Водород — самый распространенный элемент во Вселенной. И на Земле он есть практически везде: в воде, почве, воздухе и живых организмах. А еще его можно использовать как топливо, которое не загрязняет атмосферу и не усиливает парниковый эффект, в отличие от ископаемого топлива: угля, нефти или газа. Такой водород называют зеленым. Разберемся, что это такое, в каких сферах его можно использовать и что нужно для производства.
Что такое зеленый водород и как его получают
В природе водород в основном встречается в соединениях с другими химическими элементами: с кислородом в воде или с углеродом в органических веществах. Чтобы использовать водород в качестве топлива, нужно сначала получить его в чистом виде. Если для выделения элемента применяют возобновляемую энергию ветра, солнца или воды, то такой водород называют зеленым. Это значит, что его получили без выбросов загрязняющих веществ.
Получается, что не любой водород — зеленый. Так, его могут получать из природного газа нефтяных месторождений или в процессе сжигания угля. В обоих случаях используют ископаемое топливо, и такой водород называют серым.
Зеленый водород обычно получают с помощью электролиза воды: на нее воздействуют постоянным электрическим током. Если при этом электричество получают от ветряных, солнечных или гидроэлектростанций, тогда производство полностью экологично. Еще есть синий водород: как и серый, его выделяют из ископаемого топлива. Но вырабатывающийся при этом углекислый газ собирают и хранят — в итоге окружающая среда загрязняется меньше.
Учитывая, что в природе водорода в чистом виде практически не бывает, а для его получения нужен другой вид энергии, он считается энергоносителем, а не самостоятельным энергетическим источником.
Какие металлы нужны для производства зеленого водорода
Водородная энергетика зависит от критически важных сырьевых материалов. К ним относят разные металлы, включая редкоземельные и платиновой группы. Существует несколько технологий электролиза для получения зеленого водорода, и для каждой нужны разные металлы в разных количествах.
Например, для самой распространенной сегодня технологии щелочного электролиза нужны цинк, медь и никель. Для твердооксидных электролизеров необходимы цирконий и иттрий, для электролизеров с протонообменной мембраной — редкий и дорогой иридий. Чтобы его заменить, ученые пытаются применять более дешевые марганец и кобальт. Также для разных целей могут использовать лантан, неодим, диспрозий и другие элементы.
Важнейшее сырье для получения и применения водорода — палладий и платина. Их используют как катализаторы в некоторых электролизерах и водородных топливных элементах. Спрос на эти металлы будет расти: к 2050 году для водородной энергетики нужно будет как минимум в 9 раз больше палладия, чем сейчас, а платины — примерно в 40 раз больше. При этом 41% всего мирового палладия добывают в «Норникеле».
В чем преимущества зеленого водорода
В топливных элементах водород снова связывается с кислородом, при этом выделяется энергия. Единственный побочный продукт этого процесса — вода. То есть это топливо с нулевым загрязнением окружающей среды. Его можно использовать в сферах, которые сложно или невозможно полностью электрифицировать. Например, в двигателях самолетов бензин и керосин нельзя заменить на электричество, но можно на водород. И благодаря этому уменьшить воздействие на природу и климат.
Еще водород — топливо с самой высокой плотностью энергии. Килограмм водорода содержит столько же энергии, сколько 2,4 кг метана или 2,8 кг бензина. Другая его важная особенность — энергоэффективность. В водородном топливном элементе до 60% химической энергии преобразуется в движущую силу для транспортного средства, а коэффициент полезного действия двигателей внутреннего сгорания на бензине или дизеле варьируется от 20 до 30%. Кроме того, водород — газ, который легко хранить в специальных резервуарах и транспортировать в баллонах или по трубам.
Использованные топливные элементы и электролизеры, необходимые для производства зеленого водорода, можно перерабатывать, извлекая из них редкоземельные и другие ценные металлы, включая платину, иридий и неодим, а потом применять их повторно.
Чтобы увеличить производство зеленого водорода, требуются большие инвестиции, но в перспективе это принесет значительные выгоды. Поэтому, по данным Международного агентства по возобновляемым источникам энергии (IRENA), к 2050 году будут производить до 500 миллионов тонн водорода в год, чтобы закрыть все потребности. Зеленый водород, полученный путем электролиза, позволит сократить выбросы углекислого газа минимум на 830 миллионов тонн в год — именно столько сейчас вырабатывается при выделении этого газа из ископаемого топлива.
Где можно использовать зеленый водород
Зеленый водород идеально подходит для секторов экономики, которые нельзя обеспечить возобновляемой энергией другими способами. Например, водородные установки могут питать мощный транспорт: суда дальнего плавания, поезда, самолеты, большегрузы.
В космических миссиях водородные топливные элементы можно использовать не только для получения энергии, но и для производства воды. Еще их можно применять для отопления и снабжения электроэнергией многоквартирных домов и коммерческих зданий, а также в двигателях обычных автомобилей, хотя в целом для личного автотранспорта лучшим видом топлива будет обычное электричество.
В промышленности водород давно используют для производства удобрений, керамики, цемента, а в металлургии — для получения стали. Если заменить обычный серый газ зеленым, можно сократить выбросы углекислого газа минимум на 6–7%.
Кроме того, водород удобно хранить: газ можно сжимать и помещать в специальные резервуары, где он будет находиться длительное время. Поэтому его можно использовать для хранения излишков электроэнергии из возобновляемых источников.
