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

Сиенские супруги Сиенские супруги

Джанноддза Сарачени и Мариотто Миньянелли жили и друг друга любили в Сиене

Наука и жизнь
От Джулии Робертс до Пинк: звезды, реальный возраст которых выдает нос От Джулии Робертс до Пинк: звезды, реальный возраст которых выдает нос

Ты удивишься, но на самом деле нос тоже стареет и меняет форму

Cosmopolitan
Разноцветье весеннего сада Разноцветье весеннего сада

Начало цветения самых ранних растений определяется временем схода снега

Наука и жизнь
Правило № 70: Обвиняемый, встаньте Правило № 70: Обвиняемый, встаньте

Коуч Алексей Ситников продолжает объяснять принцип действия законов кармы

Tatler
Ламповые цветы Ламповые цветы

Как грибы подарили свет растениям

Популярная механика
История легендарной обложки альбома Queen II и фотографии, обложкой не ставшие История легендарной обложки альбома Queen II и фотографии, обложкой не ставшие

Как связана Марлен Дитрих с легендарной обложкой альбома Queen II

Maxim
Грязь под крышей мира Грязь под крышей мира

Что ждет Катманду в ближайшем будущем?

Вокруг света
«На музыке: Наука о человеческой одержимости звуком» «На музыке: Наука о человеческой одержимости звуком»

Отрывок из книги Дэниела Левитина о том, как наш мозг воспринимает музыку

N+1
8 отличных детективных сериалов, которые ты мог пропустить 8 отличных детективных сериалов, которые ты мог пропустить

Детективные сериалы, которые не хуже известных "монстров"

Maxim
10 полезных свойств куркумы и куркумина для здоровья, проверенных наукой 10 полезных свойств куркумы и куркумина для здоровья, проверенных наукой

Полезные свойства куркумы, которые были научно доказаны

Cosmopolitan
Виктор Олюшин Виктор Олюшин

Врач, переживший блокаду, продолжает исследовать методы лечения опухолей мозга

Собака.ru
Нуар, Уильям Фолкнер и Ветхий Завет: кем вдохновлялись братья Коэн? Нуар, Уильям Фолкнер и Ветхий Завет: кем вдохновлялись братья Коэн?

Арен Ванян вспомнил все обращения братьев Коэн к литературе

Esquire
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
Мода в кино. Отрывок из книги Кристофера Лаверти Мода в кино. Отрывок из книги Кристофера Лаверти

Отрывок из книги «Мода в кино» — о том, как придумывали образы для героев кино

СНОБ
Из бактериальной целлюлозы сделали разлагающиеся в почве соломинки Из бактериальной целлюлозы сделали разлагающиеся в почве соломинки

Бактериальная целлюлоза полностью разлагается в почве за 45 дней

N+1
Они - родня! Как выглядят тайные родственники Хэнкса, Брандо и других звёзд Они - родня! Как выглядят тайные родственники Хэнкса, Брандо и других звёзд

Мы немного покопались в генеалогии звезд Голливуда и выяснили много интересного

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
С легким паром, или как правильно париться в бане: 10 полезных советов С легким паром, или как правильно париться в бане: 10 полезных советов

Что может быть лучше настоящей русской баньки с ароматным веником?

Playboy
Пример для подражания. Светлана Наумова Пример для подражания. Светлана Наумова

Как любить свое дело, терять его, но всегда с триумфом возвращаться

Cosmopolitan
7 обычных занятий, которые вредят мозгу 7 обычных занятий, которые вредят мозгу

Доступные способы стать глупее, которые многие из нас используют прямо сейчас

Maxim
Почему беговые лыжи были всенародно любимы в СССР? Почему беговые лыжи были всенародно любимы в СССР?

Поистине народное увлечение, перед которым все были равны!

Maxim
Месячные стали короче: 5 проблем со здоровьем, из-за которых цикл сокращается Месячные стали короче: 5 проблем со здоровьем, из-за которых цикл сокращается

Стоит ли беспокоиться, если цикл стал короче?

Cosmopolitan
10 вредных советов, как выглядеть умнее в Zoom на удаленке 10 вредных советов, как выглядеть умнее в Zoom на удаленке

Мы перевели на русский смешные и очень практичные советы художницы Сары Купер

Maxim
Ким Кардашьян Ким Кардашьян

Правила жизни инфлюенсера Ким Кардашьян

Esquire
Приходи на меню посмотреть Приходи на меню посмотреть

Как во Фландрии принимают в гости лучших шефов мира

Tatler
Мы в эпицентре эпидемии близорукости. И вот почему Мы в эпицентре эпидемии близорукости. И вот почему

Учёные предупреждают о надвигающейся «эпидемии» миопии или близорукости

Популярная механика
GoPro, литий, зеленая экономика: пять перспективных новых акций на «СПБ Бирже» GoPro, литий, зеленая экономика: пять перспективных новых акций на «СПБ Бирже»

На бумаги каких пяти компаний стоит обратить внимание инвесторам?

Forbes
Тепло ли тебе, девица? Тепло ли тебе, девица?

Минималистичная квартира, “согретая” живыми материалами

AD
Почему российские власти не могут защитить людей от агрессивных собак? Почему российские власти не могут защитить людей от агрессивных собак?

Почему бездомные собаки продолжают убивать людей

СНОБ
Миллиардер Борис Йордан — Forbes: «Многие инвесторы боятся, что будут санкции» Миллиардер Борис Йордан — Forbes: «Многие инвесторы боятся, что будут санкции»

Интервью с пионером российского инвестиционного рынка Борисом Йорданом

Forbes
Открыть в приложении