Водород горит. Продукт сгорания — вода. Никакого CO₂, никакой сажи, никаких оксидов серы. Это и есть главный аргумент в пользу водородной энергетики. На практике — масса нерешённых задач с производством, хранением и транспортировкой. Но мировые инвестиции в водород исчисляются сотнями миллиардов долларов, и направление это никуда не денется.
Почему водород интересен как энергоноситель
Традиционные ископаемые топлива — уголь, нефть, газ — при сгорании выделяют CO₂. Это главная причина климатических изменений, с которыми борется весь мир. Водород при реакции с кислородом (как при горении, так и в топливном элементе) выделяет только воду. Ноль углерода в выбросах.
При этом водород — не первичный энергоресурс, как нефть или уголь. Его нужно произвести. Из чего и как его производят — определяет, насколько он реально «зелёный».
Цвета водорода
Промышленность придумала цветовую классификацию по методу производства.
Серый водород — паровой риформинг природного газа. Дёшево, масштабно, но с выбросами CO₂. Около 95% мирового производства сегодня.
Голубой водород — то же, но с улавливанием и захоронением CO₂ (технология CCS). Дороже серого, но почти без выбросов в атмосферу.
Зелёный водород — электролиз воды на возобновляемой электроэнергии (солнце, ветер). Ноль углерода на всей цепочке. Сейчас дорого, но цена снижается по мере роста объёмов.
Бирюзовый водород — пиролиз метана. Выход — водород и твёрдый углерод (сажа), а не CO₂. Перспективная технология.
Жёлтый водород — электролиз на атомной энергии.
Для промышленности сейчас актуален серый водород — дёшево и доступно. Для «зелёного перехода» целятся в зелёный — но его цена пока в 3–5 раз выше серого.
Топливные элементы: электричество без горения
Топливный элемент (ТЭ) — устройство, которое преобразует химическую энергию водорода в электрическую напрямую, без горения. Водород и кислород реагируют на мембране, выделяя электроны и воду.
КПД топливного элемента — 50–65%, при использовании тепла (когенерация) — до 85–90%. Это заметно выше, чем у двигателей внутреннего сгорания (30–40%).
Применяется в автомобилях (Toyota Mirai, Hyundai Nexo), автобусах, грузовиках, вилочных погрузчиках на складах с требованием нулевых выбросов в помещении, стационарных электростанциях резервного питания.
Водородный транспорт
В транспорте водород конкурирует с аккумуляторными электромобилями. Сравнение непростое.
Водород: быстрая заправка (5–10 минут), большой запас хода, не зависит от температуры (в отличие от аккумуляторов на морозе). Проблема — практически нет заправочной инфраструктуры.
Аккумуляторный электромобиль: заправочная инфраструктура развита, снижающаяся стоимость аккумуляторов. Проблема — долгая зарядка, деградация батарей.
Для тяжёлого коммерческого транспорта — грузовиков, поездов, кораблей — водород выглядит более перспективным, чем аккумуляторы. Высокая энергоплотность и быстрая заправка там критичнее.
Хранение и транспортировка водорода
Это ключевая нерешённая задача. Водород — самый лёгкий газ, с очень низкой объёмной плотностью энергии. Чтобы хранить разумное количество, его или сжимают под давлением 350–700 атм, или сжижают при −253 °C.
Сжатый водород: стальные или kompozitные баллоны высокого давления. Применяется в автомобилях и на промышленных объектах. Транспортировка — специальные тягачи с несколькими сотнями баллонов.
Жидкий водород: криогенные ёмкости при −253 °C — всего 20 °C выше абсолютного нуля. Технически сложнее жидкого азота (−196 °C). Применяется в ракетной технике и начинает применяться в энергетике.
Промышленное применение сегодня
Водородная энергетика — это не только будущее. Водород уже сегодня применяется в промышленных энергосистемах.
Нефтеперерабатывающие заводы используют водород для гидрокрекинга и гидроочистки — повышения качества топлива. Химические предприятия — для синтеза аммиака и метанола. Металлургия — для прямого восстановления железной руды без кокса.
Для безопасного хранения и транспортировки промышленного водорода — специальные баллоны с левой резьбой, рампы без меди в арматуре. О свойствах и опасностях водорода подробно — в статье «Газ водород». Каталог газового оборудования — на kst116.ru.
Водород в России
Россия — крупный производитель природного газа, из которого делают водород. Это создаёт очевидную базу для производства голубого водорода (с улавливанием CO₂). Несколько пилотных проектов по экспорту водорода в Японию и Европу уже реализованы.
Внутреннее потребление водорода в России — пока в основном в промышленности: аммиак, нефтепереработка, химия. Транспортное применение и стационарная энергетика на водородных топливных элементах — в стадии пилотов.
Инфраструктура для безопасного хранения и транспортировки водорода — специальные баллоны с левой резьбой, рампы без медесодержащей арматуры. О требованиях к оборудованию — в статье «Газ водород».
