Водородные технологии (Часть 1)

При существующих технологиях пришло время присмотреться к водороду в качестве топлива, как для транспорта, так и для энергетической отрасли. Этому способствует желание человечества уйти от использования «грязного» топлива (угля, нефти), заменив его возобновляемыми источниками энергии, не оставляющими углеродного (карбонового) следа.

Насколько оправдана декарбонизация

Если спросить обычных людей из российской глубинки, почему они хотят для домашних нужд использовать газ, а не дрова или уголь, большая часть опрошенных в качестве основной причины назовет «чистоту», в первую очередь, для себя (нет клубов дыма, закрывающих небо, особенно в зимнее время, когда топить приходится круглосуточно). Задумываться о том, что печные трубы загрязняют воздух на всей планете, некогда. Можно еще вспомнить о жителях промышленных городов с круглосуточно дымящими заводскими трубами. Они просто хотят дышать чистым воздухом. И в том, и в другом случае основные претензии к черному дыму, который состоит из твердых сажевых частиц, разносящихся благодаря большим объемам разогретого углекислого газа СО₂ и, при неполном сгорании, вредного угарного газа СО (он в процессе окисления превращается в тот же СО₂).

Почему СО₂ записали в разряд вредных веществ

Не стоит забывать, что углекислый газ (диоксид углерода) – обязательная составляющая атмосферы в процессе фотосинтеза, то есть, флора при недостатке диоксида углерода может «зачахнуть». А это, между прочим, и снижение урожайности зерновых, и слабо плодоносящие деревья. Если пройти дальше по пищевой цепочке, то еды не будет хватать животным, их поголовье снизится, а человечеству не будет хватать пищи (и растительной, и животной) – этому когда-то учили на уроках биологии в средней школе. И вообще, углерод (карбон) присутствует во всех живых организмах, а диоксид углерода, упрощенно говоря – средство транспортирования атомов углерода.

В целом на планете Земля к определенному времени наступил относительный баланс между кислородом, необходимым для дыхания теплокровных, животных и людей, и углекислым газом, выдыхаемым и образовывающимся от разложения растений и животных, действия вулканов и природных пожаров. Сжигание дров и, чуть позднее, угля для отопления жилищ и приготовления пищи к существенному изменению баланса не привели.

Перелом произошел одновременно с техническим прогрессом: заводы, фабрики, топливные электростанции (угольные, на мазуте) стали давать дополнительные выбросы углекислого газа в атмосферу. Одновременно развивалась наука, в том числе, наблюдения за климатом и анализ причин, воздействующих на его изменения. Примерно так был зафиксирован парниковый эффект. Были установлены вещества, формирующие условную пленку: озон, молекулы воды, метан и диоксид углерода. Доля последнего существенно возрастает в процессе промышленной деятельности человечества и влияет на изменение климата в сторону потепления.

Варианты борьбы с выбросами

На сегодняшний день не так много относительно реальных способов снижения «рукотворных» выбросов углекислого газа в атмосферу:

• перестать использовать в качестве источников электроэнергии ископаемые (уголь, нефть, газ) и полностью перейти на ВИЭ (солнце, ветер, воду, атом), желательно также запретить применение ДВС в транспортных средствах;
• не позволять углекислому газу, образующемуся при сгорании топлива, бесконтрольно заполнять атмосферу (улавливать и «складировать»);
• область применения возобновляемых источников энергии расширить за счет введения в перечень ВИЭ водорода, который при сгорании образует воду.

Первый вариант – скорее, из области фантастики, два следующих – на начальной или средней стадии реализации. По крайней мере, в России имеются определенные наработки.

Перспективы использования водорода в качестве топлива

О создании электростанций на водороде речь пока не идет, хотя расчеты и разработки подобных проектов, скорее всего, уже существуют, но их реализация – в будущем. Зато несметное количество автомобилей на ДВС настолько загрязняет своими выхлопами воздух в городах и в районах нагруженных трасс, что эту проблему нужно решать уже сегодня. Например, использовать в качестве топлива для транспортных средств не дизель, бензин или газ, а водород.

Получение водорода в необходимом количестве

Мы себе представляем водород в виде идеального газа, в пробе которого есть исключительно молекулы Н₂ и никаких включений. Дело в том, что просто взять его из воздуха невозможно. В чистом виде в окружающем воздухе он не содержится: как только водород высвобождается в результате химической реакции из соединения, он, ввиду своей легкости, подобно гелию, взмывает на высоту примерно 100 км, и там его действительно много, только не достать.

Приходится «ловить» водород сразу после высвобождения. Этому человечество научилось. Остается решить три задачи:

• химическое получение водорода (наиболее эффективные методы);
• хранение;
• транспортирование.

Существует несколько способов извлечения водорода из различных веществ. Из одних получается идеально чистый, из других – «грязный» в той или иной степени.

Степень очистки водорода

Самый чистый водород (зеленый) получают из воды методом электролиза. Следующий (голубой) – результат переработки природного газа, при этом «отходы» улавливаются и используются в промышленности. С применением атомной энергии можно получить розовый или красный водород. В результате конверсии метана добывают серый водород, остальное выбрасывается в атмосферу. Газификация угля также дает возможность получить водород (коричневый), но процесс сопровождается значительными выбросами парниковых газов.

Стоимость одного килограмма зеленого водорода оценивается приблизительно в 10&, остальные виды стоят в 4-5 раз дешевле.

Хранение и транспортирование

Технологии получения водорода отработаны не только в лабораториях, но и в промышленных масштабах. Нужны емкости для хранения «запаса» и транспортирования. Емкости по конструкции очень схожи с теми, в которых поставляется бытовой газ, только для одного и того же веса, водорода и, например, пропана, первому потребуется «баллон» гораздо большего объема. Это один из способов хранения водорода – физический (сжатое или сжиженное состояние).

Есть еще два варианта: физико-химический (абсорбция, в том числе, с нано материалами) и химический (связывание водорода с легкими композитными составами), но список материалов – секрет разработчиков.

По аналогии с природным газом рассматривается возможность доставки промышленных объемов водорода потребителю посредством газопроводов. Разумеется, разработанных (или доработанных существующих) с учетом свойств водорода.