Чем связать водород

Обновлено: 22.04.2024

Для хранения и выработки энергии от водорода используются топливные элементы. Первый водородный топливный элемент был сконструирован английским ученым Уильямом Гроувом в 30-х годах 19 века. Гроув и работавший параллельно с ним Кристиан Шенбейн продемонстрировали возможность производства энергии в водородно-кислородном топливном элементе с использованием кислотного электролита.

В 1959 году Фрэнсис Т. Бэкон из Кембриджа добавил в водородный топливный элемент ионообменную мембрану для облегчения транспорта гидроксид-ионов. Изобретением Бэкона сразу заинтересовались правительство США и NASA, обновленный топливный элемент стал использоваться на космических аппаратах «Аполлон» в качестве главного источника энергии во время их полетов.

В отличие от кислорода водород практически не встречается на земле в чистом виде и поэтому извлекается из других соединений с помощью различных химических методов.

По этим способам его разделяют на цветовые градации.

Зеленый — производится из возобновляемых источников энергии методом электролиза воды. Все, что необходимо для этого: вода, электролизер и большое снабжение электроэнергией.

Голубой — производится из природного газа, а вредные отходы улавливаются для вторичного использования. Тем не менее идеально чистым этот метод не назовешь.

Розовый или красный — произведенный при помощи атомной энергии.

Серый — водород получают путем конверсии метана. При его производстве вредные отходы выбрасываются в атмосферу.

Коричневый — водород получают в результате газификации угля. Этот метод также после себя оставляет парниковые газы.

Еще существуют технологии получения биоводорода из мусора и этанола, но их доля чрезвычайно мала.

Себестоимость производства по видам водорода, доллар за килограмм

Зеленый	10
Голубой	2 $
Красный	2 $
Серый	2—2,5 $
Коричневый	2—2,5 $

Водородная энергетика

На переработку угля приходится 18% производства водорода, 4% обеспечивается за счет зеленого водорода и 78% — переработкой природного газа и нефти. Методы производства, основанные на ископаемом топливе, приводят к образованию 830 млн тонн выбросов CO₂ каждый год, что равно выбросам Великобритании и Индонезии, вместе взятым. И тем не менее водород — это более чистая альтернатива традиционному топливу.

В мире три основных источника выбросов, способствующих потеплению климата: транспорт, производство электроэнергии и промышленность. Водород может использоваться во всех трех областях. При использовании в топливных элементах водородная энергия оставляет минимальные потери, а после использования в качестве побочного продукта остается только вода, из которой снова можно добывать водород.

Перспективы отрасли

Согласно докладу МЭА, к 2050 году мировой спрос на водород должен достичь 528 млн тонн — против 87 млн в 2020, — а его доля в мировом потреблении составит 18%, из них 10% будет приходиться на зеленый водород.

К 2050 году МЭА планирует снизить затраты на производство этого экологически чистого вида топлива до 2 $ за килограмм, что существенно ниже нынешних 10 $. Это произойдет благодаря развитию технологий ВИЭ и удешевлению производства энергии ветра и солнца.

В июне 2020 года Германия объявила о реализации национальной водородной стратегии с инвестициями в 7 млрд евро, чтобы стать лидером в этой области.

Япония, Франция, Южная Корея, Австралия, Нидерланды и Норвегия начали свой курс на водород раньше Германии, а Япония сделала это раньше всех — в декабре 2017 года.

В июле 2020 года Минэнерго подготовило план развития в РФ водородной энергетики на период 2020—2024 годов. Производить водород собираются «Росатом», «Газпром» и «Новатэк». В дорожной карте предусмотрены следующие меры:

поддержка пилотных проектов по производству водорода;
стимулы для экспортеров и покупателей на внутреннем рынке;
первые водородные установки запустят в 2024 году на атомных электростанциях, объектах добычи газа и переработки ископаемых.

В 2021 году HydrogenOne Capital — первый в мире инвестиционный фонд, ориентированный на зеленый водород, заявил о листинге на Лондонской бирже. Фонд инвестирует в проекты мощностью 20—100 МВт с возможностью их расширения до 500 МВт.

Как сделать ремонт и не сойти с ума

Преимущества водородной энергетики

Высокая применимость. Электрификация транспорта поможет снизить выбросы в атмосферу, но авиацию, морские и грузовые перевозки на дальние расстояния трудно перевести на использование электроэнергии, потому что для этих секторов требуется топливо с высокой плотностью энергии. Зеленый водород может удовлетворить эти потребности. Например, Airbus представил концепции самолетов с водородным двигателем и надеется ввести его в эксплуатацию к 2035 году.

Nikola строит полуприцепы, работающие как на аккумуляторных батареях, так и на водороде. Компания заявляет, что ее топливные элементы могут работать при более низких температурах, чем батареи. И они легче, что делает их более практичными для грузовиков и другой тяжелой техники. Nikola также утверждает, что дальность хода такого грузовика составит 900 миль на баке с водородом. Для сравнения: у Tesla Semi с батарейным питанием, который может быть запущен в производство в конце этого года или в 2022 году, заявленная дальность — 200—300 миль.

Также свои аналогичные модели транспорта представили компании Toyota, Honda и BMW.

Время заправки электромобиля на топливных элементах в среднем составляет менее четырех минут. При этом в отличие от батарей они не нуждаются в перезарядке. Поскольку они могут работать независимо от сети, то могут использоваться как запасные генераторы электричества или тепла.

Важный элемент перехода на водород — его применение в ЖКХ. Кроме пилотных проектов в Великобритании Лидс станет первым городом, энергоснабжение которого будет полностью водородным. Согласно плану, все газовые сети и транспортное оборудование переведут на него.

Запасы водорода практически безграничны. Так как он встречается почти всюду, его можно использовать там, где он производится. В отличие от батарей, которые не могут хранить большое количество электроэнергии в течение продолжительного времени, водород можно производить из избыточной возобновляемой энергии и хранить в больших количествах.

Энергоэффективность. Водород содержит почти в три раза больше энергии, чем ископаемое топливо, поэтому для выполнения какой-либо работы его требуется гораздо меньше. Например, по сравнению с электростанцией, работающей на сжигании топлива с КПД от 33 до 35%, водородные топливные элементы выполнят ту же функцию с КПД до 65%. Для примера, у солнечных элементов КПД — 20%, а у ветряных — 40%.

Весной 2020 года в городе Фукусима была запущена самая крупная в мире электростанция, работающая на водороде. Для питания электролизных установок на ней размещены солнечные батареи общей мощностью 20 МВт. Всего станция вырабатывает 1,2 тысячи кубических метров водорода в час.

В автомобилях топливные элементы используют 40—60% энергии топлива, а также обеспечивают сокращение его расхода на 50%.

Зеленый водород — отличная среда для хранения энергии. Например, у Германии существует проблема с энергосистемой. В ясные и ветреные дни солнечные экраны и ветряные турбины на севере производят больше электроэнергии, чем может потребить эта часть страны. Из-за этого Германия вынуждена продавать излишки электроэнергии соседним странам себе в убыток. Избыток электроэнергии из ВИЭ можно хранить в виде водорода, а затем сжигать для выработки электроэнергии, когда это необходимо.

Недостатки водородной энергетики

Стоимость зеленого водорода. Как уже говорилось выше, именно стоимость добычи самого чистого вида водорода ставит наиболее сильные препятствия в его развитии. По словам и прогнозам Минэнерго РФ, перспективы водородной энергетики связаны с удешевлением стоимости водорода, производимого электролизом воды. В качестве основных факторов обеспечения конкурентоспособности зеленого водорода рассматривается перспективное снижение капитальных затрат на электролизеры, а также стоимости электроэнергии из ВИЭ.

При масштабировании производства электролизеров их стоимость может снизиться с текущих 1000 до 200 $/кВт к 2050 году, по оценке J. P. Morgan — даже до 100 $/кВт. При реализации такого сценария к 2050 году стоимость электролизеров может снизиться до уровня менее 2 $/кг. Но с учетом применения различных программ государственного субсидирования водородной энергетики эти сроки могут быть сокращены.

За годы ВОВ около 600 таких полуторок (ГАЗ-ММ), что перед заградительным аэростатом, были переведены на водород

Мало кто знает, что впервые водород начали массово применять в автомобильных двигателях внутреннего сгорания в Советском Союзе во время Великой Отечественной войны. Его подавали в цилиндры полуторок из дирижаблей, у которых газовые смеси отработали свой срок. Делали это не от хорошей жизни, а исключительно из-за нехватки бензина, и с окончанием войны практика ушла в небытие. Однако в последующие годы водородная тема всплывала еще много раз.

Далее — краткая история водородного транспорта и подборка фактов о том, почему водород — превосходное топливо и почему он, скорее всего, не станет основным игроком в частном сегменте.

В основе исторической части статьи лежит лекция к. т. н. Евгения Захарова, заведующего кафедрой технической эксплуатации и ремонта автомобилей ВолгГТУ, которая прошла в волгоградской Точке кипения.

Почему водород — превосходное топливо

Водород — первый химический элемент в таблице Менделеева. Это газ с самой маленькой молярной массой — он легче воздуха в 14,5 раз. Обладает очень высоким коэффициентом диффузии, то есть отлично смешивается с любыми другими газами.

Это самый распространенный элемент во всей нашей Вселенной. В связанном состоянии водород находится в составе молекулы воды, так что на Земле с его доступностью также нет никаких проблем.

Как человек с образованием инженера-автомеханика по специальности «двигатель внутреннего сгорания», я считаю, что водород — уникальное топливо для автомобильного двигателя. От других видов топлива его отличают:

Самая высокая теплота сгорания. При сжигании одного килограмма бензина мы можем получить 45 МДж теплоты, а при сжигании такого же количества водорода — почти в три раза больше, 120 МДж теплоты. И это низшая теплота сгорания водорода.

Широкие пределы воспламенения. Можно воспламенить как очень бедную топливо-воздушную смесь, в которой по массе мало водорода, так и очень богатую. Предел воспламенения смеси водорода с воздухом — от 0,2 до 10 единиц. Для сравнения: у бензовоздушной смеси коэффициент избытка воздуха должен быть в диапазоне 0,7–1,2.

Самая высокая скорость сгорания. Этот параметр очень важен с точки зрения достижения необходимых характеристик автомобильного двигателя, в частности эффективной работы в цикле. В одном и том же двигателе скорость сгорания водорода будет примерно в три раза выше, чем скорость сгорания бензовоздушной смеси.

С чего началось применение водорода на транспорте

Редко встретишь человека, который знает, что пионером в области массового применения водорода в качестве топлива для автотранспорта был Советский Союз.

В этом контексте чаще вспоминают Германию, Японию или США. Возможно, из-за того, что идея возникла в очень тяжелый период для нашего государства — во время Великой Отечественной войны.

Водородная лебедка для аэростата

Фотографии и коллажи блокадного Ленинграда, который в сентябре 1941 года был отрезан от остальной страны

С первых дней войны Ленинград подвергался массированным бомбардировкам. Чтобы защитить город, по всей его территории развернули так называемые посты аэростатных заграждений.

Аэростат — это легкая оболочка из прорезиненной баллонной материи, алюминированная снаружи и заполненная водородом. Его поднимали на тросе на определенную высоту. К тросу присоединяли взрывчатый заряд.

Кроме мины на тросе закрепляли небольшой парашют, благодаря которому трос глубоко врезался в корпус самолета и разворачивал его. Использовали и тандемы из дирижаблей, чтобы добиться большей высоты подъема

Посты аэростатного заграждения показали неплохую эффективность. Находясь на высоте километра и выше, аэростаты не давали немецким пилотам снизиться для прицельного бомбометания, поскольку они могли встретиться с тросом, зацепить взрывчатый заряд и погибнуть. В итоге бомбы сбрасывали на большей высоте, и точной атаки не получалось.

Сделать герметичную оболочку для водорода очень сложно. Газ постепенно выходил, взамен туда попадали кислород и влага, и аэростаты теряли подъемную силу. По регламенту раз в 20 дней их спускали на тросах и перезаправляли водородом. Для этого использовали лебедки, установленные на знаменитых грузовиках-полуторках.

Лебедку приводил в движение двигатель автомобиля, работающего на традиционном топливе — бензине. Однако уже с началом октября 1941 года поставки бензина в Ленинград практически прекратились.

Сначала аэростаты спускали вручную. Это был нелучший выход, так как служили на тех постах в основном молодые девушки. Потом предложили другое решение — использовать электродвигатели. Оно тоже не подошло: из-за эвакуации оборудования Волховской ГЭС город остался практически без электричества.

И тогда молодому лейтенанту Борису Шелищу пришла идея использовать в двигателе внутреннего сгорания вместо бензина гремучую смесь водорода с воздухом, которую брали из тех самых спущенных на перезаправку аэростатов.

Получив одобрение у руководства, он начал экспериментировать. На удивление двигатель отлично заработал на смеси водорода с воздухом. Правда, не обошлось без происшествий. Во время первых экспериментов сгорели два аэростата, взорвался газгольдер, а самого Бориса Шелища контузило. Тогда для безопасной эксплуатации воздушно-водородной смеси он придумал специальный водяной затвор, исключающий воспламенение при вспышке во всасывающей трубе двигателя.

В итоге уже к ноябрю 1941 года все ленинградские посты заграждения перешли на водородное топливо.

Первая зима (1941–1942 года) была самой тяжелой для жителей блокадного Ленинграда. Именно тогда погибло больше всего людей. Чтобы поднять дух защитников города, в январе 1942 года было принято решение сделать выставку достижений народного хозяйства. Борису Шелищу предложили поучаствовать — выставить полуторку на водородном топливе.

Выставка проходила в закрытом павильоне. Но во время работы автомобиля не чувствовалось запаха выхлопных газов, поскольку единственный продукт сгорания при сжигании водорода — это водяной пар.

В 1941 году Борис Шелищ оформил патент Советского Союза на свое изобретение — способ работы автомобильного двигателя на водородном топливе. Именно этот патент сделал нашу страну пионером в области водородной энергетики для автомобильного транспорта.

Надо отметить, что посты аэростатного заграждения переводили на водородное топливо и в Москве. Но к концу Великой Отечественной войны проблему с поставками бензина решили и забыли о водородном топливе на многие годы — до 1960-х.

Аэростат воздушного заграждения на Тверском бульваре в Москве во время Великой Отечественной войны. 1941 г.

Водород плюс бензин: эксперименты советского автомобилестроения

На стыке 1960–1970-х годов в мире разразился топливный кризис. И в Советском Союзе начали активную работу по изучению альтернативных видов топлива, в частности водорода. Плодами этого труда стало множество интересных прототипов. Ниже приведу пару примеров транспортных средств, которые в качестве топлива потребляли водород в составе бензовоздушных смесей.

Это микроавтобус РАФ 22031:

Их должны были выпустить партией в 200 штук, но из-за политического кризиса дальше прототипа дело не пошло.

Кроме него к началу 1980‑х годов в СССР разные организации создали и испытали опытные легковые автомобили ВАЗ «Жигули», АЗЛК «Москвич», ГАЗ-24 «Волга» и ГАЗ-69, грузовые ЗИЛ-130, микроавтобусы УАЗ, работающие на водороде и бензоводородных смесях.

В Киеве одно время в опытной эксплуатации находились такси на базе «Волги» (ГАЗ-24), которые работали на смеси бензина с водородом. Добавление в смесь 5% водорода (по массе) обеспечивало прекрасные мощностные характеристики и увеличивало экологичность. Замеры токсичности показывали, что выбросы продуктов неполного сгорания — CO и СH — снижались в разы. Плюс на треть сокращалось потребление бензина, а общие эксплуатационные расходы падали на четверть.

Авиастроение

Ко всему прочему Советский Союз стал пионером и в области использования водорода в качестве топлива для авиационных двигателей.

Ниже на снимке самолет Ту-155 — экспериментальный вариант модели Ту-154. В нем для отработки всех возможных условий использования жидкого водорода один из трех двигателей оснастили водородной системой питания.

Этот самолет совершил 12 испытательных полетов, установив 14 мировых рекордов. А на конференции по использованию криогенных технологий в летательных аппаратах, которая проходила в Ганновере, известный американский авиационный инженер Карл Бревер оставил о самолете восторженный отзыв: «Русские совершили в авиации дело, соразмерное полету первого искусственного спутника Земли».

К большому сожалению, с началом перестройки и развалом Советского Союза работы, которые активно вели в 1970–1980 годы, приостановили.

Переход на топливные элементы

Начиная примерно с 90-х годов прошлого века в автомобилестроении начали активно говорить про использование водорода в топливных элементах, хотя до этого уже существовало несколько прототипов. В этом случае КПД силовой установки возрастает до 50–80%, что заметно выше 45%, когда водород горит в цилиндрах.

В настоящее время на рынке присутствует около десяти моделей водородомобилей на топливных элементах. Самый популярный — Hyundai Nexo. За восемь месяцев 2021 года по всему миру продали 5800 экземпляров этой модели — это 52% всех продаж водородных легковушек.

Пять проблем, мешающих водороду стать массовым

Использование водорода в качестве топлива для автомобильных двигателей связано с рядом проблем. Их нельзя не вспомнить, говоря о водороде как о возможной альтернативе бензину.

Проблема 1. Это очень дорого

Себестоимость производства водорода крайне высока. В чистом виде на Земле он практически отсутствует. Больше всего его в связанном виде, например в воде.

Все помнят простейшие опыты по электролизу воды, когда, подавая электроэнергию на два электрода, можно выделить водород. Как оказалось, это дорогое удовольствие. В таблице стоимость килограмма водорода при разных способах производства. Сравните с ценой бензина.

Способ получения водорода

Себестоимость в долларах США на кг

Паровая конверсия природного газа (метана)

Электролиз воды от электроэнергии из единой энергосистемы

Электролиз воды от электроэнергии ветрогенераторов

Электролиз воды от электроэнергии солнечной электростанции

Даже учитывая, что по теплоте сгорания один килограмм водорода эквивалентен трем килограммам бензина, водородное топливо стоит в несколько раз дороже. Для самого дешевого способа производства — конверсии природного газа, в основном метана, разница вроде бы не очень велика. Но возникает вопрос: а зачем это нужно, если метан сам по себе отличное топливо для автомобильного двигателя?

Сейчас многие городские автобусы переводят именно на метановое топливо, потому что водород просто не может конкурировать с ним по цене. Хотя в борьбе за снижение выбросов CO2 получение водорода из метана методом пиролиза позволяет нивелировать выбросы углекислоты, которая в этом случае концентрируется в виде сажи.

Проблема 2. Сложно держать в автомобиле

Если водород сжать до давления 200 атм, то в одном литре будет всего 16 грамм вещества. Это значит, чтобы иметь достаточный запас топлива на борту автомобиля, нужно возить с собой баллоны очень большого объема (фактически мы будем возить только их).

Есть другой вариант — криогенные технологии. В качестве топлива для авиационного двигателя в Ту-155 использовали именно сжиженный водород. После сжижения в одном литре объема мы получим уже 70 грамм вещества. Но в сравнении с бензином и другими видами топлива это все равно на порядок меньше.

Ранее мы рассказывали про то, каким экологичным видом транспорта являются электробусы. Однако не упомянули один важный момент: c ростом числа электротранспорта городам потребуется больше электричества, которое зачастую получают экологически небезопасными способами. К счастью, сегодня мир научился получать энергию при помощи ветра, солнца и даже водорода. Новый материал мы решили посвятить последнему из источников и рассказать об особенностях водородной энергетики.

На первый взгляд, водород — идеальное топливо. Во-первых, он является самым распространенным элементом во Вселенной, во-вторых, при его сгорании высвобождается большое количество энергии и образуется вода без выделения каких-либо вредных газов. Преимущества водородной энергетики человечество осознало уже давно, однако применять ее в больших промышленных масштабах пока не спешит.

Водородные топливные элементы

Первый водородный топливный элемент был сконструирован английским ученым Уильямом Гроувом в 30-х годах XIX века. Гроув пытался осадить медь из водного раствора сульфата меди на железную поверхность и заметил, что под действием электрического тока вода распадается на водород и кислород. После этого открытия Гроув и работавший параллельно с ним Кристиан Шенбейн продемонстрировали возможность производства энергии в водородно-кислородном топливном элементе с использованием кислотного электролита.

Позже, в 1959 году, Фрэнсис Т. Бэкон из Кембриджа добавил в водородный топливный элемент ионообменную мембрану для облегчения транспорта гидроксид-ионов. Изобретением Бэкона сразу заинтересовалось правительство США и NASA, обновленный топливный элемент стал использоваться на космических аппаратах «Аполлон» в качестве главного источника энергии во время их полетов.

Водородный топливный элемент из сервисного модуля «Аполлонов», вырабатывающий электричество, тепло и воду для астронавтов. Источник: James Humphreys / Wikimedia Commons

Сейчас топливный элемент на водороде напоминает традиционный гальванический элемент с одной лишь разницей: вещество для реакции не хранится в элементе, а постоянно поставляется извне. Просачиваясь через пористый анод, водород теряет электроны, которые уходят в электрическую цепь, а сквозь мембрану проходят катионы водорода. Далее на катоде кислород ловит протон и внешний электрон, в результате чего образуется вода.

С одной топливной ячейки снимается напряжение порядка 0,7 В, поэтому ячейки объединяют в массивные топливные элементы с приемлемым выходным напряжением и током. Теоретическое напряжение с водородного элемента может достигать 1,23 В, но часть энергии уходит в тепло.

С точки зрения «зеленой» энергетики у водородных топливных элементов крайне высокий КПД — 60%. Для сравнения: КПД лучших двигателей внутреннего сгорания составляет 35-40%. Для солнечных электростанций коэффициент составляет всего 15-20%, но сильно зависит от погодных условий. КПД лучших крыльчатых ветряных электростанций доходит до 40%, что сравнимо с парогенераторами, но ветряки также требуют подходящих погодных условий и дорогого обслуживания.

Как мы видим, по этому параметру водородная энергетика является наиболее привлекательным источником энергии, но все же существует ряд проблем, мешающих ее массовому применению. Самая главная из них — процесс добычи водорода.

Проблемы добычи

Водородная энергетика экологична, но не автономна. Для работы топливному элементу нужен водород, который не встречается на Земле в чистом виде. Водород нужно получать, но все существующие сейчас способы либо очень затратны, либо малоэффективны.

Самым эффективным с точки зрения объёма полученного водорода на единицу затраченной энергии считается метод паровой конверсии природного газа. Метан соединяют с водяным паром при давлении 2 МПа (около 19 атмосфер, т. е. давление на глубине около 190 м) и температуре около 800 градусов, в результате чего получается конвертированный газ с содержанием водорода 55-75%. Для паровой конверсии необходимы огромные установки, которые могут быть применимы лишь на производстве.

Трубчатая печь для паровой конверсии метана — не самый эргономичный способ добычи водорода. Источник: ЦТК-Евро

Более удобный и простой метод — электролиз воды. При прохождении электрического тока через обрабатываемую воду происходит серия электрохимических реакций, в результате которых образуется водород. Существенный недостаток этого способа — большие энергозатраты, необходимые для проведения реакции. То есть получается несколько странная ситуация: для получения водородной энергии нужна… энергия. Во избежание возникновения при электролизе ненужных затрат и сохранения ценных ресурсов некоторые компании стремятся разработать системы полного цикла «электричество — водород— электричество», в которых получение энергии становится возможным без внешней подпитки. Примером такой системы является разработка Toshiba H2One.

Мобильная электростанция Toshiba H2One

Мы разработали мобильную мини-электростанцию H2One, преобразующую воду в водород, а водород в энергию. Для поддержания электролиза в ней используются солнечные батареи, а излишки энергии накапливаются в аккумуляторах и обеспечивают работу системы в отсутствие солнечного света. Полученный водород либо напрямую подается на топливные ячейки, либо отправляется на хранение во встроенный бак. За час электролизер H2One генерирует до 2 м 3 водорода, а на выходе обеспечивает мощность до 55 кВт. Для производства 1 м 3 водорода станции требуется до 2,5 м 3 воды.

Пока станция H2One не способна обеспечить электричеством крупное предприятие или целый город, но для функционирования небольших районов или организаций ее энергии будет вполне достаточно. Благодаря своей мобильности она может использоваться также как и временное решение в условиях стихийных бедствий или экстренного отключения электричества. К тому же, в отличие от дизельного генератора, которому для нормального функционирования необходимо топливо, водородной электростанции достаточно лишь воды.

Сейчас Toshiba H2One используется лишь в нескольких городах в Японии — к примеру, она снабжает электричеством и горячей водой железнодорожную станцию в городе Кавасаки.

Монтаж системы H2One в городе Кавасаки

Водородное будущее

Сейчас водородные топливные элементы обеспечивают энергией и портативные пауэр-банки, и городские автобусы с автомобилями, и железнодорожный транспорт (более подробно об использовании водорода в автоиндустрии мы расскажем в нашем следующем посте). Водородные топливные элементы неожиданно оказались отличным решением для квадрокоптеров — при аналогичной с аккумулятором массе запас водорода обеспечивает до пяти раз большее время полета. При этом мороз никак не влияет на эффективность. Экспериментальные дроны на топливных элементах производства российской компании AT Energy применялись для съемок на Олимпиаде в Сочи.

Стало известно, что на грядущих Олимпийских играх в Токио водород будет использоваться в автомобилях, при производстве электричества и тепла, а также станет главным источником энергии для олимпийской деревни. Для этого по заказу Toshiba Energy Systems & Solutions Corp. в японском городе Намиэ строится одна из крупнейших в мире станций по производству водорода. Станция будет потреблять до 10 МВт энергии, полученной из «зеленых» источников, генерируя электролизом до 900 тонн водорода в год.

Водородная энергетика — это наш «запас на будущее», когда от ископаемого топлива придется окончательно отказаться, а возобновляемые источники энергии не смогут покрывать нужды человечества. Согласно прогнозу Markets&Markets объем мирового производства водорода, который сейчас составляет $115 млрд, к 2022 году вырастет до $154 млрд. Но в ближайшем будущем массовое внедрение технологии вряд ли произойдет, необходимо еще решить ряд проблем, связанных с производством и эксплуатацией специальных энергоустановок, снизить их стоимость. Когда технологические барьеры будут преодолены, водородная энергетика выйдет на новый уровень и, возможно, будет так же распространена, как сегодня традиционная или гидроэнергетика.

Водород - самый лёгкий и самый распространённый химический элемент в изученной нами Вселенной. Существуют три природных изотопа водорода, два из которых стабильны, и один радиоактивен:

«Протий» - самый распространённый и лёгкий изотоп водорода, ядро которого состоит из одного протона, имеет на орбитали 1 электрон.

«Дейтерий» , или тяжёлый водород, состоит из одного протона и одного нейтрона + 1 электрон.

«Тритий» - радиоактивный изотоп водорода с периодом полураспада немногим более 12 лет , ядро которого состоит из одного протона и двух нейтронов + 1 электрон.

Другие 4 известных изотопа водорода были синтезированы искусственно, и имеют очень малый срок жизни, в силу общей нестабильности элементов.

«Дейтерий» используют в атомной энергетике в качестве замедлителя нейтронов в тяжеловодных ядерных реакторах , работающих на природном необогащённом уране.
«Тритий» используется, по большей части, в военной и научно-исследовательской сфере, является сырьём для запуска термоядерного реактора.
А вот «Протий» , который составляет более 99,9885% изотопов водорода в известной нам Вселенной, является кандидатом на роль новой энергетики.

Если во Вселенной распространённость водорода огромна (составляет примерно 75% всей барионной массы материи, и 92% всего вещества), то на Земле в чистом виде водорода практически нет. Дело в том, что водород активно формирует ковалентные связи, поэтому на Земле он встречается в связанном с другими атомами состоянии.

При «сжигании» в чистом кислороде единственные продукты сопутствующего выброса — высокотемпературное тепло и вода.

Выходит, что при использовании водорода не образуются парниковые газы, прочие загрязнения и даже не нарушается круговорот воды в природе!

Что такое водородная энергетика?

Само понятие «водородная энергетика» было сформировано в середине 1970-х годов .

Хотя впервые водород в качестве топлива для ДВС был применён в 1806 году . В СССР во время Великой Отечественной Войны, при блокаде Ленинграда, водород использовался на транспорте как альтернатива дефицитному бензину.

Направление водородной энергетики изучает полный жизненный цикл водородной отрасли, которая включает в себя: получение, хранение, транспортировку, полезное использование водорода, а также все сопутствующие проблемы каждого этапа в отдельности.

Однако, раньше 70-х годов особо никто не задумывался над водородной энергетикой. Тут можно проследить связь появления серьёзных работ по научным изысканиям применения водорода в энергетике и транспорте с мерами, принятыми в США и Европе (в середине 70-х ) по экономии энергетических ресурсов и созданию первых стратегических нефтехранилищ. В это же время получили научный резонанс работы по изменению климата в связи с глобальным отеплением.

Фактически, бурное развитие исследований и разработок, проводимых в мире в области водородной энергетики и технологии, пришлось на период с 1974 по 1983 годы и являлось прямым следствием энергетического кризиса, охватившего в то время большое число промышленно-развитых стран.

Важной вехой в развитии водородной энергетики и технологии явились результаты экономических исследований, проведённых в конце 1980-х годов в американском НИИ чистой энергии при университете Майями. В них было проведено детальное обоснование подсчёта экономического ущерба от загрязнения атмосферы промышленными и транспортными выбросами, и предложена методика введения соответствующих поправок в экономические расчёты. С учётом данных поправок, экологическая чистота водорода сделала его использование потенциально рентабельным в целом ряде производств.

В целом, период с середины 1970-х до конца 1990-х годов характеризовался углублёнными исследованиями и разработками, заложившими научно-технические основы современных водородных технологий.

Встал вопрос о решении проблем климата, загрязнения окружающей среды, улучшение глобальной экологической обстановки. Наиболее перспективной стала идея водородной энергетики с переводом всего мира на водородную экономику. Эту проблему развивали и обсуждали на самом высоком уровне, например, в 2002 году Владимир Путин обсуждал развитие водородной энергетики с Джорджем Бушем.

Развитие водородной энергетики является одним из способов снижения антропогенных факторов на окружающую среду.

Да, именно так: водородная энергетика – это дорогая альтернатива традиционной энергетике, но более экологически чистая. Однако, этот факт почему-то упускается из виду даже адептами водородной энергетики.

Говорить, что водородная энергетика заменит все другие виды энергии, и что это наше энергетическое будущее – несколько опрометчиво. Правильнее будет сказать: водородная энергетика – это наше экологически чистое будущее.

Начало

В начале возникновения автомобильной промышленности было две ветви развития технологии:

Так как водород, фактически, не встречается на Земле в свободной форме, его вынуждены извлекать из прочих связанных соединений.

Одним из главных преимуществ водородной энергетики является большое разнообразие химических способов получения водорода.

Преимуществом тут является независимость от одного метода получения водорода, что благоприятно сказывается на энергетической безопасности всей концепции водородной энергетики.

Основными методами получения водорода являются:

1. паровая конверсия метана и природного газа;

2. газификация угля;

3. электролиз воды;

5. частичное окисление;

Водород можно получать взаимодействием активных металлов с кислотами-неокислителями. Например, взаимодействием Цинка и Хлороводорода:

Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2.

Как мы видим, взаимодействие Цинка с соляной кислотой даёт выход водорода. Существуют и другие способы подобного получения водорода. Например, взаимодействие алюминия с водными растворами щелочей и т.п. Однако, подобный способ подходит лишь для лабораторных исследований и демонстраций, потому что он очень дорогой.

Концепция водородной энергетики подразумевает промышленное производство водорода; массовость и дешевизна должны быть неотъемлемой частью всей концепции .

Промышленные способы добычи водорода:

1. Электролиз воды

Разберём его чуть подробнее, так как много всяких изобретателей пытаются использовать именно эту технологию.

Воздействуя на дистиллированную воду электрическим током, можно разложить её на составляющие - кислород и водород:

«Впервые электролитическое разложение воды на кислород и водород было осуществлено в 1800 году, а промышленное освоение этого метода началось с 1888 года , когда стали доступны генераторы постоянного тока».

Электролиз воды - довольно дорогая технология получения водорода. В совокупности, на неё приходится всего 4-5% от общего произведённого объёма водорода.

Технология электролиза воды выглядит привлекательно в связи с экологической чистотой получения и возможности создания установок с широким диапазоном производительности (от нескольких литров до сотен кубометров водорода в час).

Способ прост и удобен в эксплуатации, обладает высокой чистотой производимого водорода. Дополнительно, побочным продуктом является получение кислорода - ценного химического вещества.

Но главное, электролиз водорода - очень перспективный метод экологически чистого получения водорода из возобновляемых или атомных источников энергии.

Я напомню, что концепция производства водородной энергетики и её дальнейшего развития в водородную экономику преследует именно экологическую чистоту.

Методов разложения воды для выделения водовода множество.

Основные из них:

электрохимический;
термический;
термохимический;
биохимический;
фотохимический;
электролитический.

Разумеется, наиболее проработанный и изученный метод – электролитический. Он позволяет производить водород с КПД до 90% .

Существуют три промышленных способа реализации электролизной технологии производства водорода. Они отличаются типом используемого электролита и условиями проведения электролиза.

Щелочной электролиз — процесс прохождения электрического тока через раствор электролита от анода к катоду, вследствие чего на них образуются газы - соответственно, водород и кислород:

1. на аноде: 2OH– → 0,5O2 + H2O + 2e (выделение кислорода);

2. на катоде : 2H2O + 2e– → H2 + 2OH (выделение водорода);

3. суммарная реакция: H2O → H2 + 0,5O2.

Дальнейшим усовершенствованием технологии в области КПД и экономичности стала разработка электролизёров с твердо-полимерным электролитом (ТПЭ).

ТПЭ-электролизёры в 6 раз дороже водно-щелочных с аналогичными характеристиками, но при этом экологически чистые; имеют значительно меньшие массо-габаритные характеристики и энергозатраты, повышенный уровень безопасности, возможность работы в нестационарных режимах, простое обслуживание.

Основной элемент ТПЭ - беспористая полимерная мембрана перфторированного углерода, обладающая высокой химической стойкостью и высокой электропроводностью. Переносчиком заряда в таких мембранах является гидратированный протон:

1. на анод: H2O → O2 + 4H+;

2. на катод: 4H(+) + 4e(–) → 2H2.

Минимальная чистота получения водорода электролизом с ТПЭ - 99,98% .

Третий метод - высокотемпературный электролиз водяного пара. Проводится в ячейках с твёрдым электролитом на основе оксидов циркония, оксидов некоторых элементов (оксиды кальция, иттрия, иттербия, селена, ванадия) для увеличения его электропроводимости. Подобный электролит обладает униполярной проводимостью - ток через него переносится ионами кислорода, образующимися при диссоциации воды и выделении водорода на катоде:

Н2О (пар) + 2е → О2 + Н2 (газ) катод О 2(–) → 0,5 О2 (газ) + 2е.

Вывод водорода осуществляется из катодного пространства вместе с непрореагировавшим паром.

Принципиальная схема ячейки для высокотемпературного электролиза водяного пара с коаксиальным расположением электродов: 1 — катодное пространство ячейки; 2 — катод; 3 — твёрдый электролит на основе оксидов циркония; 4 — анод; 5 — анодное пространство ячейки

Независимо от способа реализации, основной вклад в стоимость водорода, производимого методом электролиза ( 70–90 % ), вносят затраты на электроэнергию!

В комментариях к прошлой статьи читатель писал о якобы новом изобретённом им способе электролиза для получения водорода из морской воды. Но ничего нового тут нет. Смотрим формулу:

Для получения водорода из воды при электролизе требуется, как минимум, столько же энергии, сколько её выделяется при сгорании водорода. Однако не вся эта энергия должна поступать в виде электроэнергии — можно использовать в электролизёрах и тепловую энергию воды. Тут имеется энергетический баланс: чем выше её температура, тем больше вклад тепловой энергии и меньше вклад электрической. В ряде случаев это сулит немалую выгоду - можно использовать тепло от любого источника: скажем, от ядерного реактора. Особенно значительна экономия электроэнергии при температурах воды в районе тысячи градусов. Однако, в этих условиях сама вода переходит в пар, и снова потребуется твердый термостойкий электролит.

Многочисленные работы, в которых сделана попытка дать технико-экономическую оценку путей развития производства водорода на ближайшие годы, свидетельствуют о перспективности разрабатываемых электрохимических методов.

В перспективе можно ожидать, что параллельно с разработкой термических, термохимических, биохимических и других методов получения водорода из воды, начнутся интенсивные работы по усовершенствованию существующих и созданию более экономичных новых методов электролитического разложения воды на базе электрической энергии станций, работающих на атомной энергии. Одно из таких направлений уже разрабатывается - электролиз воды под давлением.

Читайте также: