Как получать водород?
Водород уже давно приковывает к себе внимание ученых и визионеров, работающих в области энергетики. Его главный козырь — распространенность. Это самый распространенный элемент во Вселенной, что дает основания полагать, что в отличие от нефти и природного газа он никогда не исчерпается. Однако в этом есть и подвох: на Земле водород в чистом виде встречается крайне редко. Для его использования необходимо сначала выделить его из соединений, таких как вода или природный газ.
Паровая конверсия природного газа
На сегодняшний день самым популярным и доступным способом получения водорода является паровая конверсия природного газа. Этот метод позволяет производить водород дешево и в больших объемах. Но у него есть серьезный недостаток: процесс сопровождается выбросами парниковых газов. Углеродный след, образующийся при производстве такого водорода, сводит на нет его экологические преимущества.
Электролиз воды
Альтернативным методом является электролиз воды, при котором в результате химической реакции образуются водород и кислород. Этот способ намного экологичнее, однако с ним связано несколько проблем.
• Во-первых, себестоимость водорода, полученного таким путем, значительно выше, чем у «грязных» аналогов.
• Во-вторых, сама технология достаточно энергоемка: значительная часть энергии теряется на преобразование воды в водород, а затем — обратно.
Возникает логичный вопрос: не проще ли использовать электричество напрямую для выполнения работы?
Тем не менее, электролиз может стать рациональным решением в тех случаях, когда электростанция производит энергию с избытком. Избыточная энергия, направленная на электролиз воды, позволяет превратить водород в своеобразный аккумулятор, который можно использовать позже для покрытия дефицита энергии.
Как использовать водород?
Вопрос о применении водорода остается открытым. Одной из перспективных идей является использование его в транспортной отрасли. Здесь существуют два основных подхода.
Водородные двигатели внутреннего сгорания
Первый — водородные двигатели внутреннего сгорания, которые по конструкции напоминают бензиновые. Они используют водород в качестве топлива, однако их экологичность оставляет желать лучшего. При сгорании водорода в воздухе образуются не только вода, но и оксиды азота — вредные для окружающей среды соединения, которые также вносят вклад в парниковый эффект [1].
Топливные элементы
Второй — использование топливных элементов. Эти устройства преобразуют водород и атмосферный кислород в электричество и тепло. Полученную энергию можно направлять на выполнение работы, например, для питания электрических двигателей. Преимущество топливных элементов заключается в их высокой эффективности: КПД таких систем может достигать 40–60% [2]. Однако у этой технологии есть и свои недостатки. Главный из них — высокая стоимость, связанная с использованием дорогих катализаторов из платиновой группы.
Проблема катализаторов
Платина, палладий и иридий — незаменимые катализаторы в водородной энергетике. Однако их запасы на Земле ограничены, а стоимость чрезвычайно высока. Поэтому для массового производства водородных топливных элементов ученым необходимо разработать катализаторы, которые позволят максимально эффективно и экономно использовать доступные ресурсы.
Транспортировка и хранение: как сделать водород безопасным
Получение чистого водорода — это лишь первый шаг на пути к использованию этого топлива. Как только мы научимся производить водород и извлекать из него энергию, перед нами встает не менее важная задача: как эффективно и безопасно доставлять его к месту использования и хранить до момента потребления.
На первый взгляд, проблема может показаться простой: достаточно лишь найти подходящие резервуары и транспортные средства. Однако плотность водорода при нормальных условиях составляет всего 0,09 кг/м³. Это означает, что в таком состоянии он занимает огромное количество пространства, что делает его хранение и транспортировку экономически невыгодными.
Традиционные методы хранения водорода
Для преодоления этой проблемы сегодня используются два основных подхода.
• Первый — это ожижение водорода. Этот процесс предполагает охлаждение водорода до температур в диапазоне от −253°C до −259°C, что позволяет хранить его при относительно низком давлении.
• Второй способ — это сжатие водорода до высокого давления, которое может достигать 700 атмосфер.
Несмотря на эффективность этих методов, у них есть свои ограничения. Даже в сжатом или жидком состоянии плотность водорода остается относительно низкой. Кроме того, оба способа требуют значительных энергетических затрат, что увеличивает стоимость хранения и транспортировки.
Но проблема не только в плотности или затратах. Водород обладает интересной, но опасной особенностью: его атомы способны проникать в структуру металлов, делая их хрупкими. Это явление, известное как водородное охрупчивание, снижает прочность материалов, из которых сделаны резервуары и трубы. В сочетании с легкой воспламеняемостью водорода это делает его хранение и транспортировку особенно рискованными.
Новые подходы к транспортировке водорода
Чтобы решить эти проблемы, ученые разрабатывают альтернативные методы транспортировки водорода. Одним из таких подходов является использование химически связанных форм водорода. Это означает, что водород переносится в соединениях, которые обладают важными свойствами: они не токсичны, не горючи и подходят для транспортировки на большие расстояния.
Одним из перспективных решений являются жидкие органические носители водорода (LOHC — liquid organic hydrogen carriers). Эти вещества способны связывать водород путем химической реакции гидрирования и затем отдавать его при обратной реакции дегидрирования. Примером такого носителя является дибензилтолуол. Его преимущество в том, что плотность хранения водорода в нем составляет 6–7% от массы, что значительно выше, чем у газовых баллонов, где этот показатель едва достигает 0,5%.
Другой вариант транспортировки водорода — в неорганической форме. Одним из наиболее перспективных соединений здесь является аммиак, инфраструктура для производства которого уже хорошо развита.
Сложности извлечения водорода
Однако для извлечения водорода из химического носителя требуется дополнительная энергия. При этом, в случае жидких органических носителей водорода, важно не разрушить молекулу-носитель, чтобы ее можно было повторно гидрировать и использовать для транспортировки. В настоящий момент эти технологии остаются дорогостоящими и сложно масштабируемыми. Основная задача исследователей — снизить количество энергии, необходимой для извлечения водорода из носителя.
Для этого требуется подобрать катализатор с высокой селективностью. Например, металлический катализатор, нанесенный на твердый носитель, который обладает каталитическими свойствами и дополнен различными добавками. Чаще всего в качестве металлов-катализаторов используют платину, палладий или иридий, а также их сплавы с более дешевыми металлами. В качестве добавок применяют кремний, фосфор и серу [3].
В настоящее время ведутся разработки таких сочетаний катализатора, носителя и добавок, которые обеспечивали бы дегидрирование молекулы-носителя с минимальными энергозатратами и не теряли бы своей активности под воздействием примесей в основном веществе. Кроме того, исследуется идея использования одного и того же катализатора для гидрирования и дегидрирования. Это решение могло бы существенно снизить стоимость транспортировки водорода.
Будущее водорода: экономические перспективы
Развитие водородной энергетики связано не только с научными разработками, но и с решением экономических вопросов. Использование водорода для хранения энергии становится оправданным, если электроэнергия стоит дешево, а процессы её преобразования — достаточно эффективны. Производство «зеленого» водорода, например, может быть экономически целесообразным в регионах с высокой плотностью солнечной радиации — таких как ЮАР, Чили или Австралия. Однако после его производства возникает новая проблема: транспортировка водорода к месту использования, которая также требует доступных технологий. Далее водород нужно преобразовать обратно в энергию, что снова сопровождается затратами. На каждом этапе жизненного цикла водорода нужны более эффективные технологии, а значит, необходимы исследования и разработки.
Замкнутый круг инвестиций
Научные разработки, в свою очередь, требуют значительных финансовых вложений. Здесь возникает замкнутый круг: инвесторы неохотно финансируют технологии, которые пока выглядят слишком дорогими, а эти технологии не становятся дешевле без дополнительных инвестиций.
Такая же ситуация складывается с развитием инфраструктуры. Например, пока на дорогах мало водородных автомобилей, строительство водородных заправочных станций кажется невыгодным. Но без доступных заправок водородные автомобили не смогут получить массовое распространение. Этот порочный круг трудно разорвать без вмешательства государства. Политическая воля и экологические приоритеты могут сыграть ключевую роль в стимулировании научно-технического прогресса и поддержке отрасли.
Экологический аспект
Цель водородной энергетики — минимизировать вред, который человеческая деятельность наносит окружающей среде. Однако транспорт, работающий на водороде, полученном путем паровой конверсии природного газа, все равно оставляет углеродный след. Отличие лишь в том, что выбросы происходят на этапе производства топлива, а не при его использовании.
Даже водород, полученный путем электролиза, может быть неэкологичным, если энергия для его производства поступает с тепловых электростанций, работающих на ископаемом топливе. Действительно экологичные решения требуют использования «зеленого» водорода, произведенного с минимальным углеродным следом. Кроме того, вся связанная с ним инфраструктура должна соответствовать этим же принципам. Насколько это возможно — покажет будущее.
Список источников
Badea N. (2021). Hydrogen as Energy Sources — Basic Concepts. Energies, 14, 5783.
O’Hayre, R., Cha, S.-W., Colella, W., Prinz F.B. (2016). Fuel Cell Fundamentals. Wiley, 3rd edition
Gemechu, D. N., Mohammed, A.M., Redi, M., Bessarabov, D., Mekonnen, Y.S., & Obodo, K.O. (2023). First principles-based approaches for catalytic activity on the dehydrogenation of liquid organic hydrogen carriers: A review. International Journal of Hydrogen Energy, 48(85), 33186–33206.
Zohuri, B. (2019). Hydrogen Energy. Challenges and Solutions for a Cleaner Future. Springer
Наш сайт без рекламы для Вашего удобства! Чтобы поддержать проект – поделитесь ссылкой с друзьями. Благодарим!
