Известно высказывание Д.И. Менделеева «Сжигать нефть – все равно, что топить печку ассигнациями». Это особенно актуально, так как доля нефти в энергетическом балансе составляет около 35 %.
Действительно, в настоящее время стержнем мировой экономики является нефтегазовая отрасль, которая обеспечивает экономический рост. Но в условиях возрастающих экономических требований, логистических проблем, связанных с продажей углеводородного сырья, в нашей стране резко возрос интерес к водородной проблеме. Падение спроса и цен на углеводороды заставили нефтегазовые компании пересмотреть роль этих энергоносителей. С учетом вышесказанного в качестве одного из путей достижения нулевого сброса углекислого газа (СО2 )переход на производство водорода является актуальной задачей.
Из известных и наиболее развитых 5 способов получения водорода самым перспективным в будущем является электролизный метод получения так называемого «зеленого» водорода, но стоимость его производства выше известных.
«Зеленый» водород, получаемый методом электролиза, имеет следующие преимущества: является самым безопасным с точки зрения экологии, так как обладает нулевым сбросом углекислого газа (СО2), его можно долговременно хранить, он не токсичен, его можно транспортировать, он может использоваться как топливо в различных двигателях. Водород самый перспективный вид топлива в будущем, обладает большой эффективностью. Водород в три раза эффективнее электричества.
При горении водород выделяет безвредный для человека и природы водяной пар. Коэффициент полезного действия у водородного двигателя составляет 90 %, у двигателя внутреннего сгорания 35 %, а у дизельного двигателя около 50 %. Кроме того, водород экономичнее – расход такого топлива ниже, чем расход углеводородного. Водород можно транспортировать по газопроводам. К недостаткам водородной энергии относятся взрывоопасность при нагреве, сложность хранения и перевозки, высокое потребление электроэнергии (для получения 1 м3 водорода требуется 4–6 кВт/ч).
Хранить водородное топливо можно как в жидкой, так и в сжатой форме, он примерно в 14,5 раз легче воздуха. Перевозить водород можно несколькими способами: в газообразном и жидком состояниях или в связанном виде с помощью твердых и жидких носителей. В настоящее время водород транспортируется преимущественно в газообразном состоянии по трубопроводам или в сжиженном виде в криогенных цистернах. Необходимо отметить, что до настоящего времени не разработано универсальное решение для хранения и перевозки водорода, но работы в этом направлении ведутся. В настоящее время себестоимость одного килограмма «зеленого» водорода составляет от 3 до 10 долларов.
Известно, что водород является самым легким, распространенным и перспективным энергоносителем в будущем, он не имеет цвета и запаха, по энергоэффективности он превышает природный газ в 2,7 раза, а нефть в 3,4 раза. Плотность водорода в газообразном состоянии составляет 0,09 кг/см3, а в жидком – 70 кг/см3. Водород – сильный восстановитель металлов, отнимающий кислород из их окислов. У него есть поистине фантастическое свойство – проникать сквозь стекло и металлы, входить в кристаллические решетки минералов, образуя твердый раствор. Все это создает проблемы при его добыче, транспортировке, хранении и использовании.
Электролиз воды был впервые произведен в 1800 году английским ученым Вильямом Николсоном, а немецкому ученому Иоганну Риттеру чуть позже удалось разъединить выделяющиеся при электролизе воды водород и кислород.
В 1834 году английский ученый Майкл Фарадей открыл количественные законы электролиза, устанавливающие связь между количеством прошедшего через электролит электричества (g), массой (m) и химической природой веществ, участвующих в процессе:
Зная величину тока i и время его протекания t, можно рассчитать количество полученного водорода при электролизе воды:
где V – объем выделившегося водорода, м3; i – сила тока, А; t – время, с;
ρ – плотность водорода, кг/м3 [1].
В 1927 году в Норвегии впервые был изготовлен и запущен в производство промышленный образец водно-щелочного электролизера для получения водорода [1].
Применение любого топлива способствует увеличению выброса углекислого газа в атмосферу и только применение водорода является приятным исключением. С учетом этого получение водорода путем электролиза воды является самым перспективным методом в ближайшем будущем, при одном условии, что затраты электроэнергии будут минимальными.
Стоимость электролизного водорода зависит от величины капитальных и эксплуатационных затрат. Электролиз воды имеет большой потенциал для использования в производстве водорода с целью получения удобрений, продукции нефтехимической промышленности, а также для использования в качестве топлива различных двигателей.
В настоящее время программы развития водородных технологий приняты в более чем 20 странах, в том числе и в России.
Известно множество технологий электролиза воды, но все они используют один и тот же принцип: пропускание электрического тока через воду вызывает разложение ее на молекулы кислорода и водорода:
на катоде: 4Н2 О+4е-=2Н2+4ОН-,
на аноде: 4Н2 О-4е-=О2+4Н+.
В настоящее время известны три основных технологии электролиза воды с целью получения зеленого водорода: щелочной электролиз, электролиз твердых оксидов, электролиз воды на протонообменной мембране. Щелочные электролизеры считаются самыми распространенными, они используют водный 20–40%-ный; щелочной раствор в качестве электролита, чаще всего применяется гидроксид калия (КОН). Между катодом и анодом находится полупроницаемая мембрана. Электроды изготавливаются из гидрида магния с добавлением хрома и никеля, из никеля или никелированной стали. При пропускании постоянного электрического тока происходит разложение водя на ионы водорода на катоде, на аноде ионы гидроксила образуют воду и кислород [6–9]. Принципиальная схема щелочного электролизера представлена на рис. 1.
РИСУНОК 1. Принципиальная схема щелочного электролизера:
Электролиз на протонообменной мембране применяется для получения водорода в небольших количествах. На аноде вода расщепляется на протоны, электроны и газообразный кислород. Протоны проходят через мембрану, а электроны движутся через внешнюю электрическую цепь. На катоде протоны и электроны воссоединяются, образуя газообразный водород [6–9].
В случае применения электролиза твердых оксидов в ячейках электролизера в качестве электролита используется тонкий плотный оксидный слой, который становится проводящим для ионов кислорода при повышенных температурах [6–9]. Электролизеры этого типа проходят испытания.
Последние годы характеризуются ростом потребления углеводородного сырья и, как результат, происходит увеличение выброса оксидов углерода в атмосферу. При этом фотосинтез растений не может компенсировать большое количество СО2. Климат Земли изменяется, так как растет средняя температура, а это вызывает тревогу у жителей всего мира. Эффективным способом решения указанных проблем является переход к энергетике, базирующейся на возобновляемых источниках энергии, в частности солнечной и ветряной энергетики. И в этой связи особо ценной будет технология получения водорода методом электролиза с использованием возобновляемых источников электроэнергии. Использование водорода как топлива будет способствовать снижению углеродных выбросов и развитию водородного транспорта и энергетики в целом.
Чтобы достичь высокую эффективность генерации водорода методом электролиза, необходимо выполнять комплексные исследования на стыке катализа, электрохимии, материаловедения и химической технологии. Эти исследования послужат основой для снижения зависимости от невозобновляемых источников углеводородов и увеличения доли возобновляемых источников энергии.
Водород – потенциальная замена привычному топливу. Использовать водород можно на производстве, в автомобилестроении, ракето- и самолетостроении.
Первый водородный топливный элемент был сконструирован английским ученым Уильямом Гроувом в 30-х годах XIX века. Гроув пытался осадить медь из водного раствора сульфата меди на железную поверхность и заметил, что под действием электрического тока вода распадается на водород и кислород. После этого открытия Гроув и работавший параллельно с ним Кристиан Шенбейн продемонстрировали возможность производства энергии в водородно-кислородном топливном элементе с использованием кислотного электролита.
Позже, в 1959 году, Фрэнсис Т. Бэкон из Кембриджа добавил в водородный топливный элемент ионообменную мембрану для облегчения транспорта гидроксид-ионов.
Двигатели, работающие на водороде, появились сравнительно недавно, но уже выпускаются серийно. Это направление внедрения водорода – одно из самых перспективных и наиболее проработанных. На водородном топливе выпускаются автомобили Ford Focus, Mazda, Mercedes-Benz, Honda, Toyota. В России, к сожалению, транспорт на водороде развивается медленнее, чем за рубежом, и только одна заправочная станция работает в городе Черноголовке.
К 2050 году основные покупатели российских углеводородов (Китай, Индия, Европа) могут полностью отказаться от энергии, при производстве которой в атмосферу выбрасывается углекислый газ. России необходимо найти новые энергетические источники и, соответственно, новые источники зарабатывания денег. Главной альтернативой углеводородной энергетики является водородная энергетика. По прогнозам наших ученых, Россия к середине XXI века вполне сможет продавать водород как топливо на сумму более ста миллиардов долларов. То есть, образно выражаясь, заменить нефтяную иглу на водородную. Для этого правительство страны начало решать вопросы, касающиеся развития водородной энергетики.
В рамках энергетических программ ЕС предполагается революционное изменение. Водород к 2050 году должен вытеснить нефть и газ из структуры энергетического баланса Европы. Однако до тех пор, пока не будут найдены реальные источники получения водородного топлива и установлены дополнительные электролизеры суммарной мощностью в сотни гигаватт, пока детально не будет рассчитана экономическая целесообразность отказа от традиционных ресурсов энергии, эти программы не будут реализованы на практике.
На XXII Российском международном энергетическом форуме в Санкт-Петербурге в 2025 году обсуждались проблемы добычи и использования водорода. Вопросы перехода мировых экономик, в том числе и нашей, на водородную энергетику сегодня стоят очень остро.
Парижское соглашение, которое подписали 197 стран 12 декабря 2015 года, направлено на сокращение выбросов парниковых газов и ограничение повышения глобальной температуры в текущем состоянии до 2 °С. Предполагается к 2050 году обеспечить углеродную нейтральность и независимость от ископаемого топлива, как источника экономического роста, достичь нулевого уровня выбросов вредных газов. Инструментом такого перехода будет инновационный уровень развития технологий и необходимость снижения стоимости электроэнергии с использованием возобновляемых источников энергии.
В настоящее время доминирующая роль водорода в будущем развитии энергетики уже не обсуждается. Обозначен стратегический переход от экономики на основе угля, газа, нефти к водяной экономике. Вместе с тем технологии получения солнечной, ветровой, геотермальной и ядерной энергии никто не отменял. Необходим плавный переход от всех источников сегодняшней энергетики к водородной энергетике.
Электролиз воды с целью получения водорода требует достаточно большое количество электроэнергии. В этом случае рекомендуется использовать электроэнергию солнечных батарей, ветровых электростанций, а лучший вариант – если предприятие по электролизу воды будет иметь, с целью исключения перебоев с подачей электроэнергии, эти два источника питания.
Национальная резервная комиссия США оценила ресурсы возобновляемого водорода и провела анализ затрат на производство водорода из солнечных и ветровых ресурсов, посредством электролиза воды. Предполагалось, что солнечная энергия преобразуется в электричество с помощью фотоэлектрического пластинчатого коллектора с эффективностью 10 %. Оценка ветровых ресурсов производилась на ветровых объектах, относящихся к классу 3 и выше. Класс 3 соответствует емкости 0,2. При этом электролизатор потребляет 53 кВт/ч для получения одного килограмма водорода, что соответствует эффективности 75 %. Для того чтобы возобновляемые источники могли производить водород с использованием обычных электролизаторов по цене менее трех долларов за один килограмм, стоимость электроэнергии должна составлять от 0,04 до 0,055 доллара за один киловатт-час. Для производства водорода по цене 2 доллара за 1 килограмм цена на электроэнергию должна быть ниже 0,01 доллара за один киловатт-час.
Национальная лаборатория возобновляемой энергии (США) испытала экспериментальную систему производства энергии из ветра для получения водорода методом электролиза воды. Система связывала ветряные турбины мощностью 100 кВт с электролизаторами с общей мощностью водорода 20 кг в сутки (который был сжат до 230 атм и хранился в специальных резервуарах). Стоимость произведенного водорода составила 5,5 доллара за 1 килограмм. Предполагается, что водород, вырабатываемый электроэнергией, будет конкурентоспособен с бензином, если стоимость ветровой энергии снизится до 0,015 доллара за один киловатт-час.
Среди возобновляемых ресурсов в настоящее время ветровая энергия может производить водород по самой низкой цене и стать основой будущей водородной экономики.
Оценив наиболее распространенные способы получения водорода необходимо отметить, что самые высокие шансы быть в будущем самым востребованным есть у «зеленого» водорода. Это прежде всего сырье – запасы воды на земле огромные. Останется главное – удешевить возобновляемые источники электроэнергии и снизить стоимость катализаторов.
Доступность «зеленого» водорода является одним из последних препятствий для массового его внедрения. Китай уже производит электролизаторы для производства зеленого водорода за значительно меньшую цену, чем остальной мир, что говорит о возможности производить экономичный водород.
Согласно данным Международного энергетического агентства, в 2025 году в мире было произведено более 100 млн тонн водорода. Больше 95 % водорода получают из ископаемых источников. 30 % производимого водорода расходуется на производство аммиака для удобрений, 20 % – на метанол и сталелитейную промышленность, остальное – нефтепереработка, стекольная и пищевая промышленность, охлаждения турбин АЭС, ТЭЦ.
В настоящее время суммарный объем производства водорода в мире составляет более 75 млн. тонн, при этом порядка 69 % водорода производят из метана, из нефти – 15 %, из угля – 10 % и 6 % – из воды с помощью электролиза.
В настоящее время очень много нужно сделать предприятиям, научно-исследовательским институтам и отдельным ученым, чтобы минимизировать стоимость электроэнергии, необходимой для производства «зеленого» водорода.
Мнение специалистов – затраты на производство «зеленого» водорода и дальше будут снижаться, следовательно, его звездный час еще впереди. Самым востребованным водородом будет тот, который производится с использованием технологии нулевого сброса и дешевой электроэнергии. Во многих странах разрабатываются технологии, которые будут востребованы для перехода на 100%-ное водородное топливо. Вопросы декарбонизации и предотвращение «углеродной зависимости» за счет использования водорода в качестве топлива остро стоят сегодня на повестке дня.
Вопросы стоимости, хранения и транспортировки остаются ключевыми препятствиями на пути к широкому внедрению водорода. Это препятствие можно решить за счет производства экологически чистого водорода на месте его потребления.
Электролиз может быть процессом без углерода, если используемая энергия генерируется из возобновляемых источников энергии. В настоящее время водород в основном производится из ископаемого топлива или других процессов выбросов углерода, поскольку электролиз слишком дорог из-за большого количества энергии.
В настоящее время многие страны используют водород в качестве горючего для различных транспортных средств. В России до настоящего времени выпускаются только экспериментальные образцы транспортных средств на водородном топливе, и массовое внедрение водородной технологии планируется в ближайшее время.
В перспективе до 2050 года основной рост спроса на зарубежном и российском рынках будет приходиться именно на «зеленый» водород, получаемый с помощью электролиза. В настоящее время наиболее рентабельным является «красный», «синий» и «серый» водород. «Зеленый» и «оранжевый» является перспективными видами топлива. «Зеленый» водород является самым безопасным с точки зрения экологии.
Необходимо более интенсивно использовать опыт развития водородной энергетики Норвегии, Австралии, Японии, Германии, США.
Инженеры из компании «Honda» разработали в США домашнюю установку для заправки автомобиля сжатым водородом. За восемь часов ночной работы электролизная установка вырабатывает 0,5 кг водорода, что достаточно для пробега автомобиля на 350 км. Эффективность выработки водорода удалось увеличить на 25 %, при этом усовершенствованный механизм электролизной установки позволит отказаться от компрессора для сжатия водорода. Домашняя электролизная установка соединена с солнечными батареями, которые собирают энергию для ночного получения водорода, излишки энергии отправляются в домашнюю электросеть. В пасмурные дни станция, наоборот, использует электросеть для получения водорода, которым в течении пяти минут заправляется автомобиль [10].
Специалисты датской фирмы «Амминекс» разработали и уже применяют так называемые водородные таблетки, которые изготавливаются путем выдерживания аммиака в среде солей типа MgCl2 или CaCl2. При такой операции аммиак реагирует с этими солями с образованием сложного комплексного химического вещества – Mg(NH3)Cl2. Данный продукт является твердым и нетоксичным, содержание водорода в 1 л его объема составляет около 110 г, при этом 10 % его массы приходится на водород. Экстракция этого водорода из такого вещества происходит при нагреве [10].
Получение водорода из воды методом электролиза более целесообразно, прежде всего с экологической точки зрения, тем более что цена электролизного водорода приближается к цене постоянно дорожающего «серого» водорода, получаемого в основном из природного газа метана. И самое главное: необходимо добиться снижения стоимости электроэнергии для выполнения электролиза воды путем применения нетрадиционных источников электроэнергии – солнечных батарей и ветровых станций, а также разработать инновационные недорогие катализаторы и начать внедрять инновационные химические активаторы.
Основным фактором, сдерживающим развитие водородного транспорта в России, является отсутствие заправочных станций. В настоящее время требуются инвестиции для строительства заправочных станций, хранения и распределения водорода.
Заключение
- Выполненный анализ по проблеме электролиза воды с целью получения «зеленого» водорода позволяет сделать следующие выводы:
- Проблема получения водорода актуальна и перспективна.
- Из всех известных способов получения водорода получение «зеленого» водорода методом электролиза в ближайшие годы будет главным, определяющим энергетическую политику во всех странах.
- Предприятие по электролизу водорода необходимо размещать в том месте, где имеется постоянный неограниченный источник воды, возможность расположить одновременно два возобновляемых источника электроэнергии – ветровой и солнечной.
- С целью снижения стоимости водорода, получаемого с помощью электролиза, необходимо: уменьшить стоимость катализаторов, путем отказа от драгоценных металлов, таких как платина, и использовать другие металлы; для получения дешевой электроэнергии использовать попеременно два возобновляемых источника – солнечную и ветровую, в зависимости от состояния погоды.
- Для широкого внедрения технологии электролиза воды с целью получения водорода необходимо увеличить инвестирование в исследовательские и опытно-конструкторские работы.
Литература
- Григорьев С.А., Порембский В.И., Фатеев В.Н., Самсонов Р.О., Козлов С.И. Получение водорода электролизом воды: современное состояние, проблемы и перспективы.
- Григорьев С.А., Порембский В.И., Фатеев В.Н., Самсонов Р.О., Козлов С.И. Получение водорода электролизом воды: современное состояние, проблема и перспективы // Транспорт на альтернативном топливе. – № 3. – май 2008. – С. 62–69.
- Ненахов В.М., Полеванов В.П., Жабин А.В., Бондаренко С.В., Золотарев Г.С. Перспективы Воронежской антеклизы на обнаружение природного водорода // Вестник Воронежского университета. Серия: Геология. – 2022. – № 2. – С. 4–18.
- Пастухов Н.П. Результаты геотермического зондирования поверхностных отложений Братского газоконденсатного месторождения // Геология и полезные ископаемые Восточной Сибири. Тез. докл. конф. – Иркутск, Иркутский университет. – 1982. – С. 80.
- Чжоу Ю., Ли Р., Лв З., Чжоу Х., Сюй К. Зеленый водород: многообещающий путь к безуглеродному обществу. Chin J. Chem. Eng. – 2022, 43. – С. 2–13.
- Markus Lehner, Robert Tichler, Horst Steinmüller, Markus Koppe. Power-to-Gas: Technology and Business Models. SpringerBriefs in Energy, 2014.
- Генераторы водорода [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://gasonsite.ru/hydrogen-electrolysis. – Дата доступа: 08.04.2021.
- Martin Lambert. Power-to-Gas: Linking Electricity and Gas in a Decarbonising World? Oxford Energy Insight: 39, October 2018.
- Водород – РЕМ [Электронный ресурс. – 2020. – Режим доступа: [https://gasonsite.ru/hydrogen-pem]. – Дата доступа: 08.04.2020.
- Дугин Г.С., Григорьев С.А. Новые возможности использования топливных элементов на транспортных средствах // Транспорт на альтернативном топливе. – 2010. – № 2 (14). – С. 76–78.
