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

От падучей до святости От падучей до святости

Главные события, связанные с именем царевича Дмитрия

Дилетант
Эра двумерных кристаллов: что может графен Эра двумерных кристаллов: что может графен

Что же такое двумерные кристаллы и причем тут анализ данных?

Популярная механика
Ушёл в историю Ушёл в историю

Почему в России никогда не будет второго Горбачёва и второй перестройки

Дилетант
Как быстро похудеть после Нового года: разгрузочные дни для возвращения в форму Как быстро похудеть после Нового года: разгрузочные дни для возвращения в форму

От новогоднего багажа килограммов можно избавиться, притом быстро

Cosmopolitan
Клён? Нет, ликвидамбар Клён? Нет, ликвидамбар

Осенью особенно интересно путешествовать по старинным усадебным паркам

Наука и жизнь
Какой-то неправильный оргазм: что не так с женским возбуждением в популярных фильмах Какой-то неправильный оргазм: что не так с женским возбуждением в популярных фильмах

Почему в кино показывают не трушный секс

Playboy
Остудить землю Остудить землю

Самые распространенные направления геоинженерии

Вокруг света
Как не переесть во время новогодних праздников Как не переесть во время новогодних праздников

Планируем меню и уменьшаем размер посуды

GQ
Копировать мир и стать посредником всех услуг: как Meta может монетизировать метавселенную Копировать мир и стать посредником всех услуг: как Meta может монетизировать метавселенную

Как будет развиваться Meta?

VC.RU
Психолог назвал 3 способа произвести хорошее впечатление на новой работе Психолог назвал 3 способа произвести хорошее впечатление на новой работе

Каких стратегий поведения нужно придерживаться в первое время на новой работе?

Inc.
Новый Audi A3: 5 фактов о младшем седане из Ингольштадта Новый Audi A3: 5 фактов о младшем седане из Ингольштадта

Прежний турбомотор, автомат вместо «робота» — изучаем седан Audi A3

РБК
Художник на все времена Художник на все времена

На выставку «Михаил Врубель» я пришла в один из первых дней её работы

Наука и жизнь
Быт или не быт! Добро пожаловать в гости к настоящему британцу Быт или не быт! Добро пожаловать в гости к настоящему британцу

Правила британского дома: как не опозориться, собравшись в гости к англичанину

Популярная механика
«Чего там идти-то?..» «Чего там идти-то?..»

«Буревестник» затонул при таких обстоятельствах, что все виновные были на виду

Дилетант
Curiosity обнаружил на Марсе углеродный след жизни. Главные новости науки сегодня Curiosity обнаружил на Марсе углеродный след жизни. Главные новости науки сегодня

Марсоход Curiosity обнаружил отложения бедные изотопом углерод-13

Популярная механика
«Похождения видов. Вампироноги, паукохвосты и другие переходные формы в эволюции животных» «Похождения видов. Вампироноги, паукохвосты и другие переходные формы в эволюции животных»

Как когда-то выглядели беспозвоночные животные — отрывок из книги А. Журавлева

N+1
Даниил Медведев, который стал второй ракеткой мира и проиграл теннисисту Рафаэлю Надалю Даниил Медведев, который стал второй ракеткой мира и проиграл теннисисту Рафаэлю Надалю

Как Даниил Медведев пришел в спорт и стал второй ракеткой мира

СНОБ
9 1/2 фактов о Казахстане, которые ты скорее всего не знал 9 1/2 фактов о Казахстане, которые ты скорее всего не знал

Прочитай эти факты и наконец-то перестань путать Казахстан с Татарстаном!

Maxim
«Аллея кошмаров» — нерасторопный и предсказуемый, но величественный и красивый фильм Гильермо дель Торо. Кажется, это его «Гражданин Кейн»! «Аллея кошмаров» — нерасторопный и предсказуемый, но величественный и красивый фильм Гильермо дель Торо. Кажется, это его «Гражданин Кейн»!

«Аллея кошмаров» — гениальный или провальный фильм Гильермо дель Торо?

Esquire
Одна вокруг света: Дорога смерти и лучшие пейзажи Колумбии Одна вокруг света: Дорога смерти и лучшие пейзажи Колумбии

156-я серия о кругосветном путешествии москвички Ирины Сидоренко: Колумбия

Forbes
«Продают себя! Чем отличаются от путан?»: Анастасии Макеева осудила содержанок «Продают себя! Чем отличаются от путан?»: Анастасии Макеева осудила содержанок

Анастасия Макеева высказалась против браков по расчету

Cosmopolitan
Исследователи из Meta разработали мультимодальный метод обучения нейросетей Исследователи из Meta разработали мультимодальный метод обучения нейросетей

Один метод обучения позволяет учить модели для работы с разными данными

N+1
«Кузов из фольги». Чем недовольны покупатели популярных автомобилей «Кузов из фольги». Чем недовольны покупатели популярных автомобилей

Чем недовольны люди, которые купили популярные в России автомобили

РБК
Почему не стоит брать смартфон с 1 или 2 Гбайт оперативной памяти? Почему не стоит брать смартфон с 1 или 2 Гбайт оперативной памяти?

Почему 1-2 Гбайт оперативки в телефоне — слишком мало?

CHIP
Главное – говори! Главное – говори!

Чулпан Хаматова празднует 15-летие фонда «Подари жизнь»

Harper's Bazaar
В храме богини Аллат нашли древнейшие изображения гибридных верблюдов В храме богини Аллат нашли древнейшие изображения гибридных верблюдов

Ученые из Италии и Ирака работали над консервацией храма богини Аллат

N+1
Как бывший олигарх Мухтар Аблязов превратился в «лидера протестов» в Казахстане Как бывший олигарх Мухтар Аблязов превратился в «лидера протестов» в Казахстане

Как Мухтар Аблязов стал олигархом, а потом беглым преступником и оппозиционером

Forbes
Маска, я тебя знаю Маска, я тебя знаю

История новогодних маскарадных костюмов

Культура.РФ
«Аллея кошмаров»: любите цирк, цирк, цирк «Аллея кошмаров»: любите цирк, цирк, цирк

«Аллея кошмаров» состоит из разных сюжетов, но композиция ее закольцовывается

GQ
Новая матрица Новая матрица

Когда ждать новую культурную политику и что такое новая культурная география

Собака.ru
Открыть в приложении