МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА В ПРОМЫШЛЕННОМ МАСШТАБЕ. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»
Аннотация научной статьи по промышленным биотехнологиям, автор научной работы — Шафиев Д.Р., Трапезников А.Н., Хохонов А.А., Агарков Д.А., Бредихин С.И.
В данной статье рассмотрены различные методы получения водорода в промышленных масштабов . Проведено подробное сравнение методов по эффективности и производительности: паровая конверсия метана, газификация угля, коксование, разложение жидких и газообразных углеводородов, электролиз воды, атомно-водородная энергетика, биотехнологические и альтернативные источники.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Похожие темы научных работ по промышленным биотехнологиям , автор научной работы — Шафиев Д.Р., Трапезников А.Н., Хохонов А.А., Агарков Д.А., Бредихин С.И.
Получение водорода электролизом воды: современное состояние, проблемы и перспек
Влияние давления на процесс электролиза воды с деполяризацией анода сернистым ангидридом
Исследование механизмов деградации мембранно-электродных блоков твёрдополимерных электролизёров воды
Эффективность протонокерамических топливных элементов при работе на метане и энергетических систем на их основе
Энергетическая эффективность ряда способов получения водорода
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
METHODS FOR OBTAINING HYDROGEN ON AN INDUSTRIAL SCALE. COMPARATIVE ANALYSIS
This article discusses various methods for producing hydrogen on an industrial scale . A detailed comparison of methods in terms of efficiency and productivity was carried out: steam reforming of methane, coal gasification, coking, decomposition of liquid and gaseous hydrocarbons, water electrolysis, atomic-hydrogen energy, biotechnological and alternative sources.
Текст научной работы на тему «МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА В ПРОМЫШЛЕННОМ МАСШТАБЕ. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ»
Шафиев Д.Р., Трапезников А.Н., Хохонов А. А., Агарков Д. А., Бредихин С.И., Чичиров А.А., Субчева Е.Н.
МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА В ПРОМЫШЛЕННОМ МАСШТАБЕ. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ
Шафиев Д.Р., Трапезников А.Н., Хохонов А.А. — ПАО «КАМАЗ», Научно-технический центр, Набережные Челны, Россия
Агарков Д.А., Бредихин С.И. — ИФТТ РАН, Черноголовка, Россия
Чичиров А.А. — Казанский Государственный Энергетический Университет, Казань, Россия
Субчева Е.Н. — Российскоий химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
В данной статье рассмотрены различные методы получения водорода в промышленных масштабов. Проведено подробное сравнение методов по эффективности и производительности: паровая конверсия метана, газификация угля, коксование, разложение жидких и газообразных углеводородов, электролиз воды, атомно-водородная энергетика, биотехнологические и альтернативные источники.
Ключевые слова: водород, производство, промышленный масштаб, сравнительный анализ
METHODS FOR OBTAINING HYDROGEN ON AN INDUSTRIAL SCALE. COMPARATIVE ANALYSIS
Shafiev D.R., Trapeznikov A.N., Khokhonov A.A. — PJSC «KAMAZ», Scientific and Technical Center, Naberezhnye Chelny, Russia
Agarkov D.A., Bredikhin S.I. — ISSP RAS, Chernogolovka, Russia A.A. Chichirov — Kazan State Power Engineering University, Kazan, Russia
E.N. Subcheva — Russian University of Chemical Technology named after DI. Mendeleev, Moscow, Russia
This article discusses various methods for producing hydrogen on an industrial scale. A detailed comparison of methods in terms of efficiency and productivity was carried out: steam reforming of methane, coal gasification, coking, decomposition of liquid and gaseous hydrocarbons, water electrolysis, atomic-hydrogen energy, biotechnological and alternative sources.
Key words: hydrogen, production, industrial scale, comparative analysis
Водород практически не встречается в природе в чистом виде, его получают из других соединений с помощью различных методов. Существует множество способов получения водорода, и это является одним из основных преимуществ водородной энергетики, поскольку снижает зависимость отрасли от отдельных видов сырья и методов производства.
Для получения водорода в промышленных масштабах (т.е. в больших объемах) чаще всего
используются следующие основные методы и источники (рис. 1):
1. из природных топлив (например — метан);
2. электролиз и термическое разложение воды;
3. атомно-водородная энергетика;
4. биотехнологические и альтернативные источники.
Рис. 1. Структура мирового производства (а) и потребления (б) водорода
Ниже будут подробно рассмотрены приведенные выше методы получения водорода.
1.1 Паровая конверсия метана
Паровая конверсия метана [1] в настоящее время — наиболее широко используемый метод производства водорода, по этой технологии получается около 85 % водорода, производимого в данный момент мире. Это связано с достаточно высокой (более 80 %) эффективностью процесса его реализации на уровне крупномасштабного производства. В результате стоимость водорода для этой технологии оказывается самой низкой по сравнению со стоимостью водорода, полученного другими методами.
Основные реакции процесса:
СН4+Н2О ^ СО+ЗН2 СО+Н2О СО2 +Н2. [2,3]
1.2 Газификация угля
Является старейшим способом получения водорода [4,5]. Первый газогенератор был построен в Великобритании в 40-х годах XIX века. Получение водорода из угля связано с термическим разложением воды, а уголь используется в качестве энергоресурса и химического реагента, на уголь одновременно действуют водяным паром и кислородом — происходит процесс парокислородной конверсии. Для данного метода характерны большие единичные мощности агрегатов и отсутствие ограничений по потокам энергии. Основные реакции процесса газификации угля: С+О2 ^ СО2 С+2Н2О ^ СО2+2Н2 С+Н2О ^ СО+Н2 С+СО2 ^ 2СО.
Основные недостатки методов получения водорода из природных топлив — выбросы в атмосферу больших количеств СО2, утилизация которого требует значительных капитальных затрат и эксплуатационных расходов, тем самым существенно повышая стоимость конечного продукта. Кроме этого, являясь идеальным для крупномасштабного производства, метод плохо адаптируется вниз по мощности на установки малой производительности, необходимые для
децентрализованного производства водорода (например, для заправочных станций, автономных
энергосистем и так далее). Еще одним недостатком метода является наличие в конечном продукте примесей СО и СО2, что предъявляет дополнительные требования к очистке водорода при его использовании в ряде устройств (например, в топливных элементах с водно-щелочным или твердым полимерным электролитом) [2,3].
Коксование — это разложение при высокой температуре без доступа воздуха твердых и жидких горючих ископаемых с образованием летучих веществ и твердого остатка — кокса. [6,7].
Коксованию могут быть подвергнуты каменные и бурые угли, торф, каменноугольный пек, буроугольная и каменноугольная смола. Газообразные продукты, получаемые при коксовании, наряду с водородом содержат СО, СН4, СО2, К2, водяные пары, летучие газообразные углеводороды. Содержание водорода в газообразных продуктах коксования может существенно различаться — от 20 % об. в торфе, 35 % в буром угле и 50 % в каменном угле, до 80 % в буроугольной и каменноугольной смолах.
1.4 Разложение жидких и газообразных углеводородов
Водород может получаться и при сильном нагревании углеводородов [8,9], например, метана [10]:
Термическое разложение может быть проведено
углеводороды впрыскивают в расплавленное железо. Происходит распад углеводорода с образованием свободного водорода и растворением углерода в жидком металле. Выделившийся углерод выжигают из железа при продувке расплава воздухом или кислородом. При выжигании углерода тепла получается больше, чем требуется для разложения углеводорода. Избыток тепла используют для получения пара.
2. Электролиз воды
восстановительных процессов, происходящих при прохождении электрического тока через электролит с погруженными в него электродами [11].
углеводородов различными Например,
Рис. 2. Принципиальная схема промышленного щелочного электролизера
Деминерализованная вода, используемая в промышленных электролизных установках сама по себе является слабым электролитом, поэтому в нее добавляют сильные электролиты для увеличения проводимости электрического тока. Зачастую выбирают электролиты с меньшим катионным потенциалом, чтобы исключить конкуренцию с катионами водорода: КОН или №ОН [12] (рис. 2).
Общая электрохимическая реакция, протекающая на электродах, выглядит следующим образом:
Табл. 1. Электролиз воды с при
реакция на аноде: 2Н2О ^ 02 + 4Н + 4е -выделение кислорода;
реакция на катоде: 2Н20 + 2е ^ Н2 + 20Н -выделение водорода.
В настоящее время существуют три способа реализации электролизной технологии производства водорода, отличающиеся типом используемого электролита и условиями проведения электролиза (таблица 1).
нением разных типов электролизеров
Тип электролизёра Энергозатраты, кВт*ч/м3 Н2 Температура, К Производительность, м3/ч Н2 Давление, МПа КПД по электрической энергии, %
щелочной 4,5-5,5 370-420 до 500 0,1-5 50-65
с твердым полимерным электролитом (ТПЭ) 3,5-4,5 310-360 до 100 0,1-15 65-85
с твердым оксидным электролитом (ТОЭ) 2,7-3,5 1000-1170 0,1-3 85-95
2.1 Щелочные электролизеры
Щелочной электролиз — устройство, использующее процесс прохождения электрического тока через раствор электролита (20-30 % раствор КОН или №ОН) от анода к катоду, вследствие которого на них образуются газы: водород и кислород, соответственно [13]: Н2О +0,502 на катоде 20Н- ^ 0,502 +Н2О + 2е-на аноде Н20 + 2е- ^ Н2 + 20Н-
2.2 Электролизеры с твердым полимерным электролитом (ТПЭ)
Этот способ производства водорода [14] исторически связан с появлением перфторированной ионообменной мембраны «Кайоп» фирмы DuPont. Первые электролизёры с ТПЭ были созданы в 1966 г.
Мембрана таких электролитов — газоплотная полимерная на основе перфторированного углерода, обладает механической прочностью, химической стойкостью и высокой электропроводностью.
Общая химическая формула проходящих на электродах процессов:
на катоде 4Н+ + 4е- ^ 2Н2
на аноде Н20 ^ 02 + 4Н+.
Преимуществами электролизеров с ТПЭ перед щелочными являются более высокая эффективность процесса, широкий диапазон и скорость регулирования производительности, короткое время пуска и останова, возможность получать водород более высокой чистоты и давления на выходе, компактность и удобство в эксплуатации, отсутствие токсичной щелочи в устройстве.
ТПЭ электролизёры кратно дороже водно-щелочных аналогичной производительности, но при
этом экологически чисты и менее энергозатратны, имеют значительно меньшие массогабаритные характеристики, повышенный уровень безопасности, возможность работы в нестационарных режимах, простое обслуживание. Важной особенностью систем электролиза воды с помощью ТПЭ является то, что чистота производимого водорода соответствует качеству газов, требующегося для использования в топливных элементах с ТПЭ. При этом и сами электролизные системы на основе ТПЭ предъявляют более жесткие требования к чистоте подаваемой воды.
Оценка, сделанная исходя из одного и того же срока службы (около 5 лет), показывает, что стоимость водорода, произведенного методом электролиза с ТПЭ, даже меньше, чем стоимость водорода, произведенного методом щелочного электролиза, особенно если принять во внимание стоимость зданий, вспомогательного оборудования, затраты на очистку водорода и утилизацию щелочного раствора.
2.3 Электролизеры с твердооксидным электролитом (ТОЭ) Высокотемпературный электролиз водяного пара проводится в ячейках с твердым электролитом на основе диоксида циркония, модифицированных гетеровалентными добавками оксидов некоторых редкоземельных элементов для увеличения его электропроводимости [15]. Подобный электролит обладает анионной проводимостью — ток через него переносится ионами кислорода, образующимися при диссоциации воды и выделении водорода на катоде: на катоде Н20 (пар) + 2е- ^ 02 + Н2 на аноде О2- ^ 0,502 + 2е-
Водород отводится из катодного пространства вместе с неразложившимся паром. Процесс электролиза водяного пара проходит при значительно более низком напряжении по сравнению с электролизом водных растворов. Однако жесткие условия работы затрудняют подбор достаточно стойких в условиях анодной поляризации материалов для анода и создание надежной ячейки анод-электролит-катод, выдерживающих изменение температуры от комнатной до рабочей электролиза.
При реализации этого процесса создается возможность резкого сокращения расхода электроэнергии на производство электролитического водорода — не вся энергия должна поступать в виде электричества, часть энергии можно подводить в виде тепла, причем чем выше рабочая температура цикла, тем большая доля тепловой энергии может в нем быть подведена из внешнего источника, полученная, например, за счет сжигания углеводородного топлива, утилизации энергии ядерного реактора или ТЭС, из возобновляемых источников.
К недостаткам электролизёров с твердым оксидным электролитом следует отнести ограниченные возможности регулирование производительности, длительное время пуска и останова, связанные с тем, что керамические элементы электролизера плохо переносят термоциклирование.
Электролизёры с ТОЭ перспективны для получения электроэнергии в стационарных установках, однако существуют они пока только в виде экспериментальных и опытных образцов.
При современном состоянии техники электролиза воды и экономики производства водорода электрохимический метод получения водорода и кислорода для крупных потребителей не может конкурировать с химическими методами, его доля в получении водорода уменьшается за счет роста производства посредством других методов. В настоящее время он является рентабельным для потребителей, предъявляющих высокие требования к чистоте водорода и кислорода, для установок малой мощности, а также при наличии очень дешевой электроэнергии и отсутствии углеводородного сырья.
3. Атомно-водородная энергетика
Ядерная технология обладает практически неограниченными ресурсами дешевой энергии для производства водорода, к тому же при производстве электричества, тепла и водорода ядерная энергетика оказывает наименьшее воздействие на окружающую среду в сравнении с использованием углеродных ресурсов. Используя произведенное ядерной энергией электричество можно, применив электролиз, разделить воду на водород и кислород.
4. Биотехнологические и альтернативные
4.1 Получение водорода из биомассы
Водород из биомассы получается термохимическим или биохимическим способом.
При термохимическом способе биомассу нагревают без доступа кислорода до температуры 500-800°оС (для отходов древесины), что намного ниже температуры процесса газификации угля. В результате процесса выделяется H2, CO и CH4.
При биохимическим процессе водород вырабатывают различные бактерии. Для ускорения производства водорода из полисахаридов (крахмал, целлюлоза), содержащихся в биомассе, возможно применение различных энзимов. Процесс проходит при температуре 30 оС при нормальном давлении. Себестоимость процесса около $2 за килограмм водорода.
4.2 Получение водорода с использованием водорослей
Учёные калифорнийского университета в Беркли (UC Berkeley) в 1999 году обнаружили, что если водорослям не хватает кислорода и серы, то процессы фотосинтеза у них резко ослабевают, и начинается активная выработка водорода. Водород может производить группа зелёных водорослей, например, Chlamydomonas reinhardtii. Водоросли могут производить водород из морской воды или канализационных стоков.
4.3 Получение водорода из твердых бытовых отходов
Разрабатываются различные новые технологии производства водорода. Например, Лондонское Водородное Партнёрство опубликовало
исследование о возможности производства водорода из муниципального мусора.
Для сравнения альтернативных процессов нужно рассмотреть экономические затраты. Паровая конверсия метана и газификация угля, однако, остаются наиболее дешевым источником водорода. Переход к электролизу или термохимическим циклам достаточно длительный и дорогостоящий процесс.
В заключении приведены приблизительные оценки сравнительной стоимости некоторых способов получения водорода [16, 17]:
Технология получения Стоимость,
водорода USD за 1 кг Н2
Паровая конверсия метана 1,5-3
Газификация угля 2-2,5
Электролиз воды >4
Солнечный и фото-электролиз >4,5
Высокотемпературный электролиз воды(АЭС) 7,5
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
1. Jianguo Xu, Gilbert F. Froment, «Methane steam reforming, methanation and water-gas shift: I. Intrinsic kinetics», AlChE Journal, Volume 35, Issue 1, January 1989, Pages 88-96
2. Р.В. Радченко, А.С. Мокрушин, В.В. Тюльпа Водород в энергетике: учеб. пособие, 2014.
3. Водород. Свойства, получение, хранение, транспортирование, применение : справочник. М. : Химия, 1989.
4. Gary J. Stiegel, Massood Ramezan, Hydrogen from coal gasification: An economical pathway to a sustainable energy future, International Journal of Coal Geology, Volume 65, Issues 3-4, 2006, Pages 173-190, ISSN 0166-5162, https://doi.org/10.10167i.coal.2005.05.002.
5. Calin-Cristian Cormos, Fred Starr, Evangelos Tzimas, Stathis Peteves, Innovative concepts for hydrogen production processes based on coal gasification with CO2 capture, International Journal of Hydrogen Energy, Volume 33, Issue 4, 2008, Pages 1286-1294, ISSN 0360-3199, https://doi.org/10.10167j.ijhydene.2007.12.048.
6. https://neftegaz.ru/science/petrochemistry/33205 9-tekhnologiya-proizvodstva-neftyanogo-koksa-i-ispolzuemoe-v-promyshlennosti-syre/
7. J. Kim, H. Choi, J. Lim, Y. Rhim, D. Chun, S. Kim, S. Lee, J. Yoo, Hydrogen production via steam gasification of ash free coals, International Journal of Hydrogen Energy, Volume 38, Issue 14, 2013, Pages 6014-6020, ISSN 0360-3199, https://doi.org/10.1016/iiihydene.2012.12.058.
8. D. Hirsch, A. Steinfeld, Solar hydrogen production by thermal decomposition of natural gas using a vortex-flow reactor, International Journal of Hydrogen Energy, Volume 29, Issue 1, 2004, Pages 4755, ISSN 0360-3199, https://doi.org/10.1016/S0360-3199(03)00048-X.
9. Naresh Shah, Devadas Paniala, and Gerald P. Huffman, Hydrogen Production by Catalytic Decomposition of Methane, Energy Fuels 2001, 15, 6, 1528-1534, Publication Date:November 3, 2001, https://doi.org/10.1021/ef0101964
10. Tiina Keipi, Henrik Tolvanen, Jukka Konttinen, Economic analysis of hydrogen production by methane thermal decomposition: Comparison to competing technologies, Energy Conversion and Management, Volume 159, 2018, Pages 264-273, ISSN 0196-8904, https://doi.org/10.1016/j.enconman.2017.12.063.
13. W. Hug, J. Divisek, J. Mergel, W. Seeger, H. Steeb, Highly efficient advanced alkaline electrolyzer for solar operation, International Journal of Hydrogen Energy, Volume 17, Issue 9, 1992, Pages 699-705, ISSN 0360-3199, https://doi.org/10.1016/0360-3199(92)90090-J.
14. Meng Ni, Michael K.H. Leung, Dennis Y.C. Leung, Energy and exergy analysis of hydrogen production by a proton exchange membrane (PEM) electrolyzer plant, Energy Conversion and Management, Volume 49, Issue 10, 2008, Pages 2748-2756, ISSN 0196-8904,
15. Meng Ni, Michael K.H. Leung, Dennis Y.C. Leung, Technological development of hydrogen production by solid oxide electrolyzer cell (SOEC), International Journal of Hydrogen Energy, Volume 33, Issue 9, 2008, Pages 2337-2354, ISSN 0360-3199, https://doi.org/10.1016/jijhydene.2008.02.048.
16. http://www.fsec.ucf.edu/en/consumer/hydrogen/ basics/production.htm
17. Averina J.M., Zhukov D.Yu., Kurbatov A.Yu., Kalyakina G.E., Desiatov D.Y. Study of technical and economic features of solid oxide fuel cells // В сборнике: 19th International scientific geoconference SGEM 2019. Conference proceedings. 2019. С. 473480.
Как получают водород в промышленности
Водород считается одним из наиболее ценных видов сырья для синтеза аммиака и производства полимеров и нефтехимии. Он используется для получения твердых жиров из масел растительного происхождения. Из-за высокой химической активности вещество в чистом виде практически не встречается в природе. Основные источники для получения водорода в промышленности — метан, содержащийся в природном газе, и вода. Специалисты отмечают также перспективность разделения попутных газов коксового производства, которые на большинстве предприятий сжигаются.
Способы выделения водорода из соединений
Самые распространенные способы получения водорода в промышленности:
- паровая конверсия метана и его гомологов;
- газификация кокса;
- электролитическое разложение воды.
Особенности работы оборудования для получения водорода
Оборудование для получения водорода в промышленности методом паровой конверсии имеет сложную конструкцию и компоновку. В его состав входят парогенератор, компрессорная станция, подогревающая установка, конверторы метана и угарного газа. Система подключена к подающей магистрали и потребителям. Извлечение водорода происходит при температуре до 1000° C под избыточным давлением и в присутствии катализатора. Перед этим сырье подогревается, очищается от серосодержащих примесей и перемешивается с водяным паром.
Восстановление водорода происходит в два этапа.
- После первой ступени конверсии продукт содержит до 10% метана, для разложения которого в смесь вводят атмосферный воздух.
- В конце процесса водород очищают от кислорода и оксидов углерода, а избыточное тепло направляют в котел-утилизатор для производства водяного пара.
Процесс полностью замкнут и энергетически независим, но требует применения сложных схем контроля. Несмотря на недостатки, большую часть водорода в промышленности получают как раз этим способом.
Установка газификации кокса
Технология заключается в пропускании перегретого водяного пара через слой кокса, каменного или бурого углей при температуре свыше 1000° C без доступа кислорода. Полученная смесь водорода и окиси углерода обрабатывается водяным паром. Один из наиболее перспективных способов применения продуктов газификации угля — сжигание на тепловых электростанциях, поскольку современные установки отчаются высокой производительностью, сравнительно низкой себестоимостью конечного продукта и способны работать в непрерывном режиме.
Электролизеры
При помощи электролитических установок водород получают как в промышленности, так и для коммерческого использования. На рынке присутствует оборудование разной производительности, а сырьем служит обычная вода. Установка представляет собой сосуд с раствором щелочи или средней соли, в который погружены два электрода. При пропускании постоянного тока на катоде выделяется водород. Вторичный продукт реакции — кислород — также используется для решения технологических задач. Доочистка позволяет получить на выходе технически и химически чистый водород. Электролизер с вспомогательным оборудованием для водоподготовки и осушения размещается на небольшой площади. Многие производители предлагают мобильные моноблочные и контейнерные установки.
Среди всех способов получения водорода в промышленности электролитический считается наиболее экологичным. Единственный его условный недостаток — зависимость от качества сети питания.
Извлечение водорода
На сегодняшний день водород активно используется в различных отраслях химической и нефтехимической промышленности. Водород применяют при синтезе аммиака, гидрогенизации жиров и при гидрировании угля, масел и углеводородов. Кроме того, водород необходим для производства жидкого топлива гидрогенизацией углей и мазута. К сожалению, водород в чистом виде практически не встречается в природе, поэтому задачи его получения, концентрирования и очистки от примесей имеют огромное значение.
Основными способами получения чистого водорода в промышленности являются электролиз воды и конверсия кокса или метана. Кроме того, водород получают извлечением и концентрированием из различных газовых смесей нефтехимических процессов.
На протяжении многих лет совершенствовались технологии извлечения и концентрирования, позволяющие получать водород из различных источников сырья. В результате ученным удалось создать оборудование, которое может извлекать водород из газовых смесей. Благодаря этому водород можно вернуть в производственный цикл, существенно уменьшив потери. Помимо этого, извлечение водорода из газовой смеси положительно сказывается на экологии окружающей среды. Получая водород из топливных, остаточных и сбросных газов, можно значительно повысить экономическую эффективность процессов производства.
Эффективные способы получения водорода
В настоящее время извлечение водорода чаще всего выполняется двумя способами:
- Концентрирование водорода при помощи мембранных установок. Данный метод разделения газообразных смесей позволяет с минимальными потерями выделять водород из газовых потоков. К основным преимуществам мембранных установок, позволяющих концентрировать водород в, можно отнести низкие расходы на техническое обслуживание, простое аппаратурное оформление и длительный срок службы мембран. Стоит отдельно отметить, что мембранные установки отличаются высокой гибкостью, которая реализуется при создании модульных систем, позволяющих быстро изменять масштаб производства водорода. Еще одним важным достоинством этого способа получения водорода является доступная стоимость оборудования, обусловленная целым рядом особенностей производства и монтажа мембранных установок;
- Извлечение водорода с помощью адсорбционных установок. В основе этого метода получения чистого водорода лежит технология короткоцикловой или сверхкороткоцикловой адсорбции при переменном давлении. Эта технология использует принцип поглощения примесей водородсодержащего газа на поверхности специально разработанных адсорбирующих материалов. Количество удерживаемых адсорбентом примесей напрямую зависит от давления, поэтому данные установки по производству водорода позволяют проводить процесс адсорбции примесей и регенерации адсорбента изменением давления. Этим способом получают очень чистый водород, с минимальными потерями давления. Единственным минусом этого способа получения водорода можно назвать достаточно высокую стоимость.
Выбор метода получения водорода зависит от состава сырья, необходимой чистоты водорода, а также от режима эксплуатации, производственной мощности и других факторов, связанных со спецификой работы конкретного предприятия.
Проектирование и создание установок для получения водорода
Научно-производственная компания «Грасис» выполняет разработку и производство установок, способных осуществлять получение водорода в промышленных масштабах. Мы осуществляем свою работу, используя комплексный подход к решению задачи, которую ставит перед нами заказчик. Это означает, что наши квалифицированные специалисты способны выполнить все работы, начиная от конструирования, проектирования, изготовления и заканчивая вводом в эксплуатацию полностью укомплектованных установок, необходимых для получения водорода. Помимо этого, мы предлагаем своим клиентам услуги по сервисному обслуживанию оборудования по производству водорода. Регламентные работы по ремонту и техническому сопровождению установок по извлечению водорода проводятся в сроки, установленные заказчиком. Такой подход выгодно отличает нас от большинства компаний, работающих в данном сегменте рынка.
Отличительные особенности нашего оборудования для получения водорода:
- компактные габаритные размеры, позволяющие осуществлять производство водорода на весьма скромных площадях;
- высокая монтажная готовность, которая значительно сокращает время на ввод оборудования для получения водорода в эксплуатацию;
- адаптация к использованию установок по извлечению водорода в сложных температурных и климатических условиях;
- длительный срок службы установки для производства водорода, обусловленный использованием материалов высочайшего качества;
- автоматический режим работы, простота эксплуатации и минимум обслуживающего персонала.
Каждый заказчик, которому требуется надежное оборудование для получения водорода, может рассчитывать на внимательное отношение и высокий уровень обслуживания. Мы гарантируем индивидуальный подход к клиентам, желающим заказать мембранные или адсорбционные установки, позволяющие получать водород из сбросных, топливных или остаточных газов.
Основные преимущества сотрудничества с научно-производственной компанией «Грасис»:
- гибкая ценовая политика. Даже в условиях экономического кризиса мы продолжаем удерживать цену на разработку и производство установок по извлечению водорода на приемлемом уровне. Наши цены на оборудование для производства водорода вполне доступны для многих российских предприятий, выполняющих переработку нефти и природного газа. Кроме того, мы всегда предоставляем выгодные скидки для постоянных клиентов, которые заинтересованы в налаживании и поддержании сотрудничества на долгосрочной основе;
- высокий уровень подготовки специалистов. Мы очень тщательно подходим к вопросам отбора персонала, поэтому у нас работают только опытные инженеры, досконально изучившие все нюансы технологий, которые дают возможность извлекать водород с минимальными потерями. Они ответственно подходят к каждому заданию, создавая в кратчайшие сроки все необходимое оборудование, с помощью которого наши клиенты могут получать водород, содержащийся в газовой смеси.
Для того чтобы заказать оборудование для извлечения водорода или получить подробные ответы на все вопросы, достаточно позвонить нашим консультантам по телефону: +7 (495) 777-77-34.
Не является публичной офертой
Получите больше информации
Отправьте запрос и наш менеджер свяжется с Вами в ближайшее время
Из чего получают водород в промышленности
Кирилл Дегтярёв, Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова
Водород давно и довольно широко используется в химической и пищевой промышленности, в нефтепереработке. Но как об энергоресурсе о водороде заговорили сравнительно недавно.
Водород давно и довольно широко используется в химической и пищевой промышленности, в нефтепереработке. Но как об энергоресурсе о водороде заговорили сравнительно недавно. Первые экспериментальные проекты использования этого газа в качестве топлива для транспорта появились в начале текущего века. На протяжении двух десятилетий «водородный тренд» постепенно набирал силу. В широкое употребление вошло понятие «водородная экономика». Планы её развития, заявленные в ряде стран, включая Россию, подразумевают многократное увеличение производства и потребления водорода в энергетических целях — в качестве топлива, для производства электрической и тепловой энергии.
Электролизная станция с ресиверами хранения водорода. Березовская ГРЭС. Красноярский край (2014 год). Фото Валерия Акулича/Фотобанк Лори.
В результате риформинга получается синтез-газ (другое название — водяной газ) — газовая смесь, основные компоненты которой CO и H2. Выход водорода увеличивается в результате конверсии CO при взаимодействии с водяным паром (так называемая реакция водяного газа). Но при этом образуется углекислый газ. Возможна модификация процесса, включающая частичное улавливание и захоронение двуокиси углерода. Если процесс идёт без улавливания двуокиси углерода (А), стоимость получения 1,1 т водорода составляет 590 долл. США (в ценах 2019 года). В процессе с частичным улавливанием и захоронением двуокиси углерода (Б) стоимость получения 1,1 т водорода — 1091 долл. США. Такой процесс нельзя считать ни дешёвым, ни экологически чистым. Рисунок: Parent55/Wikimedia Commons/CC0 (с изменениями).
Процесс не сопровождается образованием парниковых газов — то есть это экологически чистый процесс, но пока он остаётся весьма энергоёмким и очень дорогим. По данным Управления энергетической информации США (USEIA) 2019 года, производство примерно 1 т водорода обходится в 1,497 долл. США. Рисунок: Parent55/Wikimedia Commons/PD (с изменениями).
Водород долгое время хранили в сжатом либо жидком виде. Жидкий водород требует специального «криогенного» хранения (то есть в теплоизолированных контейнерах) и особого обращения из-за опасности взрыва. На фото огромный сосуд с жидким водородом в экспериментальной вакуумной камере в Исследовательском центре Льюиса (теперь Исследовательский центр Джона Гленна — John Glenn Research Center, NASA), 1967 год. Фото: NASA/GRC/Paul Riedel, Lloyd Trunk/Wikimedia Commons/PD.
Канадская компания по бурению газовых скважин в 2017—2018 годах в поисках углеводородов пробурила несколько скважин неподалёку от селения Буракебугу (Мали). Перед бурением специалисты компании провели геохимический мониторинг почвы в различных точках исследуемого участка. Результаты оказались неожиданными: примерно на глубине 1 м была обнаружена высокая концентрация водорода. В ходе дальнейших работ компания выявила пять крупных пластов залежей водорода. Каждый резервуар был покрыт слоем долерита — магматической горной породы, аналога базальта. Общая площадь пластов запасов водорода оценили в 780 км 2 . На снимке показана впадина с повышенным содержанием в почве водорода, расположенная к востоку от участка, где проводила работу канадская компания, и профиль концентрации водорода в разных точках впадины. Иллюстрация из статьи: Prinzhofer A., Tahara Cissé C. S., Diallo A. B. Discovery of a large accumulation of natural hydrogen in Bourakebougou (Mali) // International Journal of Hydrogen Energy, V. 43, Is. 42, 2018, pp. 19315—19326.
Мезосферные, или серебристые, облака возникают на высотах 70—95 км. На таких высотах концентрация паров воды слишком низка для образования облаков, однако теоретически вода могла бы образовываться при взаимодействии водорода с кислородом. На снимке: серебристые облака в небе над Якутией, июль 2021 года. Фото Петра Андреева/Wikimedia Commons/CC BY-SA 4.0.
Предполагается, что водород наряду с возобновляемыми источниками энергии вытеснит «традиционные» углеводородные энергоносители. Водород активно позиционируют в качестве экологически безопасного «углеродно-нейтрального» источника энергии, а планируемый рост его производства и использования — как движение по пути декар-бонизации мировой экономики и снижения потребления ресурсов. Под декарбонизацией понимается прекращение выбросов углерода и его соединений, прежде всего углекислого газа CO2, антропогенную эмиссию которого рассматривают в качестве одной из ключевых причин глобального потепления. Но с возможностью перевода энергетики на водород не так всё просто.
Лёгкий, горючийи очень теплотворный
Наверное, каждому из школьного курса химии известно, что водород — первый химический элемент таблицы Менделеева. Есть ряд изотопов водорода, но основной из них — протий ( 1 H), на который приходится примерно 99,99% атомов водорода на Земле и во Вселенной. Ядро протия состоит всего из одного протона. Как следствие, это самый лёгкий химический элемент. Для сравнения, при нормальном атмосферном давлении 1 м 3 воздуха имеет массу около 1,2 кг, 1 м 3 природного газа (метана CH4) — 700 г, а 1 м 3 газообразного водорода (химическая формула H2) — всего 90 г. То есть водород почти в 8 раз легче природного газа и в 13 раз легче воздуха.
Водород бесцветен, не имеет запаха, при этом он химически активен, горюч и взрывоопасен. Но его горение действительно не даёт выбросов загрязнителей атмосферы. Реакция горения водорода идёт с образованием воды, с выделением большого количества энергии E (тепла): 2 H2 + O2 =>2H2O + E. То есть это тепло — экологически чистая энергия.
Водород — самый распространённый элемент во Вселенной, на него приходится почти 89% общего числа её атомов и около 75% её массы, поскольку этот газ — основное вещество звёзд и топливо для их «работы». Отметим, что остальные 11% атомов Вселенной приходятся на гелий — собственно, продукт «горения» звёзд, и только 0,1% — на все остальные химические элементы.
Однако в обитаемом и доступном нам мире водорода на порядки меньше. Например, в земной коре его содержание оценивается всего в 1% по массе и около 17% — по общему количеству атомов. В земной атмосфере водород также выглядит исчезающе малой величиной — 5•10 -5 % (0,00005%) общего объёма атмосферы и 3,5•10 -6 % (0,0000035%) её массы. При этом свободного водорода на Земле мы почти не видим. Слишком лёгкий элемент в атмосфере плохо удерживается земным притяжением, но охотно вступает в химические реакции, образуя разные соединения, в которых он в основном и присутствует в географической оболочке.
Самое распространённое соединение водорода — вода, а самый большой на Земле резервуар этого газа — Мировой океан, на который приходится 96% воды на планете. Объём и масса вод Мирового океана — огромные величины: более 1,3 млрд км 3 и, соответственно, 1,3•10 18 т. На водород в массе воды приходится 11%, то есть, в океанической воде его содержится примерно 1,4•10 17 т, и ещё приблизительно 5,6•10 15 т — в остальных водах Земли. Это в совокупности очень немного относительно массы земной коры, составляющей 2,8•10 19 т, — примерно полпроцента.
Оценим это количество водорода в энергетических единицах, сопоставляя с потребностями человечества. Теплотворная способность данного газа — 3,6 кВт•ч/м 3 , или 40 кВт•ч/кг и 40 МВт•ч/т. Это примерно в три раза выше, чем у природного газа. Иными словами, только в пресных водах Земли (это всего 4% от всей земной воды) содержится 2,24•10 17 МВт•ч, или 2,24•10 11 ТВт•ч потенциальной водородной энергии. Для сравнения, вся энергия, потребляемая человечеством в течение года, менее 2•10 5 ТВт•ч 1 — в миллион раз меньше. И нужно «всего» 5 млрд тонн водорода в год, чтобы обеспечить энергией всё человечество на текущем уровне. При этом в пресной воде Земли его больше в 1 млн раз, а в океанической — в 25 млн раз.
Огромное по сравнению с нуждами мирового энергопотребления количество водорода в виде его соединений содержится в запасах угля, нефти и газа, собственно, и называемых углеводородным сырьём. Дать точную цифру мировых ресурсов ископаемых углеводородов невозможно, но на данный момент только разведанные запасы в совокупности превышают 1 трлн тонн, и водорода в них не менее 100 млрд тонн, при этом на Земле разведано далеко не всё и ресурсная база постоянно пополняется.
Иными словами, теоретически, если мы начнём использовать водород в качестве топлива для выработки тепловой и электрической энергии, извлекая его только из воды, нам хватит его как энергоносителя на десятки миллионов лет, то есть навсегда.
Желанный,но такой дорогой
Почему же до сих пор водород не стал энергоносителем номер один?
Два главных способа получения этого газа в настоящее время — конверсия углеводородного сырья и электролиз воды. Но извлечение водорода из его соединений означает разрыв химических связей между водородом и кислородом в случае воды или между углеродом, кислородом и водородом в случае углеводородов. И оба процесса сопряжены с очень большими затратами энергии, с дорогостоящим оборудованием и, заметим, с загрязнением окружающей среды.
В настоящее время в мире производится около 75 млн т водорода в год, и пока его производство растёт невысокими темпами — менее 2% в год. При этом из углеводородного сырья добывается более 90% всего производимого водорода, в том числе 70% — с помощью конверсии природного газа, самого доступного способа. В основе процесса — подвод к природному газу тепла (нагрев печи до 600—1000°С) и водяного пара в присутствии металлического катализатора — кобальта, никеля, железа. Это самый дешёвый, но экологически грязный способ, оставляющий большой углеродный след, то есть выбросы CO2 в атмосферу. Он описывается химическими реакциями:
На выходе, как можно видеть, — большое количество углекислого газа. Кроме того, при расчёте стоимости процесса надо учитывать не только затраты собственно на работу печи, но и на добычу и транспортировку газа. И если рассматривать водород как топливо, то дешевле и экологически чище просто добывать и сжигать природный газ.
Есть и другие способы углеводородной конверсии — например, газификация и пиролиз угля и даже получение водорода из биомассы, но углеродный след и высокие затраты присущи всем этим решениям.
Если слегка коснуться цифр, то стоимость производства водорода методами углеводородной конверсии оценивается от $2 за 1 кг. Один лишь расход метана на производство 1 кг водорода составляет 5 м 3 , а при угольной конверсии производство 1 кг водорода потребует более 6 кг угля. Цена, очевидно, высока, при этом использование водорода как энергоносителя с КПД, равным 100%, невозможно, и количество полученной энергии в данном случае надо делить примерно на два—три. Добавим ещё затраты на создание и поддержание инфраструктуры для транспортировки и хранения водорода и получим исключительно дорогое топливо, производство которого далеко не безупречно с экологической точки зрения.
Остаётся единственный экологически чистый способ получения водорода — извлечение его из воды, которой на Земле намного больше, чем углеводородного сырья, и она, очевидно, доступнее. Самый распространённый способ получения водорода из воды — электролиз, то есть разложение воды под действием электрического тока:
Побочный продукт электролиза — только кислород, однако этот процесс исключительно энергоёмкий. Для получения 1 кг водорода (напоминаем, теплотворная способность такого количества газа при 100%-ном КПД составит около 40 кВт•ч) нужно затратить 40—50 кВт•ч электроэнергии. Таким образом, расход энергии оказывается больше (а с учётом реальной эффективности использования конечного продукта — минимум вдвое больше), чем энергия, полученная на выходе. Что касается денежного эквивалента, то затраты на производство водорода путём электролиза оцениваются в $3—7 за 1 кг, что существенно выше, чем при конверсии углеводородов. И электролизом воды получают лишь 2% производимого водорода.
Другая проблема — собственно, источник электроэнергии для ведения электролиза. Пока около 63% всей производимой в мире электроэнергии вырабатывается на угольных и газовых теплоэлектростанциях. Причём это соотношение не изменилось за последние 30—40 лет. Да, доля таких возобновляемых источников энергии, как ветер и солнце, ощутимо растёт, но происходит это в большей степени за счёт снижения доли атомной и гидроэнергии, а не ТЭС. Поэтому на данный момент использование водорода в качестве топлива, полученного посредством электролиза воды, не приводит к снижению выбросов углерода в атмосферу, просто эти выбросы идут не с электролизных установок, а с электростанций, поставляющих им энергию.
По-настоящему «зелёным» водородом можно считать только тот, производство которого не связано с выбросами углерода, то есть если для его получения используется электроэнергия от возобновляемых источников: гидростанций, ветровых, солнечных, приливных, геотермальных станций. Однако и этот водород остаётся дорогим.
Но, несмотря на комплекс проблем — экономических, энергетических, экологиче-ских, — в последние годы в мире активно заговорили об использовании водорода в качестве транспортного топлива, источника тепловой и электроэнергии. Сейчас примерно половина производимого водорода идёт на получение аммиака, расходуемого большей частью для производства азотных удобрений. Кроме того, водород используется для получения метанола, в нефтепереработке, пищевой и косметической промышленности. И всего доли процента этого газа идут на энергетическое обеспечение.
Строительствоводородной утопии?
В 2017—2020 годах ряд стран приняли масштабные водородные программы (которые, правда, пока носят декларативный характер), предполагающие многократный рост потребления водорода с перспективами его использования в энергетических целях и, соответственно, с кардинальным увеличением его доли в энергобалансе.
В частности, Евросоюз в 2019 году опубликовал дорожную карту развития водородной экономики (Hydrogen Roadmap Europe). Согласно изложенному в ней сценарию, общее потребление водорода в качестве энергоносителя в странах ЕС должно к 2050 году вырасти почти в 8 раз с нынешних примерно 300 ТВт•ч (это 2% в общей структуре потребления энергии) до 2250 ТВт•ч, или 24%.
В Японии аналогичная дорожная карта (Strategic Roadmap for Hydrogen and Fuel Cells) предполагает рост объёмов использования водорода к 2050 году до 10 млн т в год.
Всего в мире заявлено уже более 200 водородных проектов на всех континентах, большей частью в Западной Европе и Восточной Азии.
По самым смелым прогнозам (вероятно, ориентирующимся на европейскую дорожную карту развития водородной экономики), к 2050 году в мире на водород придётся 24% всей потребляемой энергии — это около 40 000 ТВт•ч, что потребует производства до 2 млрд т этого газа в год — примерно в 20 раз больше, чем в настоящее время.
В России в августе 2021 года также была принята Концепция развития водородной энергетики, предполагающая создание трёх-четырёх водородных кластеров, или центров производства и использования водорода: Северо-Западного, Восточного, Арктиче-ского и, возможно, Южного. При этом три из них — Северо-Западный, Восточный и Южный — ориентированы главным образом на внешние рынки. Предполагается увеличение экспорта водорода до 0,2 млн т к 2024 году и до 2 млн т — к 2035 году. Из конкретных проектов пока можно назвать только создание Сахалинского водородного кластера.
По данным, приведённым в Концепции, текущий ежегодный мировой спрос на водород составляет 116 млн т, в том числе на чистый водород — 74 млн т и 42 млн т — на водород в смеси с другими газами в качестве сырья или топлива для производства тепловой и электрической энергии.
У России есть конкурентные преимущества: наличие энергетического потенциала в сочетании с большим объёмом недозагруженных мощностей; большой опыт производства водорода и развитая научно-техническая база; выгодное географическое положение — близость территорий с высоким энергетическим потенциалом (в том числе — возобновляемых источников энергии) к западноевропейскому и восточноазиатскому рынкам сбыта. Тем не менее принятая Концепция выглядит как реакция на мировой водородный тренд и стремление встроиться в него главным образом в качестве экспортёра — по аналогии с экспортом других энергоносителей, которые мы в настоящее время поставляем на мировой рынок. Действительно, обнародованные Западной Европой и Японией грандиозные водородные планы потребуют импорта водорода, поскольку собственных мощностей для его производства в заявленных объёмах у них просто не хватит. Чтобы убедиться в этом, можно обратиться к некоторым цифрам.
По данным Международного энергетического агентства и других организаций, ведущих энергетическую статистику, годовой объём производства электроэнергии сейчас в странах ЕС — менее 4000 ТВт•ч, из которых на возобновляемые источники, включая гидроэнергию, в 2019 году приходилось около 1500 ТВт•ч, или 38%. При этом, как сказано выше, к 2050 году, согласно амбициозным планам ЕС, водород должен давать более 2000 ТВт•ч энергии. То есть, если даже все электростанции ЕС, работающие на возобновляемых источниках, будут задействованы исключительно для производства водорода, их мощностей не хватит для реализации подобных планов. Аналогичная ситуация в Японии. Производство заявленных 10 млн т водорода в год потребует более 400 ТВт•ч электроэнергии. Но сейчас в Японии вырабатывается всего чуть более 1000 ТВт•ч, из них 200 ТВт•ч, или около 20%, на основе возобновляемых источников, включая ГЭС. Что касается газа и угля, то достаточных запасов у Европы и Японии тоже нет. Кроме того, как использование ископаемого горючего для производства водорода согласуется с курсом на декарбонизацию? Выходит, странам с большими водородными планами надо многократно наращивать мощности электростанций, работающих на возобновляемых источниках (что вряд ли возможно в случае Западной Европы или Японии), или импортировать водород. Второй вариант уже задействован в Японии. С 2019 года осуществляется проект поставок туда сжиженного водорода танкерами из Австралии. Но этот водород производится в Австралии из бурого угля. Вопрос тот же: а как же декарбонизация и борьба с глобальным потеплением?
Получается, что строительство водородной экономики возможно благодаря странам с богатыми углеводородными ресурсами и с менее жёстким подходом к экологии. Но в таком случае нет смысла говорить о сокращении эмиссии углерода и нельзя рассматривать переход на водородное топливо как путь к декарбонизации: в лучшем случае декарбонизация в одних точках земного шара будет следствием «карбонизации» на других территориях.
В России возможности для налаживания производства и экспорта водорода связаны не только с угольными и газовыми ресурсами, но и с развитой гидро- и атомной энергетикой, а также растущими мощностями солнечной и ветровой энергетики. В отдалённой перспективе возможна выработка водорода и на приливных электростанциях.
Добавим, что обсуждается целесообразность строительства трёх мощных приливных электростанций — Мезенской на Белом море, Тугурской и Пенжинской в заливах Охотского моря. Речь идёт об активизации работы над проектами приливных станций, начатой ещё в советское время. Сейчас они рассматриваются в контексте дешёвой и экологически чистой выработки водорода и аммиака и их экспорта в Западную Европу и Восточную Азию.
В то же время хотелось бы, чтобы увеличение производства водорода у нас было ориентировано в большей степени на соб-ственное технологическое и экономическое развитие, нежели чем на появление новой статьи экспорта энергоресурсов.
В мире, как мы видим, в отношении строительства водородной экономики, тем более под флагом декарбонизации и вообще заботы об экологии, есть ряд нерешённых вопросов и противоречий, связанных и с технологиями, и со стоимостью производ-ства водорода. По-видимому, в связи с этим в последние несколько лет заговорили об аммиаке как потенциальной замене водорода в качестве топлива. Анонсировано несколько проектов масштабного производства аммиака, например, в Саудовский Аравии и Австралии. В качестве топлива аммиак действительно имеет ряд преимуществ по сравнению с водородом. Прежде всего, этот газ «компактнее»: плотность газообразного аммиака при нормальных температуре и давлении — 0,78 кг/м 3 , что почти в девять раз выше, чем у водорода. Также аммиак проще хранить и в жидком виде: температура кипения аммиака 33°С, тогда как у водорода -252°С. Аммиак может выступать и в качестве самостоятельного топлива, и как своего рода аккумулятор, хранилище водорода. Однако получение аммиака сложнее, дороже и связано с ещё большими экологическими издерж-ками, чем производство водорода, — хотя бы потому, что для его производства сначала надо извлечь водород, а уже потом — соединить его с азотом.
Таким образом, ожидания быстрого перехода на водородное топливо выглядят явно завышенными. В то же время у водорода действительно есть энергетические перспективы. Прежде всего, он интересен как аккумулятор энергии, поэтому водородная энергетика может помочь развитию энергетики, основанной на возобновляемых источниках. Их главная (хорошо известная) проблема — нестабильность, с чем уже сталкиваются страны, где возобновляемые источники энергии заняли достаточно большую долю в энергобалансе. При этом аккумуляция энергии в пиковые периоды с тем, чтобы расходовать её во время энергетического дефицита, — задача пока не решённая, тем более на длительных временных интервалах, на уровне сезонов. Например, в высоких широтах, даже на широте Москвы, поступление солнечной энергии летом не уступает таковому в тропических и экваториальных широтах, да и у Полярного круга в середине лета солнечной энергии почти столько же, сколько в тропиках. Но зимой её в десятки раз меньше в средней полосе, тем более — в полярных зонах, где она практически отсутствует и солнечные батареи бездействуют. Очевидно, что в данном случае для эффективной работы солнечной энергетики необходимы системы её аккумуляции. Примерно то же можно сказать и о гидроэнергии, и о ветровой энергии — сила их энергетических потоков меняется на порядки в зависимости от сезона. Преобразование энергии в водород путём электролиза в период, когда её «некуда девать» и она, условно говоря, бесплатна, и последующее использование запасённого водорода в период недостаточного поступления энергии из возобновляемых источников выглядит эффективным и экологически чистым решением проблемы.
Системы аккумуляции водорода могут быть различными. Помимо упомянутого выше аммиака очень удобный, недорогой и компакт-ный способ хранения — в форме гидридов. Подобными разработками активно занимается, в частности, Лаборатория водородных энергетических технологий Объединённого института высоких температур РАН.
Другой перспективный вид использования водорода — топливные водородные элементы для транспорта. Они обладают высоким КПД, существенно превосходящим КПД двигателей внутреннего сгорания, а их стоимость с развитием технологий снижается, хотя пока автомобили на водороде остаются слишком дорогими для потребителей. Кроме того, может возникнуть конкуренция между водородным и электротранспортом. Уже сейчас проводятся сравнения целесообразности того и другого с технологической, экономической и экологической позиций.
В поисках свободного водорода
Выше мы говорили о том, что главная проблема становления водородной экономики — почти полное отсутствие в зоне нашей досягаемости свободного водорода. Но так ли это на самом деле?
Чтобы ответить на этот вопрос, начнём с фундаментального и, на первый взгляд, лишённого явной практической значимости вопроса о составе земного ядра. Согласно хрестоматийной схеме, оно железное, но достаточно давно высказывались предположения, в том числе В. И. Вернадским и другими исследователями ещё прошлых веков, о росте количества водорода с глубиной и, как следствие, возможностях выходов свободного водорода на земную поверхность. Предполагается, что наиболее активные выходы водорода — в рифтовых зонах. Также существует концепция гидридного, то есть состоящего из соединений водорода с металлами, ядра Земли, которую обосновал советский геолог Владимир Николаевич Ларин ещё в1970-е годы. Он провёл сравнительный анализ распространённости разных химических элементов на Солнце — в его фотосфере, во внешних геосферах Земли, на Луне и метеоритах. Согласно господствующему представлению, распределение элементов в Солнечной системе от центра к периферии определяется их массами: под действием солнечного ветра лёгкие элементы «выдуваются» на периферию, а тяжёлые остаются в центре. Однако анализ, проведённый Лариным, показал, что это распределение зависит не от массы, а от потенциала ионизации элемента (элемент тем дальше находится от Солнца, чем этот потенциал выше), и, исходя из этого, водорода в Земле должно быть существенно больше, чем принято считать. При этом гидриды в процессе сепарации вещества Земли оказались в её центральных областях. Далее Ларин предположил, что в результате радиоактивного распада химических элементов в глубинах Земли и, возможно, под влиянием других факторов происходит высвобождение водорода из гидридов, выход его на земную поверхность — и далее в атмосферу и за её пределы.
Эту концепцию В. Н. Ларин изложил в своей докторской диссертации 2 на тему «Земля: состав, строение и развитие (альтернативная глобальная концепция)», которая в 1993 году была опубликована под названием «Hydridic Earth: the New Geology of Our Primordially Hydrogenrich Planet» 3 («Гидридная Земля: новая геология нашей первоначально богатой водородом планеты»). А в более популярной форме идеи Ларина изложены в его книге «Наша Земля» 4 .
Если концепция Ларина подтвердится, дело останется за малым — найти места выхода свободного водорода на земную поверхность. И такие выходы нашли, в ряде случаев — с высокой концентрацией водорода — во многих точках земного шара, привязанные к определённым геологическим структурам, в том числе на территории России, также в Омане, Австралии, США и других странах.
В целом в мире опубликовано порядка сотен сообщений исследователей из разных стран о нахождении выходов водорода. В большинстве случаев выходы были обнаружены случайно, как, например, в 1987 году в Мали у села Буракебугу 5 .
Большой вклад в исследование водородной дегазации Земли внёс также российский геолог, доктор геолого-минералогических наук Владимир Леонидович Сывороткин. Результаты своих исследований он изложил в докторской диссертации, в книге «Глубинная дегазация Земли и глобальные катастрофы» 6 и в других, более поздних публикациях. Выходы водорода Сывороткин связывает прежде всего с рифтовыми зонами. Согласно его исследованиям, рифтовые зоны также совпадают с зонами отрицательных озоновых аномалий в стратосфере. Отметим, что, когда рассматриваются возможные экологические побочные эффекты водородной экономики, упоминается опасность утечек водорода из систем производства и транспортировки, в том числе, риск попадания водорода в стратосферу и разрушения озонового слоя. Согласно же исследованиям Сывороткина, периодическое разрушение озонового слоя носит природный характер — через водородную дегазацию. Владимир Леонидович, среди прочего, обращает внимание на феномен серебристых облаков — дело в том, что механизмы доставки воды на высоты, где они образуются (выше 70 км), до сих пор непонятны, а водородная дегазация и далее химическая реакция водорода с кислородом на этих высотах может дать адекватное объяснение данному явлению.
Есть предположение, что водородная дегазация свидетельствует о постоянном воспроизводстве месторождений углеводородов. Газ и нефть слагают два основных элемента — углерод и водород. И если углерода в земной коре очевидно много, то вопрос, откуда, собственно, взялся водород для формирования этих месторождений, в геологии остаётся открытым. Между тем, есть свидетельства вторичного пополнения уже исчерпанных нефтяных месторождений. Этот эффект известен и описан, в частности, для месторождений Поволжья (Алексеевское, Малышевское, Ромашкинское), Северного Кавказа, ряда месторождений в США. И если концепция водородной дегазации Земли верна, она даёт объяснение и этому феномену.
Хотя вопрос о составе глубинных слоёв Земли остаётся дискуссионным и делать однозначные выводы о возможностях добычи в промышленных масштабах свободного водорода, исходящего из глубин Земли, пока рано, имеющиеся данные обнадёживают, так что поиск свободного водорода, выходящего на земную поверхность, может иметь перспективы.
Потенциал ионизации элемента, или энергия его ионизации — минимальная энергия, которую необходимо затратить для отрыва электрона от атома.
Рифтовые зоны — протяжённые полосы (длиной в сотни и тысячи километров) тектонических зон, в которых происходит подъём мантийного материала. Этот подъём сопровождается распространением в стороны, что вызывает поперечное растяжение в верхних этажах земной коры. Рифтовые зоны пролегают через континенты и океаны.
Фотосфера Солнца — нижний слой его атмосферы, в котором формируется непрерывный спектр излучения Солнца в видимом диапазоне. Отметим, что у звёзд под атмосферой понимается не газовая оболочка, а её внешние слои.
Комментарии к статье
1 По данным International Energy Agency.
2 Ларин В. Н. Земля: состав, строение и развитие (альтернативная глобальная концепция): дисс. док-тора геол.-минер. наук, 1991.
3 Edited by C. Warren Hunt//Polar Publishing, Canada. 1993, 242 p.
4 Ларин В. Н. Наша земля. — М.: Агар, 2005. — 244 с.
5 Prinzhofer A., Tahara Cissé C. S., Diallo A. B. Discovery of a large accumulation of natural hydrogen in Bourakebougou (Mali) // International Journal of Hydrogen Energy, V. 43, Is. 42, 2018, pp. 19315—19326.
6 Сывороткин В. Л. Глубинная дегазация Земли и глобальные катастрофы. — М.: Геоинформцентр, 2002 (ЗАО Астра семь). — 250 с.
Статьи по теме