Как взрывы в Подмосковье помогают водородной энергетике, какой тип автомобильного топлива самый пожароопасный, каким был первый двигатель внутреннего сгорания, правильно ли ассоциировать водород с водородной бомбой, читайте в совместном репортаже порталов Inscience.News и Indicator.Ru
В жаркий июньский день в Мытищах гремят взрывы, заливаются сирены и пляшут языки огня. Идея «взрывать ради безопасности» звучит как оксюморон, вроде «воевать за мир» или «пить за трезвость». Но при самих испытаниях никто не пострадал, а в будущем их результаты помогут избежать новых жертв и сделать новый шаг к «зеленым» технологиям — водородным двигателям. Рассказываем об экспериментах, которые проводились в Институте комплексной безопасности в строительстве МГСУ совместно с Центром компетенции НТИ при ИПХФ РАН.
Дорога к водородному транспорту
Вначале сделаем небольшое отступление и расскажем, что это за зверь такой, водородный двигатель. Мало кто знает, но первый прототип автомобиля с двигателем внутреннего сгорания, созданный в начале XIX века французом Франсуа де Ривазом, работал на смеси водорода с кислородом, которую надо было поджигать вручную. Но если концепты транспорта на водороде появились даже раньше, чем все остальные, почему они не прошли такую же эволюцию, как и привычные нам машины, ездящие на дизеле, пропане или бензине? Первые водородные автомобили были примитивны и ездили со скоростью три километра в час на очень маленькие расстояния, поэтому коммерческого успеха машины де Риваза и его последователей не добились.
Водородный автомобиль де Риваза
Массовый интерес к водородному транспорту появился только в середине прошлого века, когда человечество осознало, что запасы нефти не бесконечны, да и атмосфера от выбросов углерода страдает. А кроме того, со времен де Риваза появился принципиально новый способ использования водорода – не сжигать его в двигателе, а окислять в топливном элементе с выделением электричества. Но и в 1950-60-х годах водород «не взлетел» - слишком большими и сложными в производстве оказались топливные элементы. Точнее – он только что и взлетел: вся американская космическая программа строилась на водородных топливных элементах.
Казалось бы, если со второй попытки эта технология не стала массовой, надежд у нее мало. Однако это неверное впечатление. Как рассказал руководитель Центра компетенций НТИ «Новые и мобильные источники энергии» при ИПХФ РАН, профессор Юрий Добровольский, долгое время главным сдерживающим фактором была сложность хранения и безопасной перевозки этого вида топлива. Водород в газообразном состоянии, даже сжатый, обладает очень низкой плотностью (стандартный баллон весит примерно в тридцать раз больше, чем водород, который можно в него закачать), а в сжиженном виде он существует при узком диапазоне крайне низких температур.
К тому же, при взрывах водорода металлические баллоны разлетаются на осколки, которые могут наносить тяжелые ранения. В последнее время технологии хранения водорода продвинулись вперед — к примеру, появились новые углепластиковые баллоны, легкие, более безопасные и относительно недорогие. Такой баллон показали и журналистам в МГСУ специалисты из Центра компетенций.
Слева: водородный композитный баллонЕкатерина Мищенко
Пока водородный транспорт был в застое, росла популярность электромобилей. Транспорт в крупных развитых городах все чаще становится электрическим, чтобы уменьшить выбросы углерода и снизить нагрузку на окружающую среду. Европейские столицы соревнуются друг с другом в экологичности, да и Москва обзавелась электробусами, закупив более 500 единиц из 2000 запланированных. В Норвегии электромобили опередили аналоги по продажам. Но такой транспорт имеет и недостатки: у электромобилей очень маленький пробег после зарядки, которая может занимать больше десяти часов в обычном режиме «от розетки» и больше часа на специализированной заправке.
В большинстве регионов России с ее огромными расстояниями это неприемлемо, поскольку инфраструктуры для подзарядки можно не найти на протяжении сотен, а то и тысяч километров. Водородный автомобиль, благодаря большей удельной энергоемкости топливного элемента, может на одной заправке проехать 600-1000 километров реальных дорог, а заправляется он за 4-5 минут. Поэтому в области водородных технологий, которые переживают новый расцвет, наша страна может выйти в лидеры. Есть и еще одна проблема с электромобилями — возгорания огромных батарей. В среднем для того, чтобы потушить один современный электромобиль, нужно до 11 пожарных расчетов, а поскольку в ячейках некоторых литий-ионных аккумуляторов выделяется кислород, их потушить в принципе невозможно.
«Это безопаснее других видов топлива, это наше завтра»»
Почему же водородом и взрывами заинтересовались в строительном вузе? «Одно из важнейших направлений наших исследований — взрывобезопасность строительства, — поясняет ректор МГСУ Павел Акимов. — Мы изучаем безопасность в области строительства при всех возможных видах воздействий на здания. В нашем в научно-техническом комплексе трудятся более 700 человек, 300 из них — инженерно-технические работники». В лабораториях с уникальным оборудованием инженеры изучают взрывобезопасность разных материалов и создают огнестойкие конструкции. «Транспорт в динамическом движении, инфраструктура, которая их питает — это строительные конструкции, и при их неправильном проектировании возникают серьезные последствия», — предупреждает профессор МГСУ Сергей Цариченко.
На заправках, особенно с новым типом топлива, эти параметры играют решающую роль. В общественном сознании водород с кислородом превращается в гремучую смесь (ее так и называют — гремучим газом), которая действительно воспламеняется от малейшей искры. Но разве не то же самое происходит со смесью пропана и бутана или бензином? Катастрофы на заправках, взрывы бензовозов часто случаются со всеми видами топлива, но только водород окружен огромным количеством страшилок. Он ассоциируется и с водородной бомбой, и с терпевшими крушение дирижаблями. Но во всех этих случаях газ признали без вины виноватым: в термоядерном оружии на самом деле используется другой изотоп, дейтерий, да еще и в соединении с литием, а дирижабль, давший максимальное количество жертв, и вовсе был наполнены гелием. Шансы же выжить при аварии самолета гораздо ниже, чем при падении дирижабля.
Для понимания, почему так происходит, нужно учитывать свойства этих веществ. Поскольку водород легкий и текучий, он поднимается вверх со скоростью 20 м/с и быстро рассеивается в атмосфере (более подробно о сравнении безопасности разных видов топлива можно прочитать в научной статье).
«Пропан тяжелее воздуха (молярная масса — 44 против 29), он будет скапливаться внизу, поэтому вероятность взрыва будет выше. У водорода вдвое выше скорость детонации, но взрыв проходит не так разрушительно — после него почти ничего не загорается», — рассказал заместитель руководителя Центра компетенци НТИ Алексей Паевский. Более того, при горении водорода продуктом будет… вода, а не угарный газ, углекислый газ или ядовитые вещества.
В доказательство своих слов ученые из Центра компетенций НТИ и МГСУ продемонстрировали взрывы стехиометрической смеси водорода с кислородом, пропан-бутановой смеси и бензино-паровоздушной смеси. Для изучения последствий взрыва важна не только вероятность самого взрыва, но и его характеристики: скорость ударной волны, количество выделяемого тепла. Журналисты наблюдали за процессом с почтительного расстояния. «Мы за несколько дней до вас все уже взорвали, проверили», — приободряет Алексей Паевский.
Водородно-кислородная смесь при детонации издавала высокий звук из-за большой скорости ударной волны, но вспышка огня была слабой и практически сразу погасла. Пропан-бутановая смесь горела сильнее, но ярче и дольше всего полыхал бензин.
«Любое горючее в узком пространстве опасно, хотя бензиновая заправка опаснее водородной. Безопасность газовых заправок выше, если строить их в автопарках, отдельно стоящим зданием, специально обучать персонал для обслуживания. Это безопаснее других видов топлива, это наше завтра», — подытожил Юрий Добровольский.
Четвертым, «бонусным», экспериментом стал взрыв в большой камере с двойным стеклопакетом с одной стороны и узким регулируемым отверстием в другой: такие исследования помогают понять, выбьет ли взрыв стекла и разрушит ли стены. Другие лаборатории МГСУ, по которым провели журналистов, тоже занимаются разрушающими воздействиями: изучают истирание асфальтового покрытия на дорогах, проверяют прочность крупногабаритных конструкций при давлении, тряске, ударах с разных сторон. Отдельной гордостью университета оказался бассейн для моделирования волновых воздействий на берегу или на шельфе морей и одна из самых больших в стране климатических камер, используемых для строительства.
«В России водород примерно в десять раз дороже, чем в Европе»
Дорого ли обойдется переход на водородное топливо? На этот вопрос нашему корреспонденту ответил Юрий Добровольский. «Мы сравнили дизельный автобус, электробус и водородный автобус тех же размеров. Даже сейчас водородный автобус выгоднее электробуса — и это с учетом полного жизненного цикла, куда входят затраты на ремонт и заправку. Эксплуатационные расходы для водородных автобусов близки к нулю. Но, к сожалению, в России водород очень дорогой — примерно в десять раз дороже, чем в Европе. Если цена за водород будет приемлемая для автотранспорта (в районе 4-5 долларов килограмм), то он выиграет у дизеля».
Ученый признался, что не верит, что водородный автомобиль Toyota Mirai будет стоять в каждом дворе. Но в том, что водородные двигатели нужны в коммунальном хозяйстве, городском транспорте и в дальних перевозках, он не сомневается. В отличие от электробусов, заправка водородного автобуса проходит очень быстро, и требуется она всего раз в день.
Производство водорода сегодня — это многотоннажные промышленные масштабы. Что же мешает нам наладить инфраструктуру водородного транспорта? Самым старым и одним из самых дешевых методов считается пропускание паров воды над углем при высокой температуре. Самый чистый, «зеленый» способ — электролиз воды с использованием возобновляемых источников энергии, то есть, ее разложение при помощи электричества, но из-за затрат этого самого электричества он пока считается самым дорогим. Компромиссом между величиной углеродного следа и себестоимостью стал «голубой» способ — конверсия метана с последующей утилизацией выделившегося углекислого газа. Чтобы все не закончилось на кучке энтузиастов, купивших водородные автомобили ради интереса, этот процесс в России нужно масштабировать, а для этого требуется поддержка государства.
По словам экспертов, сегодня водородная энергетика не развивается без участия государства ни в одной стране мира. И речь даже не только о финансовой помощи — в российских нормах регулирования, связанных с водородным транспортом, сейчас очень много пробелов, которые касаются и правил безопасности, и стандартов эксплуатации. Чтобы устранить их и объяснить населению, что водород — не самое опасное топливо, понадобится не один год. Будем считать, что публичные эксперименты в МГСУ — хорошее начало.
Исследователи создали математическую модель эпилепсии