О водороде как источнике энергии следующего поколения

Мы представим «водород» — источник энергии нового поколения, обладающий углеродной нейтральностью. Водород делится на три типа: «зеленый водород», «голубой водород» и «серый водород», каждый из которых производится по-разному. Мы также объясним каждый метод производства, его физические свойства как элемента, методы хранения/транспортировки и способы использования. И я также расскажу, почему он является доминирующим источником энергии нового поколения.

Электролиз воды для получения экологически чистого водорода.

При использовании водорода важно в любом случае «получить водород». Самый простой способ — «электролиз воды». Возможно, вы изучали это на уроках химии в начальной школе. Наполните стакан водой и поместите электроды в воду. Когда к электродам подключается батарея и подается на нее энергия, в воде и в каждом электроде происходят следующие реакции.
На катоде ионы H+ и электроны соединяются, образуя газообразный водород, а на аноде образуется кислород. Этот подход вполне подходит для школьных научных экспериментов, но для промышленного производства водорода необходимо разработать эффективные механизмы, пригодные для крупномасштабного производства. Речь идёт о «электролизе с использованием полимерной электролитной мембраны (ПЭМ)».
В этом методе между анодом и катодом помещается полупроницаемая полимерная мембрана, пропускающая ионы водорода. Когда в анод устройства заливают воду, ионы водорода, образующиеся в результате электролиза, перемещаются через полупроницаемую мембрану к катоду, где они превращаются в молекулярный водород. С другой стороны, ионы кислорода не могут пройти через полупроницаемую мембрану и превращаются в молекулы кислорода на аноде.
Также при щелочном электролизе воды водород и кислород образуются путем разделения анода и катода с помощью сепаратора, через который могут проходить только гидроксид-ионы. Кроме того, существуют промышленные методы, такие как высокотемпературный паровой электролиз.
Проводя эти процессы в больших масштабах, можно получить большие количества водорода. При этом также образуется значительное количество кислорода (половина объема производимого водорода), поэтому его выброс в атмосферу не окажет негативного воздействия на окружающую среду. Однако электролиз требует большого количества электроэнергии, поэтому безуглеродный водород можно производить с использованием электроэнергии, не полученной из ископаемого топлива, например, с помощью ветряных турбин и солнечных батарей.
«Зеленый водород» можно получить путем электролиза воды с использованием экологически чистой энергии.

Также имеется генератор водорода для крупномасштабного производства этого экологически чистого водорода. Благодаря использованию протонно-обменной мембраны в электролизерной секции водород можно производить непрерывно.

Голубой водород, получаемый из ископаемого топлива

Итак, какие еще существуют способы получения водорода? Водород существует в ископаемом топливе, таком как природный газ и уголь, в виде веществ, отличных от воды. Например, рассмотрим метан (CH4), основной компонент природного газа. В нем четыре атома водорода. Водород можно получить, удалив этот атом водорода.
Один из таких процессов называется «паровая конверсия метана», в котором используется пар. Химическая формула этого метода выглядит следующим образом.
Как видите, из одной молекулы метана можно извлечь оксид углерода и водород.
Таким образом, водород можно получать с помощью таких процессов, как «паровая конверсия» и «пиролиз» природного газа и угля. «Голубой водород» — это водород, полученный таким способом.
В этом случае, однако, в качестве побочных продуктов образуются окись углерода и диоксид углерода. Поэтому их необходимо перерабатывать, прежде чем они попадут в атмосферу. Если диоксид углерода, являющийся побочным продуктом, не перерабатывается, он превращается в газообразный водород, известный как «серый водород».

К какому элементу относится водород?

Водород имеет атомный номер 1 и является первым элементом в периодической таблице.
Атомы — самое большое число элементов во Вселенной, их количество составляет около 90% от всех элементов во Вселенной. Самый маленький атом, состоящий из протона и электрона, — это атом водорода.
Водород имеет два изотопа с нейтронами, присоединенными к ядру. Один нейтронно-связанный «дейтерий» и два нейтронно-связанных «трития». Эти вещества также используются для получения энергии в термоядерном синтезе.
Внутри звезды, подобной Солнцу, происходит ядерный синтез, в результате которого водород превращается в гелий, являющийся источником энергии для свечения звезды.
Однако водород редко существует в газообразном состоянии на Земле. Водород образует соединения с другими элементами, такими как вода, метан, аммиак и этанол. Поскольку водород является легким элементом, с повышением температуры скорость движения молекул водорода увеличивается, и они улетают из-под земной гравитации в космос.

Как использовать водород? Использование путем сжигания.

Итак, как же используется «водород», привлекший всеобщее внимание как источник энергии нового поколения? Он используется двумя основными способами: «сжигание» и «топливный элемент». Давайте начнем с использования «сжигания».
Существует два основных типа сгорания.
Первый вариант — ракетное топливо. Японская ракета H-IIA использует в качестве топлива газообразный водород («жидкий водород») и «жидкий кислород», находящийся в криогенном состоянии. Эти два вещества смешиваются, и выделяющаяся при этом тепловая энергия ускоряет впрыскивание молекул воды, выводя их в космос. Однако, поскольку это технически сложный двигатель, помимо Японии, только США, Европа, Россия, Китай и Индия успешно использовали это топливо.
Второй способ — это выработка электроэнергии. Газотурбинная выработка электроэнергии также использует метод соединения водорода и кислорода для получения энергии. Другими словами, это метод, который использует тепловую энергию, производимую водородом. На тепловых электростанциях тепло от сжигания угля, нефти и природного газа производит пар, который приводит в движение турбины. Если в качестве источника тепла используется водород, электростанция будет углеродно-нейтральной.

Как использовать водород? В качестве топливного элемента.

Еще один способ использования водорода — в качестве топливного элемента, который преобразует водород непосредственно в электричество. В частности, компания Toyota привлекла внимание в Японии, рекламируя автомобили на водородном топливе вместо электромобилей в качестве альтернативы автомобилям с бензиновыми двигателями в рамках мер по борьбе с глобальным потеплением.
В частности, при разработке метода производства «зеленого водорода» мы выполняем обратную процедуру. Химическая формула выглядит следующим образом.
Водород способен генерировать воду (горячую воду или пар) одновременно с выработкой электроэнергии, и его целесообразно использовать, поскольку он не оказывает негативного воздействия на окружающую среду. С другой стороны, этот метод имеет относительно низкую эффективность выработки электроэнергии — 30-40%, и требует использования платины в качестве катализатора, что приводит к увеличению затрат.
В настоящее время мы используем топливные элементы с полимерным электролитом (PEFC) и топливные элементы на основе фосфорной кислоты (PAFC). В частности, в автомобилях на топливных элементах используются PEFC, поэтому можно ожидать их широкого распространения в будущем.

Безопасно ли хранение и транспортировка водорода?

К этому моменту, как нам кажется, вы уже понимаете, как производится и используется водород. Итак, как хранить этот водород? Как доставить его туда, где он необходим? А как насчет безопасности в тот момент? Мы объясним.
На самом деле, водород — очень опасный элемент. В начале XX века мы использовали водород в качестве газа для запуска воздушных шаров, аэростатов и дирижаблей, потому что он был очень лёгким. Однако 6 мая 1937 года в Нью-Джерси, США, произошёл взрыв дирижабля «Гинденбург».
После аварии стало общепризнано, что водород опасен. Особенно при возгорании он бурно взрывается, выделяя кислород. Поэтому крайне важно «держать подальше от кислорода» или «держать подальше от источников тепла».
После принятия этих мер мы разработали способ доставки.
Водород при комнатной температуре находится в газообразном состоянии, поэтому, несмотря на это, он очень объёмный. Первый метод заключается в применении высокого давления и сжатии, как в цилиндре, при приготовлении газированных напитков. Для этого подготавливается специальный резервуар высокого давления, в котором водород хранится под высоким давлением, например, 45 МПа.
Компания Toyota, занимающаяся разработкой автомобилей на топливных элементах (FCV), разрабатывает водородный бак высокого давления из полимерной смолы, способный выдерживать давление до 70 МПа.
Другой метод заключается в охлаждении до -253°C для получения жидкого водорода, а затем его хранении и транспортировке в специальных теплоизолированных резервуарах. Как и в случае с СПГ (сжиженным природным газом), импортируемым из-за рубежа, водород сжижается во время транспортировки, уменьшая свой объем до 1/800 от объема в газообразном состоянии. В 2020 году мы завершили создание первого в мире танкера для перевозки жидкого водорода. Однако этот подход не подходит для автомобилей на топливных элементах, поскольку требует больших затрат энергии на охлаждение.
Существует метод хранения и транспортировки водорода в подобных резервуарах, но мы также разрабатываем другие методы хранения водорода.
Метод хранения заключается в использовании сплавов для хранения водорода. Водород обладает свойством проникать в металлы и разрушать их. Это перспективное направление было разработано в Соединенных Штатах в 1960-х годах. Эксперименты Дж. Дж. Рейли и др. показали, что водород можно хранить и высвобождать, используя сплав магния и ванадия.
После этого он успешно разработал вещество, такое как палладий, способное поглощать водород в объеме, в 935 раз превышающем его собственный объем.
Преимущество использования этого сплава заключается в том, что он может предотвратить утечки водорода (в основном взрывы). Поэтому его можно безопасно хранить и транспортировать. Однако, если не соблюдать осторожность и оставить его в неподходящих условиях, сплавы для хранения водорода со временем могут выделять водород. Даже небольшая искра может привести к взрыву, поэтому будьте осторожны.
Кроме того, у этого метода есть и недостаток: многократное поглощение и десорбция водорода приводят к охрупчиванию и снижению скорости поглощения водорода.
Другой вариант — использование труб. При этом необходимо, чтобы газ был несжатым и под низким давлением, чтобы предотвратить охрупчивание труб, но преимущество заключается в возможности использования существующих газопроводов. Компания Tokyo Gas проводила строительные работы на объекте Harumi FLAG, используя городские газопроводы для подачи водорода к топливным элементам.

Будущее общество, созданное благодаря водородной энергии

Наконец, давайте рассмотрим роль, которую водород может сыграть в обществе.
Что еще более важно, мы хотим содействовать созданию безуглеродного общества, мы используем водород для выработки электроэнергии, а не в качестве тепловой энергии.
Вместо крупных тепловых электростанций некоторые домохозяйства внедрили такие системы, как ENE-FARM, которые используют водород, полученный путем риформинга природного газа, для выработки необходимой электроэнергии. Однако вопрос о том, что делать с побочными продуктами процесса риформинга, остается открытым.

В будущем, если увеличится сам оборот водорода, например, за счет увеличения количества водородных заправочных станций, станет возможным использовать электроэнергию без выбросов углекислого газа. Электроэнергия, конечно же, производит «зеленый» водород, поэтому используется электроэнергия, вырабатываемая солнечным светом или ветром. Энергия, используемая для электролиза, должна быть направлена ​​на снижение объемов выработки электроэнергии или на зарядку аккумуляторной батареи при наличии избытка энергии от природных источников. Другими словами, водород находится в том же положении, что и аккумуляторная батарея. Если это произойдет, в конечном итоге станет возможным сократить выработку тепловой энергии. День, когда двигатели внутреннего сгорания исчезнут из автомобилей, стремительно приближается.

Водород можно получить и другим способом. На самом деле, водород по-прежнему является побочным продуктом производства каустической соды. В частности, это побочный продукт производства кокса в металлургической промышленности. Если этот водород поступить в распределительную сеть, можно получить несколько источников. Водород, произведенный таким образом, также поставляется водородными заправочными станциями.

Давайте заглянем дальше в будущее. Потери энергии также являются проблемой при использовании проводов для передачи электроэнергии. Поэтому в будущем мы будем использовать водород, поставляемый по трубопроводам, подобно резервуарам с угольной кислотой, используемым для производства газированных напитков, и покупать водородные баллоны для выработки электроэнергии для каждого домохозяйства. Мобильные устройства, работающие на водородных батареях, становятся обычным явлением. Будет интересно увидеть такое будущее.