Может ли водород стать основным источником энергии?

Текущее мировое производство водорода составляет около 65-100 миллионов тонн в год. Он десятилетиями используется в различных отраслях промышленности. Процесс производства водорода является одной из основных проблем научного сообщества из-за его низкой эффективности. Однако большая часть критики сосредоточена на так называемой водородной экономике, то есть замене линий электропередачи системами доставки водорода и двойном преобразовании электроэнергии в водород: со стороны поставщика и со стороны потребителя

Хотя переход к возобновляемым источникам энергии и отказ от ископаемого топлива кажется целью, к которой должны все стремиться, он должен быть постепенным, чтобы избежать коллапса экономики. Ископаемое топливо имеет определяющее экономическое значение во многих странах. Например, в 2019 году в США было произведено около 6,22 × 10⁹ баррелей нефти. Если предположить, что средняя цена за баррель составляет 60 долларов, то оборот с нефтедобычи составит около 400 млрд долларов. Аналогичный расчет можно провести для природного газа, общая добыча которого в 2019 году в Соединенных Штатах составила 9,21 × 10¹¹ м³. Если оценивать его рыночную стоимость, то оборот газодобычи оценивается примерно в 80 миллиардов долларов. Есть страны, экономика которых еще более сильно зависит от ископаемых видов топлива, например, Норвегия, в которой сырая нефть составляет 35% от общего объема экспорта. Отказ от ископаемого топлива в короткие сроки будет иметь сильные негативные последствия в различных частях мира.

Водород - это вид топлива, с помощью которого можно решить эту проблему. Хотя полный переход на водород в качестве источника энергии при реализации так называемой водородной экономики кажется нереальным, он может успешно применяться как энергоноситель для транспортных средств. H₂ может использоваться в двигателях внутреннего сгорания или в топливных элементах, уменьшая выбросы загрязняющих веществ в окружающую среду. В настоящее время водород можно производить как из сырой нефти, так и из природного угля, поддерживая экономику, зависящую от ископаемого топлива. В дальнейшем водород можно получать либо из биомассы, либо путем прямого расщепления молекул воды в процессе фото- или высокотемпературного электролиза.

Если отказ от сжигания ископаемого топлива неизбежен, водород может стать хорошей возможностью для постепенного перехода транспортной отрасли на экологически чистые энергоресурсы, во-первых, за счет сокращения выбросов парниковых газов и задействования ископаемого топлива в качестве исходного материала для получения водородного топлива. В дальнейшем, когда запасы ископаемых источников энергии полностью истощатся, для энергетической отрасли возможно будет проще перейти на другие виды энергоресурсов. Однако есть несколько деталей, которые необходимо рассмотреть, чтобы определить, является ли H₂ подходящим вариантом, чтобы его использовать в переходном периоде в качестве топлива, как он соотносится с другими решениями и как он может помочь в борьбе с изменением климата, является ли он безопасным и реалистично ли его производить в достаточном количестве.

Многообещающие перспективы и сдерживающие проблемы использования водорода

Атомы водорода, способные к образованию устойчивой взаимосвязи друг с другом, являются самыми маленькими в периодической таблице. Эти характеристики позволяют им хранить энергию при достаточно низкой массе топлива по сравнению с другими веществами, например с углеродом в углеводородах. Это позволяет достичь чрезвычайно высокой плотности энергии, намного превышающей значения для любого другого вида топлива.

Высокая плотность энергии водородного топлива выгодна при использовании всех видов экологически чистых транспортных средств (чего нельзя сказать о тяжелых литий-ионных батареях). Это преимущество может привести либо к облегчению конструкции передвижного устройства, либо к увеличению дальности его хода. Более того, заправка транспортного средства, работающего на водороде, происходит значительно быстрее, чем зарядка батареи большой емкости.

Представленные данные говорят о том, что водород - лучшее топливо из всех. Однако необходимо посмотреть на него в другом контексте. Прежде всего, можно увидеть, что энергия, запасенная на единицу объема, для водородного топлива довольно мала. Это приводит к появлению нескольких проблем: для эффективного использования водород должен быть сжижен, либо сжат, что требует дополнительных затрат энергии. Более того, резервуары высокого давления представляют опасность. Во-вторых, необходимо понимать, каким способом производится водородное топливо и как это влияет на общее снижение выбросов загрязняющих веществ в окружающую среду.

Как было сказано, энергия на единицу объема для этого соединения очень мала, поэтому оно должно быть либо сжижено, либо находиться под давлением. Для сжижения водорода требуется температура до -253 ⁰C и большое количество энергии. Сжатие газа - более предпочтительный вариант для производителей автомобилей. Обратной стороной этого подхода является забота о безопасности людей, поскольку широкая общественность опасается утечек водорода, которые могут вызвать возгорание транспортных средств и возможные взрывы во время их столкновений.

Чтобы разобраться в этой теме, следует помнить, что водород в 14 раз легче воздуха и очень быстро в нем растворяется после любой утечки. Коэффициент диффузии или скорость рассеивания водорода намного выше, чем у традиционных видов топлива. Однако водород легче воздуха, поэтому он не задерживается у земли, как, например, пары бензина, поэтому не представляет большой опасности возгорания.

Кроме того, современные транспортные средства, работающие на водороде, оборудованы самыми чувствительными датчиками и передовыми вентиляционными системами, которые позволяют обнаруживать любые утечки и выключения клапанов. Правильное размещение системы вентиляции позволяет снизить опасность возникновения пожара или взрыва, при этом утечки оказываются не очень опасными, так как водород очень быстро диффундирует до безопасных концентраций. Подобные системы предотвращают взрывы за счет быстрой вентиляции бака, если это необходимо. Вся эта профилактика и строгие правила позволили Hyundai Nexo получить наивысший 5-звездочный рейтинг в тесте Euro NCAP в 2018 году, в том числе включающий серию краш-тестов.

Текущее мировое производство водорода составляет около 65-100 миллионов тонн в год. Он десятилетиями используется в различных отраслях промышленности. Процесс производства водорода является одной из основных проблем научного сообщества из-за его низкой эффективности. Однако большая часть критики сосредоточена на так называемой водородной экономике, то есть замене линий электропередачи системами доставки водорода и двойном преобразовании электроэнергии в водород: со стороны поставщика и со стороны потребителя. Этот подход нежизнеспособен.

Однако, если водород рассматривать в контексте автомобильных двигателей, местное производство или мелкомасштабная его транспортировка не исключаются. В настоящее время одним из самых популярных источников водорода является природный газ. В США 95% водорода производится из этого сырья. Производство водорода основано на паровой конверсии метана, при которой 4 моля H₂ получают из 1 моля CH₄ при обработке паром. Это означает, что конечный пользователь может использовать около 1,14 МДж / моль энергии из полученного таким образом водорода по сравнению с 0,89 МДж / моль из исходного метана. Однако в этом нет чистой выгоды, потому что для риформинга требуется энергия, необходимая для образования пара и протекания реакции, оцениваемой как:

ΔH⁰= 257,3 кДж / моль.

Полную реакцию можно описать следующим образом:

CH₄ + 2H₂O + ΔH⁰ → CO₂ + 4H₂

Существующий метод парового риформинга имеет низкую эффективность. Это обуславливает то, что по общим энергетическим затратам сжигание водорода напрямую будет менее эффективным, чем сжигание природного газа. Интересно, что количество CO₂, образующегося при паровом риформинге, точно такое же, как при непосредственном сжигании природного газа. Отсюда исходит, что использование метана напрямую имело бы большую выгоду с экономической точки зрения, и единственным основанием использования водорода являлась бы гарантия контролируемого производства, при котором был бы возможен сбор CO₂. Только таким образом можно избежать выброса побочных продуктов непосредственно в атмосферу.

Другой вариант получения H₂ - это электролиз, при котором молекулы воды расщепляются под действием электрического напряжения, приложенного к специальной ячейке. Основная критика этого способа связана с его низким КПД, соотношением подводимой энергии при производстве водорода к получаемой от его дальнейшего использования, которое составляет примерно 1,59.

Однако в этой области редко рассматривается процесс фотоэлектролиза, в котором производство водорода напрямую зависит от поглощения света, подобно тому, как фотоэлектрические элементы вырабатывают электричество. Оказывается, что основным фактором низкой эффективности электролитического подхода является сам электролиз, эффективность которого составляет 1,33 раза при использовании указанного выше энергетического соотношения.

Замена этого этапа полностью фотоэлектролитическим процессом позволит получить чистую энергию в отдельно управляемых производственных центрах, когда технология станет зрелой. Достижение высокой эффективности и низкой стоимости прямого производства водорода кажется разумным, когда одна из этих технологий созреет и будет готова заменить энергопотребление, основанное на ископаемом топливе. Работа над достижением этой цели может привести к созданию автомобилей на водородном топливе с по-настоящему нулевым уровнем выбросов.

Кроме этого, необходимо рассмотреть два способа питания автомобилей. Один из них, лидирующий в последние годы, - это использование водородных топливных элементов. Этот подход используется в таких автомобилях, как Hyundai Nexo, Toyota Mirai или Honda Clarity. Эти автомобили работают на электродвигателях, приводимых в действие за счет электрохимической реакции, протекающей в специально разработанных ячейках с использованием водорода и кислорода. Их недостатком является то, что топливные элементы относительно дороги, в основном из-за стоимости используемых в них протонообменных мембран.

Альтернативный подход - сжигание водорода в двигателе внутреннего сгорания, аналогичном существующим бензиновым или дизельным двигателям. Главное их преимущество в том, что в качестве побочного продукта не образуется углекислый газ. После сжигания водорода в кислородной среде должна оставаться только вода:

2H₂ + O₂ → 2H₂O

В реальности всё происходит сложнее, потому что воздух содержит и другие газы, в том числе азот. В результате чего образуются оксиды азота (NOₓ), являющимися основными парниковыми газами, загрязняющими атмосферу. Однако исследования показывают, что сжигание водорода в нестехиометрической смеси с воздухом может значительно снизить количество образующихся оксидов азота до менее 1 миллионной доли. Это может быть достигнуто путем изменения смеси воздух / водород, впрыскиваемой в камеру сгорания, или путем рециркуляции выхлопных газов. В настоящее время большой интерес представляют двигатели внутреннего сгорания, работающие на смесях водорода и метана, которые могут достичь той же цели при надлежащем соотношении H₂ и CH₄.

Заключение

Обещание, связанное с созданием экологически чистой водородной экономики, подвергается критике из-за заложенных в ее сути идей, и может оказаться неосуществимым. Однако некоторые отрасли все еще могут извлечь выгоду от использования водорода: автомобильный сектор мог бы сократить выбросы парниковых газов, постепенно увеличивая долю автомобилей на рынке, работающих на водороде, не допуская разорения традиционных секторов экономики.

С экономической точки зрения разумнее попробовать использовать вместо него природный газ. Однако преобразование его в водород может ускорить развитие технологии, которая может сопровождаться действительно нулевыми выбросами парниковых газов, когда такие производственные методы, как фотоэлектролиз или высокотемпературный электролиз, наберутся зрелости.

Последние технологические достижения показывают, что автомобили, работающие на водороде, становятся более безопасными. Водород может и не преобладать в экологически чистой энергетике будущего, но, безусловно, может внести свой вклад в улучшение состояния планеты, сохраняя при этом достигнутый уровень жизни.

Источник: Stanford University