Использование водородной энергии. Есть ли перспективы в будущем. Получение водорода электролизом воды

Источник: www.rbc.ru/opinions/technology_and_media/13/07/2016/5784e0879a7947ba3bfe0405

Владимир Туманов ,
Заведующий лабораторией «Накопители электрической энергии»

кафедры физической химии НИТУ «МИСиС»

Водород в отличие от солнечного излучения и ветра действительно может стать основным источником энергии, но это дело достаточно далекого будущего.

Уже более 150 лет ученые знают, что когда водород и кислород объединяются для образования воды, химическая реакция высвобождает энергию. Устройства, которые используют контролируемую комбинацию двух газов для генерации энергии в виде электрического тока, называются топливными элементами. Эта развивающаяся технология лежит в основе видения общенациональной «водородной экономики», в которой единственным выходом из транспортных средств на топливных элементах будет водяной пар, и Америка резко снизит зависимость от нефтяных топлив.

Для ускорения их развития и успешного внедрения на рынок были проведены важные государственные и частные исследования топливных элементов. Будет ли широко распространена сеть заправочных станций, будет зависеть от стоимости и от изменения потребительских предпочтений. Поскольку топливные элементы позволяют регулировать реакцию водорода и кислорода для производства электроэнергии, они часто воспринимаются как экологически чистые. Однако это описывает только выхлоп из транспортного средства, а не процессы, связанные с получением газообразного водорода.

О предстоящем завершении эпохи углеводородов в энергетике говорят почти все. Спор идет скорее о сроках. Например, на недавнем Петербургском экономическом форуме министр энергетики Александр Новак говорил, что нефть и газ останутся основными источниками энергии до 2040 года. А по мнению главы Сбербанка Германа Грефа, они перестанут быть основными источниками энергии раньше - на рубеже 2030 года.

Жидкие топлива, обычно полученные из собранного растительного материала, используются главным образом для транспортировки. Они отличаются от ископаемых видов топлива, которые получены из трансформированного органического материала, проживающего в земной коре в течение миллионов лет.

Из всех элементов, присутствующих во Вселенной, водород является наиболее распространенным. Водородный газ имеет замечательные характеристики, в том числе бесцветные, безвкусные и невидимые, которые делают его горячо преследуемым. Он также может быть преобразован в возобновляемый, непутевой и нулевой энергетический ресурс выбросов. Он считается краеугольным камнем новой энергетической экономики.

Нефть, газ, водород

По-моему, спор о том, какой источник энергии лучше, лишен смысла: природа создала их в большом количестве, и в зависимости от потенциала добычи и разработанных человечеством технологий тот или иной источник и будет основным.

Но на разных этапах развития технологического прогресса человечество не раз сталкивалось с необходимостью выбора в пользу новых источников энергии. Вместе с промышленной революцией на смену органике (проще говоря, дровам) пришел уголь, затем появились нефть и газ, разработки в области водородной энергетики. Сегодня, когда объемы потребления растут с каждым днем, все чаще возникают вопросы о будущем углеводородной энергетики. Идут споры об атомной энергетике, ведутся работы по управляемому термоядерному синтезу.

Сначала он идентифицировал его как отдельный элемент после того, как он разработал водородный газ, подвергая цинковый металл соляной кислоте. Генри Кавендиш сделал еще одно замечательное открытие во время демонстрации Лондонскому королевскому обществу, когда он представил искру водородного газа, производя воду в процессе. Это историческое развитие привело к его выводу, что вода состоит из водорода и кислорода. С тех пор водородная технология росла в немилостях и сегодня, и сегодня она используется как источник энергии для электромобилей, электрических систем и производства чистой воды.

Однако говорить о конце углеводородной эпохи в перспективе ближайших 20 лет невозможно. Более того, все ресурсы, которыми природа обеспечила человечество, будут активно потребляться, несмотря на возникновение и развитие новых альтернативных источников. Тех ископаемых, что на сегодняшний день доступны человечеству, хватит на долгое время. Разговоры о том, что через 50 лет на Земле закончится нефть, глупость: процесс ее выработки бесконечен. Запасы угля и вовсе не будут исчерпаны еще примерно 400 лет. Нефть и газ останутся основными источниками энергии к 2040 году.

Водород - самый простой и самый распространенный элемент во Вселенной. Хотя он существует почти везде - в воздухе, в космосе, в земле - он редко один. Он доступен в сочетании с другими элементами, такими как вода. Вода состоит из водорода и кислорода. Это означает, что он обычно сочетается с другим элементом, что делает необходимым извлечь и преобразовать его, чтобы сделать его полезным источником энергии. Водород также встречается во многих органических соединениях, например, в углеводородах, которые приводят к топливу типа бензина, пропана и метанола.

А вот в дальнейшей перспективе наиболее эффективным и экологически чистым источником энергии станет не солнечное излучение или ветер, о которых сейчас так много говорят, а первый элемент в таблице Менделеева - водород. Из 40 г водорода можно получить 1 кВт·ч​ энергии. Технически кислород и водород соединяются через топливный элемент, где через мембрану происходит преобразование их химической энергии в электричество. Продукт реакции - вода!

Получение атомного водорода

Самая большая проблема в использовании водорода - это собрать его в чистом виде. Химия водорода очень проста - один атом состоит только из протона и электрона. В газообразной форме его можно сжечь в качестве топлива. Он может храниться в силовых ячейках, которые генерируют взрывоопасную энергию и двигают ракеты и космические корабли. Он летучий и горючий, и очень, очень мощный.

Водород можно хранить в криогенном или сжатом воздухе в виде газа. Для размещения значительного количества водорода требуется много места для хранения. Это связано с тем, что молекулы находятся далеко друг от друга, и газ является легким, что делает его очень распространенным. Например, для того, чтобы содержать такое же количество водорода в цилиндре, как бензин, создается гораздо более тяжелый контейнер.

Вопрос цены

Еще в конце XIX века возник спор, как будет дальше развиваться транспорт, на топливных элементах или на бензиновых моторах. Несмотря на то что водородная энергетика давала бóльший КПД, моторы победили из-за большей технологической готовности и наличия дешевого в сравнении с водородом моторного топлива из нефти. Вторая попытка внедрения топливных водородных элементов состоялась в конце ХХ века. Практически все ведущие мировые автогиганты разработали водородные модели экотранспорта. Однако до настоящего времени проблема получения дешевого водорода так и не решена. Резкое падение стоимости нефти также отодвигает время внедрения водородных технологий на транспорте и в стационарной энергетике.

Как водородная энергия превращается в электричество?

Водородный газ является дорогостоящим и сложным топливом, потому что он должен быть отделен от любого элемента, к которому он присоединен. Для производства газообразного водорода часто требуется много энергии, что делает его дорогостоящим источником энергии. Существует несколько способов отделения водорода от его сопутствующих элементов.

Прежде чем мы рассмотрим, как водород превращается в электричество, было бы полезно знать, как производится водород. Водород получают с использованием двух основных методов; паровой риформинг и электролиз. Этот метод производит водород из углеводородных топлив, таких как метан, нефть, возобновляемые жидкие топлива, газифицированная биомасса, газифицированный уголь и природный газ. В этом процессе получения водорода используется устройство обработки, называемое риформинг-установкой. Реформатор реагирует с углеводородным топливом при экстремально высоких температурах с образованием водорода.

Основным источником водорода в природе является вода. Воды в океанах огромное количество. Последние исследования показали, что объем структурных подземных вод на глубине порядка 480 км в разы больше, чем во всех океанах вместе взятых.

Получать водород обычным электролизом дорого: процесс требует большого количества энергии. Но есть Солнце - для нашей цивилизации это бесконечный источник световой энергии. Разлагать воду на водород и кислород наиболее эффективно путем фотолиза - процесс идет непосредственно в специальных ячейках под воздействии солнечного излучения.

Сегодня более 90% газообразного водорода производится с использованием техники парового риформинга. Электролиз - это метод, который использует постоянный ток для инициирования химической реакции. При производстве водорода электролиз разлагает воду и разделяет ее на основные элементы, которые представляют собой водород и кислород с использованием электрического тока. Электричество, используемое в процессе электролиза, может быть получено из нефти, природного газа и угля или углеводородов.

Преобразование водорода в электричество. Наиболее эффективным способом превращения водорода в кислород является использование топливного элемента. Топливный элемент преобразует химическую энергию в электрическую. Топливный элемент позволяет смешивать водород и кислород в электрохимической реакции. Результатом является производство электроэнергии, воды и тепла. Топливные элементы имитируют батареи, поскольку оба они преобразуют энергию, генерируемую электрохимической реакцией, в полезную электроэнергию.

Такие ячейки были созданы в конце прошлого века в Физико-техническом институте им. Иоффе и Институте катализа СО РАН. К сожалению, эти разработки остались на уровне лабораторных образцов и диссертаций. Были попытки возобновить работы по программе водородной энергетики «Норильский никель - РАН», но в 2008 году эта программа была закрыта.

Тем не менее, топливный элемент будет генерировать электроэнергию, пока имеется топливо, в основном водород. Топливные элементы представляют собой потенциальную технологию для использования источника электричества и тепла для зданий. Это также многообещающий источник энергии для электрических и гибридных автомобилей. Топливные элементы лучше всего работают на чистом водороде. Однако другие виды топлива, такие как бензин, метанол или природный газ, могут быть подвергнуты реформированию для получения необходимого водорода.

Получение водорода электролизом воды

С технологией, движущейся быстро, водород может прийти наравне с электричеством как жизненно важный носитель энергии. Энергоноситель передает энергию клиенту в готовой к использованию форме. Некоторые из таких, как ветер и солнце, не могут генерировать энергию круглосуточно, но способны производить водород и электроэнергию и сохраняются для последующего использования.

Практическая реализация таких устройств станет возможной при обеспечении КПД фотолиза хотя бы до уровня 10–15%. Пока рекорд - 11%. Это произведет революцию в области энергетики, отодвинув на задний план ветрогенераторы, наносящие непоправимый урон биосфере, и солнечные батареи, которые очень сложно утилизировать.

Для того чтобы водород стал превалирующим источником энергии, необходимо решить проблемы его производства и хранения. По оценке американских экспертов, если стоимость производства водорода составит не более $5 за килограмм, от другого топлива можно будет отказаться.

Трудно встретить источник топлива, который подобает названию нетоксичным. Водород является нетоксичной формой топлива, поскольку он не выделяется. Некоторые источники топлива, такие как бензин, уголь, нефть и ядерная энергия, являются токсичными и встречаются в районах с опасной окружающей средой. Фактически, когда водород сжигается, единственным побочным продуктом является водяной пар, который не токсичен. Поскольку водород является дружественным, его можно использовать в местах, где другие виды топлива не могут работать.

Это возобновляемый источник энергии. . Водород изобилует практически повсеместно, и это означает, что это бесконечный источник энергии. Другие источники топлива, такие как нефть, природный газ и уголь, считаются невозобновляемыми, а это означает, что в какой-то момент они будут истощены. Водород является одним из источников энергии, которые могут генерироваться по требованию.

В таком случае будет решена и проблема создания топливных элементов для автомобильной промышленности. Сейчас у электромобилей хорошие перспективы на рынке, особенно в тех странах, где государство стимулирует разработки в данном направлении. В России ситуация иная. Здесь оптимальным мог бы стать гибридный автомобиль с электрическим приводом, работающий на газовом топливе или бензине. Ведь именно в России функционирует самая развитая система газозаправки в мире: 65% потенциальных потребителей имеют доступ и к бензину, и к газу.

Методы, используемые для получения водорода, дают мощный и эффективный источник энергии. Сила и эффективность водорода - причины, по которым он используется на ракетах и ​​космических кораблях. Он также предпочитается в космических кораблях, потому что он не производит. Согласно статистике, водород в 3 раза эффективнее, чем бензин и другие источники топлива на ископаемом топливе, что означает, что он имеет возможность достичь большего с меньшими затратами.

Есть ли перспективы в будущем

Имеет жизненно важное применение в нефтегазовой отрасли. . Водород используется для переработки сырой нефти в рафинированное топливо, такое как дизельное топливо и бензин. Водород также используется для удаления загрязняющих веществ, таких как сера из этих видов топлива. Другие отрасли промышленности также используют водородное топливо, например, химическое производство, пищевую промышленность, переработку металлов и производство электроники.

Экономные гибриды

Не менее важной, чем поиск новых источников энергии, является задача ее экономии. Отсюда одно из направлений работы нашего университета МИСИС - повышение энергоэффективности. Одной из таких разработок являются суперконденсаторы, для которых у нас разрабатываются перспективные электродные и электролитные материалы.

Водородная энергетика еще не изучена полностью, поэтому инфраструктура хранения и поддержки не была развита чрезвычайно. Молекулы водорода являются мельчайшими, что делает водород более восприимчивым к утечке. Это означает, что он должен храниться при высоком давлении, чтобы обеспечить ему достаточную плотность энергии. В своей естественной форме водород является летучим и легко воспламеняется, что значительно затрудняет его транспортировку.

Несмотря на то, что водород легко доступен, процесс экстракции, такой как электролиз, является чрезвычайно дорогостоящим. Основная причина этого заключается в том, что сложно отделить ее основные элементы, такие как водород и кислород. Несмотря на то, что водородные топливные элементы все чаще используются, это не совсем доступно для всех. Ученые работают над поиском технологий, которые могли бы облегчить использование водорода, но до этого цена будет по-прежнему оставаться высокой.

Суперконденсаторы наиболее полезны в гибридном транспорте - колесном и рельсовом. Принцип его работы заключается в накоплении энергии, выработанной при торможении, которая затем расходуется на разгоне, что дает экономию порядка 30%. КПД суперконденсаторов сопоставим с КПД электрического мотора, то есть порядка 95–98%.

В ближайшем будущем мы надеемся, что эти разработки появятся в городских экобусах, составах метрополитена и в других областях техники. Кроме того, разработанные нами элементы позволят обеспечить бесперебойное движение поездов в метро. В ситуациях, когда происходит аварийное отключение электричества, накопленная энергия позволит составу проследовать несколько километров до станции за счет накопленной энергии.

Из истории водорода в энергетике

Это факт, что водород является возобновляемым ресурсом и не влияет на окружающую среду. Однако разделение компонентов водорода в процессе производства по-прежнему зависит от ископаемого топлива, такого как нефть, уголь и природный газ. в значительной мере способствуют выбросу парниковых газов.

Он летучий и легковоспламеняющийся. . Волатильность и легковоспламеняющийся атрибут водорода затрудняют транспортировку конечного потребителя. Уникальная характеристика, которая затрудняет ее хранение, также затрудняет транспортировку. Водород преимущественно транспортируется на рынок по трубопроводам или танкерам. Автоцистерны доставляют водород на рынок в сжиженном или сжатом состоянии. Этот процесс приводит к утечке водорода.

Переход на стадию производства подобных систем должен произойти в ближайшие два года.

Водород представляет для энергетики большой интерес и теоретически имеет большие перспективы. Сторонники водородной энергетики считают, что с помощью него можно решить все энергетические проблемы и полностью изменить нынешний мир. Водородная энергетика является альтернативной энергетикой. Водород может получаться из возобновляемых ресурсов и является полностью экологически чистым топливом. Продуктом его сгорания является вода без каких-либо дополнительных вредных примесей. Водород это самый распространенный элемент во Вселенной - на его долю приходится 88,6% всех атомов. Не меньше его и на Земле, водород является основной химической составляющей самого распространенного вещества на Земле - воды. То есть, практически, запасы водорода неисчерпаемы. Из всех известных видов топлива у водорода самая большая теплотворная способность. Теплотворная способность или удельная теплота сгорания топлива - это физическая величина, показывающая, какое количество теплоты выделяется при полном сгорании топлива массой 1 кг или объемом 1 кубический метр. В этом отношении водороду нет равных. Удельная теплота сгорания водорода равняется 141 МДж/кг. Из распространенных видов топлива на втором месте стоит метан - 50,1 МДж/кг, что почти в три раза меньше. Удельная теплота сгорания бензина - 44 МДж/кг, каменного угля - 22 МДж/кг. Водороду также нет равных в транспортировке. Транспортировка водорода по трубам при протяженности линии свыше 500-600 км, дешевле передачи электроэнергии по проводам (ЛЭП) в 10 раз.

Из истории водорода в энергетике

Попытки использовать водород предпринимались давно. В 1820 году в Кембриджском Философском обществе обсуждался доклад об использовании водорода для движущихся машин. В 1927 году фирма «Цеппелин» выпустила двигатель, работавший на водородном топливе. Большой интерес к использованию водорода в энергетике пробудил известный физик Лоуренс У. Джонс, выступивший в 1970 году с техническим докладом в Мичиганском университете. Он предложил широко использовать водород в качестве экологически чистой замены углеводородному топливу. В 1972 году в США, в межуниверситетском конкурсе на лучшую конструкцию городского автомобиля, первое место занял автомобиль на водороде. В Советском Союзе также велись исследования в этом направлении. В 1968 году в Институте теоретической и прикладной механики Сибирского отделения Академии наук СССР проводились испытания двигателей ГАЗ-652 на водородном топливе. В Харькове в 1980 году даже появилось такси, работавшее на смеси водорода с бензином. Особенностью двигателя, разработанного харьковскими учеными, было применение гидрида, позволяющее вмещать большее количество водорода в меньшем объеме, и делающее применение водорода совершенно безопасным. Для получения электроэнергии, водород большей частью применяется в топливных элементах, использующих принцип электрохимической реакции. В конце 2006 года во всем мире эксплуатировалось около 5000 малых стационарных водородных электростанций. В 2010 году в Италии, недалеко от Венеции, открылась водородная электростанция мощностью 16 МВт. Компания FuelCell Energy (США) создала водородную энергоустановку мощностью 40 МВт.

Проблемы водорода в энергетике


Несмотря на преимущества водорода и все попытки его использования, нельзя сказать, что водород достиг широкого применения. Водородный транспорт не может составить конкуренцию обычным электромобилям, так как его использование обходится дороже в несколько раз, и водородная инфраструктура пока еще развита слабо. Существует несколько промышленных способов получения водорода. Самым распространенным из них является паровая конверсия природного газа. При этом происходит выделение углекислого газа, поэтому проблема загрязнения воздуха не решается до конца. Что же касается получения водорода методом электролиза из воды, то стоимость его получения выше в три раза, чем при паровой конверсии, а объем электроэнергии из полученного водорода будет не намного больше затраченной на его получение. Также водород получают из биомассы. Возможно, это самый перспективный путь для водородной энергетики, но пока водород, полученный таким путем, остается еще дорогим. Что же касается взрывоопасности водорода, то эта проблема в современной технике была решена. Остается маловероятная, но, тем не менее, возможная проблема утечки водорода. Ее сложно заметить, так как водород не имеет запаха и горит бесцветным пламенем. Таким образом, требуются специальные газовые индикаторы в местах нахождения водородного топлива. Несмотря на серьезный недостаток водорода, а именно его дорогое получение, во многих странах ведутся серьезные, крупно финансируемые программы по развитию водородной энергетики. Применение водорода, медленно, но верно, продолжает свое развитие.