Как известно, процесс промышленного синтеза аммиака из водорода и азота изобрел немецкий учёный Фриц Габер (человек невероятно интересный, если читателям будет угодно, я могу сделать цикл разборов биографий великих химиков), который также являлся создателем химического оружия, вот такой постмодернизм. Создание процесса Габера позволило производить азотные удобрения буквально "из воздуха", так как он на 78% состоит из азота, что позволило радикально увеличить эффективность сельского хозяйства. Казалось бы, причём тут водородная энергетика. Дело в том, что вторым компонентом процесса Габера является водород (N2+H2 = 2NH3).
К старику Фрицу вернёмся немного позже, сейчас же поговорим о собственно водороде. Водород - бесцветный и огнеопасный газ, являющийся самым лёгким атомом во вселенной, то есть на планете с водородной атмосферой гелиевые шарики бы не смогли даже оторваться от земли. Также, водород - самый распространённый элемент во вселенной и один из самых распространённых на Земле (в основном он содержится в водах океана и во многих минералах). Водород - крайне активный газ - восстановитель, поэтому существовать в свободном виде ему тяжело. Из этих данных можно сделать вывод, что водород был бы прекрасным источником энергии, хоть и опасным, но даже (не очень то эффективное) простое сжигание водорода в кислородной атмосфере - вещь крайне благостная, ведь единственным продуктом такого горения является вода, что уже является плюсом для больших городов.
Но есть нюанс... Видите ли, малый размер водорода обуславливает его вездесущесть, он может проникать даже в самые крепкие и плотные материалы, превращая их в хрупкую и пористую поверхность. Как видно на иллюстрациях, даже титан и сталь не могут этому противостоять и очень быстро начинают трескаться.
Однако, и эта проблема имеет решение. Как то давно я видел посты о "коммьюнити гарденс" в хипстерких сообществах Москвы. Там предлагалось работать на общих грядках, чтобы вместе выращивать "эко френдли" еду и потом её централизованно распределять между трудящимися в порядке их вклада в общее дело. Зумеры изобрели колохозы.
Однако, изобретения зумеров не ограничиваются колхозами, общежитиями рабочей молодежи (коливинг) и артели (крафт), туда ещё входит процесс Габера.
Так как сам водород в чистом виде долговременно хранить и транспортировать очень сложно из-за диффузии водорода в кристаллическую решетку почти любого материала, его лучше хранить в каком то другом виде. Например, в виде гидридов (соединения водорода и металлов), жидком виде или в адсорбированном состоянии (например, внутри пористого металлорганического адсорбента), но наилучшим способом хранения водорода является старый добрый аммиак.
Аммиак сам является очень ценным продуктом, ведь он необходим для производства азотных удобрений и много чего другого, что позволяет продавать излишний аммиак, если вдруг энергопотребление падает. Конечно, у этого метода есть огромный минус - это энергозатратность. Процесс получения аммиака сам по себе довольно энергоёмок (требуется сжижение воздуха и выделение из него азота, хотя есть много других технологий), но для того чтобы потом добраться до заветного водорода нужно провести этот процесс в обратную сторону и затем заново отделить азот от водорода. Конечно, этот метод транспортировки крайне скверно подходит для будущего кандидата на роль короля энергетики, поэтому на данный момент более всего развивается технология сжижения водорода, ведь в жидком состоянии водород не проникает в металлы. Однако, температура сжижения водорода при давлении в 1 атмосферу составляет -253 С, что уже довольно близко к абсолютному нулю. Стоит отметить, что температура сжижения метана при таком же давлении составляет -160 С, что на 93 градуса выше. Конечно, метан и водород сжижают при значительно больших давлениях, я привел эти цифры лишь для сравнения энергозатрат на подобную процедуру.
В добавок, водород отличается крайне маленькой теплотворной способностью. Высшая теплота сгорания водорода - 12,77 Мегаджоуль/м^3, метана - 39,86 Мегаджоуль/м^3 [1]. Как видно из этого соотношения, транспортировка водорода в любом виде предстаёт крайне тяжелым и дорогостоящим предприятием, не только из-за его диффузии и низкой температуры конденсации, но и из-за того, что тонна водорода способна дать на много меньше энергии, чем тонна метана.
Конечно, всё это не останавливает вполне естественный интерес человечества к этому энергоносителю.
Роль водородной энергетики в "зелёном переходе" в значительной степени экранируется политиками и масс-медиа, хотя именно она занимает центральное место в этой концепции. Одной из главных проблем возобновляемых источников энергии является хранение электроэнергии, ведь и ветер, и солнце цикличны, что приводит к резким перепадам в выработке электроэнергии, что абсолютно неприемлемо для современной электросистемы. Во вторых, людям требуется электроэнергия даже ночью и даже тогда (!!!), когда ветер не дует, а море отливает, что вызывает необходимость иметь монструозные аккумуляторные станции, которые должны запасать энергию как раз на такой случай. Литий - не такой уж и распространённый металл, а добыча щелочноземельных и редкоземельных металлов - одна из самых грязных промышленных операций из известных человечеству (по кодексу Минприроды 353, руда металлов 1 и 2 группы должна быть немедленно переработана в концентрат в течение двух недель, её хранение в отвалах - уголовное преступление, ведь эти руды в скором времени просто убьют всю местную экосистему). То есть, создание таких гигантских аккумуляторных парков вызовет экологическую катастрофу.
И тут, на помощь Грете Тунберг приходит водород, ведь с помощью "зелёной" электроэнергии можно провести электролиз воды и получить зелёный водород - универсальный источник энергии для хранения которого не нужно никаких аккумуляторов. Таким образом, "энергокредитом" зелёного будущего должен стать именно водород, получаемый благодаря выработке электроэнергии из всех возможных возобновляемых источников.
Для продолжения рассказа я обязан сделать отступление о цветовой дифференциации штанов водорода.
Зелёный водород - священный Грааль возобновляемой энергетики, получаемый электролизом воды за счёт электроэнергии полученной из возобновляемых источников
Бирюзовый водород - это "гвоздь программы" зелёной энергетики на ближайшие 25 лет, ведь его получение, хотя и энергозатратное и трудоёмкое, возможно практически и по-настоящему в отличие от получении энергии ветра с помощью ветряков, в корпусе каждого обязательно размещается дизельный двигатель [1]. Процесс заключается в пиролизе (высокотемпературном разложении) метана на углерод и водород (CH4 = C + 2H2). В таком случае, углерод имеет форму чёрной пыли, технического углерода, который сам по себе крайне ценен (например, до 50% массы автомобильных шин состоит из него, также он является основным черным красителем на планете Земля), а не газообразных CO и CO2 неизбежно улетающих в атмосферу. Процесс проходит при 1500 C и уже освоен, на данный момент такая колонна стоит на многих НПЗ и ГПЗ России, хотя в этом случае там получают именно технический углерод. Однако, главный камень преткновения бирюзового углерода - энергоэффективность. На данный момент, на тонну водорода полученного таким методом затрачивается на много больше электричества, чем можно получить с помощью тонны водорода. Вот такой "ядерный синтез".
Голубой водород - единственный и неповторимый НАСТОЯЩИЙ источник водородной энергетики на данный момент и в ближайшем обозримом будущем. На данный момент, только в РФ каждый год на НПЗ и ГПЗ производятся сотни тысяч тонн голубого водорода, правда этот водород идёт не на цели энергетики, а является ценным сырьём для процессов нефтепереработки и нефтехимии (для процессов гидрокрекинга, гидрооблагораживания и т п). Если оставаться верным международной классификации, то голубой водород получается путём конверсии метана (в основном, паровой, хотя есть и много других методов CH4+H20 = CO + 3H2). Такая смесь водорода и оксида углерода называется синтез-газом, ведь на данный момент он в основном используется для получения огромного количества органических соединений: этанола, метанола, других спиртов и альдегидов и даже получение "синтетической нефти" и косметических парафинов методом Фишера-Тропша. Однако, процесс можно настроить так, чтобы выход CO был минимален, а затем отделять из смеси водород. Казалось бы, чем такой процесс
отличается от простого сжигания метана, ведь в процессе конверсии вырабатывается дьявольский углеродный газ. Тут на помощь приходит главная волшебная палочка зелёных 2020ых годов - захоронение углерода, ведь для получения гордого звания "голубого", весь выработанный оксид углерода должен быть захоронен. О захоронении углерода я обязательно напишу позже.
Серый водород - водород полученный тем же методом, что и голубой, только затем дьявольских газ не подвергается захоронению [2].
Стоит отметить, что водород можно получить методом пиролиза или конверсии из абсолютно любого сырья содержащего водород, а именно из: пластиков и каучуков, органического мусора, угля, антрацита, фракций нефти, картофельного и соевого жмыха и прочая, и прочая.
То есть, источник водородной энергетики, как и любая другая зеленая инициатива - процесс столетней давности, где основной и побочный продукт поменялись местами.
Теперь же поговорим о том, как этот водород будут превращать в энергию. Как я уже сказал, сжигание водорода - процесс экологически чистый, но не эффективный, так как теплотворная способность водорода очень мала. Водородные энергоячейки - совсем другой разговор.
В такой ячейке не происходит процесса горения. Сама же ячейка состоит из катода, анода, мембраны их разделяющей и электролита. На анод подаётся водород, а на катод - кислород. Таким образом, протекает реакция электрохимического синтеза воды, что вызывает течение тока по внешнему контуру. Одна такая ячейка даёт всего около 1 вольта напряжения, поэтому полноценный двигатель состоит из сотен и даже тысяч таких ячеек [3]. При таком использовании, "энергоёмкость" водорода составляет около 33,6 КВт*ч/кг, что значительно больше чем энергоёмкость метана при его сжигании (15,5 КВт*ч/кг). КПД современной установки сжигания метана составляет около 60%, а КПД водородной ячейки - 32-37%. Если вам интересно посмотреть именно про устройство водородных ячеек и их сравнение с другими двигателями, очень советую это видео - https://www.youtube.com/watch?v=f7MzFfuNOtY&t=321s&ab_channel=RealEngineering
Резюмируя вышесказанное, водородная энергетика только звучит как нечто приятное, ведь на самом деле за ней тащится целый ворох, я бы даже сказал бесконечная цепочка технологических проблем: невероятно низкая температура конденсации и вопрос транспортировки водорода в целом, невозможность получения заветного "carbon neutral" водорода, низкое КПД водородных ячеек. Это всё превращает водородную энергетику в 50-гранный кубик Рубека с невероятно растянутой логистической цепочкой (потеряли энергию на отделение водорода от синтез газа, потеряли много энергии на его сжижение и хранение, потеряли энергию на малом КПД водородных ячеек). В текущем состоянии водородная энергетика ещё совсем сырая, при каком либо форсированном её внедрении в ближайшие лет 20-30, нам всем придётся меньше кушать и меньше греться раза в 4, так как выходной КПД цепочки природный газ-водород-сжиженный водород-энергия получается в несколько раз ниже чем КПД цепочки природный газ-ТЭЦ-энергия.
Тем не менее, в Лондоне года с 2012 почти весь общественный транспорт перешёл на водородные ячейки, а Газпром несколько лет назад открыл дочку "Газпром-водород". У этой технологии определённо есть будущее, ведь согласитесь, будет на много приятнее жить в мегаполисе, где все машины будут выбрасывать лишь водяной пар, а воздух будет ничем не отличатся от далекого Замкадья. Хотя и с моей точки зрения, этого ждать следует не ранее чем через лет 30, а пока что можно потихоньку пересаживаться на электрокары и машины на природном газе, ведь в конечном счете, самый экологичный источник энергии XXI века - природный газ, ведь при его сжигании не образуется канцерогенной сажи, ароматических углеводородов и прочей гадости, что вполне может очистить воздух мегаполисов уже в течении следующих 10-15 лет, ведь электричество для электрокаров будет производиться ничем иным как сжиганием природного газа.
Ссылочный аппарат:
[1] - https://www.energyvoice.com/renewables-energy-transition/480700/scottish-power-wind-farm-turbines-diesel-generators/#:~:text=Scottish Power has been accused,during cold weather in December.
[2] - https://www.ewe.com/en/shaping-the-future/hydrogen/the-colours-of-hydrogen#:~:text=Hydrogen is primarily divided into,%2C turquoise%2C blue and grey.
[3] - https://rmi.org/run-on-less-with-hydrogen-fuel-cells/#:~:text=In%20electrical%20terms%2C%20the%20energy,as%20a%20gallon%20of%20diesel.
