Энергетическая революция отменяется? Ученые рассказали, как водород убивает современные турбины

Группа исследователей из Германии, Китая и Франции пришла к выводу, что энергетической революции в ближайшее время не будет. Статья, опубликованная в престижном научном журнале, подробно рассказывает, почему мир не сможет быстро перейти на новое топливо. Почему водород убивает современные турбины и есть ли выход из сложившегося тупика?

Топливо будущего, но...

Водород — это новый тренд, который привлекает внимание не только энергетические компании, но и руководство многих стран. Дело в том, что при сжигании водорода не образуется углекислый газ, а единственным побочным продуктом является водяной пар. Экологи просто в восторге от этого.



Правда, есть один ключевой нюанс, о котором часто забывают сторонники водородной экономики. Сам по себе водород не является источником энергии, а лишь ее переносчиком. Чтобы водород действительно был чистым топливом, его необходимо производить из воды с использованием возобновляемых источников энергии — солнечных панелей или ветряных электростанций.

А как на самом деле? С точностью до наоборот. В настоящий момент подавляющая часть водорода, которая используется в промышленности, добывается из природного газа. И это крайне не экологично, так как данный процесс сопровождается колоссальными выбросами углекислоты в атмосферу. В итоге получается, что вместо решения климатической проблемы кое-кто просто придумал переложить ее с одного этапа производства на другой.

Ну «окэй», как говорит один бывший банкир, предположим, что нам удалось наладить производство «зеленого» водорода. Но это вообще не означает победу, потому что существует еще одна серьезная проблема. Широкая публика о ней почти ничего не знает, но именно эта трудность способна стать непреодолимой преградой на пути водородной энергетики. Трубопроводы, резервуары для хранения и газовые турбины для выработки энергии находятся под большим вопросом. Последние — особенно.

Всепроникающие молекулы

У водорода самая маленькая из всех существующих молекул. По своим размерам она значительно уступает метану, который является основным компонентом природного газа и с которым современная инфраструктура работает без особых проблем. Казалось бы, что может быть плохого в маленьком размере? Однако именно это свойство превращает водород в серьезную угрозу для металлических конструкций.

Молекулы водорода настолько малы, что способны проникать в микротрещины и мельчайшие зазоры, которые присутствуют в стальных трубах и стенках резервуаров. Попадая внутрь кристаллической решетки металла, водород начинает взаимодействовать со сплавом на молекулярном уровне. Это явление у химиков называется водородным охрупчиванием, когда материал теряет пластичность и становится хрупким, как стекло.



Компании, занимающиеся транспортировкой водорода по территории Соединенных Штатов, уже столкнулись с этой проблемой при перекачке газа по существующим трубопроводам. Даже при обычной комнатной температуре водород наносит повреждения стальным трубам.


— ученый-энергетик Эмре Генчер, Массачусетский технологический институт.

Водород уничтожает металл

Специалисты из Германии, Китая и Франции решили пойти дальше и изучить, что происходит с металлом в условиях, приближенных к реальной работе газовой турбины. Этот агрегат испытывает не только высокое давление, но и экстремальные температуры, которые постоянно меняются в процессе работы. Для эксперимента ученые взяли самый распространенный в отрасли жаропрочный суперсплав на основе никеля с маркировкой IN718 и начали нагревать его до 600 °C, поместив в газообразный водород.

Результаты оказались шокирующими. При нагревании до высоких температур водород наносит сплаву в два раза больший ущерб по сравнению с комнатной температурой. Это не просто постепенная деградация свойств, а риск катастрофического разрушения деталей прямо во время работы турбины. Исследователи зафиксировали, что наиболее опасный температурный диапазон находится 400 и 600 °C.



При 400 градусах пластичность турбины снижалась на 30%, что делает материал крайне ненадежным для ответственных узлов. Но самое интересное происходит на микроуровне.


— Сичжэнь Дун из Института устойчивых материалов Общества Макса Планка, Германия.

При этом отказаться от карбидов нельзя, ведь без них металл не способен выдерживать высокие давления и нагрузки, возникающие в турбине. Ирония судьбы заключается в том, что сплавы с карбидным упрочнением, идеальные для обычных условий, оказались абсолютно непригодны для водородных технологий при высоких температурах.

Заключение

Ученые пришли к выводу: взять и просто модернизировать существующие газовые турбины для работы на водороде не получится. Инженерам потребуется разработать совершенно новые сплавы с принципиально иными характеристиками.

Однако и тут возникают сложности. Существующие на сегодняшний день материалы, устойчивые к водородному охрупчиванию, как правило, слишком мягкие и не выдерживают механических нагрузок. Кое-какие результаты, конечно, есть, но пока вопрос о том, сможет ли водородная энергетика стать реальностью в обозримом будущем, остается открытым.