В научно-популярной литературе за водородом закрепилась слава основы экономики будущего. Хотя в промышленности его активно используют едва ли не больше века. Он незаменим в нефтехимии, производстве удобрений и синтетического топлива, а также в энергетике. Но не в качестве энергоносителя — эту роль водороду пока только обещают. Naked Science рассказывает, насколько важное, хоть и не слишком заметное, место занимает в жизни каждого землянина легчайший газ и какое у него будущее.
Водород — первый элемент в периодической таблице. Его атом состоит всего из одного протона и одного электрона (самый распространенный из изотопов, еще есть дейтерий и тритий, у которых есть дополнительно один и два нейтрона в ядре соответственно). При нуле градусов Цельсия газообразный водород имеет плотность всего около 90 граммов на кубический метр, а в сжиженном состоянии (минус 253 градуса Цельсия) — 70 килограммов на кубический метр. Это самый распространенный химический элемент во Вселенной (порядка 88,6 процента от всех атомов). На фото: в 2020 году Олимпийский огонь в Токио впервые питался от полностью «зеленого» водорода вместо природного газа, что стало одним из символов будущего / ©Associated Press
В чистом виде водород удалось получить ко второй половине XVII века воздействием кислот на металлы. Бесцветный газ без запаха и вкуса легко сгорал с характерным щелчком, в результате этой химической реакции образовывалась вода. За такое очевидное свойство газ и получил свое название. К 1930-м годам большинство свойств водорода уже были известны ученым. Благодаря его простоте — атом H состоит лишь из протона и электрона — с его помощью удалось изучить множество явлений в мире элементарных частиц. Однако и за рамками теоретических исследований у водорода нашлось немало применений.
До конца XIX века водород в чистом виде либо в смеси с другими газами использовали как топливо для осветительных приборов, экспериментальных двигателей внутреннего сгорания и наполняли им воздушные шары. Последняя роль принесла ему всемирную известность благодаря расцвету дирижаблей. Но по-настоящему незаменимым для мировой экономики водород стал в результате работы двух великих немецких химиков Фрица Габера и Карла Боша. Созданный ими химический процесс позволял в промышленных масштабах получать аммиак — основное сырье для производства удобрений.
Несмотря на то что в земной атмосфере азот трудно назвать дефицитным, этот обязательный компонент биологических молекул большинству живых существ недоступен: они не способны его усваивать в газообразном виде. В естественных условиях биосфера пополняется соединениями азота в основном благодаря почвенным бактериям. Но до верхних ступеней пищевой цепочки доходит лишь малая их часть. Поэтому без удобрений сельское хозяйство просто не способно обеспечить сколь-нибудь развитое общество необходимым количеством калорий.
Пока на помощь человечеству не пришло изобретение Габера, усовершенствованное Бошем, сырьем для азотных удобрений служили гуано (останки помета птиц) и природный нитрат натрия (натриевая, или чилийская, селитра). С этими ресурсами — две проблемы: во-первых, их запасы конечны, да и богатые месторождения есть не везде; а во-вторых, добывать их приходилось фактически рабским трудом в нечеловеческих условиях (рабочие руки очень быстро заканчивались). Все возрастающий спрос на удобрения во время индустриализации резко поднял важность и гуано, и чилийской селитры. Результатом стали даже несколько войн из-за древнего птичьего помета (например, Вторая тихоокеанская война 1879-1883 годов, в ходе которой Чили силой забрала месторождения гуано у Боливии).
Зато в 1910 году мир изменился навсегда. Химическая промышленность получила экономически выгодный способ выработки аммиака. Для этого требуется азот, водород, катализатор, а также высокие температура и давление. С тех пор вклад процесса Габера в процветание человечества можно назвать едва ли не определяющим для нынешней цивилизации. По некоторым оценкам, до половины атомов азота в телах жителей развитых стран попали в пищевую цепочку исключительно благодаря промышленно синтезированным азотным удобрениям. Не менее двух пятых современного человечества без этого изобретения не существовало бы. Естественно, чудо не бесплатно: на производство аммиака уходит около двух процентов всей потребляемой в мире первичной энергии.
Нефтехимическая отрасль — второй основной потребитель водорода в мире. Он используется для целого ряда процессов, позволяющих повышать качество нефтепродуктов и природного газа. В их числе — гидроочистка, гидрокрекинг, гидродеалкилирование. Если не вдаваться в детали, то все эти процедуры представляют собой ту или иную реализацию гидрогенолиза. То есть расщепления в присутствии водорода связей между двумя атомами углерода либо атомом углерода и примесями. В качестве последних, например, выступают сера или соединения азота. Они не только становятся сильными загрязнителями при сгорании, но и отравляют катализаторы на последующих этапах нефтепереработки. Можно смело сказать, что без использования водорода такого качества и разнообразия углеводородов никогда бы не получилось.
Оставшиеся после нефтепереработки и производства аммиака 10 процентов всего потребляемого человечеством водорода уходят почти полностью на химическую и пищевую промышленность. В первую очередь — для гидрирования. Это реакция присоединения водорода к той или иной молекуле. Если гидрировать углекислый газ, получится метанол. А он, в свою очередь, чрезвычайно востребованное сырье для производства полимеров (точнее, из него делают формальдегид, необходимый для этого) и широко используемая добавка в бензин. К тому же метанол сам по себе — перспективное экологичное топливо для ДВС. Сейчас для этого предназначения его производят в основном из биологического сырья, но в перспективе предпочтительнее техпроцесс на основе водорода.
Еще один продукт, который немыслим без водорода, — маргарин. Его делают из смеси растительных жиров (масел), которые сгущаются (насыщаются) гидрированием. В последние годы на волне борьбы с трансжирами эта сфера использования водорода плавно сходит на нет.
Остальные области применения водорода потребляют менее пяти процентов от общего его производства в мире. Среди них одна из наиболее любопытных, но при этом малоизвестных — в качестве теплоносителя систем охлаждения мощных электрогенераторов (от 60 мегаватт и выше). А самая зрелищная — как ракетное топливо, например в носителях Delta IV Heavy, Space Launch System и «Чанчжэн-5». Кроме того, сравнительно много водорода потребляет микроэлектронная индустрия, использующая его для стабилизации аморфного кремния, производство и обработка особо чистых металлов, а также фармацевтика. Эти ниши по объемам потребляемого водорода незначительны, но их роль в современной экономике колоссальна.
Получается, водород уже давно и прочно закрепился в мировой экономике и промышленности. В основном, конечно, как сырье для химических процессов. Но у него есть огромный потенциал в качестве энергоносителя и накопителя энергии. Килограмм водорода при сжигании в идеальных условиях и без учета потерь высвободит более 140 мегаджоулей энергии. Для сравнения: килограмм дизельного топлива содержит около 45 мегаджоулей, бензина — 46, а природного газа (метана) — 53,6 мегаджоуля. При этом водород можно получать с помощью электричества из полностью возобновляемых источников энергии. А при его горении не возникает вредных веществ — только водяной пар. Некоторые количества оксидов азота в выхлопе водородного ДВС возможны, если смесь с воздухом не стехиометрическая (оптимальная для сгорания топлива).
Эти два свойства водорода: высокая удельная энергия и потенциальная «зеленость» — не дают покоя инженерам и ученым, стремящимся сделать мир лучше. Идея водородной экономики, то есть такого уклада энергетики и промышленности, в котором роль основного энергоносителя выполняет водород, впервые была сформулирована еще в 1923 году британским ученым Джоном Холдейном (J. B. S. Haldane). Но до 1970-х развития она не получала и лишь к 1990-м оформилась в виде хорошо проработанной концепции.
Одна из ключевых ролей водорода в ней — накопитель энергии: когда генерация избыточна, ее направляют на выработку газа, в пики потребления его расходуют. Нынешнюю экономику в каком-то смысле можно назвать водородной, ведь этот газ уже играет исключительно важную роль. Однако он используется почти полностью как реагент для химических процессов и почти не задействован в энергетике. В перспективе же требуется уйти от ископаемого топлива, чтобы снизить нагрузку на окружающую среду, минимизировать выбросы парниковых газов и микрочастиц сажи.
Водород имеет все шансы заместить углеводороды в тех отраслях, где не справится одно лишь зеленое электричество: там, где энергоноситель трудно заменим, — и сделать более экологичными критически важные высокотехнологичные отрасли вроде микроэлектроники. Например, в металлургии, производстве цемента и на транспорте, в первую очередь грузовом наземном и водном. Перед этим придется решить несколько инженерных проблем. Так, ни один современный массовый двигатель внутреннего сгорания не может работать на чистом водороде. У этого газа низкая энергетическая плотность (количество энергии в литре объема), поэтому через камеру сгорания его необходимо нагнетать больше (втрое больше, чем метана для выполнения той же работы). Кроме того, водород горит с очень высокой скоростью, на грани детонации — с этим его свойством, кстати, связан простейший способ его обнаружения в продуктах реакции на уроках физики: он вспыхивает с характерным хлопком. Сейчас идут разработки многотопливных двигателей, способных в числе прочего работать на чистом водороде.
Альтернатива прямому сжиганию — топливные элементы, вырабатывающие электричество из водорода и кислорода воздуха. Это такие электрохимические ячейки, в которых горючее окисляется без пламени, только за счет присутствия катализатора. Но их эффективность пока едва превышает 60 процентов, а стоимость высока, плюс водород должен быть максимально чистым, иначе малейшие примеси быстро отравят катализатор. Поэтому в качестве первого этапа постепенного перехода от углеродной экономики к водородной применяется добавление этого газа в метан. Получившуюся смесь можно без радикальных изменений в существующем оборудовании использовать как газомоторное топливо, а также для отопления, приготовления пищи и выработки электричества.
Такое, безусловно, «половинчатое» решение лишь незначительно озеленяет промышленность, частично снижая ее углеродный след и выбросы других загрязнений в атмосферу. Тем не менее этот план неплохо сработает в том случае, если источник водорода сам по себе возобновляемый и не повышает содержание углекислого газа в природе.
Чтобы просто и легко различать водород по источнику энергии для его выработки или непосредственно техпроцессу, придумали схему цветового кодирования. По идее она должна сделать определение «экологичности» и «безуглеродности» энергоносителя удобнее, однако существующих и перспективных промышленных способов получения водорода довольно много. Так что в результате образовалась целая палитра.
• Зеленый. Наиболее дружелюбный по отношению к окружающей среде, обладает самым незначительным углеродным следом (даже если считать выбросы в ходе производства оборудования). Водород в этом случае получают путем электролиза воды, а необходимую энергию поставляют возобновляемые источники — ветряки, солнечные панели, гидро-, приливные и геотермальные электростанции. Главная проблема такого водорода заключается в его высокой стоимости, из-за низкой эффективности электролиза (60-80 процентов), энергозатрат (на килограмм продукта нужно потратить порядка 50 киловатт-часов электричества) и дороговизны зеленых генераторов. На этот метод приходится меньше пяти процентов всего производимого водорода. Существенный плюс электролиза — на выходе получается газ без примесей, любые другие методы требуют дополнительной очистки.
• Серый. Самый широко используемый метод получения водорода (свыше половины всех объемов в мире) — паровая конверсия (риформинг) метана. По сути, это первый этап процесса Габера—Боша. В результате атмосфера пополняется изрядными количествами углекислоты, а также метана и угарного газа (из-за утечек). Такой водород невероятно дешев, ни один другой метод не может соревноваться с ним по цене. Если применяется система улавливания углекислого газа (CCS) на выходе из установки, то получается голубой водород. Он чуть более дружелюбен к окружающей среде (улавливается примерно 60 процентов углекислого газа), но цена возрастает вдвое.
• Черный и коричневый. Старейший и по-прежнему массовый (порядка трети от всех объемов в мире) способ промышленной выработки водорода — газификация угля. В результате получается синтез-газ (генераторный газ) — смесь монооксида углерода, водорода, углекислого газа, метана и водяного пара. Несмотря на меньшую продуктивность по водороду, чем в результате риформинга метана, газификация угля используется в тех регионах, где его в избытке. Процесс позволяет получать сразу несколько видов промежуточного сырья для химической промышленности, чем и удобен.
• Бирюзовый. Один из самых многообещающих методов — пиролиз метана. Технологий множество, в лабораториях и на небольших производствах разные их вариации показали себя отлично. В ближайшие годы должен пройти проверку более крупными масштабами. Среди неоспоримых плюсов — практически отсутствующие выбросы парниковых газов и привлекательная расчетная стоимость. А углерод на выходе получается в твердой форме, так что его можно либо пустить на изготовление нанотрубок, либо продать (что повышает экономику процесса). Но большую часть все равно придется где-то захоронить, потому что при массовом производстве бирюзового водорода такие объемы технической сажи некуда девать. Зато твердую форму углерода прятать под землю проще, чем газ.
• Оттенки красного (оранжевый, розовый, красный) — атомная энергетика, питающая электролизеры или установки термохимического разложения воды (этот вариант пока экспериментальный).
• Желтый — получен путем электролиза с питанием от смешанных источников генерации (в некоторых вариантах классификации обязательно с преобладанием АЭС).
• Без своего цвета — водород, получаемый как побочный продукт при производстве хлора, вырабатываемый из биомассы или с помощью ряда экспериментальных технологий.
Комментируя перспективы методов производства водорода, генеральный директор ООО «Водородные технологии» АФК «Система», научный руководитель ЦК НТИ при ИПХФ РАН Юрий Анатольевич Добровольский отметил важный нюанс:
— При взгляде на среднюю себестоимость производства водорода тем или иным способом важно учитывать, что это не окончательный ценник для потребителя. Очистка, хранение и транспортировка поднимают цену, как минимум, вдвое, а то и вчетверо. Поэтому кажущийся самым дорогим электролиз запросто может быть наиболее выгодным, если он используется прямо рядом с потребителями от местного источника электроэнергии. Промышленные процессы — паровая конверсия с улавливанием углекислого газа (голубой) и пиролиз (бирюзовый) — не могут «переехать» в каждый удаленный район или автобусный парк, а электролизер там установить можно.
Кроме того, при выборе доминирующего метода получения водорода в экономике все зависит от целеполагания. Если приоритет — экология, то любой подходящий по местным условиям метод, кроме серого, черного и коричневого, приемлем. Потому что они позволят радикально снизить нагрузку на окружающую среду от транспорта и промышленности. Что касается долгосрочного планирования (то есть, борьбы с глобальным потеплением), то необходимо минимизировать добычу и использование полезных ископаемых (при этом все равно будут выделяться парниковые газы), и электролиз становится пока безальтернативным.
Получается, что основой безуглеродной экономики может стать далеко не любой водород, а только зеленый, бирюзовый и, возможно, какой-то из красных. При этом важно учитывать, что он всегда будет вторичным энергоносителем, то есть переносить меньше энергии, чем было потрачено на его получение. Следовательно, вся промышленность и сфера потребления энергии должны стать гораздо эффективнее. К тому же придется радикально нарастить выработку электричества, чтобы покрыть те нужды, которые прежде закрывались углеводородами напрямую, в первую очередь выработку тепла.
Но проблемы с водородом на его статусе вторичного энергоносителя не заканчиваются. Химические свойства самого распространенного во вселенной и легчайшего элемента превращают в настоящий кошмар его транспортировку и хранение. По этой самой причине, кстати говоря, почти весь используемый в современной промышленности водород производится прямо на месте потребления (фактически — в той же установке, где используется). А его носителем чаще всего выступает природный газ, он же метан.
Перво-наперво водород взрыво- и пожароопасен. Он легко улетучивается через мельчайшие трещины и прорехи в уплотнениях. Иногда просачивается через кристаллическую решетку материалов. Такие утечки без специального оборудования (газоанализаторов) обнаружить практически невозможно. Водород не имеет цвета и запаха, а горит невидимым пламенем, которое может приобрести окрас только в случае попадания в него посторонних примесей. Добавить одорант, как в случае с метаном, чтобы утечку можно было банально унюхать, на практике можно далеко не всегда. Любые загрязнения водорода приводят к отравлению катализаторов топливных элементов или тех промышленных установок, где он используется.
Создание отдельной водородной инфраструктуры для его хранения и транспортировки потребует существенных затрат, поскольку для работы с ним подходят далеко не все материалы: многие металлы в присутствии этого газа могут разрушаться, явление известно как «водородное охрупчивание». А требования к уплотнителям, вентилям и предохранительным клапанам жестче, чем для природного газа. Наконец, из-за наиболее низкой плотности водорода среди всех газов для его транспортировки нужно больше энергозатрат на сжатие или сжижение. Это решаемые инженерные задачи, но их необходимо учитывать.
Самая высокая удельная энергия среди всех энергоносителей, доступных человечеству в промышленных масштабах, безусловно, делает водород очень привлекательным. Его сравнительно легко использовать в качестве накопителя энергии, а также производить с использованием возобновляемых источников энергии.
Дальнейшее развитие экономики, как Naked Science уже отмечал в материале, посвященном накопителям энергии, невозможно без радикального повышения эффективности энергетики и промышленности. Мир неуклонно движется в сторону все более глубокой переработки ресурсов, рециклинга и более полного использования первичной энергии. Параллельно с этим развиваются высокотехнологичные отрасли. Все это — сферы, где водород обязательно найдет себе место или уже давно нашел и его роль только увеличивается.
Но у водорода есть серьезные минусы, обусловленные его физическими и химическими свойствами. На пути хотя бы к частичному замещению углеводородов в качестве энергоносителей водород можно сделать зеленым — необходимые технологии разрабатываются, и даже сравнительно дешевым, если эти технологии станут широко используемыми. Но по себестоимости в масштабах всей экономики водород будет неизбежно проигрывать метану. Потому что он — вторичный энергоноситель и не может запасать больше энергии, чем было потрачено на его получение (по крайней мере, пока), особенно с учетом затрат на добычу первичной энергии (газа для пиролиза метана). Зато по сравнению с природным газом водород способен удобно накапливать энергию, синтезировать метан сложнее.
Данный материал был подготовлен совместно с просветительским проектом Homo Science. На данной онлайн-платформе ученые, эксперты и популяризаторы науки в доступной и увлекательной форме рассказывают об «атомных» темах в разрезе таких наук как физика, химия, информационные технологии, медицина, математика, а также биология. Рекомендуем следить и там за новостями.
Реклама: Частное учреждение по реализации коммуникационных программ атомной отрасли «Центр коммуникаций», ИНН 9705152344.
Комментарии
"...еще есть дейтерий и протий..." - тритий же!
поправил, спс