Водородная энергетика. Перспективный источник или миф?

Водород — это первый и самый лёгкий элемент периодической таблицы Менделеева. В обычных условиях это бесцветный газ без запаха и вкуса.

Водородная энергетика

Водород считается одним из самых перспективных источников энергии на нашей планете, способным заменить природный газ уже в ближайшем будущем. Но так ли он хорош, как о нём говорят, или это очередной миф — давайте разбираться.

1. Почему водород?

Водород является самым распространённым элементом во Вселенной, содержащимся в 75 процентах материи. А молекула водорода имеет два парных атома, которые нетоксичны и очень горючи.

Молекула водорода

Водород (H2) — это удивительный элемент. Он может вырабатывать электричество, не оставляя после себя ничего, кроме воды и небольшого количества тепла. А его количества может хватить человечеству для удовлетворения всех своих энергетических потребностей вечно!

2. Где применяется водород?

Водород уже имеет широкий спектр применения в различных отраслях промышленности: от производства до хранения возобновляемой энергии, от сельского хозяйства до топливных элементов, от очистки воды до освоения космоса.

Водород используется в качестве топлива на обычных электростанциях посредством сжигания. Используя энергию, выделяемую при горении водорода, электростанции вырабатывают электроэнергию с уменьшенными выбросами по сравнению с выработкой электроэнергии на основе традиционного ископаемого топлива.

Газовая электростанция

Возобновляемые источники энергии, такие как солнечная и ветровая энергия, работают периодически и могут быть недоступны тогда, когда это особенно необходимо. Водород вырабатывают из возобновляемых источников и закачивают в ёмкости. Этот накопленный водород преобразовывается обратно в электроэнергию, когда спрос высок.

Водород используется в различных сельскохозяйственных целях, включая производство удобрений и защиту растений. Аммиак, полученный из водорода, является ключевым звеном в растениеводстве.

Сельское хозяйство

Перекись водорода — мощный окислитель, применяемый в качестве дезинфицирующего средства, получают также из водорода.

Топливные элементы преобразуют химическую энергию водорода в электричество, единственным побочным продуктом которого является вода. Этот «чистый» и эффективный метод преобразования энергии делает топливные элементы идеальными для питания транспортных средств, домов и портативных электронных устройств. И он намного эффективнее простого сжигания H2. Подробнее о топливных элементах ниже.

Водород играет жизненно важную роль в процессах очистки воды. Он используется для производства хлора, ключевого компонента дезинфекции систем водоснабжения и поддержания здоровья населения. А перекись водорода и здесь способствует удалению примесей и загрязнений из источников воды, обеспечивая безопасную и чистую питьевую воду.

Очистные сооружения

Космическая промышленность в значительной степени полагается на водород для ракетных двигателей. В сочетании с жидким кислородом жидкий водород создаёт мощный и эффективный источник топлива для освоения космоса. Высокая плотность энергии водорода и чистые свойства горения делают его идеальным выбором для питания ракет, позволяя космической отрасли выходить на новые рубежи и проводить научные исследования.

3. Может ли водород заменить природный газ в быту?

Миллионы людей во всем мире полагаются на природный газ, подаваемый в дома в качестве топлива для печей. Но станет ли газообразный водород топливом для домашней кухни?

Применение водорода в быту

Уже существует несколько типов конструкций с использованием газообразного водорода для приготовления пищи. К ним относятся плиты прямого сжигания H2, плиты каталитического сжигания H2 или гибридные системы.

В системе этого типа используется традиционная конструкция пламенного сгорания, в которой в качестве топлива используется H2. Температура в ней варьируются от 1200°С до 2100°С. Водород в плите соединяется с кислородом воздуха, оставляя после себя только водяной пар. Особенностью конструкции является встроенный пламегаситель, способный остановить горение.

В каталитических плитах сгорания H2 происходит реакция окисления (беспламенного горения) с участием гетерогенного катализатора. Эта форма более безопасна, благодаря относительно невысоким температурам (около 500ºC), и пламягаситель не является обязательным элементом.

Конструкция и безопасность этих плит сильно различаются: от обычных печей, работающих на смеси природного и водородного газа, до более совершенных конструкций. Развитие данных устройств ещё впереди.

4. Из чего и как производят водород

В далёком 1888 году великий русский учёный Д.И. Менделеев одним из первых задокументировал, что газ, просачивающийся из расщелин в угольной шахте недалеко от города Макеевка Донецкой области, содержит 5,8–7,5% водорода.

До сих пор самым распространённым источником водорода является природный газ. В результате реакции природного газа с парами воды при температуре 700-1100°C, получают синтез-газ и чистый водород. Подобным же образом синтезируют водород из угля.

Газ из угольной шахты содержит 5–8% водорода

Способов извлечения водорода из окружающего нас среды с каждым годом становится всё больше. Учёные даже присвоили ему цветовую палитру, в зависимости от способа и источника его получения:

• Серый водород образуется классическим способом из природного газа, коричневый — из угля. Оба способа характеризуются большими выбросами углекислого газа в атмосферу.
• Голубой водород изготовлен из природного газа с улавливанием выбросов углерода.
• Белый (или золотой) водород образуется в результате естественных процессов, происходящих глубоко под землёй.
• Зелёный водород получается путём разделения воды на кислород и водород путём электролиза.

На последнем способе получения H2 стоит остановиться отдельно.

5. Электролиз воды для получения водорода

Напомним, что водород сам по себе является очень распространённым элементом, и хотя он не встречается в природе в свободном состоянии, его можно извлечь из воды. Но чтобы стать «зелёным», недостаточно подвести электричество к электролизёру, выделив таким образом водород и кислород из воды. Отдельным условием выступают возобновляемые источники электрической энергии (ВИЭ), питающие оборудование.

В процессе электролиза на положительном электроде, где происходит окисление, выделяется кислород. На отрицательном электроде, где происходит восстановление, выделяется водород.

• производство чистого, безуглеродного водорода;
• получение двух ценных газов одновременно;
• модульность и масштабируемость (от небольших установок до огромных заводов).

• высокие энергозатраты — электролиз требует большого количества электроэнергии;
• высокая стоимость — капитальные затраты на оборудование все ещё велики;
• потери энергии — КПД процесса составляет около 70-80%, то есть часть энергии теряется в виде тепла.

6. Как водород можно преобразовать в электричество

В процессе, обратном электролизу, преобразования водорода в электричество участвуют приборы, называемые топливными элементами.

Топливные элементы (ТЭ) — это электрохимические устройства, которые непосредственно преобразуют химическую энергию топлива (например, водорода) и окислителя (например, кислорода) в электрическую энергию, тепло и воду. В отличие от аккумуляторов, они не накапливают энергию, а производят её постоянно, пока подаются топливо и окислитель.

В ходе химической реакции в них водород сначала на аноде разделяется на протоны и электроны, а затем на катоде они объединяются с атомами кислорода после прохождения электронов по электрической цепи, а протонов — через специальную мембрану.

Водородный топливный элемент

• высокий КПД (в выработке электроэнергии — до 60%, в когенерационных системах (тепло + электричество) — до 85–90%);
• экологичность (побочные продукты — только вода и тепло);
• тихая работа благодаря отсутствию движущихся частей.

• высокая стоимость катализаторов (например, платины) и компонентов;
• скорая деградация компонентов (особенно в высокотемпературных ТЭ).

Топливные элементы уже давно применяются в космосе и оборонной промышленности, теперь всё активнее — в водородном транспорте.

7. Крупнейшие проекты водородной энергетики

После катастрофы на Фукусиме Япония стала главным сторонником водородной экономики. Её правительство выделило огромные суммы денег, чтобы подтолкнуть таких производителей, как Toyota и Honda, к производству автомобилей на водородном топливе. Из-за этого они даже отложили планы по созданию электромобилей, стремясь к водородной мечте.

Главная цель Японии: увеличение потребления водорода до 3 млн тонн к 2030 году и 20 млн тонн — к 2050. Выделяются следующие инновационные проекты в стране:

• легковые автомобили (Toyota Mirai) и автобусы на топливных элементах;
• первое в мире рабочее судно на водородных топливных элементах для обслуживания морских ветряных электростанций;
• фотокатализатор для расщепления воды солнечным светом (эффективность пока не превышает 5%);
• производство водорода с помощью атомного реактора (планируется запустить к 2030 году);
• водородный город» с нулевыми выбросами, включая заправки и энергоустановки.

В Германии уже положено 5 тысяч км трубопровода, что в ближайшие годы позволит ей стать крупнейшим импортёром водорода в Европе и третьим по величине в мире, позади мировых лидеров Китая и Японии. По прогнозам, 10 ГВт электролизеров к 2030 году будут производить около миллиона тонн водорода в год. Планируется также создание в стране нескольких так называемых водородных долин. Каждая из этих долин будет располагаться в одной области и включать проекты, которые производят, распределяют и используют водород.

В головах энергетиков нашей страны ещё в советские времена зародилась Пенжинская приливная электростанция на Камчатке. Энергии, вырабатываемой станцией, хватило бы на полстраны. Но как передать такое количество энергии? Ответ прост: по трубопроводам в виде водорода!

Приливная электростанция

8. Экономика

• дешевле купить несколько дополнительных резервуаров для хранения водорода, чем много батарей;
• транспортировка водорода по трубопроводу в 10 раз дешевле, чем транспортировка электроэнергии по кабелю или проводам;
• существующая газовая инфраструктура способна переориентироваться на водородную.

По данным Международного энергетического агентства (МЭА), ожидается, что мировой спрос на водород достигнет 530 миллионов тонн в 2050 году, что почти в шесть раз больше, чем в 2020 году.

• производство зелёного водорода путём электролиза воды, как и выработка электроэнергии в топливном элементе, требуют дорогостоящего оборудования и дорогих катализаторов;
• развёртывание сети водородных станций может привести к многомиллионным ежегодным потерям на первоначальных этапах из-за несоответствия фактическому спросу;
• водородные грузоперевозки оказываются более эффективными на дальние расстояния, в то время как короткие расстояния лучше покрываются грузовыми автомобилями с батарейным питанием.

Водородные грузоперевозки

Помимо экономических, имеется ряд технических проблем, о которых расскажем далее.

9. Хранение водорода — основная проблема

Водород можно сжимать для эффективного хранения, но для этого нужно создать очень высокое давление. У безопасного резервуара должны быть стенки из очень толстой стали или дорогого углеродного волокна космического качества.

Водород можно преобразовать в жидкость. Это проверенный способ хранения, но он требует поддержания очень низких температур (до −259°C), что ведёт к большим энергозатратам.

Альтернативным способом хранения водорода в будущем могут стать условия, подсказанные самой природой. Молекулы водорода настолько подвижны, что способны просачиваться через большинство материалов в атмосферу. Но под непроницаемым слоем горных пород, таким как сланец или соль, этот газ будущего имеет тенденцию накапливаться. Соляные пещеры уже исследуется как способ хранения зелёного водорода.

Соляные пещеры

Обязательно нужно помнить, что водород очень пожаро- и взрывоопасен! Этот элемент взрывается в диапазоне от 4% до 75% в смеси с воздухом. Техника безопасности — ещё один момент, который важно учитывать при работе с водородом.

10. При чём здесь аммиак?

Преобразование водорода в другие химические вещества на этапе хранения и транспортировки рассматривается учёными как многообещающий способ его сбережения.

Аммиак — соединение водорода и азота, имеющее плотность хранения водорода в 1,7 раза выше, чем у сжиженного водорода. Аммиак привлекает внимание как наиболее экономически эффективный метод хранения и транспортировки водорода.

Поскольку он используется в различных областях, таких как удобрения, уже более 100 лет, он окружён инфраструктурой, эксплуатацией и стандартами безопасности.

Аммиакопровод

Аммиак даже рассматривался как потенциальный топливный элемент для двигателей внутреннего сгорания. Но он является трудносгораемым топливом и требует смешивания с бензином для эффективного сгорания. Поэтому после доставки к месту назначения планируется разделение аммиака на составляющие (без образования углерода, что очень важно).

И самая большая проблема, о которой узнали учёные совсем недавно...

11. Массовые утечки водорода могут пагубно сказаться на экологии

Выше мы заявили, что водород — один из самых перспективных источников энергии. И даже попытались это доказать. Но так ли экологичен этот самый распространённый элемент вселенной?

Водород — это не прямой парниковый газ, как углекислый газ, метан, его производное — фреон, наполняющий наши холодильники, или элегаз, наполняющий электрооборудование. Парниковые газы имеют асимметричную и сложную структуру, поэтому они могут «изгибаться» и «растягиваться» в атмосфере, поглощая или отражая энергию в инфракрасном диапазоне. Солнечный свет, падая на землю и океаны, нагревает последние, а они направляют инфракрасное излучение вверх. Но когда на пути инфракрасного излучения попадается парниковый газ, он переизлучает его обратно.

Испарение воды в океане

Метан, попав в атмосферу, через 20-30 лет разлагается на углекислый газ, что в 30-90 раз понижает потенциал его глобального потепления. Поэтому, избавившись от метана, мы можем исключить его пагубные последствия за одно поколение.

Но при чём здесь водород?

1. увеличение продолжительности жизни метана;
2. усиление образования тропосферного озона и изменение стратосферного озона;
3. увеличение образования водяного пара в стратосфере;
4. изменение образования некоторых аэрозолей.

Экспериментально определено, что в современной жизненной цепочке водорода, которая включает электролизёр, водородную заправочную станцию и топливный элемент, утечки достигают 4,2%, что в условиях растущей инфраструктуры может стать в 12 раз более разрушительным для окружающей среды, чем утечка углекислого газа.

P.S. Все изображения в статье являются фантазией искусственного интеллекта, текст — плодом творения человека

Присоединяйтесь, чтобы не пропустить самое важное

В телеграм

РЕКОМЕНДУЕМ К ПРОЧТЕНИЮ