К середине XVII века научились получать водород воздействием кислот на металлы. Бесцветный, без запаха и вкуса газ легко горел с характерным щелчком, образовывая при этом воду. Отсюда и название газа. К 1930-м годам большинство свойств водорода уже было известно ученым. Благодаря простоте — атом… HСостоящий лишь из протона и электрона, водород помог изучить многие явления мира элементарных частиц. За пределами теоретических исследований у водорода появились разнообразные применения.
До конца девятнадцатого века водород, как чистый элемент, или смешанный с другими газами, применялся в качестве топлива. осветительныхприборов, экспериментальных двигателей внутреннего сгорания и наполняли им воздушные шарыПоследняя работа сделала его всемирно известным из-за популярности дирижаблей. Настоящей ценностью для мировой экономики водород стал благодаря усилиям двух выдающихся немецких химиков Фрица Габера и Карла Боша. химический процессДанный процесс обеспечивал промышленное производство аммиака, который является основным сырьем для изготовления удобрений.
Газ, без которого не было бы современного мира
Несмотря на то, что азот в земной атмосфере не является дефицитным элементом, большинство живых существ не способны усваивать его в газообразном виде. В естественных условиях биосфера пополняется соединениями азота преимущественно благодаря почвенным бактериям. Однако до верхних ступеней пищевой цепочки доходит лишь небольшая их часть. Без удобрений сельское хозяйство не сможет обеспечить развитое общество необходимым количеством калорий.
До изобретения Габера, усовершенствованного Бошем, сырьем для азотных удобрений служили гуано и природный нитрат натрия. Однако эти ресурсы имели проблемы: запасы были конечными, да и богатые месторождения не находились везде. Кроме того, добыча происходила рабским трудом в тяжелейших условиях. Увеличение спроса на удобрения во время индустриализации сделало гуано и чилийскую селитру особенно важными. В результате возникли даже войны из-за птичьего помета (например). Вторая тихоокеанская войнаС 1879 по 1883 год Чили захватом заняло месторождения гуано у Боливии.
В 1910 году мир претерпел перемены. Химическая промышленность нашла экономически выгоден способ производства аммиака. Для этого необходимо азот, водород, катализатор, высокая температура и давление. С тех пор вклад процесса Габера в процветание человечества можно назвать определяющим для современной цивилизации. оценкамБолее чем наполовину атомы азота в организмах людей из развитых стран пополнили свой рацион только благодаря искусственно произведенным азотсодержащим удобрениям. Не меньшую часть нынешнего населения едва ли бы выжила без этого изобретения. не существовало быКонечно же, чудеса не бывают бесплатными: изготовление аммиака… уходитПримерно два процента от всего первичного энергопотребления планеты.
Обогащение нефтепродуктов
Нефтехимическая отрасль — второй основной потребитель водородаВ мире это вещество применяется для осуществления различных процессов, улучшающих характеристики нефтепродуктов и природного газа. К ним относятся — гидроочистка, гидрокрекингЕсли упростить, то все эти процессы — это разные способы выполнения одной задачи. гидрогенолизаРасщепления связей между двумя атомами углерода или атомом углерода с примесями происходят при наличии водорода. Примеси могут быть серной кислотой или соединениями азота. При горении они становятся сильными загрязнителями и отравляют катализаторы на последующих этапах нефтепереработки. Без использования водорода такого качества и разнообразия углеводородов не было бы.
И многое-многое другое
Из остатка, полученного после переработки нефти и производства аммиака, около 10 процентов от общего количества используемого человеком водорода направляется в химическую и пищевую отрасли. В первую очередь — для… гидрированияРеакция присоединения водорода к различным молекулам называется гидрированием. Гидрирование углекислого газа дает метанол, который является ценным сырьем для производства полимеров (для этого из него получают формальдегид). Метанол также широко используется в качестве добавки в бензин. Кроме того, сам по себе метанол представляет собой перспективное экологичное топливо для ДВС. В настоящее время его производят преимущественно из биологического сырья, но в перспективе предпочтительнее техпроцесс на основе водорода.
Один продукт, немыслимый без водорода, — маргарин. Его производят из смеси растительных жиров (масел), которые сгущаются (насыщаются) гидрированием. В последние годы в связи с борьбой с трансжирами применение водорода в этой сфере постепенно снижается.
Другие сферы использования водорода расходуют менее пяти процентов всего мирового производства. К таковым относится одна из самых интересных, но при этом наименее известных – в качестве Жидкость для системы охлаждения силовых электростанций. Начиная с шестидесяти мегаватт и больше. Самая впечатляющая — подобно ракетному топливу, например в ракетах-носителях. Delta IV Heavy, Space Launch System«Чанчжэн-5» и ряд других космических программ нуждаются водороде. Потребителями водорода является также микроэлектронная индустрия, использующая его для стабилизации аморфного кремния, производства и обработки особо чистых металлов, а также фармацевтика. Эти отрасли потребляют сравнительно немного водорода, но их вклад в современную экономику огромен.
Потенциальный энергоноситель будущего
Водород уже долгое время прочно занял своё место в мировой экономике и промышленности. потенциалВ качестве источника энергии и хранилища её. Килограмм водорода, сгорающий в идеальных условиях и без учёта потерь. высвободитБолее 140 мегаджоулей энергии выделяет топливо. Для сравнения: килограмм дизеля содержит около 45 мегаджоулей, бензина — 46, а природного газа (метана) — 53,6 мегаджоуля. Водород можно получать с помощью электричества из возобновляемых источников. При горении водород не выделяет вредных веществ — только водяной пар. Некоторые количества оксидов азота в выхлопе возможны при нестехиометрической смеси с воздухом.
Два свойства водорода — высокая удельная энергия и потенциал «зелености» — вдохновляют инженеров и учёных в стремлении к улучшению мира. водородной экономикиБыла представлена концепция энергетической системы и промышленной инфраструктуры, где водород является ведущим топливом. сформулированаВ 1923 году британский учёный Джон Холдейн ( ) J. B. S. HaldaneРазвитие этого направления началось ещё до 1970-х годов, но только к 1990-м оно оформилось в целостную концепцию.
Водород выполняет ключевую роль хранителем энергии: избыток электроэнергии направляют на производство газа, а при пиках потребления его расходуют. Текущая экономика в некотором смысле водородная, поскольку этот газ уже играет важную роль. В настоящее время он практически полностью используется как реагент для химических процессов и почти не задействован в энергетике. В будущем необходимо отказаться от ископаемого топлива, чтобы уменьшить воздействие на окружающую среду, минимизировать выбросы парниковых газов и микрочастиц сажи.
Водород может заменить углеводороды в отраслях, где не подойдёт только зелёное электричество.
Так, его можно использовать в металлургии, производстве цемента и транспорте, особенно грузовом наземном и водном. Но для этого нужно решить технические сложности. Например, ни один современный массовый двигатель внутреннего сгорания не может работать на чистом водороде. У него низкая энергетическая плотность, поэтому его нужно закачивать в три раза больше, чем метана, чтобы получить ту же мощность.
Кроме того, водород горит очень быстро, практически детонацией. Сейчас разрабатывают многотопливные двигатели, способные работать на чистом водороде.
Альтернатива прямому сжиганию — топливные элементыЭто электрохимические ячейки, вырабатывающие электричество из водорода и кислорода воздуха. В них горючее окисляется без пламени за счет катализатора. Эффективность таких устройств пока едва превышает 60 процентов, а стоимость высока. Водород должен быть максимально чистым, иначе примеси быстро отравят катализатор. Поэтому в качестве первого этапа перехода от углеродной экономики к водородной применяется добавление этого газа в метан. Получившуюся смесь можно использовать как газомоторное топливо, а также для отопления, приготовления пищи и выработки электричества без радикальных изменений в существующем оборудовании.
Решение этого типа лишь слегка усовершенствует промышленность, частично уменьшая ее воздействие на климат и выбросы вредных веществ в воздух. Однако план будет действенным при условии, что источник водорода – возобновляемый и не увеличивает концентрацию углекислого газа в окружающей среде.
«Серо-буро-малиновый» водород
Для легкой идентификации водородных источников по способу получения энергии был разработан цветовой код. существующихСуществует множество перспективных промышленных способов получения водорода, из-за чего сформировался целый спектр возможностей.
• ЗеленыйСамый экологичный вариант, имеющий минимальный углеродный след (включая выбросы во время производства оборудования). Водород получают путем электролиза воды, а энергию для этого поставляют возобновляемые источники: ветряные и солнечные электростанции, гидро-, приливные и геотермальные. Главная сложность такого водорода — его высокая стоимостиЭлектролиз не широко применяется из-за низкой эффективности (60-80 процентов), высоких энергозатрат (50 киловатт-часов электричества на килограмм продукта) и стоимости зелёных генераторов. Доля электролиза в общем объёме производства водорода составляет менее пяти процентов. Преимущество электролиза — получение чистого газа без примесей, другие методы требуют дополнительной очистки.
• СерыйНаибольшее количество водорода (более половины мирового объема) производится методом паровой конверсии метана. Процесс фактически является первым этапом процесса Габера—Боша. В результате в атмосферу выбрасывается большое количество углекислоты, а также метана и угарного газа из-за утечек. Такой водород необычайно дешев, ни один другой метод не может ему соперничать по цене. При применении системы улавливания углекислого газа CCS) на выходе из установки, то получается голубойВодород – немного экологичнее (поглощает около 60% углекислого газа), но стоит в два раза дороже.
• Черный и коричневыйСамый распространённый способ промышленного получения водорода — газификация угля (около трети мирового объема). В результате получается синтез-газ — смесь монооксида углерода, водорода, углекислого газа, метана и водяного пара. Несмотря на меньшую эффективность по сравнению с риформингом метана, газификацию угля используют в регионах с его избыточным запасом. Процесс даёт сразу несколько видов сырья для химической промышленности.
• БирюзовыйПиролиз метана — один из самых перспективных методов. Технологий много, в лабораториях и на небольших производствах разные вариации себя зарекомендовали. В ближайшие годы его проверят в более широком масштабе. Преимущества очевидны: практически отсутствуют выбросы парниковых газов, и расчетная стоимость привлекательна. Углерод получается в твердой форме, его можно использовать для изготовления нанотрубок или продать (что повышает экономику процесса). Но большая часть все равно придется 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, красныйАтомная энергия используется для работы электролизеров или установок термохимического разложения воды (этой технологии пока не хватает опыта).
• ЖелтыйПолучен путём электролиза при использовании источника питания, получаемого из смешанных генераторов, в том числе преимущественно АЭС.
• Без своего цветаВодород, добываемый при изготовлении хлора из биомассы или новыми технологиями.
Генеральный директор ООО «Водородные технологии» АФК «Система», научный руководитель ЦК НТИ при ИПХФ РАН Юрий Анатольевич Добровольский, высказываясь о будущих методиках производства водорода, подчеркнул существенный момент.
Цена водорода на конечном рынке складывается не только из себестоимости производства, но и из расходов на очистку, хранение и транспортировку. Эти затраты могут увеличить цену минимум вдвое, а иногда вчетверо. По этой причине электролиз, который может показаться наиболее дорогим способом производства водорода, может быть самым выгодным вариантом, если он используется непосредственно рядом с потребителями, используя энергию от местного источника. Промышленные процессы, такие как паровой конверсионный метод с улавливанием углекислого газа и пиролиз, не всегда могут быть реализованы в удаленных районах или на автобусных парках, а вот установка электролизатора там вполне осуществима.
При выборе доминирующего метода получения водорода в экономике решающее значение имеет целеполагание. Если приоритет — экология, то приемлемы любые подходящие по местным условиям методы, кроме серого, черного и коричневого, так как 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 остается пока безальтернативным методом.
Безуглеродная экономика может базироваться не на любом водородном топливе, а только на зеленом, бирюзовом и потенциально некоторых красных разновидностях. Важно помнить, что водород всегда будет вторичным энергоносителем, то есть переносит меньше энергии, чем затрачено на его производство. В результате вся промышленность и сфера потребления энергии должны стать значительно эффективнее. нараститьПроизводство электроэнергии для удовлетворения потребностей, ранее решаемых с помощью ископаемого топлива, главным образом потребности в тепловой энергии.
На тёмной стороне радужного завтрашнего дня.
Проблемы с водородом как вторичного энергоносителя не ограничиваются его статусом. Химические свойства самого распространенного во вселенной и легчайшего элемента делают транспортировку и хранение настоящим кошмаром. Из-за этого практически весь используемый в современной промышленности водород производится непосредственно там, где он потребляется (фактически — в той же установке, где используется). Чаще всего его носителем выступает природный газ, то есть метан.
Водород представляет опасность взрыва и пожара. Он легко проникает через малейшие трещины в уплотнителях и даже сквозь кристаллическую решетку материалов. Такие утечки без специального оборудования (газоанализаторов) обнаружить практически невозможно. Водород не имеет цвета и запаха, а горит невидимым пламенем, которое может окрашиваться при попадании посторонних примесей. Добавить одорант, как в случае с метаном, чтобы утечку можно было унюхать, на практике удается не всегда. Любые загрязнения водорода приводят к отравлению катализаторов топливных элементов или промышленных установок, где его используют.
Развитие системы хранения и транспортировки водорода будет стоить дорого, так как не все материалы пригодны для его использования. Многие металлы при контакте с газом разрушаются – это называется « ». водородное охрупчиваниеТребования к уплотнителям, вентилям и предохранительным клапанам строже, чем для природного газа. Транспортировка водорода требует больше энергии из-за его низкой плотности по сравнению с другими газами, что связано как со сжатием, так и со сжижением.
Реальные перспективы
Высокая удельная энергия водорода среди всех доступных человечеству энергоносителей делает его крайне привлекательным. Его просто использовать как хранилище энергии, а также производить с помощью возобновляемых источников.
Дальнейшее развитие экономики, как Naked Science уже отмечалБез радикального повышения эффективности энергетики и промышленности сложно представить развитие накопителей энергии. Мир стремится к более глубокой переработке ресурсов, рециклингу и полному использованию первичной энергии. Одновременно с этим развиваются высокотехнологичные отрасли, где водород уже нашел или продолжает находить место, его роль лишь увеличивается.
У водорода есть серьезные минусы, обусловленные его физическими и химическими свойствами. Его 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.
Это связано с тем, 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. Зато по сравнению с природным газом водород способен удобно накапливать энергию, синтезировать метан сложнее.
Этот материал создали при поддержке проекта Homo Science. данной онлайн-платформеСпециалисты из сферы науки представляют увлекательные материалы о ядре на языке доступном каждому.
Частное учреждение «Центр коммуникаций» осуществляет реализацию коммуникационных программ в атомной отрасли, ИНН 9705152344.