В пресс-релизе, посвященном недавнему исследованию, говорится: “Новый катализатор может стать топливом на жидком водороде будущего”. Но не стоит волноваться – оптимизм более чем беспричинный. Ранее я уже писал о водородном топливе и о причинах, по которым я не испытываю оптимизма в отношении водорода как топлива для широкого использования в транспорте. Ничто в новом исследовании не меняет этого – большая часть производства водорода сегодня использует ископаемое топливо, и это хуже, чем просто сжигание ископаемого топлива, водород обладает не очень высокой плотностью энергии и требует инфраструктуры не только для производства, но и для хранения и транспортировки. Кроме того, это очень негерметичная и реакционноспособная молекула, поэтому с ней сложно работать. Возможно, у нее есть будущее в некоторых нишевых областях применения, но в автомобилестроении она постепенно проигрывает конкуренцию электромобилям с аккумуляторными батареями.
Это новое исследование не меняет основной ситуации. Но это повышает потенциал одного из способов использования водорода, потенциально для одного из нишевых применений. Самая большая проблема для “грядущей водородной экономики” (которая так и не возникла) – это хранение. В принципе, существует три варианта хранения водорода для использования в водородных топливных элементах. Вы можете охладить его до температуры жидкости, сжать в газообразное состояние или связать с каким-либо другим материалом.
Водород – самый легкий элемент, он содержит много потенциальной энергии и по этим причинам является отличным топливом. Это, пожалуй, лучшее топливо для ракет, поскольку оно обладает наибольшей удельной энергией (энергия на массу), а для ракетного уравнения энергия на массу – это все. Возможно, мы никогда не найдем лучшего ракетного топлива, чем чистый водород. Жидкий водород обладает примерно в три раза большей энергией на единицу массы, чем бензин. Поэтому теоретически он может показаться хорошим топливом. Но плотность энергии (энергии на единицу объема) у него лишь в три раза меньше, чем у бензина. Это ограничивающий фактор для небольших мобильных приложений, таких как автомобили. Представьте, что 50-галлонного бака жидкого водорода хватит на столько же, сколько 17-галлонного бензина. Кроме того, жидкий водород необходимо хранить в очень холодном состоянии.
Сжатый газообразный водород обладает еще меньшей плотностью энергии. Его энергетическая плотность примерно на две трети выше, чем у жидкого водорода, даже при высоком давлении. И, конечно, вы меняете низкие температуры на очень высокое давление, что сопряжено с определенными техническими трудностями и рисками.
Два десятилетия назад, когда люди еще говорили о водородной экономике, многие верили (или надеялись), что ученые разработают среду для хранения водорода. Было проведено множество исследований керамики, которая могла бы удерживать большое количество водорода при атмосферном давлении и температуре и быстро высвобождать его. Но мы так и не смогли достичь приемлемой удельной энергии – керамика была просто слишком тяжелой для того количества водорода, которое она могла вместить. Это препятствие остановило внедрение автомобилей на водородных топливных элементах, что позволило BEVs занять лидирующие позиции.
Но есть и другой вариант – жидкие органические носители водорода (LOHC). Это органические молекулы, которые могут связывать большое количество водорода и обратимо высвобождать его. Их можно хранить в жидком виде, как обычное топливо, при температуре и давлении окружающей среды. Однако у них есть некоторые технические ограничения. Их энергетическая плотность составляет всего около 25% от энергии бензина. Это хуже, чем у жидкого водорода, и примерно соответствует уровню сжатого водорода. Но у нас уже есть автомобили на водородных топливных элементах, работающих на сжатом газе, так что, возможно, LOHC смогут их заменить. Другим ограничением является то, что водород выделяется из LOHC при температуре 350°C и хранится при температуре 150°C (или аналогичной, в зависимости от конкретной используемой молекулы). Это требует больших затрат энергии и снижает энергоэффективность системы. Кроме того, в автомобиле, например, вам понадобится один бак для водородсодержащего LOHC, а затем еще один бак для LOHC с низким содержанием водорода (таким образом, два бака по 50 галлонов). Когда вы заправляетесь, вам нужно будет как слить отработанное топливо, так и заменить его свежим.
Это требует много сложных технических решений для установки в автомобиль. Одним из главных преимуществ BEV является то, что они механически намного проще, чем автомобили, работающие на бензине или водороде. Они твердотельные, с аккумулятором и двигателями. Их сборка требует меньше труда и гораздо меньших затрат на техническое обслуживание. Автомобиль на базе LOHC должен был бы конкурировать с этим. Но, опять же, может существовать ниша, в которой LOHC-аккумуляторы лучше, чем аккумуляторы для батареек, например, в ситуациях, когда вес имеет большее значение, чем объем.
Итак, что же добавило новое исследование? Это фундаментальная научная работа, подтверждение концепции, исследование нового катализатора для выделения водорода из LOHC. В качестве LOHC они использовали изопропанол и 4-метилпиперидин. Для работы фермента требуется небольшое количество иридия, который является редким металлом, но, вероятно, не является решающим фактором. Согласно исследованию, он более чем на 99% эффективен для удаления водорода из LOHC. Это здорово и многообещающе. Но после 45 часов использования он также теряет 25% эффективности. Это не так уж и много.
То, что мы имеем, – это постепенный прогресс в одном из аспектов технологии использования LOHC в качестве топлива. Однако в нем не рассматриваются основные недостатки технологии. Я понимаю, что в пресс-релизе нужно акцентировать внимание на положительных сторонах и потенциале новой технологии, но, если углубиться в науку и предысторию этой технологии, становится совершенно ясно, что она не готова к выпуску в прайм-тайм. Трудно представить себе будущую версию этой технологии, которая с учетом ограничений по плотности энергии могла бы составить реальную конкуренцию BEVs. Но, возможно, это может быть решением для некоторых областей применения, таких как поезда или большие грузовики. Он также может найти применение в промышленном применении водорода (не в транспортном секторе), где плотность энергии является гораздо меньшей проблемой. Здесь он обладает значительным преимуществом, заключающимся в длительном хранении при температуре и давлении окружающей среды.
