Эра "водородной энергетики": как получают и используют газ сегодня. Перспективы промышленности, построенной на водороде
Водород – самый популярный химический элемент во Вселенной, но мало распространенный на Земле. Этот бесцветный, безвкусный, нетоксичный и без запаха, газ стоит в начале таблицы Менделеева за счет своей легкой атомной массы.
Его название можно перевести, как «рождающий воду». Ведь сочетание двухатомного H с кислородом и есть вода. Рассмотрим способы получения и сферу применения водорода, а также перспективы водородной энергетики.
Как получают водород?
Газы весьма востребованы в промышленности, поэтому ученые стремятся найти или усовершенствовать наиболее экономичные и простые способы получения востребованных элементов с высокой чистотой. Так, водород в чистом виде составляет порядка 1% от общей массы газов в земной коре, но незаменим в ряде технологических процессов разных промышленных секторов.
На сегодняшний день есть 3 основных метода синтеза чистого H:
-
Двухступенчатое выделение из кислот – старый лабораторный способ, характеризующийся сложностью исполнения. На первом этапе используют химическую реакцию взаимодействия кислот с металлами (например, серная кислота + цинк). Вторым шагом является очистка выделенного газа от примесей и доведение до требуемой чистоты. В интернет-магазине S-GAS.COM доступен к заказу водород в баллонах марок 4.0 (99,99%), 5.0 (99,999%), 6.0 (99,9999%) и 7.0 (99,99999%).
-
Паровая конверсия метана или природного газа – эффективный, масштабируемый, но трудоемкий процесс. Требует наличия специального громоздкого оборудования и строгого контроля цепочки реакций. 99,9% концентрация достигается путем пропускания газа через угольные фильтры.
-
Электролиз – энергозатратная, но экологичная и простая методика. В ходе разложения воды получают сразу два ценных для промышленности газа – водород и кислород. Однако, из-за дорогого ценника на электроэнергию, электролиз целесообразно использовать лишь в странах, где стоимость киловатта «не кусается».
Редкие производства могут использовать газификацию угля – еще один метод получения Hydrogen, доступный и экономически выгодный за счет дешевизны исходных материалов. Но во время газификации происходит колоссальный выброс углекислого газа, что негативно сказывается на экологии региона и планеты в целом.
Есть и совсем экзотические разработки. Например, утилизация мусора или разложение органики/неорганики по особым технологиям. Беда лишь в том, что такие полезные для человечества проекты пока запущены в тестовом режиме или существуют лишь в частных лабораториях.
Каким производствам нужен водород?
С одним из продуктов на базе водорода каждый знаком с детства. Перекись водорода – отличный доступный антисептик для ран. Это же вещество используется для отбеливания. В газообразном состоянии Hydrogen включают в состав технических и поверочных газовых смесей. Их используют для изготовления, поверки и калибровки электронного, аналитического и газоаналитического оборудования.
Зеленые водородные баллоны с красной надписью и соответствующими маркировками можно встретить в:
-
Химической отрасли (синтез углеводородов, хлороводорода, метанола, полимеров, аммиака и др.);
-
Нефтепереработке, газовых и горно-обогатительных предприятиях;
-
Машиностроении и металлургии (сварка, резка, пайка, восстановление металлов);
-
Пищепроме (получение твердых жиров, пищевых белков и пр.) и аграрных комплексов (изготовление органических веществ и азотных удобрений);
-
Энергетическом производстве (получение экологически чистого и ядерного топлива, охлаждение турбогенераторов электростанций и теплоцентралей) и пр.
Еще одной областью применения водорода является электротехническая и полупроводниковая промышленность. Он используется, как компонент защитных газовых смесей при изготовлении микросхем и полупроводников. Исключительно из водорода также получают многие полимерные соединения с пластическими свойствами.
Преимущества и особенности применения
У Hydrogen есть один специфический признак – в определенной концентрации он взрывается при контакте с кислородом. Поэтому, несмотря на все очевидные преимущества внедрения водорода в производственные процессы разных сфер, водородное оборудование в буквальном смысле «бомба». Кстати, из-за этого качества в середине прошлого века перестали производить дирижабли, наполненные взрывоопасным газом.
А достоинств у первого элемента менделеевской таблицы немало:
-
Высокая теплопроводность;
-
Отличная химическая активность;
-
Малый удельный вес;
-
Универсальность использования;
-
Образование большого количества тепла при горении.
Главным требованием безопасной эксплуатации водородных баллонов и агрегатов является абсолютная герметичность емкостей. Это защищает и от возможного взрыва, и от удушья при превышении ПДК в рабочей зоне.
Наступит ли эра «водородной энергетики»?
Энергетическая эффективность водорода превосходит традиционные виды топлива в 3-4 раза. Уже сейчас его используют для аккумулирования электроэнергии с помощью электролиза, получая высокий КПД. Плюс, побочным продуктом взаимодействия H и O является обычная вода, которая не загрязняет окружающую среду.
Поэтому, ученые всего мира несколько десятилетий бьются над вопросом замены топливных соединений, загрязняющих атмосферу, экологически чистым гидрогениумом. Но есть ряд проблем на пути к водородной энергетике:
-
H – газ, который легче воздуха примерно в 15 раз, то есть очень летучий. Сложно создать устройства с подвижными механизмами и полностью исключить возможность утечки столь легкого вещества. Конечно, автомобили с водородным топливным элементом уже существуют, но поставить их производство на поток пока экономически невыгодно.
-
Необходимость привлечения дорогого оборудования на всех стадиях производства водородного топлива. От, непосредственно, синтеза чистого газа в промышленных масштабах, до изготовления комплектующих в энергоустановки будущего, требуется если не изобрести, то наладить методики, мощности и вспомогательный инвентарь.
-
Невозможность одномоментной замены всех энергетических секторов планеты на водород. Остановка, модернизация и перенастройка производств – дорогое удовольствие, на которое вряд ли согласятся даже передовые государства, не говоря уже о странах третьего мира.
-
Перевод электричества в водород приносит довольно высокий КПД, но обратный процесс снижает энергоэффективность за счет двойной конверсии. Поэтому водородные аккумуляторы для накопления электрической энергии по сей день на стадии разработки. К тому же, есть сомнения – нужно ли накопление электричества в агрегатах, не оснащенных интеллектуальной системой управления.
Таким образом, получается, что желанная экологическая чистота транспортных и промышленных выбросов в атмосферу, возможная при переходе на водородную базу, вряд ли достижима в ближайшие полвека. Однако, поиск рентабельных и доступных способов получения, хранения, транспортировки и применения водорода не прекращается.