Из чего получают водородное топливо

Топливо из воды: какой транспорт в Европе уже ездит на водороде

На автомобили приходится 72% «транспортных» выбросов парникового газа СО2 в Европе; самолеты «ответственны» за 14%. А вот если заправить автомобиль или самолет водородом, то они будут ехать и лететь вообще не выбрасывая в атмосферу СО2. А значит – спасать планету от глобального потепления, которое уже стало приводить к природным катаклизмам. Поэтому в Европе и начали переводить транспорт на водородное топливо.

Как делают экологичное водородное топливо

Это топливо получают из воды. С помощью электричества ее расщепляют на основные элементы – водород и кислород. Если использовать для производства водорода альтернативную энергию (например, из солнца или ветра), то водород становится «зеленым» от и до: не только его использование, но и само производство не выбросит в атмосферу ни единого кубического миллиметра СО2. Водород внутри транспортного средства превращается в электричество, которое и служит собственно топливом (как у электрокаров). А при сжигании водорода в атмосферу попадает только водяной пар. В отличие от электроэнергии, водород можно хранить и использовать по мере необходимости. А кроме того, его производство не зависит от погодных условий, как энергия ветра или солнца.

Автомобили на водороде

В Европе уже ездит несколько сотен автомобилей на водороде. Их уже могло бы быть гораздо больше, но для них нужна инфраструктура – то есть заправочные водородные станции. Пока что их не хватает за немногими исключениями: например, Дания стала первой страной в мире с общенациональной сетью водородных заправок. Поэтому в Евросоюзе в 2017 году запустили проект H2ME, который стал строить по всей Европе водородные станции. Заправить бак там можно за 3-5 минут, а затем проехать на этом топливе 400-600 километров. Пока таких заправок всего 50 в нескольких странах, но это только начало. Поэтому к 2027 году по Европе будут ездить уже сотни тысяч водородных автомобилей. А по прогнозам ReThink Energy, к 2040 году в Европе появится 17 миллионов автомобилей на водородных топливных элементах. Начиная с 2035 года в странах Евросоюза больше нельзя будет купить автомобиль на бензине или дизеле – том топливе, которое выбрасывает в атмосферу парниковые газы. А к 2050 году в Европе вообще не останется «грязных» автомобилей. В первую очередь это будут электромобили, но и водородных будет достаточно. И не только автомобилей, но и легкого транспорта. Так, во Франции изобрели скутер, работающий на водороде. Чтобы его заправить, нужно просто заменить разряженный картридж на заряженный и не зависеть от заправочной станции.

А еще французская компания Hopium разработала спортивный автомобиль на водородном топливе. Если все пойдет по плану, он сможет победить Tesla в гонке по снижению парниковых выбросов CO2. Французские спорткары выпустят в продажу в 2025 году, а пока что компания принимает предзаказы на первые 1000 автомобилей.

Поезда на водороде

С 2018 года в Германии можно сесть на первый в мире водородный поезд Coradia iLint. Он развивает скорость до 140 километров в час и может преодолеть почти тысячу километров без дозаправки – примерно столько же, сколько поезда на дизеле. Пока что по Германии курсируют два водородных поезда. Разработчик этих поездов, французская компания Alstom, поначалу собиралась построить еще 14. Но поезда на водороде оказались настолько востребованными, что в 2020 году немецкие железнодорожные компании заказали уже 41 водородный поезд. В Португалии тоже есть поезд на водороде, всего один, зато какой: винтажный Vouginha, на котором летом можно прокатиться в Порту. Этот исторический поезд ходит по последней оставшейся в Португалии узкоколейной железной дороге, а его вагоны сохранились с 1908 года.

Общественный транспорт на водороде

В европейских городах на маршруты начинает выходить водородный общественный транспорт – хотя и только в пилотном режиме. Например, в Эстонии появились беспилотные микроавтобусы на водородном топливе, а по Риге ездят 10 троллейбусов, которые используют водород на случай отключения электричества или поломки. Такой троллейбус курсирует без дозаправки весь день, только к вечеру заезжая на пока что единственную в Риге заправочную станцию (на ней заправляются и частные авто). Есть в Риге и водородный автобус – пока он ходит по одному маршруту в тестовом режиме: нужно оценить, сколько топлива ему понадобится зимой, когда потребуется отапливать салон. Через два года в Риге уже 12 автобусов будут ездить на водороде. А в Копенгагене появились «водородные» такси. Таксопарк, правда, пока что небольшой — всего на 20 автомобилей. Коммунальная техника тоже начала переходить на водород. Например, во Фрайбурге (Германия) появились два водородных мусоровоза.

Самолеты на водороде

Это пока дело будущего, но уже сейчас идут активные разработки водородных самолетов. Например, во Франции европейская компания Airbus создала три прототипа коммерческого самолета на водороде. Конструкция одного из них позволяет безопасно хранить водородное топливо, поэтому такой самолет сможет поднять в воздух до 200 человек для перелета на 3,7 тысячи километров — в отличие от двух других моделей, рассчитанных на 100 пассажиров при той же дальности маршрута. Конструкторы того же Airbus разработали съемный водородный двигатель для самолетов, который позволит не зависеть от наземной инфраструктуры. Водородное топливо в него не закачивается, а устанавливается в переносных капсулах. Поэтому самолеты с такими двигателями смогут заправляться в аэропортах без устройств для подачи водородного топлива. В прошлом году Евросоюз объявил новую инициативу RefuelEU: поиск решений для экологически чистой авиации. Теперь перед Евросоюзом стоит задача перевести до 1-2% европейских самолетов на «зеленое» топливо, в том числе на водород.

А хватит ли водорода для транспорта?

К 2030 году Евросоюз собирается ежегодно производить 40 гигаватт водородной энергии, а к 2050 году водород будет обеспечивать четверть всей потребности в энергии. Этого водорода хватит, например, чтобы обеспечить экологичным топливом 42 миллиона автомобилей, 1,7 миллиона грузовиков, около 500 тысяч автобусов и более 5,5 тысяч поездов. Это часть «Водородной стратегии для климатически нейтральной Европы»: там Евросоюз определил водород в качестве одной из шести ключевых стратегических областей, где необходимы серьезные инвестиции.

Где в Европе производят водород?

Пять стран Евросоюза делают серьезную ставку на производство водородной энергии: это Германия, Италия, Португалия, Испания и Франция. Например, Германия к 2030 году собирается делать восьмую часть всего водорода в Евросоюзе. В Германии же через два года появится крупнейший в мире хаб для хранения «зеленого» водородного топлива. А Испания хочет сделать водород главным источником энергии к 2050 году – и это позволит стране на 100% сократить выбросы углекислого газа. Через 9 лет Испания собирается производить 10% от общего объема в ЕС. И прежде всего водород в Испании собираются использовать как транспортное топливо. В 2030 году в стране на водороде будут ездить 5 тысяч частных автомобилей, 150 автобусов и поезда на двух железнодорожных маршрутах. Причем не меньше 25% этого экологичного топлива должно приходиться на «зеленый» водород – выработанный без использования углеродных источников вроде нефти. Исключительно «зеленый» водород будут делать на Майорке: этот испанский остров станет первым центром водородной энергетики в Средиземном море. Там будут тестировать инновационные подходы к производству «зеленого» водорода, и найденные решения потом можно будет применить и на других средиземноморских островах. Чем больше водород будет заменять собой неэкологичное топливо, тем ближе Евросоюз окажется к своей цели сделать свою территорию климатически нейтральной. Россия тоже решила не отставать от глобального тренда. Летом прошлого года Минэнерго разработало дорожную карту «Развитие водородной энергетики в России»: в частности, в 2024 году Газпром и Росатом начнут производить «зеленый» водород.

Переход на водород

Технологические решения для широкого использования самого эффективного топлива уже существуют

Водород — это самое энергоемкое и легкое вещество из всех видов топлива. Его производство не относится к инновациям — он производился миллионами тонн еще в советские времена, когда его использовали для производства аммиака для получения азотных удобрений.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Экспериментальная установка Wendelstein 7-X для исследования управляемого термоядерного синтеза. Грайфсвальд (Германия)

Фото: Getty Images

Водород и сегодня используют для производства удобрений, повышения качества бензина, улучшения свойств стали, а также в пищевой промышленности для производства маргарина и твердых кондитерских жиров методом гидрогенизации растительных масел. Без него не обходятся все процессы гидроочистки, гидрообессеривания, гидрокрекинга, регенерации катализаторов. Его также широко применяют для охлаждения генераторов на электростанциях.

С тех пор как появилась перспектива перехода на водородную энергетику с углеводородной, потребность в водороде увеличилась на порядки. Сегодня эта перспектива стала реальностью, поскольку примерно десять лет назад была решена одна из основных проблем с его хранением для дальнейшего использования в качестве автомобильного топлива. Вместо тяжелых, дорогих и небезопасных стальных баллонов для сжатого под высоким давлением водорода стали применять легкие композитные емкости из углепластика, которые прекрасно помещаются в легковых автомобилях. Кроме того, стало возможным получать водород прямо по месту употребления. Появление таких технологий зажгло для водородной энергетики зеленый свет.

Около 20 лет назад во всем мире начали появляться автомобили на водороде, и бывшие выставочные центры пилотных моделей превратились в салоны-магазины серийных образцов. Количество автомобилей на водородном топливе сегодня исчисляется тысячами. Их стоимость составляет около $50–60 тыс. Серийные автомобили на водороде есть у Toyota, Hyundai, Honda. Предсерийные образцы тестируют Audi, Mercedes, BMW, Mazda, Ford и ряд других производителей. Все технические препятствия, столько десятилетий казавшиеся непреодолимыми, пройдены за считаные годы, и теперь вопрос только в экономической целесообразности для массового потребителя. В России такой автомобиль приобрел себе житель Красноярска, но в связи с отсутствием заправок в своем городе перевез машину в Москву и получает топливо в одном из научных институтов.

Как получить водород?

Для развития водородной энергетики нужно будет на государственном уровне решить вопрос, в каком виде доставлять водород к месту его получения. Дело в том, что водород содержится в очень многих видах ископаемых топлив.

«Наиболее дешевый водород получается методом паровой конверсии метана,— рассказывает заведующий отделом гетерогенного катализа Института катализа СО РАН Павел Снытников.— Другой способ — из аммиака. Для его транспортировки, как и для природного газа, в нашей стране даже существует трубопровод, так как аммиак сжижается всего при давлении 8,5 атмосферы. Третье решение — перевозка будущего водорода в виде метанола. В Китае метанол используют как автомобильное топливо. Но в России против метанола почему-то предубеждение, по-видимому, в связи с тем, что с давних пор у нас простой народ пил все, что горело, в том числе и метанол, и люди лишались зрения».

А вот получать его лучше всего там же, где будут потреблять, чтобы уйти от проблем транспортировки чистого водорода. Чтобы использовать водород, например, как автомобильное топливо, нужно закачать его в баллоны под давлением 700 атмосфер. Правда, на сжатие нужна дополнительная энергия. Не меньше энергии требуется на сжижение водорода, так что один из подходящих способов его транспортировки — это перевозка в химически связанном состоянии, например в виде метана, из которого водород должен производиться там же, где будет использоваться. То есть до заправки везут метан, а уже на самой заправке устанавливается небольшое производство, например, конвертер метана в водород. Но этот способ не очень хорош для экологии, поскольку на небольших производствах сложно обеспечить качественную очистку выбросов. Зато экономически он себя вполне оправдывает. Опыт Японии, Кореи и ряда других стран показал, что километр пробега на водороде выходит не дороже бензина. 4 кг водорода, закачанного в баллон, хватает примерно на 800 км пути обычного седана.

Получать водород можно практически из любого углеводородного топлива: из бензина, дизельного топлива или пропан-бутановых смесей. В Институте катализа им. Г. К. Борескова СО РАН ведется работа по гранту РНФ по тематике получения водорода из дизельного топлива. Также разрабатываются методы получения водорода даже из органических носителей, например из бор-гидридов. Главные задачи на будущее развитие водородной энергетики — это не только получение водорода, но и его хранение. Жидкий водород можно хранить только при низких температурах, поэтому его использовали только в критически важных областях, например, как ракетное топливо.

Если отвлечься от автомобилей и обратить внимание на энергообеспечение более крупных стационарных объектов, например жилых или промышленных комплексов, то вся идеология водородной энергетики строится на ее связке с другими источниками энергии. Например, с возобновляемыми — гидро-, ветряными, солнечными электростанциями или с крупными атомными электростанциями. Производство такой энергии идет в одном режиме, а тратится потребителями она в другом, поэтому, когда есть излишки энергии, ее можно тратить на получение водорода даже из обычной воды методом электролиза.

Голубая мечта о зеленом водороде

Электролиз — это способ получения водорода из воды, который, к сожалению, требует больших энергозатрат, поэтому он оправдан только в тех случаях, когда вырабатываемую энергию необходимо запасти, пусть даже и с невысоким КПД. Лучше всего использовать для этого источники, где постоянно возникают достаточно большие излишки энергии. Емкости аккумуляторов для ее сохранения не хватает, кроме того, аккумуляторы быстро разряжаются, а полученный методом электролиза водород — это гарантированный запас энергии, можно сказать, воплощение мечты о чистой энергии, так называемом зеленом водороде. К сожалению, пока всего 2% общего объема водорода в мире производится методом электролиза. 75% водорода получают из природного газа и 25% — сжиганием угля. Цены топлива, полученного по этим технологиям, также несопоставимы: $1,7 за 1 кг водорода из природного газа и $5–10 за водород, полученный электролизом. Впрочем, стоимость зависит от источника энергии. Например, от энергии АЭС зеленый водород вдвое дешевле ($3–5), чем от возобновляемых источников энергии.

Основные организации в России, заинтересованные в получении водорода — это компании «Росатом» и «Газпром». Атомные электростанции нуждаются в сохранении избытка энергии в виде водорода и дальнейшего его использования. А добывающая компания хочет перерабатывать природный газ в водород, имея соответствующие установки непосредственно в местах использования, например на автомобильных заправках. Для решения проблемы транспортировки водорода можно переводить его в спирты — метанол, диметиловый эфир, чтобы получать из них водород, что называется, «по требованию» для дальнейшего использования на энергоустановках. Это химия получения водородсодержащих компонентов, и она достаточно хорошо освоена.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Как перестать сжигать топливо

Вообще, заявления о том, что водород — это экологически чистое топливо, не совсем справедливы. Из школьного курса химии мы помним, что после сжигания водорода получается вода. Но горит-то он в воздухе, где высокое содержание азота, и в результате реакции кислорода и азота при высоких температурах мы получаем те же токсичные оксиды азота, что и при сжигании бензина, только в меньшем объеме. Собственно, водород здесь ни при чем: любое высокотемпературное горение вызывает в воздухе реакцию взаимодействия кислорода и азота с образованием оксидов. По этой причине получать электричество с помощью сжигания любого топлива — это не самый экологичный способ. А тем более углеводородного, которое сгорает с выделением выбросов углекислого газа в атмосферу. Чтобы решить проблемы с выбросами в атмосферу, нужно прекратить сжигать топливо и снизить градус его потребления до комнатной температуры. В этом могут помочь топливные элементы.

Применение водорода в топливных элементах является самым экологичным. Разные топливные элементы используют водород при разных температурах и могут быть более или менее привередливы к его чистоте. Низкотемпературные топливные элементы работают на чистом водороде, а высокотемпературные вполне удовлетворяются синтез-газом. Топливный элемент — это электрохимическое устройство, которое преобразует химическую энергию водорода в электрическую (процесс, обратный электролизу) с достаточно высоким КПД. Институт катализа СО РАН сотрудничает с российскими производителями топливных элементов — ГК «ИнЭнерджи» и Институтом проблем химической физики РАН, где были разработаны и созданы сверхлегкие топливные элементы для беспилотных летательных аппаратов. В настоящее время там ведутся разработки более крупных топливных элементов для автомобильных передвижных платформ. Рынок топливных элементов еще только формируется, поскольку область их применения постоянно растет. Появляются новые возможности в разработке — осваивается новый экономический сектор. Вопросы могут быть самые разные — например, обеспечение дальних трасс или камер видеонаблюдения источниками связи или возможность установки автономных вышек сотовой связи. Источники водородной энергии всегда работают как тандем «топливный элемент на водороде плюс аккумулятор». Аккумулятор способен сглаживать пиковые нагрузки, а топливный элемент обеспечивает длительную выработку электроэнергии.

Сегодня в мире на топливных элементах работают тысячи небольших энергоустановок. В США, Японии и некоторых странах Европы они уже около 30 лет снабжают водородной энергией небольшие частные поселки, большие и удаленные от города супермаркеты или промышленные объекты. В отличие от дизель-генераторов это намного более бесшумные системы, так что их широко используют как запасные источники энергии в случае сбоев в работе основного источника энергообеспечения.

Сколько стоит чистый воздух

В качестве грантового финансирования на развитие индустрии водородной энергетики некоторые страны ЕС ежегодно выделяют сотни миллионов евро, США — сотни миллионов долларов. Совокупные вложения Европы и США в эту отрасль исчисляются миллиардами. Сейчас многие компании во всем мире делают попытки использовать источники энергии на топливных элементах в самых разных областях. В ближайшие десятилетия может измениться сама концепция человеческого энергопотребления.

В России развитие топливных элементов исторически связано с космическими программами в середине ХХ века. Щелочные топливные элементы использовались во многих космических проектах, где требовались автономные энергоустановки.

В 2020 году правительство России утвердило энергетическую стратегию Российской Федерации на период до 2035 года и ключевые меры развития водородной энергетики. В этом же году был создан консорциум по водородной энергетике, куда вошли ведущие научные институты: Томский политехнический университет, Институт катализа СО РАН, Институт проблем химической физики РАН, Институт нефтехимического синтеза РАН, Самарский государственный технический университет и Сахалинский государственный университет. В программе развития водородной энергетики РФ намечено создание водородных кластеров и пилотных проектов по производству и экспорту водорода. Планируется развитие первых коммерческих проектов производства водорода. Сегодня в РФ появляются отдельные пилотные проекты с использованием водородной энергетики, но до массового внедрения пока не дошло: скорее производители демонстрируют свою готовность к реализации подобных проектов в случае выделения финансирования со стороны, например, госкорпораций. Так, в конце 2019 года в Санкт-Петербурге был запущен трамвай на водородном топливе, а ОАО «Газпром» и ОАО «РЖД» в качестве пилотного проекта обсуждают возможность запуска поезда на Сахалине на топливных водородных элементах.

• Журнал «Коммерсантъ Наука» №23 от 23.06.2021, стр. 21

Водородное топливо

Водородное топливо — это топливо, где в качестве вещества, способного выделять энергию, используется водород.
Водородная энергетика стремительно развивается.
В Австралии на бурых углях в штате Виктория отрабатывается технология технология газификации угля с последующим выделением водорода, вернее удаления серы, ртути и двуокиси углерода (СО₂).
В Норвегии — Nel Hydrogen отрабатывает технологию использования ВИЭ для высокотемпературного электролиза для разделения воды на водород и кислород, который будет выбрасываться в атмосферу.
Kawasaki Heavy Industries разрабатывает морской танкер — водородовоз для транспортировки жидкого водорода ( LH₂).

• в промышленности,
• в ЖКС для отопления домохозяйств.

• более чистый производственный процесс;
• нулевое загрязнение после утилизации;
• более высокая плотность энергии.

• водород — 33 кВт•ч / кг;
• аккумуляторная батарея — около 1 кВт•ч / кг);
• бензин и дизельное топливо — около 12 кВт•ч / кг.

Применение водорода кроме энергетики:

• для атомно-водородной сварки,
• в пищевой промышленности, как пищевая добавка E949- упаковочный газ, для производства маргарина из жидких растительных масел,
• химической промышленности — при производстве аммиака, мыла и пластмасс,
• в качестве ракетного топлива.

Водород

Водород (H) является самым распространенным элементом на Земле, но в обычных условиях он не встречается ни в виде водорода H, ни в виде газообразного водорода (H₂).

Благодаря своим характеристикам он легко вступает в реакцию с другими органическими соединениями с образованием, например, воды (H₂O).

Во время этой реакции образования воды из водорода и воздуха выделяется энергия, которую можно использовать в качестве электричества.

Чтобы сделать эту реакцию полезной для промышленного производства электроэнергии, необходимо произвести водород, например из воды путем разделения атомов на кислород и водород посредством электролиза.

Есть другие технологии:

• использование газов, оставшихся от химических процессов, например метана, угля, нефти и биомассы.

Реакция взаимодействия водорода с кислородом происходит с выделением тепла.
Если взять 1 моль H₂ (2 г) и 0,5 моль O₂ (16 г) при стандартных условиях и возбудить реакцию, то согласно уравнению Н₂ + 0,5 О₂= Н₂О после завершения реакции образуется 1 моль H₂O (18 г) с выделением энергии 285,8 кДж/моль.
Для сравнения: теплота сгорания ацетилена — 1300 кДж/моль, пропана — 2200 кДж/моль.

1 м³ водорода весит 89,8 г (44,9 моль), поэтому для получения 1 м³ водорода будет затрачено 12832,4 кДж энергии.

1 кВт•ч = 3600 кДж, поэтому получим 3,56 кВт•ч электроэнергии.

Целесообразность перехода на водородное топливо можно оценить, сравнив имеющийся тариф на 1 кВт•ч электричества и, к примеру, стоимость 1 м³ газа или стоимость другого энергоносителя.

При сжигании водорода получается чистая вода.
То есть водородное топливо производится без вреда для окружающей среды, в отличие от газа или бензина.

Получение водорода

Для получения водорода используют химические методы, в тч реакции разложения воды электрическим током.
Основной промышленный способ получения водорода — реакция с водой метана, который входит в состав природного газа.
Она проводится при высокой температуре:

• 1.Электролиз водных растворов солей:

2NaCl + 2H₂O → H2↑ + 2NaOH + Cl2

• 2.Пропускание паров воды над раскаленным коксом при температуре около 1000°C:

• 3.Из природного газа.

Конверсия с водяным паром: CH₄ + H₂O ⇄ CO + 3H₂ (1000 °C) Каталитическое окисление кислородом: 2CH₄ + O₂ ⇄ 2CO + 4H₂

• 4. Крекинг и реформинг углеводородов в процессе переработки нефти.
• 5. Действие разбавленных кислот на металлы. Для проведения такой реакции чаще всего используют цинк и соляную кислоту:

• 6.Взаимодействие кальция с водой:

• 7.Гидролиз гидридов:

• 8.Действие щелочей на цинк или алюминий:

• 9 .С помощью электролиза. При электролизе водных растворов щелочей или кислот на катоде происходит выделение водорода, например:

• Биореактор для производства водорода

Физические свойства

Газообразный водород может существовать в 2 х формах (модификациях) — в виде орто — и пара-водорода.
В молекуле ортоводорода (т. пл. −259,10 °C, т. кип. −252,56 °C) ядерные спины направлены одинаково (параллельны), а у параводорода (т. пл. −259,32 °C, т. кип. −252,89 °C) — противоположно друг другу (антипараллельны).
Разделить аллотропные формы водорода можно адсорбцией на активном угле при температуре жидкого азота.
При очень низких температурах равновесие между ортоводородом и параводородом почти нацело сдвинуто в сторону параводорода.
При 80 К соотношение форм приблизительно 1:1. Десорбированный параводород при нагревании превращается в ортоводород вплоть до образования равновесной при комнатной температуре смеси (орто-пара: 75:25).
Без катализатора превращение происходит медленно, что дает возможность изучить свойства отдельных аллотропных форм.
Молекула водорода двухатомна — Н_₂. При обычных условиях — это газ без цвета, запаха и вкуса.
Водород — самый легкий газ, его плотность во много раз меньше плотности воздуха. Очевидно, что чем меньше масса молекул, тем выше их скорость при одной и той же температуре.
Как самые легкие, молекулы водорода движутся быстрее молекул любого другого газа и тем самым быстрее могут передавать теплоту от одного тела к другому.
Отсюда следует, что водород обладает самой высокой теплопроводностью среди газообразных веществ. Его теплопроводность примерно в 7 раз выше теплопроводности воздуха.

Химические свойства

Молекулы водорода Н_₂ довольно прочны, и для того, чтобы водород мог вступить в реакцию, должна быть затрачена большая энергия:

Поэтому при обычных температурах водород реагирует только с очень активными металлами, например с кальцием, образуя гидрид кальция:

Ca + Н₂ = СаН₂ и с единственным неметаллом — фтором, образуя фтороводород:

С большинством же металлов и неметаллов водород реагирует при повышенной температуре или при другом воздействии, например при освещении.

Он может «отнимать» кислород от некоторых оксидов, например:

Записанное уравнение отражает реакцию восстановления — процесс, в результате которого от соединения отнимается кислород; вещества, отнимающие кислород, называются восстановителями (при этом они сами окисляются).

Реакция восстановления противоположна реакции окисления.

Обе эти реакции всегда протекают одновременно как 1 процесс: при окислении (восстановлении) одного вещества обязательно одновременно происходит восстановление (окисление) другого.

С галогенами образует галогеноводороды:

F₂ + H₂ → 2 HF, реакция протекает со взрывом в темноте и при любой температуре, Cl₂ + H₂ → 2 HCl, реакция протекает со взрывом, только на свету.

С сажей взаимодействует при сильном нагревании:

Оксиды восстанавливаются до металлов:

Геохимия водорода

Водород — самый распространенный элемент, и все элементы образуются из него в результате термоядерных и ядерных реакций.
На Земле содержание водорода понижено по сравнению с Солнцем.
Свободный водород H₂ относительно редко встречается в земных газах, но в виде воды он принимает исключительно важное участие в геохимических процессах.
В состав минералов водород может входить в виде иона аммония, гидроксил-иона и кристаллической воды.
В атмосфере водород непрерывно образуется в результате разложения воды солнечным излучением.
Он мигрирует в верхние слои атмосферы и улетучивается в космос.

Пожароопасность и взрывоопасность

Водород при смеси с воздухом образует взрывоопасную смесь — гремучий газ.
Наибольшую взрывоопасность — при объемном отношении водорода и кислорода 2:1, или водорода и воздуха приближенно 2:5, так как в воздухе кислорода содержится примерно 21%.
Водород пожароопасен.

Водородное топливо: проблемы и перспективы

На VIII Международном форуме технологического развития «Технопром-2021» сибирские ученые и промышленники обсудили перспективы применения водорода, энергетическую эффективность его производства и попытались ответить на вопрос: почему водородная энергетика до сих пор не получила широкого распространения?

«Экологические вызовы и исчерпание природных ресурсов требуют новых путей технологического развития. Один из них — водород. Его можно сжигать в непосредственно модифицированных газовых турбинах. Из топливных элементов извлекается электрическая энергия. Однако есть ряд проблем. Например, при использовании топливных элементов в летательном аппарате на высоте более девяти километров будет возникать неблагоприятное влияние воды. При сжигании водорода появляются оксиды азота. Электрохимические источники тока на сегодняшний день требуют большого количества оборудования. Тем не менее применение водородсодержащих смесей, в частности твердооксидных топливных элементов, в сложных циклах позволяет получить достаточно высокий КПД», — обозначил тематику дискуссии главный специалист АО «Объединенная двигателестроительная корпорация» Марат Джаудатович Гамируллин.

Топливные элементы как источник энергии

Директор Института теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН академик Дмитрий Маркович Маркович рассказал про топливные элементы как источники энергии. «В мире начинает набирать обороты индустрия водородных двигателей и заправочных станций. Переход на водородное топливо, конечно, не решит проблему глобального потепления, но локальную экологию в мегаполисах точно поправит. И здесь будет очевидная конкуренция между чисто электрическим и водородным транспортом. В ближайшей и отдаленной перспективе они будут постепенно вытеснять традиционный», — отметил ученый.

Академик рассказал про серию совместных работ ИТ СО РАН и израильской компании GenCell, которая специализируется на водородных топливных элементах небольшой мощности (пять киловатт). Ученые ИТ СО РАН занимались задачами тепломассообмена: от внутреннего теплообмена до создания цифрового двойника . Практически все узлы этих топливных элементов были разработаны при научном сопровождении новосибирского института.

«Сейчас есть договоренность с этой компанией, что при нашем участии в России эти топливные элементы будут адаптироваться для арктических условий, низких температур (пока они предназначены для условий до -20 °C). Мы почти договорились с одним из новосибирских предприятий из системы «Росатома», что они будут производить такие топливные элементы по лицензии, с нашим научным сопровождением», — сказал Дмитрий Маркович.

Другая идея ученых — использовать не чистый водород, который сложно транспортировать, а генератор водорода из аммиака путем крекинга. Аммиак можно доставлять в любые точки и уже там перерабатывать в водород.

Также в ИТ СО РАН разработаны воздушно-алюминиевые топливные элементы. Ученые нашли рецепты ингибиторов коррозии в электролите и оптимальный сплав алюминия с различными добавками. Лабораторный образец уже готов и находится в ожидании инвестора.

Недавно ученые ИТ СО РАН закончили работу по трехгодичному гранту с китайскими партнерами, в рамках которого создавались подходы по малоэмиссионному сжиганию и синтезу газов применительно к энергетическим газотурбинным установкам. «Конечно, наши подходы не могут быть напрямую реализованы для нужд авиации и большой энергетики, но они могут быть использованы для создания новых поколений топливных элементов для широкого спектра применений», — заключил академик.

Каталитические технологии генерации и хранения водорода и синтетических топлив

Руководитель отдела гетерогенного катализа ФИЦ «Институт катализа им. Г. К. Борескова СО РАН» доктор химических наук Павел Валерьевич Снытников рассказал про каталитические технологии генерации и хранения водорода и синтетических топлив. «На мой взгляд, водород не стоит рассматривать как топливо. Это все-таки энергоноситель, который позволяет более длительно аккумулировать ту энергию, которая получается в возобновляемых источниках энергии», — подчеркнул ученый.

По словам Павла Снытникова, сохранять водород и использовать его длительное время помогут химические методы, которые будут переводить его в различное синтетическое, возобновляемое сырье, в том числе спирты, эфиры и углеводороды. Эти технологии уже достаточно хорошо реализованы в промышленности. Неплохим источником такого водорода может стать аммиак. В России аммиачное производство составляет более 20 миллионов тонн. Технологии отлажены и могут масштабироваться.

Ученый рассказал про технологии, которые разрабатываются в ИК СО РАН. Так, в институте модернизируется криогенное хранение водорода. При сжижении в смести орто- и пароводорода происходит естественное выкипание водорода, потери составляют до 20 % в день. Но если каталитически перевести ортоводород в пароводород, то возможно длительное хранение. Эта технология была реализована в СССР, затем потерялась, а в последние годы ее воссоздали в ИК СО РАН. «Мы сделали опытный лабораторный стенд. Создана технологическая линия получения катализатора мощностью до пяти тонн в год. В ближайшее время институт готов по этой технологии поставлять катализатор заказчику, чтобы производство такого криогенного водорода можно было наладить в России», — сказал Павел Снытников.

В ИК СО РАН разрабатываются каталитические методы получения водорода и водородсодержащих смесей. Так, перспективно получать водородсодержащий газ напрямую из углеродсодержащих компонентов (в первую очередь — из ископаемого сырья). «Мы можем делать соединение для хранения водорода синтетически, используя электролизный водород, технологию улавливания углекислого газа. А затем получать бензин-дизель, синтетический метан, метанол, метиловый эфир. Эта технология позволяет задействовать уже готовую инфраструктуру по снабжению углеводородными топливами и получать водород там, где это необходимо. Она позволяет решить давнюю проблему курицы и яйца: чтобы водородная технология пошла в массы, нужна развитая инфраструктура, а для последней необходимо достаточное количество энергоустановок, работающих на водородных топливных элементах», — отметил ученый.

Недавно исследователи ИК СО РАН выиграли проект, в рамках которого сегодня рассматривают концепт водородной заправки. На первой стадии там будет использоваться автотермическая конверсия, а на второй — совмещенно каталитический процесс с улавливанием углекислого газа.

Кроме того, сейчас в институте отрабатывается процесс получения водорода из зеленого аммиака. Водород здесь добывается не из природного газа, а при помощи возобновляемых источников энергии. Кроме того, перспективно получение аммиака на основе прямого электрохимического синтеза. Такой процесс происходит при нормальных температурах и давлениях, в отличие от стандартного синтеза аммиака. Можно использовать аммиак напрямую, а можно за счет каталитического разложения получать из него смесь водорода с азотом и использовать ее в топливных элементах.

Также сотрудники ИК СО РАН взаимодействуют с Уфимским мотостроительным производственным объединением. Благодаря их методике можно получать из природного газа синтез-газ и использовать его для минимизации процессов образования оксидов азота. Это позволяет значительно улучшить показатели экологичности таких турбин. Работа находится на стадии опытных испытаний на стороне заказчика в Уфе.

Еще одно потенциальное перспективное направление — получение водорода из различных углеводородных топлив путем термического разложения (пиролиза). «Сейчас компетенции ИК СО РАН таковы, что мы можем из любого углеводородного, углеводородсодержащего топлива, аммиака, неуглеводного топлива, используя различные каталитические процессы, получать синтез-газ, водородсодержащие смеси. Проводить доочистку до нужного качества и применять такой углеводород в топливных элементах, строить водородные заправки и получать ценные химические продукты», — отметил Павел Снытников.

Твердооксидные топливные элементы

Про твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ) рассказал директор Института химии твердого тела и механохимии СО РАН член-корреспондент РАН Александр Петрович Немудрый. «Основные проблемы, которые стоят перед энергетикой будущего, — это экологичность и эффективность. Первая решается путем использования возобновляемых источников энергии и водородной энергетики. Для решения второй надо поднимать КПД, а также использовать распределенную энергетику. Эти требования можно в полной мере реализовать с использованием топливных элементов», — отметил ученый.

Преимущество твердооксидных топливных элементов в том, что они гибкие с точки зрения использования топлива. Благодаря им можно поставить установку, которая будет генерировать электроэнергию непосредственно под необходимую нагрузку. ТОТЭ генерируют электроэнергию, тепло и воду. Однако для их использования необходима высокая температура, что оборачивается жесткими требованиями к материалам и их совместимости. Механические свойства несущего слоя должны быть очень прочные. В этой связи ученые обращают внимание на топливные элементы, где есть металлическая или керамическая пористая поддержка.

Ниша ИХТТМ СО РАН — микротубулярные ТОТЭ. Они имеют высокую удельную мощность и устойчивы к температурным градиентам. Ученые собираются использовать в производстве ТОТЭ аддитивные технологии.

По мнению Александра Немудрого, сложность создания в России серийного производства ТОТЭ объясняется общей проблемой — «долиной смерти» между научной разработкой и производством. В институте невозможно полностью отработать технологию, которая пошла бы в серию. А производственники не стремятся вложить свои деньги в НИОКР и довести лабораторную разработку до серийного производства. От получения технологии до ее внедрения в производство должно пройти минимум шесть-семь лет.

Диана Хомякова

Фото Юлии Поздняковой