Эпоха ископаемого топлива постепенно подходит к концу, и мировой автопром ищет ему экологичную замену. Заведующий кафедрой «Двигатели внутреннего сгорания» автотракторного факультета БНТУ, кандидат технических наук Павел Малышкин убежден: будущее — за водородом. Он рассказал корреспонденту sb.by, как этот газ обходит бензин по энергоемкости, с какими инженерными вызовами сталкиваются исследователи и почему в Беларуси уже сегодня готовят специалистов для водородной энергетики.
Павел Малышкин плотно занимается улучшением глобальных экологических показателей автотракторных моторов, где водород выступает одним из самых перспективных направлений. Возглавляя единственную в Беларуси профильную кафедру, он курирует подготовку будущих инженеров–конструкторов по специальности «Силовые установки». И на лекциях в БНТУ студенты изучают далеко не только классические двигатели. В фокусе внимания перспективные энергетические агрегаты, альтернативные источники энергии, водородные элементы и гибридные технологии, которые в перспективе будут применены на транспорте.
Мы живем в 2026 году, когда обратный отсчет для эпохи ископаемого топлива уже запущен. Мировые запасы нефти и газа неуклонно тают, и, по прогнозам ученых, уже через 40–80 лет добыча традиционных углеводородов станет настолько сложной и дорогой, что человечеству придется полностью перестроить глобальную энергетику. В поисках идеальной альтернативы ученые и крупнейшие мировые корпорации всё чаще обращают взор на самый легкий элемент таблицы Менделеева — водород.
Главный козырь водорода — его фантастическая энергоемкость. По соотношению запасенной энергии к массе он абсолютный чемпион: один килограмм этого газа выдает от 120 до 140 мегаджоулей энергии. Для сравнения: привычный бензин при том же весе скромно демонстрирует лишь 40–44 мегаджоуля. Разница практически в три раза! Символично, что история мирового двигателестроения закольцевалась: еще на заре XIX века французский изобретатель Франсуа Исаак де Риваз проводил свои первые испытания и создал самый первый в мире ДВС именно на водороде.
Сегодня технологии предлагают два магистральных пути: сжигать водород непосредственно в цилиндрах как горючее или превращать его в электричество с помощью топливных элементов посредством химической реакции. Но у этого «топлива будущего» сложный характер: водород невероятно летуч и взрывоопасен, а при его сжигании образуются токсичные оксиды азота.
К счастью, инженеры научились нивелировать эти угрозы. Секрет кроется в уникальных физических свойствах газа: водород способен стабильно гореть в смеси с воздухом в огромном диапазоне концентраций — от скромных 4 процентов до внушительных 75. Тонко регулируя состав этой смеси, а также контролируя скорость и температуру сгорания, исследователи сводят к минимуму и вредные выбросы, и опасность взрыва. К тому же главное экологическое преимущество водорода неоспоримо: при его использовании полностью отсутствует углеродный след, а ведь именно на декарбонизацию сегодня ориентирован весь мир.
Исследователь Павел Малышкин убежден, что в энергетике будущего каждый перспективный вид топлива займет свою уникальную нишу. Из традиционных углеводородов дольше всех на рынке задержится природный газ. Что касается альтернатив вроде био– и геотермальной энергии, они пока проявили себя слишком слабо, чтобы всерьез влиять на глобальный баланс. По мнению собеседника, нас ждет четкое разделение сфер влияния. Малый транспорт, требующий небольших энергозатрат (вроде электросамокатов и мопедов), окончательно перейдет на аккумуляторные батареи. Водород же станет незаменим там, где необходимы колоссальная мощность и мгновенное высвобождение энергии: в тяжелой технике, авиации и крупных энергетических агрегатах.
Конечно, сегодня КПД технологии далек от идеала: на производство чистого водорода методом электролиза уходит больше электричества, чем можно вернуть при его последующем использовании. Однако правила игры меняются. В будущем ключевым экономическим фактором станут жесткие экологические ограничения и штрафы за выбросы. В таких реалиях водород как чистый энергоноситель автоматически станет коммерчески выгодным.
Павел Малышкин предлагает разделить внедрение водородных двигателей внутреннего сгорания на четыре стратегические задачи: производство водорода по приемлемой цене; обеспечение его безопасного хранения; разработка специализированных ДВС; создание развитой сети заправочных станций.
При этом вопрос стоимости производства эксперт не считает критическим тупиком. Если у человечества не останется дешевой альтернативы ископаемому топливу, рынку придется принять и оплатить любую сформировавшуюся цену на водород. Настоящий вызов кроется в других пунктах этого уравнения.
Проблема безопасного хранения водорода в больших объемах — как на станциях, так и на борту автомобиля — остается одной из самых острых. В газообразном или жидком состоянии он требует огромного давления или криогенных температур. Однако выходом может стать принципиально иная технология: хранение водорода в связанном состоянии с другими химическими элементами, откуда его можно будет быстро и недорого высвобождать по мере необходимости.
Что касается самого мотора, история повторяется. Изначально ни один ДВС не проектировался под газ, однако инженеры смогли адаптировать бензиновые движки под пропан и бутан. Сначала технологию буквально «притянули за уши», но со временем довели до ума. Конструктивно водородный двигатель сохранит привычные элементы, хоть и потребует точечной модернизации. Например, деталям, контактирующим с газом, понадобится специальное защитное покрытие, которое предотвратит водородное охрупчивание металла. Кроме того, конструкторам предстоит окончательно укротить высокую скорость и температуру горения этого топлива. Вопрос же со строительством сети заправочных станций решится классическим эволюционным путем — через их постепенное и массовое возведение по мере роста спроса.
Пока мировая индустрия делает первые шаги, в Беларуси к теме присматриваются превентивно. Как рассказал Павел Малышкин, на данном этапе в БНТУ применение водорода изучается преимущественно в теоретических и учебных целях. Из–за высокой взрывоопасности газа действующие лаборатории вуза пока не рассчитаны на проведение масштабных практических экспериментов. Тем не менее преподаватели активно ставят перед студентами сложные теоретические задачи, а будущие инженеры успешно находят для них перспективные решения, приближая водородное будущее пока на бумаге.
Вадим Слав
Источник: sb.by