Чому водень — паливо майбутнього?

Водень має всі шанси стати зеленою альтернативою викопному паливу. На жаль, поки що у світі лише 4% водню виробляється за допомогою використання відновлюваних джерел енергії та електролізу води (решта 78% припадає на переробку природного газу та нафти, 18% – на переробку вугілля), але ця частка постійно збільшується.

Під час спалювання водню отримують лише чисту воду, кисень та енергію (2H2O → 2H2 + О2), тож водень є основою безвуглецевої енергетики.

Для виробництва зеленого водню використовують електроенергію від вітрових, сонячних та гідроелектростанцій. Саме вітровим та сонячним станціям приділяється особлива увага у всіх прийнятих на сьогодні водневих стратегіях. 8 липня 2020 року було ухвалено «Водневу стратегію для кліматично-нейтральної Європи», після чого власні стратегії почали ухвалювати всі провідні країни світу.

У сільському господарстві водень може використовуватися в багатьох процесах. Його тестують для виробництва «зеленого» аміаку, з нього виготовляють паливні елементи, а також водень використовують як паливо для двигунів внутрішнього згоряння.

Який з двох останніх варіантів перспективніший? Про це піде мова далі.

Як виробляють зелений водень?

Водень (H2) виробляється за допомогою електролізу – хімічного процесу. Слово «лізис» означає відокремлювати або розщеплювати, відповідно, електроліз означає «розщеплення за допомогою електрики». Для цього потрібен електролізер, вода (H2O) і достатня кількість електричної енергії. Електрика подається на два електроди, або дві пластини, розміщені у воді. На катоді (де електрони потрапляють у воду) з'явиться газоподібний водень, а на аноді – кисень.

Теоретично, кількість водню (H2), що утворюється, вдвічі перевищує кількість кисню (O2), і обидва вони пропорційні загальному електричному заряду, проведеному розчином. Як і виробництво біогазу або біометану, виробництво водню в господарствах з використанням сонячної або вітрової енергії (або навіть гідроенергії) є потенційно цікавим.

Водень як паливний елемент

Перше, що потрібно з’ясувати: що таке паливний елемент?

Паливний елемент – це електрохімічний генератор, який забезпечує пряме перетворення хімічної енергії на електричну. На відміну від традиційних електричних акумуляторів, де відбуваються аналогічні перетворення, паливні елементи мають дві важливі особливості:

• вони функціонують доти, доки паливо (відновник) та окиснювач надходять із зовнішнього джерела;
• хімічний склад електроліту в процесі роботи не змінюється, тобто паливний елемент не треба перезаряджати

Як паливо в електрохімічних генераторах зазвичай використовують саме водень, а як окиснювач — кисень з повітря. Значно рідше паливом можуть слугувати спирти та інші речовини.

Перший водневий двигун

Однак водень може використовуватися не лише в паливних елементах, а й в традиційних двигунах внутрішнього згорання. У 1985 році канадські дослідники успішно переобладнали 40-сильний бензиновий трактор Massey Ferguson 65 з ферми Rockhaven у Кларксбурзі, Онтаріо, на водневий. Утім, це був далеко не перший двигун внутрішнього згоряння, що працює на водні. Ще у 1804 році франко-швейцарський винахідник Ісаак де Рівас сконструював стаціонарний двигун для приведення в дію насоса. Цей двигун працював на суміші газів: водню та кисню. Його двигун претендує на звання першого у світі двигуна внутрішнього згоряння і був використаний у 1807 році для приведення в рух карети.

Найкраща альтернатива для JCB

Дуже цікаве відео від Harry's Farm показує майбутнє важкої техніки на водневих двигунах. У відео лорд Бемфорд, голова правління компанії JCB, пояснює, чому його корпорація вважає водень найкращою альтернативою дизельному паливу для сільськогосподарської та важкої техніки: «Ціни на акумуляторні батареї для електромобілів (BEV) не будуть знижуватися так, як про це кажуть політики. Основна причина полягає в тому, що необхідна сировина для їх виготовлення, така як літій, кобальт і мідь, не подешевшає. Політики зачаровані Ілоном Маском і Tesla з їхнім свіжим новим способом мислення порівняно з Volkswagen, який «хитрить» із дизельними двигунами. Хоча проблема насправді не в двигуні внутрішнього згоряння, а у викопному паливі».

Відтак лорд Бемфорд вважає використання паливних елементів для важкої техніки малоперспективним: «Фермери хочуть працювати по 18 годин на зміну, а батареї для електромобілів не підходять для цього, оскільки вони занадто важкі й занадто дорогі. Наприклад, 20-тонний екскаватор потребує щонайменше 8 тонн акумуляторів, щоб працювати повну зміну. Це робить його щонайменше на 70% дорожчим. Крім того, все на цій машині також має збільшитися в розмірах, оскільки вона буде важити 28 тонн замість 20».

Компанія JCB першою оснастила екскаватор паливним елементом, але такий екскаватор на 130% дорожчий, ніж альтернативний на дизельному паливі.

Лорд Бемфорд продовжує: «За двигунами внутрішнього згоряння все ще велике майбутнє з багатьох причин: вони надійні, і люди знають, як з ними працювати. Водневий двигун коштує так само, як і дизельний, тоді як паливні елементи та акумулятори в рази дорожчі. Сама машина коштує лише на 10-15% дорожче через водневі баки. Якщо ви змусите двигуни працювати на водні, вони покажуть ті самі характеристики крутного моменту і той самий час заправки. Водень має втричі більше енергії на літр, ніж дизель».

У цьому ж відео Пол Маккарті, головний інженер JCB Powertrain, розповідає, що генератор JCB з дизельним двигуном, який працює на водні, вперше запрацював 8 грудня 2020 року: «Блок двигуна той самий, але завдяки вдосконаленій подачі пального та ідеальному сумішоутворенню крутний момент на низьких обертах подібний до дизельного двигуна. При цьому п'ять 5-кілограмових балонів H2, встановлених на екскаваторі-навантажувачі JCB, забезпечують достатньо енергії для 10 годин роботи».

Точка зору John Deere та Deutz

В одному з інтерв’ю менеджер з передових технологій компанії John Deere сказав: «Якщо 20 років тому ми дійсно робили ставку на паливні елементи як на технологію найближчого майбутнього, то зараз ми вважаємо, що паливні елементи, а також трактори, що працюють на біогазі або метані, занадто обмежені. Вони є недостатньо ефективними. Ви не можете взяти з собою достатньо пального для роботи протягом дня, і вони не зменшать викиди CO2 тими великими кроками, яких хоче бачити суспільство. Енергія від паливних елементів подібна до енергії від акумуляторів».

На презентації електричних тракторів-роботів GridCON2 компанія John Deere заявила, що «водень як джерело енергії все ще має занадто багато обмежень, але наявність паливного елемента на краю поля дозволить дозаправляти техніку під час роботи».

Виробник двигунів Deutz представив свій перший водневий двигун внутрішнього згоряння у 2021-му, очікуючи серійного виробництва в 2024 році. Шестициліндровий двигун об'ємом 7,8 л розвиває 272 к. с. (220 кВт). Водневий двигун можна використовувати в  усіх сучасних автомобілях Deutz і навіть у дорожньому сегменті. Після того, як двигун спочатку був випробуваний у генераторній установці для вироблення електроенергії, він буде випробуваний на 18-тонній вантажівці в рамках проекту HyCET.

Проте Deutz також робить ставку на машини з електричним приводом після придбання у 2017 році компанії Torqeedo, що виробляє електроприводи, та виробника акумуляторів Futavis у 2019 році. А наприкінці 2021 року компанія придбала міноритарний пакет акцій виробника паливних елементів Blue World Technologies, щоб спочатку використовувати їх у генераторах.

Гібриди від New Holland

У 2020 році компанія New Holland запропонувала концепцію H2 Dual Power – двигун, який працює на суміші дизельного палива та водню. Спочатку ця концепція була доступна як опція для безступінчастого чотирициліндрового двигуна техніки T5.140, пізніше New Holland інтегрував цю ж технологію в модель середньої серії тракторів T7 з довгою колісною базою.

Проект було реалізовано New Holland у співпраці з компанією Blue Fuel Solutions із Ньювегейну (Юта). Новий водневий трактор бренду отримав назву New Holland T7.245 AutoCommand H2 DP.

Концепція H2 Dual Power на T7 і на T5 майже однакова. На даху є п'ять робочих блоків загальним об'ємом 470 літрів, у яких водень стискається під тиском 350 бар. Тобто формується запас 11,5 кг газоподібного водню, які за енергомісткістю можна порівняти із 40 літрами традиційного дизельного палива.

Водень у новому інноваційному тракторі T7 подається до повітрозабірника стандартного шестициліндрового двигуна FPT під тиском 8 бар. При цьому впорскується до 65% водню, а його конкретна кількість (35-65%) залежить від різних параметрів, передусім – необхідної потужності.

Зазначимо, що переоснащення в рамках концепції H2 Dual Power для тракторів New Holland T7.245 коштуватиме приблизно 85 000 євро. Для T5.140 ці витрати становили трохи менше – 75 000 євро. Попри доволі високу ціну технології, брендом вже продано понад 20 водневих тракторів T5.140 з H2 Dual Power.

Нагадаємо, що саме компанія New Holland дебютувала зі своїм трактором NH2 на водневих паливних елементах на початку 2009 року, до того, як у 2013 році відбувся перший вихід на ринок трактора на метані. Трактор NH2 пройшов випробування в європейських господарствах, але не був запущений у виробництво через обмежену доступність водню та інфраструктури, а також високу вартість виробництва паливних елементів. У той самий час, тобто у 2009 році, завод Massey Ferguson у Бове (Франція) подав патент на трактор, що працює на паливних елементах.

Перспективи Fendt

Бренд Fendt, що належить Agco, також працює над технологією паливних елементів. Зокрема, 27 лютого поточного року корпорація взяла участь у водневому саміті в Німеччині, де вперше представила прототип водневого трактора.

Разом з іншими партнерами компанія Fendt бере участь у модельному сільськогосподарському проекті H2Agrar у Нижній Саксонії. У рамках проекту прототипи трактора з водневим двигуном почали використовувати на фермах на регулярній основі. Для цього у квітні 2023 року компанія Fendt поставила два прототипи першого покоління на ферми в Нижній Саксонії. Метою проекту є дослідження та створення інфраструктури для використання водню у сільському господарстві. Проект отримав премію DLG Agrifuture Concept Award 2022.

Різні відтінки водню

Залежно від того, яка енергія використовується для живлення процесу електролізу для отримання водню, водень вважається сірим, блакитним або зеленим.

Скажімо, якщо водень виробляється за допомогою електроенергії, отриманої з метану, продукт називається сірим. Це наймасовіший і найдешевший метод виробництва водню, вiн легко здійснюється з практичної точки зору, проте в ході хімічної реакції виділяється вуглекислий газ у тих же обсягах, що й під час згоряння природного газу.

Блакитний водень – фактично, такий самий, як і «сірий», його також отримують шляхом парової конверсії метану. Але головна відмінність – у процесі виробництва блакитного водню використовуються технології уловлювання та зберігання вуглекислого газу (CCS, carbon capture and storage). Іншими словами, якщо електростанція вловлює і зберігає CO2, що утворюється під час виробництва електроенергії, вона виробляє блакитний водень.

Коли виробництво водню здійснюється за допомогою сонячної, вітрової або гідроенергії, продукт називається зеленим. Єдиний «незелений» аспект цього типу водню потенційно полягає в його транспортуванні.

Однак можна зустріти й інші типи водню, наприклад, жовтий, у виробництві якого використовується електроенергія від атомних електростанцій. Як і зелений водень, жовтий одержують шляхом електролізу. Однак у цьому випадку джерелом енергії є АЕС, а серед світових фахівців з енергетики точаться запеклі дискусії – чи можна вважати водень, виготовлений за допомогою атомних електростанцій, екологічно чистим?

Бірюзовий водень – це водень, який отримують шляхом реакції природного газу (в ньому міститься 92-98% метану) з водою. Використовується метод піролізу – термічного розкладання органічних та багатьох неорганічних сполук. У промислових умовах піроліз вуглеводів здійснюється при температурі 800-900°C. Виробництво бірюзового водню на виході дає відносно низький рівень твердого вуглецю, який може бути використаний в промисловості, наприклад, у виробництві сталі, акумуляторних батарей або простих олівців.

Сировина для бурого водню – кам'яне або, частіше, буре вугілля. Це найстаріший спосіб отримання Н2, він почав застосовуватися у Великій Британії ще в 40-х роках XIX століття. Вугілля нагрівають з водяною парою за температури 800-1300°C без доступу повітря. Такий спосіб, поряд із паровою конверсією метану, найдешевший, але й екологічно найбрудніший. До речі, під час спалювання вугілля на теплових електростанціях утворюється вдвічі більше СО2, ніж у процесі спалювання природного газу.