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

Лунный парадокс Лунный парадокс

Должен ли спутник Земли притягиваться к Земле сильнее, чем к Солнцу?

Наука и жизнь
«Куб с побелкой уже не заходит»: сколько приносит строительство печей в Подмосковье «Куб с побелкой уже не заходит»: сколько приносит строительство печей в Подмосковье

Основатель компании «Печевед» строит в загородных домах дизайнерские очаги

VC.RU
Роботы в лабиринте Роботы в лабиринте

SubT — конкурс между роботами, способными самостоятельно исследовать подземелья

Популярная механика
Жилеты, четки и страшные маски. Самые популярные автомобильные талисманы Жилеты, четки и страшные маски. Самые популярные автомобильные талисманы

Зачем водители вешают в машину разные предметы и при чем тут суеверия?

РБК
«Россия, собравшаяся в Крыму» «Россия, собравшаяся в Крыму»

В 1920 году в центре внимания Европы находились события Советско-польской войны

Дилетант
«Леша никогда не хотел Сэма! Даже когда он родился»: Айза упрекнула Гуфа «Леша никогда не хотел Сэма! Даже когда он родился»: Айза упрекнула Гуфа

Айза Долматова рассказала об отношениях с бывшим мужем

Cosmopolitan
Водородный разворот Водородный разворот

Как устроена водородная энергетика и чем «водоробус» лучше электробуса

Популярная механика
Такая вот вечная молодость Такая вот вечная молодость

Почему некоторые мужчины вдруг начинают активно следить за собой?

Лиза
Древние жители Афонтовой горы оказались охотниками на зайцев Древние жители Афонтовой горы оказались охотниками на зайцев

Жители Афонтовой горы использовали разнообразное оружие в охоте

N+1
Под знаком весов Под знаком весов

Диляра Теляшева рассказывает, как семь лет сражалась с нервной анорексией

Tatler
7 самых известных слепых знаменитостей 7 самых известных слепых знаменитостей

Как люди с частичным или полным отсутствием зрения изменили мир

Maxim
Держать равнение Держать равнение

Неожиданные признаки проблем со спиной и способы все исправить

Лиза
Почему возникает язва желудка, как ее распознать и чем она опасна Почему возникает язва желудка, как ее распознать и чем она опасна

Язва желудка вызывает сильные боли и ужасный дискомфорт

Cosmopolitan
«Лакричная пицца»: солнечная комедия Пола Томаса Андерсона о взрослении «Лакричная пицца»: солнечная комедия Пола Томаса Андерсона о взрослении

«Лакричная пицца» — теплый, смешной и доступный фильм

РБК
Bonobo – о российском вайбе, номинации на «Грэмми» и новом альбоме Bonobo – о российском вайбе, номинации на «Грэмми» и новом альбоме

Интервью с американским продюсером и диджеем Bonobo

GQ
Как двое украинцев стали миллиардерами, научив всех писать по-английски Как двое украинцев стали миллиардерами, научив всех писать по-английски

Как трое украинских разработчиков создали компанию-«единорога»

Forbes
«Любого можно сделать умным» «Любого можно сделать умным»

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

Robb Report
Кадровый резерв: растить нельзя искать на стороне Кадровый резерв: растить нельзя искать на стороне

Как формировать собственный кадровый резерв?

Inc.
Китайский токамак в течение 17 минут удерживал температуру в несколько раз горячее Солнца Китайский токамак в течение 17 минут удерживал температуру в несколько раз горячее Солнца

Новый мировой рекорд Китайской академии наук

Популярная механика
Животные-преступники: 10 хвостатых нарушителей закона Животные-преступники: 10 хвостатых нарушителей закона

Зверям закон не писан, а отвечать пришлось

Playboy
В эти часы можно есть всё, что хочешь, и худеть — доказано исследованием В эти часы можно есть всё, что хочешь, и худеть — доказано исследованием

Когда лучше всего есть?

Cosmopolitan
Как младенцы распознают своих матерей? И распознают ли вообще? Как младенцы распознают своих матерей? И распознают ли вообще?

Могут ли младенцы узнавать своих мам?

Популярная механика
5 действенных домашних упражнений для стройных ног и подтянутых ягодиц 5 действенных домашних упражнений для стройных ног и подтянутых ягодиц

Хочешь удивлять всех красивыми ногами?

VOICE
Светлана Шишкова: «Чем пахнет счастье? Исповедь ароматерапевта» Светлана Шишкова: «Чем пахнет счастье? Исповедь ароматерапевта»

Светлана Шишкова – о том, как ей удается быть эффективной в нескольких сферах

Cosmopolitan
Базовые ценности. Тест-драйв начальной Suzuki Vitara Базовые ценности. Тест-драйв начальной Suzuki Vitara

Suzuki Vitara — незадушенный «атмосферник» и надежный автомат

РБК
Кто пришел на смену Пуаро и Шерлоку Холмсу: 15 лучших детективов ХХI века Кто пришел на смену Пуаро и Шерлоку Холмсу: 15 лучших детективов ХХI века

О чем пишут самые известные авторы детективов в ХХI веке?

Forbes
Как и зачем бренды и артисты проникли в видеоигры: репортаж Esquire из виртуальной реальности Как и зачем бренды и артисты проникли в видеоигры: репортаж Esquire из виртуальной реальности

Почему люди готовы тратить тысячи (а иногда и миллионы) на виртуальные предметы?

Esquire
Ученые разработали тест для оценки полноценности прожитой жизни Ученые разработали тест для оценки полноценности прожитой жизни

Как проверить, насколько полноценную жизнь вы прожили?

Популярная механика
Отсекаем лишнее Отсекаем лишнее

Главные действующие лица на арене минималистской архитектуры

AD
Все о чужой матери Все о чужой матери

Новый Педро Альмодовар: привычно раскованный, непривычно серьезный

Weekend
Открыть в приложении