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

БИНТИ БИНТИ

Извержение подводного вулкана, дорога из пластика и микробы на астероиде

Наука и жизнь
В темноте и за углом В темноте и за углом

Зрение военного времени

Популярная механика
Во всем мире Во всем мире

Рекордный магнит, судьба мадагаскарских лягушек и роботы вместо официантов

Знание – сила
Поэт и его республика Поэт и его республика

Республика Фиуме — удивительная авантюра поэта Габриэле д'Аннунцио

Дилетант
Книги Книги

Лучшие современные иностранные романы: выбор Яны Вагнер

Правила жизни
Музыкальная революция на Уолл-стрит: в 90-х Дэвид Боуи выпустил облигации, основал провайдера и  открыл виртуальный банк Музыкальная революция на Уолл-стрит: в 90-х Дэвид Боуи выпустил облигации, основал провайдера и  открыл виртуальный банк

Боуи был одним из первых, кто осознал важность продвижения музыки через интернет

VC.RU
Как меняются гендерные роли — изучаем на примере поваренных книг. Эссе из сборника Сары Даниус «Смерть домохозяйки и другие тексты» Как меняются гендерные роли — изучаем на примере поваренных книг. Эссе из сборника Сары Даниус «Смерть домохозяйки и другие тексты»

Как Сара Даниус рисует картину распределения гендерных ролей в Швеции

Esquire
Что Олимпийские игры значат для российских чемпионов Что Олимпийские игры значат для российских чемпионов

Российские чемпионы — об Олимпийских играх в Токио

GQ
Кто такая Елена Блиновская, заработавшая на инфоцыганстве миллиард и устроившая хайп с Собчак Кто такая Елена Блиновская, заработавшая на инфоцыганстве миллиард и устроившая хайп с Собчак

Кто такая Елена Блиновская и откуда у неё последователи?

Maxim
На Алтае нашли древнюю мумию ребенка в шелковой одежде На Алтае нашли древнюю мумию ребенка в шелковой одежде

Археологи исследовали мумию ребенка трех-шести лет I-III веков нашей эры

N+1
Генеральная уборка: как избавиться от ненужных вещей дома Генеральная уборка: как избавиться от ненужных вещей дома

Памятка, которая поможет избавиться от всего ненужного

Esquire
Занять свое место Занять свое место

Мы погружаемся в тайны семейного прошлого — и меняется что-то в нас самих

Psychologies
О чем умолчала Пенелопа? «Пенелопиада» — феминистский взгляд на греческую мифологию от автора «Рассказа служанки». Публикуем фрагмент книги О чем умолчала Пенелопа? «Пенелопиада» — феминистский взгляд на греческую мифологию от автора «Рассказа служанки». Публикуем фрагмент книги

Анна Блейз переосмысляет историю жены Одиссея: отрывок

Esquire
15 лучших британских сериалов на Netflix 15 лучших британских сериалов на Netflix

Лучшие шоу из Великобритании, которые можно посмотреть на Netflix

Правила жизни
О шахматах, Корчном и Каспарове. Отрывок из книги гроссмейстера Анатолия Карпова О шахматах, Корчном и Каспарове. Отрывок из книги гроссмейстера Анатолия Карпова

Фрагмент из автобиографии знаменитого гроссмейстера Анатолия Карпова

СНОБ
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
Из Парижа в эпатаж Из Парижа в эпатаж

Интерьер, сочетающий в себе неоклассику и современный эпатажный стиль

SALON-Interior
Как Ким Кардашьян стала звездой: 6 секретов гения саморекламы Как Ким Кардашьян стала звездой: 6 секретов гения саморекламы

Вы можете знать ее как диву, как звезду, как актрису. Но как Ким пришла к этому?

Cosmopolitan
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
Эволюционный конфликт рабочих безжалых пчел с личинками привел к массовому убийству маток Эволюционный конфликт рабочих безжалых пчел с личинками привел к массовому убийству маток

Как рабочие особи пытаются поддерживать стабильность колонии пчел

N+1
Топ-10 YouTube-блогеров, которые заработали больше всего денег в 2021 году Топ-10 YouTube-блогеров, которые заработали больше всего денег в 2021 году

Рейтинг самых высокооплачиваемых блогеров 2021 года

Популярная механика
«Голоса Варшавского гетто». Сборник материалов из архива «Ойнег Шабес» под редакцией Дэвида Г. Роскиса «Голоса Варшавского гетто». Сборник материалов из архива «Ойнег Шабес» под редакцией Дэвида Г. Роскиса

«Голоса Варшавского гетто» — как «Ойнег Шабес» сохраняла еврейскую культуру

СНОБ
Создатель бизнес-доминанты: что нужно знать об ИТ-архитекторах Создатель бизнес-доминанты: что нужно знать об ИТ-архитекторах

Почему профессия IT-архитектора скоро окажется одной самых востребованных

Популярная механика
Топ-12 сериалов 2021 года, которые ты могла пропустить Топ-12 сериалов 2021 года, которые ты могла пропустить

Мейр из Исстауна, Белый лотос и другие сериалы 2021, которые нельзя пропустить

Cosmopolitan
Зло слов: краткая история оскорблений и ругательств Зло слов: краткая история оскорблений и ругательств

Жить в страшно оскорбленном мире неинтересно, зато интересно, как это начиналось

Maxim
Памятник архитектуре Памятник архитектуре

Ренцо Пьяно превратил ГЭС-2 в архитектурный аттракцион невиданного масштаба

Robb Report
Слагаемые успеха: качества, которые помогут стать звездой — разбирается эксперт Слагаемые успеха: качества, которые помогут стать звездой — разбирается эксперт

Какими качествами должен обладать человек, чтобы добиться популярности

Cosmopolitan
Как рождаются черные дыры: ученые обнаружили крошечный Как рождаются черные дыры: ученые обнаружили крошечный

Как черные дыры становятся такими опасными?

Популярная механика
Мед: польза и вред, калорийность, советы врача Мед: польза и вред, калорийность, советы врача

Действительно ли мед содержит так много витаминов и питательных элементов?

РБК
Возвращение «Святого Луки» Возвращение «Святого Луки»

Советский фильм о похищении картины Франса Халса основан на реальных фактах

Дилетант
Открыть в приложении