В таблице химических элементов Д. И. Менделеева водород (Н2) занимает первое место. Это не случайно. Водород — это «топливо для звезд», наиболее распространенный элемент во Вселенной, который составляет до 75 % ее барионной массы. Представьте себе — 2/3 Вселенной состоит из водорода.
С точки зрения практического применения водород является самым легким газом с наивысшей теплопроводностью. Например, 1 кг водорода содержит в три раза больше тепловой энергии, чем природный газ, и в семь раз больше, чем уголь.
В ближайшем будущем запасы углеводородов и других источников энергии будут исчерпаны, и только водород способен будет заменить их. Тем не менее, находясь повсюду в составе множества соединений, особенно в водах Мирового океана, он остается «журавлем в небе»: для извлечения энергии из водорода требуется затратить значительное количество энергии.
Методы получения водорода
Электролиз воды
В настоящее время существует несколько методов получения водорода, которые различаются по экологичности и стоимости. Один из них — электролиз. Суть этого метода заключается в воздействии электрического тока на дистиллированную воду, в результате чего вода разлагается на кислород и водород:
Данная технология весьма привлекательна с точки зрения экологии, однако она является высокозатратной, поэтому на ее долю приходится лишь 4-5 % всего произведенного водорода, который также называют «зеленым» за его чистоту.
Промышленная установка для электролиза воды
Существует несколько методов разложения воды на составляющие — электрохимический, термический, термохимический, биохимический, фотохимический и электролитический. Последний из этих методов является наиболее эффективным, обеспечивая получение водорода с КПД до 90 %.
Паровая или парокислородная конверсия метана (ПКМ)
Метан, являясь основным компонентом природного газа (его доля составляет от 77 до 99%), содержит 4 атома водорода, что делает его весьма экономичным сырьем для производства водорода. Для отделения водорода используются трубчатые печи (химические паровые реформеры), в которые подводится тепло температурой 750-850 °C через стенки труб на каталитические поверхности. Водород, получаемый из ископаемого топлива с выделением СО2, называется «серым».
Принцип работы промышленной установки ПКМ
Недостатком этого метода являются значительные выбросы углекислого газа. В зависимости от используемого сырья — газа или угля — объемы выбросов сравнимы с выбросами при сжигании. Для снижения выбросов применяются технологии улавливания и хранения углерода, однако они еще не достигли полного коммерческого развертывания.
Автотермическая конверсия природного газа (автотермический риформинг)
В отличие от ПКМ, автотермическое тепло для процесса выделяется за счет энергии самой реакционной смеси, без подведения тепла извне.
Автотермический риформинг осуществляется в автотермических реакторах, куда подается смесь пара, природного газа и кислорода в таких пропорциях, что одна часть метана сгорает в кислороде, а другая реагирует с водяным паром, выделяя водород и окислы углерода.
Газификация угля и биомассы
Метод получения водорода путем нагрева угля с водяным паром и кислородом при температуре 900-1200 °C. В результате образуется синтез-газ, содержащий водород, угарный и углекислый газы СО и СО2. Водород из смеси выделяется с помощью технологий абсорбции или мембранной фильтрации. По «цветовой» классификации — это коричневый или бурый водород.
Метод используется в регионах, где отсутствует природный газ, но имеется большое количество угля. Полученный водород применяется в производстве электроэнергии и в химической промышленности. Основной недостаток метода — высокое содержание углекислого газа в выбросах, что требует установки дорогостоящих систем улавливания и хранения СО2.
Цвета водорода: что значит зеленый, голубой, серый и другие
Подобно разнообразным тканям в магазине, водород делится на цвета, хотя и весьма условно. Цветовая «этикетка» в данном случае описывает метод его получения и связанные с ним экологические затраты. Водородная «палитра» довольно разнообразна.
- Самым чистым и перспективным считается зеленый водород, получаемый методом электролиза — расщепления воды на кислород и водород с помощью возобновляемых источников энергии, таких как солнечные, ветровые установки и ГЭС.
- Наибольшее количество производится серого водорода. Он образуется в результате переработки метана методом паровой конверсии.
- Синий (голубой) водород — это, по сути, тот же серый, но с главной разницей: выделяющийся в процессе производства СО2 улавливается и хранится.
- Некое промежуточное состояние между зеленым, серым и синим представляет собой бирюзовый водород, который производится методом пиролиза метана. Это происходит при нагреве газа до высокой температуры в условиях недостатка кислорода с выделением водорода и твердого углерода. Последний не выбрасывается в атмосферу, а используется в промышленности.
- Изумрудный водород — новинка. Его получают из биометана и природного газа методом термоплазменного электролиза с использованием воды, электричества и плазмы.
- Желтый (оранжевый) водород производится методом электролиза с использованием энергии АЭС. Выбросы углерода минимальны, но остаются ядерные отходы, которые необходимо утилизировать, перерабатывать или захоранивать.
- Розовый водород, как и желтый, получают методом электролиза непосредственно на АЭС.
- Технология получения красного водорода также основана на разложении воды, но с использованием химических реакций и катализаторов при высокой температуре.
- Коричневый (бурый) водород получают путем газификации бурого угля и превращения в водородосодержащий газ в результате его окисления при высокой температуре.
Промышленное производство водорода
Водород получают как в лабораториях, так и на промышленных предприятиях. В лабораторных условиях газообразный водород выделяется при взаимодействии активных металлов с кислотами, например, цинка с серной кислотой; при электролизе воды или разложении аммиака с присутствием катализатора и высокого давления.
Промышленное использование водорода охватывает несколько важнейших отраслей. В химической промышленности он используется в процессе синтеза аммиака и метанола. Водород необходим для производства кислот, спиртов и других ключевых химических продуктов.
В нефтепереработке водород применяется для гидроочистки и гидрокрекинга, что улучшает качество топлива и снижает содержание примесей. Он также необходим для создания синтетических жидких видов топлива.
В металлургии водород используется для восстановления металлов из оксидов. Одним из многообещающих направлений является «водородная» металлургия с минимальными выбросами СО2.
Среди потребителей водорода можно выделить пищевую, стекольную промышленность, медицину, энергетику и транспорт, где в качестве топлива будет использоваться водород, не оставляющий при сгорании СО2.
По оценкам экспертов, к 2028 году производство водорода в России вырастет до 3,3 млрд кубометров. На Россию приходится 7 % мирового производства водорода (5-е место в мире). К 2030 году ее доля может увеличиться до 20 %.
Среди крупнейших российских производителей водорода можно выделить ПАО НК «Роснефть», ООО «Газпром Нефтехим Салават», Кемеровское АО «Азот», «Газпром», «Росатом», НОВАТЭК.
Предприятия, занимающиеся производством «зеленого» водорода на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ), строятся в разных странах. Основная используемая технология — электролиз воды с использованием электричества от возобновляемых источников. Однако электролиз все еще остается дорогим. Эта технология требует применения дорогостоящих мембран, прокладок и уплотнительных компонентов для отделения анода от катода.
Существуют несколько проектов по производству «зеленого» водорода: Western Green Energy Hub (Западная Австралия), Green Energy Oman (Оман), Hyrasia One (Казахстан).
Новые и экспериментальные методы получения водорода
У водородной энергетики светлое будущее. Ученые работают над новыми перспективными технологиями получения водорода. Одной из таких является фотокаталитическое разложение воды, которое основывается на расщеплении воды с использованием световой энергии.
Фотокаталитическое разложение воды
В этом процессе участвуют фотокатализаторы — специальные материалы, которые поглощают свет и используют его энергию в качестве катализатора химической реакции. Данная технология также известна как искусственный фотосинтез.
Еще одним источником получения водорода могут стать водородные бактерии, группа микроорганизмов, которые получают энергию роста путем окисления молекулярного водорода. Обычно такая реакция сопровождается поглощением СО2, который является единственным источником органического углерода.
В группу водородных бактерий входят Hydrogenomonas, Pseudomonas, Alcaligenes и некоторые представители рода Nocardia.
Технология высокотемпературного электролиза (ВТЭ) также набирает популярность. Это процесс разложения воды с использованием электрического тока при температурах от 700 до 1000 °C. При таких температурах усиливается скорость электрохимических реакций и снижается энергозатратность.
Проблемы и вызовы водородной энергетики
Развитие водородной энергетики связано с преодолением множества технологических препятствий. Наиболее многообещающие направления пока требуют значительных затрат. Ярким примером служит «зеленый» водород, стоимость которого в 2-3 раза выше, чем у «серого».
Значительная часть энергии теряется в процессе преобразования воды в водород и обратно. Для хранения водорода в газообразном состоянии требуются специальные емкости и дополнительная энергия.
Заправка жидким водородом ракеты-носителя
Еще одна проблема — водородная хрупкость, процесс, при котором атомы водорода проникают в кристаллическую решетку металла, снижая его пластичность. Для транспортировки жидкого водорода, находящегося под высоким давлением, необходимы специальные и дорогостоящие трубопроводы и емкости.
Для хранения жидкого водорода применяются бесшовные баки из аустенитной нержавеющей стали и низкоуглеродистых сталей.
Перспективы и будущее водородного топлива
Транспортная отрасль связывает свое будущее с водородной энергетикой. В обозримом будущем автомобили, судна, поезда и воздушные транспортные средства будут оснащены водородными топливными элементами, которые в результате химической реакции генерируют электричество для питания электродвигателей.
В промышленности акцент будет смещен с ПКМ на электролиз и «зеленый» водород, получаемый из ВИЭ. Водород со временем станет высокоемким аккумулятором, способным решить проблему энергетического дисбаланса. Например, в случае избытка электроэнергии она будет перенаправлена на установки промышленного электролиза.
Накопленный водород будет храниться длительное время, а при нехватке использоваться для генерации электроэнергии через топливные элементы. Резервы водорода могут быть использованы в качестве топлива на обычных тепловых электростанциях.
В сфере водородной энергетики в настоящее время реализуются несколько крупных международных проектов с участием США, Китая, стран ЕС и Индии. Среди них европейский проект European Hydrogen Backbone по строительству сети трубопроводов общей протяженностью 53000 км, американский Hydrogen City по производству 3 млн. тонн водорода, проект «Зеленый водород» китайской компании Sinopec и другие.
Тем не менее, несмотря на разнообразие технологий получения водорода, необходимо в первую очередь добиться снижения стоимости именно зеленого водорода.Содержание
- Методы получения водорода
- Цвета водорода
- Промышленное производство
- Новые и экспериментальные способы
- Проблемы и вызовы
- Перспективы и будущее
