.

Поэтому, при наличии необходимых экономических механизмов, все капитальные затраты окупились бы за несколько лет путем экономии бензина и сокращения уровня экологического ущерба.