На первый взгляд, водород — идеальное топливо. Во-первых, он является самым распространенным элементом во Вселенной, во-вторых, при его сгорании высвобождается большое количество энергии и образуется вода без выделения каких-либо вредных газов. Преимущества водородной энергетики человечество осознало уже давно, однако применять ее в больших промышленных масштабах пока не спешит.
Водород не встречается на Земле в чистом виде. Его нужно получать, но все существующие сейчас способы либо очень затратные, либо малоэффективны. Кроме этого, процесс получения водорода идет с потреблением энергии, которая зачастую получают от сжигания углеводородного сырья с выбросом в атмосферу вредных продуктов.
Развитие применения возобновляемых источников энергии создал условия получения так называемого «зеленого» водорода (с использованием энергии, полученной из возобновляемых источников), а развитие новых технологий привел к удешевлению получаемого водорода.
Направления применения водорода, получившие толчок развития в последние годы.
Перед мировым сообществом в последние годы возникла проблема глобального потепления. По некоторым оценкам, рост глобальной средней температуры мирового климата еще на 2 градуса может привести к необратимому росту температуры и погубить все живое на планете. При сохранении текущих темпов роста использования углеводородного сырья для выработки энергии и связанного с этим выбросов парниковых газов, необратимый рост температуры планеты может наступить через 30 – 50 лет.
В опубликованном 16 ноября 2018 года на сайте https://www.nature.com/articles/s41467-018-07223-9 статье «Warming assessment of the bottom-up Paris Agreement emissions pledges» говорится, что текущая климатическая политика Китая, России и Канады ведёт к потеплению на 5 °С к концу столетия, немногим лучше выглядят США и Австралия (более 4 °С). Для стран Евросоюза этот показатель составляет 3—3,5 °С.
С целью недопущения необратимого роста глобальной средней температуры в рамках Рамочной конвенции ООН об изменении климата была принято консенсусом 12 декабря 2015 года Парижское соглашение. Она предусматривает принятие регулирующих мер по снижению содержания углекислого газа в атмосфере с 2020 года, удержание роста глобальной средней температуры «намного ниже» 2 °C и «приложение усилия» для ограничения роста температуры величиной 1,5 °C.
Достижение удержания роста глобальной средней температуры может быть достигнута, в том числе, наращиванием использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ), переходом на энергосберегающие и энергоэффективные технологии.
Возобновляемые источники энергии (солнечная и ветровая не постоянные, зависят от времени года и суток, от погодных условий) не могут полностью удовлетворить потребности. Поэтому возникает потребность в аккумулировании излишков, выработанных при благоприятных условиях энергии от возобновляемых источников.
Широко распространенные химические аккумуляторы электрической энергии либо имеют очень маленький срок службы (кислотные, щелочные), либо изготавливаются из редкоземельных дорогостоящих элементов (литий) с ограниченными запасами. Так же, эти аккумуляторы после срока эксплуатации подлежат к проблемному процессу утилизации и в конечном счете загрязняют окружающую среду.
В последние годы получили толчок развития направления использования водородного топлива, а именно «зеленого» водорода, которое может быть использовано в качестве аккумулятора энергии. Этот «зеленый» водород будет производиться путем расщепления молекул воды Н2О технологией электролиза или пиролиза на 2 атома водорода 2Н и атом кислорода О с использованием излишков электроэнергии, производимой на станциях ВИЭ. Этот процесс являясь экологически чистым сопровождается выбросом в атмосферу лишь чистого кислорода. Выделенный водород до использования хранится в специальных емкостях. Так же, водород может быть передан до места потребления как через трубопроводы, так и в цистернах, установленных на транспортных средствах.
Водород может быть использован:
а) в качестве топлива. Причем самым экологически чистым. В процессе горения водорода как продукты горения (выхлопной газ) состоят только из паров воды. Полученный в процессе горения тепловая энергия может быть использована как непосредственно в качестве тепловой энергии, так и преобразована в электроэнергию в тепловых электростанциях.
б) в качестве топливных элементов (ТЭ). Сейчас топливный элемент на водороде напоминает традиционный гальванический элемент с одной лишь разницей: вещество для реакции не хранится в элементе, а постоянно поставляется извне. Просачиваясь через пористый анод, водород теряет электроны, которые уходят в электрическую цепь, а сквозь мембрану проходят катионы водорода. Далее на катоде кислород ловит протон и внешний электрон, в результате чего образуется вода.
https://habrastorage.org/webt/sz/1y/v4/sz1yv4kk8lr4jcscv4tjhtbhyv0.gif
Принцип работы водородного топливного элемента. Источник: Geek.com
С точки зрения «зеленой» энергетики у водородных топливных элементов крайне высокий КПД — 60%. Для сравнения: КПД лучших двигателей внутреннего сгорания составляет 35-40%. Для солнечных электростанций коэффициент составляет всего 15-20%, но сильно зависит от погодных условий. КПД лучших крыльчатых ветряных электростанций доходит до 40%, что сравнимо с парогенераторами, но ветряки также требуют подходящих погодных условий и дорогого обслуживания.
Возможность изготовления безопасных водородных батарей практически любых мощностей позволяют использовать их как источник электроэнергии как в домашних хозяйствах, транспорте, космических кораблях, так и в крупных промышленных объектах.
Шухрат Исаев