В день рождения Дмитрия Менделеева запускаем новую рубрику, в которой учёные ЮФУ будут рассказывать, как всем известные химические элементы, объединяясь в сложные вещества, определяют лицо современной цивилизации.
Мы начинаем с начала — с водорода, самого лёгкого и самого распространённого элемента во Вселенной, чья история и будущее полны парадоксов.
Когда Дмитрий Менделеев создавал свою Периодическую систему, он поместил водород на первую позицию, руководствуясь простым принципом — расположением элементов в порядке возрастания атомных масс.
«Дмитрий Иванович не знал наверняка, что никогда не будет обнаружен более лёгкий элемент. Учёный просто принял его за естественную точку отсчета, исходя из доступных данных. Позже Менделеев даже думал о гипотетических элементах легче водорода, но отказался от этой идеи. Современное понимание атомной структуры, где водород представляет собой атом с одним протоном в ядре, окончательно подтвердило его право занимать первую позицию навечно», — поясняет научный сотрудник химического факультета ЮФУ Мария Даниленко.
Главная «магия» водорода состоит в том, что он может использоваться как универсальный переносчик (хранитель) энергии и как универсальный восстановитель.
«В чистом виде вещества «водород» на земле почти нет, но атомы водорода входят в состав различных сложных веществ, в частности молекул воды. Водород можно получать из разных источников, перевозить в молекулярном виде или в виде производных водородсодержащих веществ, а затем «извлекать» его и с помощью химических или электрохимических реакций производить тепло или электричество», — отмечает д.х.н., профессор, главный научный сотрудник химического факультета ЮФУ Владимир Гутерман.
В настоящее время водород используется главным образом именно как химический реагент и сырьё, а не как топливо. Бо́льшая часть производимого в мире H₂ идёт на синтез аммиака для удобрений, метанола, а также на процессы гидроочистки и гидрокрекинга в нефтепереработке. В энергетике роль водорода как топлива пока относительно мала, но быстро растёт, особенно в сегменте тяжёлого транспорта, производства стали и судоходства, так как его использование ведёт к декарбонизации — снижению выбросов СО2.
Есть области, которые не могут существовать без водорода уже сегодня: производство аммиака для азотных удобрений — крупнейший потребитель, обеспечивающий глобальную продовольственную безопасность; нефтепереработка, где водород нужен для удаления серы и улучшения качества моторных топлив; производство метанола и ряда органических продуктов. В ближайшие десятилетия к «незаменимым» потребителям водорода с высокой вероятностью добавятся производство «зелёной» стали и часть большегрузного транспорта, где прямую электрификацию реализовать сложнее, чем внедрить водород.
«Поскольку свободного водорода на Земле почти нет, его не «добывают» как нефть, а получают из других веществ. Правда, недавно обнаружили белый (или природный) водород, выходящий из недр, но это пока не промышленный ресурс. Основные методы сегодня: паровая конверсия метана (SMR) — самый массовый и дешёвый, дающий «серый» водород; газификация угля («коричневый» водород); электролиз воды; пиролиз метана», — рассказывает младший научный сотрудник, аспирант химического факультета ЮФУ Юлия Баян.
Технология SMR доминирует из-за отработанной инфраструктуры и низкой стоимости, позволяя производить большие объёмы для химической промышленности. «По оценкам, около 90% мирового водорода производится из ископаемого топлива без улавливания CO₂, то есть это «серый» водород. Экономика пока побеждает экологию, но это меняется», — отмечает Юлия Баян.
Для оценки экологичности производства и возникла «цветовая» классификация. Важно понимать: цвет — это не свойство молекулы, а ярлык, связанный со способом получения и углеродным следом», — подчёркивает эксперт. Шкала проходит от самого «грязного» «коричневого» водорода из угля через доминирующий «серый» (SMR без улавливания CO₂) к низкоуглеродным вариантам: «голубому» (SMR с улавливанием CO₂), «бирюзовому» (пиролиз метана с образованием твёрдого углерода), «жёлтому» (электролиз на АЭС) и идеальному «зелёному» (электролиз на ВИЭ).
Один и тот же килограмм водорода может «стоить» атмосфере от почти нуля до десятков килограммов CO₂ — в зависимости от способа производства. Например, электролиз на электричестве от угольной ТЭС даёт до 40 кг CO₂ на 1 кг H₂, тогда как «зелёный» водород практически не добавляет выбросов. Именно поэтому важно развивать именно низкоуглеродную водородную энергетику.
«Россия делает стратегическую ставку на водород, используя два главных актива: лидерство в газовой и атомной отраслях. Поэтому мы развиваем два ключевых направления — «голубой» водород из метана и «жёлтый», то есть безуглеродный водород на базе АЭС. "Росатом" видит в «жёлтом» водороде стратегическое преимущество. Атомные станции производят стабильную энергию, что идеально для энергоёмкого электролиза. Это создание новой гибкой нагрузки для АЭС, которая позволяет масштабировать производство до промышленных объёмов», — объясняет к.х.н., руководитель лаборатории химического факультета ЮФУ Анастасия Алексеенко.
Перспектива экспорта водородного топлива поднимает вопрос транспортировки.
«Существующие газопроводы, как правило, не рассчитаны на передачу водорода и могут разрушаться вследствие водородного охрупчивания металлов. Создание специальных материалов и сплавов, а также защитных покрытий позволяет решить эту проблему. Это поле для передовых научных исследований, необходимое для будущей чистой энергетики», — указывает к.х.н., ведущий научный сотрудник химического факультета ЮФУ Сергей Беленов.
Отдельную стратегическую главу пишут изотопы водорода — дейтерий и тритий. Изотопы имеют одинаковые химические, но разные физические свойства. Дейтерий играет ключевую роль в научных исследованиях (как метка, для спектроскопии ЯМР, в гидрогеологии), в производстве тяжелой воды для ядерных реакторов и является компонентом топлива для термоядерного синтеза. Радиоактивный тритий используется в бета-вольтаических источниках питания (ядерных батарейках) и для автономной подсветки. Их получение и применение — часть высокотехнологичного суверенитета страны.
«Уже сегодня одно из соединений водорода — пероксид (H₂O₂) — является «рабочей лошадкой» промышленности. Ключевые свойства — окислительная способность, антимикробное действие и экологичность продуктов разложения. Основной промышленный способ — антрахиноновый процесс, требующий строгого контроля. Сложность в нестабильности H₂O₂ и необходимости сверхчистоты для фармацевтики и электроники. Без него немыслимы целлюлозно-бумажная отрасль (отбеливание) и фармацевтика (дезинфекция, стерилизация), так как альтернативы либо токсичны, либо менее эффективны», — отмечает к.х.н., младший научный сотрудник химического факультета ЮФУ Кирилл Паперж.
Подводя итог, можно оценить всю цепочку создания стоимости.
«Россия обладает значительными компетенциями в ключевых этапах, особенно в производстве, благодаря разработкам "Росатома", "Центротех", “Прометей РД” и других. "Росатом" и "Центротех" разработали импортонезависимые электролизеры на анионообменной мембране и отечественный щелочной электролизер. Успешно разрабатываются электрокатализаторы. Однако сохраняется зависимость от импорта компонентов для конечных устройств», — резюмирует к.х.н., старший научный сотрудник химического факультета ЮФУ Елизавета Могучих.
Наибольшим вызовом остаётся разработка конкурентоспособных протонпроводящих мембран для топливных элементов и электролизеров, над чем активно работает научное сообщество. Таким образом, от производства удобрений и чистого топлива сегодня до основы безуглеродной энергетики и высоких технологий завтра — первый элемент таблицы Менделеева оказывается ключевым в построении нового технологического уклада.