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?
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.

Терминал для хранения сжиженных газов
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.
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.

Молекулы водорода способны протиснутся в любые трещины
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.
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.

Повреждения, вызванные водородом, при 25 °C (а) и 200 °C (b)
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.
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.
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.

Терминал для хранения сжиженных газов
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.

Молекулы водорода способны протиснутся в любые трещины
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.
Использование водорода в существующей инфраструктуре — это не такая простая задача, как может показаться на первый взгляд
— 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.

Повреждения, вызванные водородом, при 25 °C (а) и 200 °C (b)
При 400 градусах пластичность турбины снижалась на 30%, что делает материал крайне ненадежным для ответственных узлов. Но самое интересное происходит на микроуровне.
При нагреве атомы водорода начинают сближение с карбидами, отбирая у них углерод. В итоге образуется метан, который, в свою очередь, создает внутри металла колоссальное локальное давление, буквально разрывая материал изнутри и ослабляя границы между структурными элементами сплава
— 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.
Наши новостные каналы
Подписывайтесь и будьте в курсе свежих новостей и важнейших событиях дня.
Рекомендуем для вас
Возможно, целлофановые пчелы — спасение человечества: они миллионы лет делают то, что нужно нам как воздух
Поразительно, но удивительный продукт ученые нашли почти полвека назад, но почему-то до последнего времени не обращали на него внимания...
Тайна скифской ДНК: что поразило российских ученых, когда они заглянули в геном легендарных кочевников древности
Оказалось, что 2500 лет подряд историки ошибались в происхождении этого народа. Теории и учебники придется серьезно переписать...
Новый рецепт апокалипсиса: даже небольшая ядерная боеголовка на орбите гарантировано выведет из игры 99% аппаратов за считаные дни
Однако самое опасное, по словам ученых, начнется позже. Почему космос будет фактически закрыт?...
Ненужный рай: 1500-километровое путешествие показало, почему древние люди обходили стороной Зеленую Аравию
Выяснилось, что питьевая вода еще не делает местность пригодной для жилья. Племенам из древности требовалось еще кое-что необходимое...
Назад в будущее: в России вернут проводное радио. Зачем? Почему спорят эксперты?
В технологию уже вложено более миллиарда рублей, а МЧС называет проводное радио лучшим способом оповещения на сегодня...
Древние майя настолько любили красный цвет, что в итоге эта страсть, возможно, стала одной из причин гибели цивилизации
Ученые нашли доказательства, как яркая краска способствовала краху великой империи...
Авиация в США наконец-то уходит… с дискет: почему так поздно и как с этим обстоят дела в России?
Американцы потратили на выход из 90-х чудовищные суммы, но далеко не факт, что все заработает в срок и как надо...
Настоящий Ковчег Завета, возможно, спрятан в Эфиопии: почему его может видеть только один человек?
Этой истории 3000 лет, но она до сих пор далека от своего завершения...
Загадочный астероид неожиданно ускорился: у астрофизиков заканчиваются объяснения и гипотезы
Пожалуй, это самый интересный космический детектив за последнее время, и пока он далек до финала...
Наша Вселенная скреплена невидимым галактическим клеем: и без него нас бы не было
По словам ученых, «склеивание» произошло уже в первые секунды существования мироздания...
Парадокс Древнего Перу: жили мирно, но при этом приносили массовые и жестокие человеческие жертвы. Почему?
Ученый рассказал, какую роль в истории сыграл Эль-Ниньо и почему ритуальные убийства совершали «без гнева и конфликта»...
Усиленно боролись за чистоту, но просчитались: как роковая ошибка властей поставила под угрозу целый средневековый город
Норвежский Тронхейм был самым чистым в Европе, однако руководству города этого показалось мало. Хотели как лучше, а получилось как всегда...
В России создана революционная упаковка: молоко будет свежим целый месяц
Разбираемся: не испортился ли вкус продукта и когда ожидать чудо-пачки в продаже...
Выход на новый уровень: почему Россия возрождает проводное радио, а Китай давно прокачал этот вид связи
У старой технологии обнаружился огромный потенциал, который поможет миллионам людей...