Водород давно и широко используется в химической и пищевой промышленности

Наука и жизньНаука

Где взять водород?

Кирилл Дегтярёв, Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова

Электролизная станция с ресиверами хранения водорода. Березовская ГРЭС. Красноярский край (2014 год). Фото Валерия Акулича/Фотобанк Лори

Водород давно и довольно широко используется в химической и пищевой промышленности, в нефтепереработке. Но как об энергоресурсе о водороде заговорили сравнительно недавно. Первые экспериментальные проекты использования этого газа в качестве топлива для транспорта появились в начале текущего века. На протяжении двух десятилетий «водородный тренд» постепенно набирал силу. В широкое употребление вошло понятие «водородная экономика». Планы её развития, заявленные в ряде стран, включая Россию, подразумевают многократное увеличение производства и потребления водорода в энергетических целях — в качестве топлива, для производства электрической и тепловой энергии.

Предполагается, что водород наряду с возобновляемыми источниками энергии вытеснит «традиционные» углеводородные энергоносители. Водород активно позиционируют в качестве экологически безопасного «углеродно-нейтрального» источника энергии, а планируемый рост его производства и использования — как движение по пути декарбонизации мировой экономики и снижения потребления ресурсов. Под декарбонизацией понимается прекращение выбросов углерода и его соединений, прежде всего углекислого газа CO2, антропогенную эмиссию которого рассматривают в качестве одной из ключевых причин глобального потепления. Но с возможностью перевода энергетики на водород не так всё просто.

Лёгкий, горючий и очень теплотворный

Наверное, каждому из школьного курса химии известно, что водород — первый химический элемент таблицы Менделеева. Есть ряд изотопов водорода, но основной из них — протий (1H), на который приходится примерно 99,99% атомов водорода на Земле и во Вселенной. Ядро протия состоит всего из одного протона. Как следствие, это самый лёгкий химический элемент. Для сравнения, при нормальном атмосферном давлении 1 м3 воздуха имеет массу около 1,2 кг, 1 мприродного газа (метана CH4) — 700 г, а 1 м3 газообразного водорода (химическая формула H2) — всего 90 г. То есть водород почти в 8 раз легче природного газа и в 13 раз легче воздуха.

Водород бесцветен, не имеет запаха, при этом он химически активен, горюч и взрывоопасен. Но его горение действительно не даёт выбросов загрязнителей атмосферы. Реакция горения водорода идёт с образованием воды, с выделением большого количества энергии E (тепла): 2 H2 + O2 => 2H2O + E. То есть это тепло — экологически чистая энергия.

Водород — самый распространённый элемент во Вселенной, на него приходится почти 89% общего числа её атомов и около 75% её массы, поскольку этот газ — основное вещество звёзд и топливо для их «работы». Отметим, что остальные 11% атомов Вселенной приходятся на гелий — собственно, продукт «горения» звёзд, и только 0,1% — на все остальные химические элементы

Однако в обитаемом и доступном нам мире водорода на порядки меньше. Например, в земной коре его содержание оценивается всего в 1% по массе и около 17% — по общему количеству атомов. В земной атмосфере водород также выглядит исчезающе малой величиной — 5∙10─5% (0,00005%) общего объёма атмосферы и 3,5∙10─6% (0,0000035%) её массы. При этом свободного водорода на Земле мы почти не видим. Слишком лёгкий элемент в атмосфере плохо удерживается земным притяжением, но охотно вступает в химические реакции, образуя разные соединения, в которых он в основном и присутствует в географической оболочке.

Самое распространённое соединение водорода — вода, а самый большой на Земле резервуар этого газа — Мировой океан, на который приходится 96% воды на планете. Объём и масса вод Мирового океана — огромные величины: более 1,3 млрд км3 и, соответственно, 1,3∙1018 т. На водород в массе воды приходится 11%, то есть, в океанической воде его содержится примерно 1,4∙1017 т, и ещё приблизительно 5,6∙1015 т — в остальных водах Земли. Это в совокупности очень немного относительно массы земной коры, составляющей 2,8∙1019 т, — примерно полпроцента.

Оценим это количество водорода в энергетических единицах, сопоставляя с потребностями человечества. Теплотворная способность данного газа — 3,6 кВт∙ч/м3, или 40 кВт∙ч/кг и 40 МВт∙ч/т. Это примерно в три раза выше, чем у природного газа. Иными словами, только в пресных водах Земли (это всего 4% от всей земной воды) содержится 2,24∙1017 МВт∙ч, или 2,24∙1011 ТВт∙ч потенциальной водородной энергии. Для сравнения, вся энергия, потребляемая человечеством в течение года, менее 2∙105 ТВт∙ч1 — в миллион раз меньше. И нужно «всего» 5 млрд тонн водорода в год, чтобы обеспечить энергией всё человечество на текущем уровне. При этом в пресной воде Земли его больше в 1 млн раз, а в океанической — в 25 млн раз.

1 По данным International Energy Agency.

Огромное по сравнению с нуждами мирового энергопотребления количество водорода в виде его соединений содержится в запасах угля, нефти и газа, собственно, и называемых углеводородным сырьём. Дать точную цифру мировых ресурсов ископаемых углеводородов невозможно, но на данный момент только разведанные запасы в совокупности превышают 1 трлн тонн, и водорода в них не менее 100 млрд тонн, при этом на Земле разведано далеко не всё и ресурсная база постоянно пополняется.

Иными словами, теоретически, если мы начнём использовать водород в качестве топлива для выработки тепловой и электрической энергии, извлекая его только из воды, нам хватит его как энергоносителя на десятки миллионов лет, то есть навсегда.

Желанный, но такой дорогой

Почему же до сих пор водород не стал энергоносителем номер один?

Два главных способа получения этого газа в настоящее время — конверсия углеводородного сырья и электролиз воды. Но извлечение водорода из его соединений означает разрыв химических связей между водородом и кислородом в случае воды или между углеродом, кислородом и водородом в случае углеводородов. И оба процесса сопряжены с очень большими затратами энергии, с дорогостоящим оборудованием и, заметим, с загрязнением окружающей среды.

В настоящее время в мире производится около 75 млн т водорода в год, и пока его производство растёт невысокими темпами — менее 2% в год. При этом из углеводородного сырья добывается более 90% всего производимого водорода, в том числе 70% — с помощью конверсии природного газа, самого доступного способа. В основе процесса — подвод к природному газу тепла (нагрев печи до 600—1000°С) и водяного пара в присутствии металлического катализатора — кобальта, никеля, железа. Это самый дешёвый, но экологически грязный способ, оставляющий большой углеродный след, то есть выбросы CO2 в атмосферу. Он описывается химическими реакциями:

CH4 + H2O = CO + 3H2

СО + H2O = CO2 + H2

На выходе, как можно видеть, — большое количество углекислого газа. Кроме того, при расчёте стоимости процесса надо учитывать не только затраты собственно на работу печи, но и на добычу и транспортировку газа. И если рассматривать водород как топливо, то дешевле и экологически чище просто добывать и сжигать природный газ.

Есть и другие способы углеводородной конверсии — например, газификация и пиролиз угля и даже получение водорода из биомассы, но углеродный след и высокие затраты присущи всем этим решениям.

Если слегка коснуться цифр, то стоимость производства водорода методами углеводородной конверсии оценивается от $2 за 1 кг. Один лишь расход метана на производство 1 кг водорода составляет 5 м3, а при угольной конверсии производство 1 кг водорода потребует более 6 кг угля. Цена, очевидно, высока, при этом использование водорода как энергоносителя с КПД, равным 100%, невозможно, и количество полученной энергии в данном случае надо делить примерно на два—три. Добавим ещё затраты на создание и поддержание инфраструктуры для транспортировки и хранения водорода и получим исключительно дорогое топливо, производство которого далеко не безупречно с экологической точки зрения.

Водород долгое время хранили в сжатом либо жидком виде. Жидкий водород требует специального «криогенного» хранения (то есть в теплоизолированных контейнерах) и особого обращения из-за опасности взрыва. На фото огромный сосуд с жидким водородом в экспериментальной вакуумной камере в Исследовательском центре Льюиса (теперь Исследовательский центр Джона Гленна — John Glenn Research Center, NASA), 1967 год. Фото: NASA/GRC/Paul Riedel, Lloyd Trunk/Wikimedia Commons/PD

рения. Остаётся единственный экологически чистый способ получения водорода — извлечение его из воды, которой на Земле намного больше, чем углеводородного сырья, и она, очевидно, доступнее. Самый распространённый способ получения водорода из воды — электролиз, то есть разложение воды под действием электрического тока:

2H2O = 2H2 + O2

Побочный продукт электролиза — только кислород, однако этот процесс исключительно энергоёмкий. Для получения 1 кг водорода (напоминаем, теплотворная способность такого количества газа при 100%-ном КПД составит около 40 кВт∙ч) нужно затратить 40—50 кВт∙ч электроэнергии. Таким образом, расход энергии оказывается больше (а с учётом реальной эффективности использования конечного продукта — минимум вдвое больше), чем энергия, полученная на выходе. Что касается денежного эквивалента, то затраты на производство водорода путём электролиза оцениваются в $3—7 за 1 кг, что существенно выше, чем при конверсии углеводородов. И электролизом воды получают лишь 2% производимого водорода.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018» Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018»

Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018»

Playboy
История «Голубого огонька»: когда зажегся, как сиял и почему потух? История «Голубого огонька»: когда зажегся, как сиял и почему потух?

«Голубой огонёк»: от взлета в 60-х до кончины в 80-х и возрождения в конце 90-х

Esquire
Секрет 2000-летней липы… Секрет 2000-летней липы…

Дерево может продолжать жить веками, разрастаясь по кругу

Наука и жизнь
Как рождаются черные дыры: ученые обнаружили крошечный Как рождаются черные дыры: ученые обнаружили крошечный

Как черные дыры становятся такими опасными?

Популярная механика
Шедевр русской кухни Шедевр русской кухни

Ржаной хлеб прочно вошёл в домашний обиход наших соотечественников

Наука и жизнь
Оксиды азота и озон помешали насекомым-опылителям найти цветки Оксиды азота и озон помешали насекомым-опылителям найти цветки

Загрязнение воздуха снизило численность опылителей и количество посещений цветов

N+1
По следам суперпаводков Алтая По следам суперпаводков Алтая

Какая сила требовалась для того, чтобы создать огромные природные террасы?

Наука и жизнь
Третья версия интернета Третья версия интернета

Технология, за которой следят пристальней, чем за раскрученной метавселенной

Forbes
Лучше спросить заранее: популярные вопросы в области стоматологии Лучше спросить заранее: популярные вопросы в области стоматологии

Что нового появилось в современной стоматологии?

Популярная механика
Сытные, бюджетные, полезные: диеты, которые легко соблюдать зимой Сытные, бюджетные, полезные: диеты, которые легко соблюдать зимой

Благодаря этим диетам можно прийти в форму без стресса и голодовок

Cosmopolitan
Жизнь или не жизнь: как на Марсе обнаружили «биологический» углерод и что это значит Жизнь или не жизнь: как на Марсе обнаружили «биологический» углерод и что это значит

«Биологический» углерод на Марсе: стоит ли говорить о жизни на Красной планете?

Forbes
В новом исследовании подсчитано количество чёрных дыр во Вселенной. И как же их много... В новом исследовании подсчитано количество чёрных дыр во Вселенной. И как же их много...

Можем ли мы точно подсчитать, сколько черных дыр во Вселенной?

Популярная механика
5 самых громких существ на планете 5 самых громких существ на планете

В мире есть животные и насекомые, которые своим звуком могут оглушить вас

Популярная механика
«Пузырь доткомов 19 века»: как шотландец обманом собрал сотни тысяч фунтов на развитие вымышленной страны Пояис «Пузырь доткомов 19 века»: как шотландец обманом собрал сотни тысяч фунтов на развитие вымышленной страны Пояис

Как Грегор Макгрегор провозгласил себя правителем земли, которой не владел

VC.RU
Игра с понятиями Игра с понятиями

Включение Кавказа в состав Российской империи — завоевание или усмирение?

Дилетант
«Держите убийцу тов. Ленина»: документы и фото из дела о покушении на создателя СССР «Держите убийцу тов. Ленина»: документы и фото из дела о покушении на создателя СССР

Фото с инсценировки, показания врача и другие документы о покушении на Ленина

Maxim
Мы идем искать Мы идем искать

Поиск работы – это тоже работа. Но кто сказал, что нужно делать ее в одиночку?

Cosmopolitan
Гитарист превратил первую часть «Властелина Колец» в трехчасовую метал-балладу Гитарист превратил первую часть «Властелина Колец» в трехчасовую метал-балладу

На что толкает фанатов «Властелина Колец»

Популярная механика
Устаревшие книги и беззащитные учителя: как решить проблемы современного образования Устаревшие книги и беззащитные учителя: как решить проблемы современного образования

О сложностях российской школы и о том, что и как в ней можно исправить

Forbes
Арт и деньги, два стола Арт и деньги, два стола

В интерьере высокого класса обязательно должно быть искусство

Robb Report
Карта: 9 главных «цветных революций» СНГ, состоявшихся и не очень Карта: 9 главных «цветных революций» СНГ, состоявшихся и не очень

«Цветные революции» на постсоветском пространстве

Maxim
С кого начинался Голливуд: 7 великих актеров, которые изменили историю кино С кого начинался Голливуд: 7 великих актеров, которые изменили историю кино

С каких актеров началась история Голливуда?

Cosmopolitan
Палеопатологи обнаружили следы гнойных инфекций в древнеегипетских детских мумиях Палеопатологи обнаружили следы гнойных инфекций в древнеегипетских детских мумиях

Палеопатологи исследовали с помощью томографии несколько детских мумий

N+1
Неудачи останавливают лузеров: почему приговор Элизабет Холмс — угроза для визионеров Неудачи останавливают лузеров: почему приговор Элизабет Холмс — угроза для визионеров

Почему предприниматели, которые двигают прогресс, могут попасть за решетку

Forbes
Не стой у себя на пути: почему работа не должна влиять на самооценку Не стой у себя на пути: почему работа не должна влиять на самооценку

Отрывок из книги «Не стой у себя на пути» — как избавиться от ложных установок

Forbes
Как запустить командную строку в Windows: 4 простых способа Как запустить командную строку в Windows: 4 простых способа

Как открыть командную строку?

CHIP
Ферментация Ферментация

Ферментация – это модный зож-тренд, переживающий второе рождение

Здоровье
Пушистые любимцы: 50 удивительных фактов про кошек Пушистые любимцы: 50 удивительных фактов про кошек

Без кота и жизнь не та, но что мы о них знаем?

Playboy
Акробатика в трубе: аэродинамический спорт будущего Акробатика в трубе: аэродинамический спорт будущего

В этой трубе люди учатся летать как птицы

Популярная механика
Как вывести экран телефона на телевизор Как вывести экран телефона на телевизор

Мы собрали способы, которые помогут вывести видео с телефона на телевизор

CHIP
Открыть в приложении