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

Мамонт: воскрешение Мамонт: воскрешение

Воссоздать мамонта и отправить его заселять Якутию

Популярная механика
Свет далеких планет: как образовалась и почему исчезла «Планета Голливуд» Свет далеких планет: как образовалась и почему исчезла «Планета Голливуд»

Как «Планета Голливуд» должна была разрастись до планетарного масштаба

Esquire
Часы вместо компаса Часы вместо компаса

Показываемое часами время связано с положением Солнца

Наука и жизнь
Накопление пластика в Средиземноморье связали с его размером и миграцией из других районов Накопление пластика в Средиземноморье связали с его размером и миграцией из других районов

Группа греческих и итальянских ученых смоделировала накопление микропластика

N+1
Робот-буровик и атомный катамаран Робот-буровик и атомный катамаран

Как уникальный опыт России поможет продвинуться в изучении Арктики

Популярная механика
«Каждый негодяй должен быть принципиальным» «Каждый негодяй должен быть принципиальным»

Следователи, бандиты, цари, космонавты… Кого только не играл Фёдор Лавров

OK!
Цепная реакция, или ветви одного открытия Цепная реакция, или ветви одного открытия

Судьба научной школы Николая Николаевича Семёнова

Наука и жизнь
7 фактов о певце и актере Мите Лоуфе, которые заставят взглянуть на него по-другому 7 фактов о певце и актере Мите Лоуфе, которые заставят взглянуть на него по-другому

Мите Лоуфе — тот, кого ты сто раз видел в фильме «Бойцовский клуб» и на MTV

Maxim
К чему приводит «фитоняшество»: почему я перестала выступать в фитнес-бикини К чему приводит «фитоняшество»: почему я перестала выступать в фитнес-бикини

Когда здоровый образ жизни перестает таким быть

Cosmopolitan
Диоксид олова помог сделать эффективные перовскитные солнечные элементы Диоксид олова помог сделать эффективные перовскитные солнечные элементы

Скорость нежелательной безызлучательной рекомбинации снизилась на 80 процентов

N+1
9 причин начать употреблять цветную капусту прямо сейчас 9 причин начать употреблять цветную капусту прямо сейчас

Цветная капуста — универсальный источник растительных волокон

Cosmopolitan
Гендиректор «МТС Медиа»/KION Игорь Мишин о развитии индустрии и возможностях цифровых платформ Гендиректор «МТС Медиа»/KION Игорь Мишин о развитии индустрии и возможностях цифровых платформ

Игорь Мишин рассказывает о феномене сериала «Клиника счастья»

СНОБ
Запойные просмотры телевизора могут привести к проблемам с венами Запойные просмотры телевизора могут привести к проблемам с венами

Просмотр любимых сериалов не так уж полезен для вашего кровообращения

Популярная механика
С обнаженными нервами С обнаженными нервами

Чувствительность — плюс или минус? Попробуем разобраться

Psychologies
Валентина Титова. Понять и простить Валентина Титова. Понять и простить

Любовь — это служение, обожание, долг, долги плачу

Коллекция. Караван историй
Как исправить неудачный Новый год и что делать с плохим настроением Как исправить неудачный Новый год и что делать с плохим настроением

Если понадобится преодолеть тоску и вернуть себе хорошее настроение

РБК
Тонизирует, улучшает работу мозга и еще 8 полезных свойств зеленого чая Тонизирует, улучшает работу мозга и еще 8 полезных свойств зеленого чая

Какую пользу приносит зеленый чай нашему организму?

Cosmopolitan
«Любого можно сделать умным» «Любого можно сделать умным»

Вадим Мошкович о том, зачем он открывает начальную школу и детский сад

Robb Report
ТОП-5 ошибок в ремонте кухни, из-за которых ты переплатишь дважды ТОП-5 ошибок в ремонте кухни, из-за которых ты переплатишь дважды

Разбираемся в том, какие ошибки чаще всего встречаются при ремонте кухни

Лиза
Отрывок из книги «Коммуналка на Петроградке» Анастасии Вепревой и Романа Осминкина Отрывок из книги «Коммуналка на Петроградке» Анастасии Вепревой и Романа Осминкина

Отрывок из книги о жизни в коммунальной квартире

СНОБ
Тестируем 280-сильный Skoda Superb — автомобиль, который практически не имеет недостатков Тестируем 280-сильный Skoda Superb — автомобиль, который практически не имеет недостатков

Skoda Superb с 270-сильным мотором практически не имеет недостатков

Maxim
Ура! Ура!

Блестящее исследование архитектуры советского модернизма в Петербурге

Собака.ru
Ее скромное мнение Ее скромное мнение

Голос, прическа, манера двигаться – в Шакире всё неповторимо

Cosmopolitan
«Я вся, как наглухо застегнутая» «Я вся, как наглухо застегнутая»

Как Анна Франк была символом, а стала человеком

Weekend
Несравненный Несравненный

Журналист объясняет, как из мальчика вырос мужчина, который называет себя львом

GQ
Как сбросить 10 кг и больше без диет: 7 женщин рассказывают, как им это удалось Как сбросить 10 кг и больше без диет: 7 женщин рассказывают, как им это удалось

Эти женщины смогли скинуть вес и рассказали, что именно они делали

Cosmopolitan
Правда или вымысел Правда или вымысел

Что такое регрессология и как воспоминания о прошлых жизнях могут помочь

Лиза
Скорая праздничная помощь: как избавиться от изжоги и тяжести в животе Скорая праздничная помощь: как избавиться от изжоги и тяжести в животе

Как устранить последствия праздничных перееданий и что делать, чтобы их не было

Cosmopolitan
Свинья в губной помаде, лук-порей и лаваш: как понять язык стартапера Свинья в губной помаде, лук-порей и лаваш: как понять язык стартапера

Стартаперы всего мира говорят на специальном стартаперском языке

Forbes
5 горнолыжных курортов, где можно отлично покататься 5 горнолыжных курортов, где можно отлично покататься

Cнега хватит всем!

Лиза
Открыть в приложении