Переход на водород называют светлым будущим энергетики. Его главные составляющие ― масштабное производство и потребление H2 в качестве энергоносителя, накопителя энергии и сырьевого компонента промышленных технологий. С каждым годом водород и его переделы становятся все более востребованным товаром. Ожидается, что к 2050 г. мировая потребность в водороде составит около 0,5 млрд т в год. Наступит ли экологически чистое, без выбросов CO2, водородное будущее и какие шаги в этом направлении предпринимаются сегодня?
Водород, легчайший газ и самый распространенный химический элемент во Вселенной, незаменим в промышленности и уступает по популярности лишь азоту и кислороду. Химическая, нефтеперерабатывающая, электронная, металлургическая, стекольная, пищевая промышленность не может обойтись без H2, а водородная энергетика ― одна из лидирующих тем в мировой повестке, касающейся глобальной декарбонизации.
Отдельное перспективное применение водорода ― транспорт. Считается, что автомобили на водородном топливе не вредят окружающей среде, потому что не выделяют в воздух углекислый газ, то есть не ускоряют глобальное потепление. Однако CO2 выделяется в большом количестве в процессе получения водорода, а значит, называть такой транспорт по-настоящему зеленым пока рано. Все дело в особенностях генерации водорода.
Самый доступный, распространенный и дешевый способ получения H2 сегодня ― паровая конверсия метана ― не может быть признан экологически чистым (это так называемый серый, или грязный, водород).
Крупномасштабное производство водорода ― сложнейший технологический процесс. Проблема заключается в том, что на Земле этот газ существует в связанном состоянии, соответственно, извлечь его можно только из других соединений, например выделить из воды ― практически неисчерпаемого источника H2, но крайне затратного по объему электроэнергии, которую необходимо задействовать. Другой резервуар водорода в природе ― это органика, в том числе метан ― тот самый газ, который горит в наших бытовых котлах и плитах на кухне, технологических и газовых печах. В химической промышленности давно умеют добывать водород при помощи упомянутой паровой конверсии метана — взаимодействия водяного пара и метана при высокой температуре в присутствии катализатора.
Способов получения водорода ― десятки, но в реальности на практике применяются лишь несколько из них. Генерация H2 остается одной из главных проблем в области водородной энергетики, ведь задача — не просто получить водород, но и сделать этот процесс максимально экологичным и экономически выгодным.
Зеленым водородом называют H2, полученный с помощью электролиза воды и возобновляемой энергии; желтым ― атомной энергии и электролиза воды; серым ― паровой конверсии природного газа; голубым ― паровой конверсии природного газа с улавливанием и утилизацией CO2. Фото: rawpixel / 123RF
Об особенностях получения водорода и исследованиях российских ученых в этой области корреспонденту «Научной России» рассказал профессор химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова Семен Нисонович Клямкин. По словам ученого, в качестве зеленой альтернативы грязному водороду может выступить H2, полученный из воды (электролиз H2O без выделения CO2), но процесс его производства настолько дорог, что вряд ли станет массовым в ближайшее время.
«Электролиз воды хорошо известен и давно используется, но это очень дорого. Именно поэтому мы и не наблюдаем повсеместного перехода на такой вид производства H2. Для примера: производство так называемого голубого водорода с улавливанием углекислого газа обходится в три-четыре раза дешевле, чем производство зеленого водорода из воды. При этом электролиз воды ― самый чистый способ получения водорода и также самый дорогой. Его применение экономически обосновано там, где есть дешевый источник электроэнергии или где нет альтернативы в виде природного газа», ― считает С.Н. Клямкин.
Другой большой проблемой, по словам ученого, остается отсутствие инфраструктуры, необходимой для транспортировки водорода и его дальнейшего использования на местах.
Транспортировка водорода из одной точки в другую настолько сложная и дорогая, что требует существенных изменений в экономике.
Сейчас в большинстве случаев полученный водород используется в том же самом месте, где его и производят. Но как использовать водород там, где его еще никогда не производили и не применяли?
Профессор МГУ С.Н. Клямкин за работой в лаборатории химии высоких давлений кафедры химической технологии и новых материалов химического факультета МГУ.
Фото: Юлия Чернова / пресс-служба химического факультета МГУ им. М.В Ломоносова
Семен Нисонович Клямкин рассказал еще об одном способе, обещающем стать достойной альтернативой существующим технологиям получения H2: фотокаталитическом разложении воды.
«Суть фотокатализа заключается в том, что часть необходимой энергии для производства водорода мы берем напрямую от Солнца, а другую часть получаем от электричества. Используя солнечный свет вместе со специальными катализаторами, можно получить водород путем разложения воды. Пока существующие способы фотокатализа показывают очень низкую производительность, но это направление сейчас очень популярно и активно развивается», ― прокомментировал профессор МГУ.
Исследования по генерации водорода проводятся и на химическом факультете МГУ им. М.В. Ломоносова. В 2022 г. команда ученых под руководством Б.М. Булычева усовершенствовала реакцию взаимодействия гидрида магния с водой для получения H2. Химики показали, что добавление солей щелочных металлов, аммония и/или магния увеличивает выход водорода с 22% практически до 100%, при этом скорость потока водорода возрастает в восемь раз. Эти исследования продолжаются в стенах МГУ и сегодня.
Удельные затраты электроэнергии на производство 1 кг водорода достигают 40 кВт в час, а цена — до $9 за 1 кг. Доля зеленого водорода сегодня не превышает 5% мирового объема производства.
Источник: ФИЦ угля и углехимии СО РАН. Фото: abidal / 123RF
«Мы не претендуем на открытие универсального способа получения водорода. Я бы назвал нашу разработку скорее нишевой. Она учитывает сложности транспортировки и хранения водорода и позволяет получать его прямо на месте благодаря активным веществам, способным выделять водород из воды. Для этой цели используются специальные малогабаритные автономные устройства. То есть, по сути, для получения водорода вам нужно иметь только воду, активное вещество и аппарат для генерации. Это просто и безопасно. Полученный газ может быть использован как топливо, но его не сжигают, а напрямую получают электроэнергию в электрохимических устройствах ― топливных элементах. Это особенно востребовано для беспилотных летательных аппаратов», ― рассказал С.Н. Клямкин.
Ученый считает, что в будущем водород не заменит традиционные источники энергии, но вполне может занять свою специфическую нишу в мировой энергетике. Так что водородное направление в дальнейшем продолжит развиваться.
Полный отказ от традиционного органического сырья давно обсуждается во многих странах мира. Катализатором дискуссии стало Парижское соглашение по климату, принятое в 2015 г. Одна из главных его целей ― удержать рост глобальной средней температуры на отметке ниже 2 °C. В 2016 г. Парижское соглашение по климату подписала и наша страна.
В этом месяце в Южно-Сахалинске запустили первый в России водородный полигон, который с помощью водородного топлива будет снабжать электричеством труднодоступные районы Сахалина и Курильских островов. Работу нового полигона будет обеспечивать солнечная электростанция.
Напомним, что в 2020 г. правительство РФ утвердило план мероприятий «Развитие водородной энергетики в Российской Федерации до 2024 года». Будет ли продлена эта инициатива и какие еще результаты она принесет, покажет время.
Статья подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ
Фото в шапке текста и на главной странице: solanofg / 123RF
Фотографии в галерее: freepik / Freepik.com, rawpixel / 123RF, wirestock / Freepik.com, Юлия Чернова / пресс-служба химического факультета МГУ им. М.В Ломоносова, Елена Либрик / «Научная Россия»