Водород - это очень перспективный энергоресурс. С начала ХХI века водородный тренд начал набирать все большую популярность. Начали появляться проекты всяческих водородных двигателей и более того, даже заговорили о водородной экономике, подразумевая использования энергии водорода во всех или в большинстве производственных сфер.
Действительно, идея замены экологически безопасным водородом большинства углеводородов кажется очень заманчивой. Выбросы углерода и его соединений (прежде всего это углекислый газ) уже порядком поднадоели человечеству. Хочется как-то уже очистить планету от наших грязных дел.
Мы знаем, что водород - это первый химический элемент таблицы Менделеева. Он состоит всего из одного протона и соответственно является самым легким химическим элементом.
Сравните:
- 1 м3 воздуха весит примерно 1,2 кг
- 1 м3 водорода (H2) весит примерно 90 грамм
То есть водород в 13 раз легче воздуха!
Что там еще мы помним из школьной химии? Водород бесцветен, без запаха, он химически активен, горюч и взрывоопасен. Но его горение чисто, как слеза и для экологии не наносит абсолютно никакого вреда. При реакции горения водорода образуется вода и выделяется большое количество энергии.
Водорода во Вселенной неприлично много. По сути вся Вселенная состоит практически из водорода. Это 89% всех ее атомов или 75% массы. В процессе горения водорода в звездах образуется гелий, который составляет 11% от всех атомов. И лишь только 0,1% атомов приходится на смартфоны, автомобили, самолеты, дома, яхты... и все то, из чего это состоит.
Но если вы захотите пробурить скважину в земле и накачать себе водорода, то у вас это вряд ли получится. В земной коре его практически нет, да и вообще в чистом виде водорода на Земле очень мало. В атмосфере он также не задерживается, из-за своей легкости.
Но зато водород очень активен и вступить с чем-то в химическую реакцию - это для него одно из любимых занятий. Больше всего водорода на планете находится, конечно же, в мировом океане в воде. В этом гигантском резервуаре находится примерно 14 с 17 нулями тонн водорода, не считая остальных вод Земли.
Водород уже давно активно используется в химической и пищевой промышленности, а с недавних пор недавно человечество всерьез задумалось и об использовании водорода в качестве энергоресурса.
Посчитано, что для того, чтобы обеспечить энергией все человечество, необходимо 5 млрд тонн водорода в год. В океанической воде же его в 25 млн раз больше, то есть запасов водорода в мировом океане хватило бы нам соответственно на 25 млн лет. Осушать океаны, конечно, никто не будет, но на многие тысячи лет непрерывного использования нам бы этого газа точно хватило бы. Также довольно много водорода содержится и в углеводородах.
В общем, превосходный источник энергии находится у нас прямо под ногами, так что все, можем пользоваться и ни в чем не нуждаться? Ну, конечно же, все не так просто.
В настоящее время мы знаем два способа "добычи" водорода.
- конверсия углеводородного сырья
- электролиз воды
И оба этих процесса подразумевают разрыв химических связей между кислородом и водородом (или кислородом, водородом и углеродом), что в свою очередь требует больших затрат энергии и дорогостоящего оборудования. И при всем при этом происходит все то же загрязнение окружающей среды углекислым газом.
Сколько сейчас производится водорода в мире?
Около 75 млн.тонн в год и это количество не так уж сильно увеличивается - всего на 2% в год.
При этом более 90% всего водорода производится именно из углеводородного сырья. И 70 % из этого количества производятся с помощью конверсии природного газа. Это на данный момент самый доступный способ.
Как он происходит?
К природному газу подводят тепло (нагревают печь от 600 до 1000 градусов) и водяной пар в присутствии катализатора (кобальт, никель или железо). Такой способ на данный момент является самым дешевым, но он же и самый грязный - в результате в атмосферу попадает большое количество углекислого газа.
Для производства 1 кг водорода требуется 5 кубических метров метана. Очевидно, что в таком случае вообще дешевле просто использовать природный газ и не заморачиваться.
Из воды же водород получают методом электролиза. Под действием электрического тока вода разлагается на водород и кислород. Вроде бы все просто и красиво, но этот способ также очень затратный и грязный.
Для получения 1 кг водорода требуется 40-50 кВт*ч электроэнергии. Полученное количество водорода обладает потенциальной энергией при 100% КПД всего около 40 кВт*ч.
С учетом того, что реальная эффективность использования водорода будет как минимум в два раза ниже, то получается, что на производство 1 кг водорода таким способом требуется более чем в два раза больше энергии, чем он сможет вернуть.
И, опять же, при производстве электроэнергии для электролиза мы сталкиваемся с сжиганием угля и выбросом углекислого газа в атмосферу.
Так что этот водород никак нельзя назвать "зеленым", то есть экологичным. Другое дело, когда электроэнергия производится из экологически чистых источников (например, энергии солнца или ветра), но такой энергии пока в мире относительно немного.
Тем не менее в последние годы многие страны принимают масштабные водородные программы, по которым они планируют кратно увеличить потребление водорода в энергетических целях. ЕС, к примеру, планирует к 2050 году увеличить использование водорода в 8 раз (сейчас доля водорода в структуре потребления составляет там примерно 2%).
Также прогнозируется, что к 2050 году водород займет 24% от всей потребляемой энергии в мире.
Россия, конечно же, тоже в тренде и в 2021 году мы приняли концепцию по развитию водородной энергетики. В частности, планируется создание в нашей стране водородных кластеров, где будет производиться и использоваться водород. А к 2035 году мы планируем экспортировать до 2 млн.тонн водорода в год.
При этом, в этой сфере у нас есть определенные конкурентные преимущества:
- наличие энергетического потенциала
- большой опыт производства водорода
- развитая научно-техническая база
- близость к рынкам сбыта
Очевидно, что заявленные Европой и той же Японией планы по развитию водородных экономик потребуют импорт водорода в эти страны. Своих мощностей и ресурсов для производства водорода им явно не хватит.
Так что осуществление этих амбициозных планов будет возможно только благодаря странам с богатыми углеводородными ресурсами. Угадайте, у какой страны они есть? Санкции, говорите? Ну-ну...
При этом у России есть потенциал развития водородного производства не только благодаря углеводородам, но и развитию гидро- и атомной энергетики. Также нельзя забывать и про приливные электростанции, которые мы также успешно развиваем.
Но главное здесь - не забывать и о собственном технологическом и экономическом развитии, а не только думать об очередной статьей экспорта в нашем бюджете.
В общем, мир определенно будет двигаться в сторону водородной экономики, но, к сожалению, ни о какой декарбонизации (снижению выбросов углекислого газа) речи пока не идет. И очень быстрый переход на водородное топливо также сомнительная задача.
Тем не менее у водорода действительно есть большие энергетические перспективы, так что будем оставаться в тренде. Это именно та сфера, где мы можем и должны быть среди лидеров, а может даже и доминировать.
Каждый ваш лайк 👍 пойдет на развитие водородной экономики в нашей стране 😉