Проблемы водородной энергетики

Как сделать водород чистым и дешёвым источником энергии и какие способы позволят выгодно его получать и транспортировать
15.03.2019

Действительно ли водородные двигатели чище, чем двигатели внутреннего сгорания? Как безопасно производить и транспортировать водород? Как дешево получать электроэнергию? Рассказывает доктор химических наук Юрий Добровольский.

В последнее время все больше разговоров ведется о водородной энергетике или даже водородной экономике - использовании водорода как основного энергоносителя для различных устройств. Основные проблемы, которые возникают сейчас при производстве электроэнергии, тепла, транспорта, - это проблемы экологии.

Мы попытаемся поспорить с противниками и сторонниками водородной энергетики. Во-первых, кажется, водород хорош тем, что единственным продуктом его сгорания является вода, и, что бы вы ни делали, вы получите чистую среду. На самом деле это не совсем так. Во-вторых, считается, что водород сам по себе - чистое топливо, которое удобно применять, и это тоже не вполне верно. В-третьих, считается, что водород может быть дешевым, и может быть экономически обоснована схема, в которой единственным энергоносителем является водород. Кроме того, водород - самое легкое и самое энергоемкое вещество, которое можно использовать.

Действительно ли водород - чистый источник энергии? Он может быть чистым источником энергии, а может и не очень. Это зависит от того, в каком устройстве мы будем перерабатывать водород. Если мы заставляем водород гореть, то, казалось бы, что такого? Взяли воздух, взяли водород, получили только воду. На самом деле это не так, потому что воздух всегда содержит азот. Основные выбросы от обычного автомобиля, с которыми мы боремся, - это оксиды азота. При повышенной температуре молекулы азота и кислорода воздуха начинают реагировать между собой, образуя токсичные вещества, которые вызывают кислотные дожди и сильное загрязнение, - оксиды азота. Это не зависит от того, что именно вы будете сжигать. Если температура выше 600 градусов, азот будет реагировать с кислородом. Можно ли от этого избавиться? Да, безусловно. Существует устройство, которое может работать при низких температурах, - топливный элемент. Это устройство перерабатывает химическую энергию водорода в электрическую энергию напрямую, минуя стадию нагрева. Достоинства - высокий КПД и абсолютное отсутствие выбросов.

Мы можем использовать водород по-разному. В зависимости от использования мы можем получить огромные экологические выгоды, а можем не очень большие. При горении водорода все равно гораздо меньше выбросов, чем при горении углеводородного топлива, но все-таки они есть. В случае его использования в электрохимическом устройстве, а именно в топливном элементе, их просто нет.

Если мы из тепловой энергии получаем электроэнергию, мы последовательно проходим достаточно много стадий, которые сопровождаются не только загрязнением окружающей среды, но и резким усложнением конструкции, - это движущиеся части, высокие температуры, разнообразная смазка. Топливный элемент, как и любое электрохимическое устройство, достаточно простая конструкция. В нем нет ни одной движущейся части. Все части неподвижные и легко заменяемые. Пока они дорогие, но это связано в большей степени с тем, что их мало продается, рынок только начал развиваться. Есть шанс, что они удешевятся и стоимость электроэнергии, вырабатываемой топливным элементом, выиграет по сравнению с электроэнергией, вырабатываемой обычным способом.

Действительно ли водород - самое чистое топливо? На самом деле недостатков много, и этим часто пользуются противники водородной энергетики. Давайте сравним электрические источники энергии с двигателями внутреннего сгорания. Почему электроэнергетика может быть хуже, чем энергетика, основанная на сгорании? Если мы используем электроэнергию, мы сначала ее откуда-то получаем. Все, о чем мы говорим, - это не первичные источники энергии, а вторичные накопители, генераторы энергии. Сначала нужно получить либо электроэнергию, либо водород. Электроэнергия может быть получена разными способами. В малоразвитых странах основную часть получают из угля. Получая электроэнергию, мы точно так же, а то и хуже, загрязняем окружающую среду, чем когда непосредственно используем в автомобиле углеводородное сырье.

То же самое с водородом: чтобы получить водород, надо затратить электроэнергию. Если мы затрачиваем грязную электроэнергию, то получаем грязный водород. Он чистый там, где мы его используем, но грязный там, где мы его получаем. Верно ли это? На самом деле это зависит от того, как устроены электросети страны. Если основная часть энергии экологически чистая - с гидроэлектростанций или атомных электростанций, - то и при производстве и электроэнергии, и водорода не загрязняем окружающую среду.

Бывает ли водород грязным и что с этим делать? Надо вспомнить основные способы производства водорода. Способов очень много, но дешевых всего два. Металл с кислотой реагируют, выделяя водород, многие соединения, растворяясь в воде, выделяют водород. Но это дорогие способы производства, ни экологически, ни экономически не оправданные.

Впервые в истории водород был получен в больших количествах пропусканием нагретой воды через жерло железной пушки. Сейчас водород получают взаимодействием угля или любого углеводородного сырья с водяным паром - реформинг или парогазовая конверсия. Здесь мы встречаем все прелести обычной углеводородной энергетики. Водород как электроноситель должен быть неуглеродным, не загрязнять окружающую среду не только оксидами азота, но и другими способами. Говоря об экологичности применения водорода, мы имеем в виду не только прямое загрязнение химическими веществами, но и загрязнение парниковыми газами - углекислым газом или метаном. Если мы производим конверсию из углерода, углерод все равно выбросится в виде углекислого газа.

За счет чего тут может возникнуть выигрыш? В первую очередь это связано с КПД. Если мы сжигаем метан, то получаем энергию с выходом в 30%, и углекислого газа на каждую единицу энергии получим настолько же больше. От этого можно избавиться, повысив КПД конверсии. КПД процесса перехода метана в СО и водород очень велик. Если водород с большим КПД перерабатывать в электроэнергию, а это можно осуществлять с КПД 80-90%, то суммарный КПД от начала до конца будет выше 60%. Отсюда возникает уменьшение выбросов углекислого газа как минимум в два раза.

Есть другие способы избавления от углекислого газа и CO - это превращение их в жидкое топливо. На самом деле CO - это хороший химический продукт, который можно использовать для производства метанола и других полезных веществ. Его можно не выбрасывать, а вторично использовать. Вещества, которые можно получить в дальнейшем из CO, тоже могут являться источниками энергии. Метан можно разложить на чистый водород и жидкие топлива, которые можно использовать в других применениях. Это уменьшает выбросы парниковых газов и дает возможность дешево получать другие продукты. С углем ситуация сложнее, потому что природный уголь сам по себе достаточно загрязнен. Придется улавливать загрязняющие вещества, которые были в исходном угле.

Еще один из способов получения водорода - электролиз. Это гораздо более дорогой способ, чем получение из углеводородного сырья, но абсолютно экологически чистый. Разлагая воду, мы получаем отдельно водород, отдельно кислород. Минус в том, что мы тратим много электроэнергии на получение водорода. Закон сохранения энергии говорит, что мы больше энергии вложим в разложение воды, чем потом получим при его сжигании. Но большинство установок в городских условиях - это установки электролиза. Они оправданны, когда у вас есть излишки электроэнергии. В первую очередь если вы получаете электроэнергию из возобновляемых альтернативных источников энергии. Солнце светит только половину дня, зато светит сильно. Электроэнергию на ночь можно зарядить в аккумулятор, а из этих избытков получить водород.

Генерирующие электростанции, включая атомные, работают на постоянной мощности, и мощность выше, чем нужна потребителям, она рассчитана на максимальные нагрузки. Днем мы потребляем электроэнергии гораздо больше, чем ночью. Ночью мы спим, а станция продолжает вырабатывать то же количество энергии. Избытки надо куда-то утилизировать. И электроэнергию можно накапливать и использовать для получения водорода. Особенно это актуально для атомных электростанций, изменить мощность которых сложно, а мощность сама по себе огромна. На самом деле водород может быть условно бесплатным, потому что у нас бывает условно бесплатная электроэнергия, когда она избыточна и ее некуда девать.

Итак, может ли водород быть экологически чистым? Может быть, если получать его методом электролиза, используя избытки электроэнергии. Может ли быть дешевым водород, если у нас нет избытков электроэнергии? Он может получаться из углеводородных источников, но надо утилизировать продукты, которые одновременно с этим образуются.

Сейчас ученые вспомнили о еще одной технологии. Глядя на формулу метана (CH4), можно понять, что, если очень сильно нагреть это вещество, оно разложится на уголь, или графит, или любую модификацию углерода и водород, никакого загрязнения CO2 мы не получим. Крекинг, то есть температурное разложение, сейчас активно используется. Полученный углерод можно использовать в различных производствах - в зависимости от того, в какой форме углерод образуется. Это может быть сажа - шинная промышленность; углерод высокой удельной поверхности другого типа - носитель для катализаторов. Главное, мы не выбросили углекислый газ в окружающую среду. Технология новая и не самая оптимальная, но отвечает на вопрос, можно ли, получая водород из углеводородов, избавиться от парниковых газов: можно.

Водород уже сейчас не очень дорогой продукт, его производят в крупнотоннажных масштабах. Водород используется, например, при получении маргарина. Маргарин - это обычное растительное масло, которое гидрируется, то есть обрабатывается водородом. Крупнотоннажное производство водорода - вещества для сельского хозяйства, в первую очередь азотные удобрения. Мы массово получаем аммиак (NH3) - соединение азота с водородом. Без азотных удобрений почва быстро становится бесплодной, и азотных удобрений нет в природе, поэтому миллионы тонн аммиака ежегодно получают из водорода и азота.

Даже сейчас в локальных производствах водород - это необходимый продукт, производящийся крупнотоннажно. Если потребности в нем возрастут, есть большая вероятность, что он подешевеет по сравнению с нынешней ценой.

Хорошо, когда мы произвели водород и здесь же его используем: не надо транспортировать или хранить. Если мы говорим о водородном транспорте, водород надо донести до пользователя. Возникает основная проблема использования водорода сейчас: водород - это очень легкий и плохо сжижаемый газ. Сейчас приходится перевозить водород либо в химически связанном виде, либо в баллонах высокого давления, либо в жидком состоянии. Самый простой способ - это перевозка в баллоне высокого давления. Существуют легкие и надежные углепластиковые баллоны, которые не умеют сами по себе взрываться, а просто раскрываются, и они достаточно безопасны. В таких баллонах можно перевозить водород при давлении выше 700 атмосфер. Газ нужно сжать, и мы дополнительно тратим энергию, чтобы перевести его в сжатое состояние. Если правильно считать, сколько энергии мы получаем из водорода, надо вычитать эту энергию, а она достаточно большая. Зато можно хранить в таких баллонах бесконечно и использовать достаточно быстро.

Второй способ - хранение и транспортировка в жидком состоянии. В жидком состоянии ненамного больше водорода в баллоне, чем в газообразном, но возникают другие проблемы. Температура сжижения водорода очень низкая, она всего на несколько градусов отличается от абсолютного нуля. Водород испаряется при этих температурах, и нужно куда-то девать его избытки. По технологии это похоже на перевозку сжиженного природного газа: температура отличается на несколько десятков градусов, но технология одна и та же. На сжижение водорода мы будем тратить больше энергии, чем на сжижение природного газа.

Зачем так мучиться, если можно перевозить водород сразу химически связанным? Есть метан - это уже химически связанный водород, просто поставьте на конце конвертор. На газовой заправке или станции, где употребляется сжиженный природный газ, ставите конвертор, который этот природный газ будет переводить в водород. Это не очень хорошее решение, поскольку локальное производство трудно поставить очищающее от примесей сооружение.

Есть химически связанные вещества, которые могут при разных условиях обратимо поглощать и выделять водород. Толуол - бензольное кольцо, к которому присоединена группа CH3. Если вы добавите туда несколько молекул водорода, оно превращается в соединение, в котором все двойные связи оказываются насыщены водородом, - циклогексан. Этот процесс может быть обратимым. Количество водорода соизмеримо с тем, которое мы перевозим баллоном, но это вещество жидкое, и вы можете в обычном нефтегрузе перевозить не нефть, а водород, связанный в органическом соединении.

Мы массово синтезируем аммиак. Аммиак - это соединение азота с водородом, и, если сильно его нагреть, он разложится обратно на водород и азот. Если использовать водород в качестве источника для топливного элемента, чтобы экология была абсолютно чистая, мы должны иметь очень чистый водород. Загрязнения по органическим соединениям нужны меньше 5 ppm - меньше 5 миллионных долей органического загрязнителя или CO в водороде. Основной частью вашей установки для производства водорода будет установка для очистки водорода. Это резко ухудшает экономические основы получения водорода в таком цикле. Легко очистить в большом производстве водород, но сложно в локальном месте, где производство небольшое.

Но такие проекты сейчас активно развиваются, например, в Японии, которая старается уменьшить количество атомной энергии, не имеет своих энергоносителей, поэтому пытается рассмотреть все пути получения и подвоза экологически чистой энергии. Они переходят на природный газ, и транспортировка сжиженного природного газа - хороший путь. Активно в ближайшие пять лет будет развиваться водородная инфраструктура. Лет через десять на примере Японии мы узнаем, насколько это может быть экологично и экономично.

Источник: ПостНаука

Смотрите другие наши материалы