Так вышло, что водород во вселенной представлен в гораздо большем объеме, чем любой другой элемент. Он является основным компонентом звезд, включая Солнце, которое состоит из водорода на 90 %. Даже в наших телах более 60 % всех атомов — водород. И вместе с тем водород — это самый простой атом. В нем всего один протон, на орбите которого вращается один электрон. Он не имеет запаха, цвета и очень энергичен. Но главное — водород является отличным топливом.

Один килограмм водорода может выделить достаточно энергии, чтобы проехать на обычном автомобиле 130 км или обеспечить два дня отопление для средней семьи. А при сжигании водорода в воздухе единственным выбросом является вода (сравните это с выбросами при сжигании бензина или дизеля!).

Преобразовать энергию водорода в электричество можно в так называемом топливном элементе. В нем происходит, по сути, тот же химический процесс, что и в горении: водород соединяется с кислородом, образуя воду и выделяя энергию; только в топливном элементе энергия превращается в электричество, а не в тепло. Главное достоинство топливных элементов состоит в том, что они очень эффективны. Около 60 % энергии водорода может быть преобразовано в электричество для приведения автомобиля в движение, по сравнению с 20 % энергии бензина. Таким образом, водородные автомобили могут быть в три раза эффективнее.

Водород теперь будет играть решающую роль в преодолении климатического кризиса и избавлении мира от выбросов парниковых газов. По оценкам исследователей, в мире с нулевым выбросом CO₂ водород может обеспечить до четверти всех наших энергетических потребностей. Однако, несмотря на его центральную роль в нашем безуглеродном будущем, существует ряд опасений и предрассудков по поводу использования водорода. Так что давайте подробно разберем все его плюсы и минусы.

Насколько вообще безопасен водород?

Катастрофа дирижабля «Гинденбург» и взрывная мощь водородной бомбы создали образ водорода как невероятно опасного газа. На самом деле это далеко от правды. Катастрофа «Гинденбурга» в 1937 году, когда дирижабль, поднятый водородным газом, загорелся, в результате чего погибли 36 человек, до сих пор приводится в качестве примера взрывных свойств этого элемента. Однако вопрос о том, был ли именно водород источником пожара, остается спорным: существует несколько судебно-медицинских экспертиз, которые утверждают, что в течение полуминуты горела сама ткань обшивки дирижабля по мере того, как он опускался на землю, а не водород. И вообще вся эта история постепенно отходит на второй план, поскольку сегодня доминирующим видом транспорта для перевозки людей и грузов по воздуху стал самолет.

Сегодняшнее стремление к использованию водородной энергии также не связано со взрывом водородной бомбы. Ее принцип действия основан на ядерном синтезе, процессе, который достигается только при экстремальной температуре и давлении, во много тысяч раз превышающих все, что когда-либо произойдет в автомобиле, корабле или самолете.

Но, конечно, как и любая технология, водород никогда не будет полностью лишен рисков. Водород может воспламеняться в концентрации от 4 до 74 %, что дает ему самый широкий диапазон воспламеняемости среди всех видов топлива. Водород также может привести к взрыву (когда пламя распространяется со сверхзвуковой скоростью) при концентрации от 18 до 59 %. И для этого не нужно сильной искры. При самой огнеопасной концентрации — 28 % — для воспламенения достаточно крошечной искры с энергией всего 0,02 миллиджоуля.

Хорошая новость о водороде заключается в том, что он быстро рассеивается. Если просачивается в открытый воздух, то поднимается вверх (ведь он намного легче воздуха), и его концентрация стремительно падает ниже взрывоопасного уровня.

В автомобилях с водородным двигателем топливные баки практически неразрушимы. И даже если бак пробит, водород почти мгновенно рассеивается. А это означает, что при повседневном использовании он не более рискован, чем топливо, которое мы используем сегодня (бензин, керосин, дизель, природный газ).

Безопасен ли процесс производства водорода?

Большая часть водорода в мире производится с помощью процесса, называемого паровым метановым риформингом, который объединяет метан и воду для получения водорода и двуокиси углерода (CO₂), мощного парникового газа. Этот продукт известен как «серый» водород. Но ситуация меняется. Вместо ископаемого метана в качестве источника водорода мы можем использовать электричество для расщепления воды (H₂O) на водород (H₂) и кислород (O₂). Если электричество поступает из возобновляемого или низкоуглеродного источника, то это чистый, «зеленый» водород с практически нулевыми выбросами углерода.

«Зеленый» водород становится все более привлекательным вариантом, поскольку стоимость возобновляемых источников энергии резко падает. Десять лет назад возобновляемые источники энергии, такие как ветер и солнце, были дорогими — около 400 евро за мегаватт-час. В 2021 году в Саудовской Аравии был выигран аукцион по продаже солнечной энергии по цене, эквивалентной примерно 8 евро за мегаватт-час.

В то же время оборудование (электролизеры), используемое для производства «зеленого» водорода, станет намного дешевле по мере роста масштабов отрасли и разработки более эффективного оборудования. «Зеленый» водород вскоре может стать дешевле «серого». Впрочем, есть и другие «цвета» водорода.

Например, «голубой» водород производится из метана (CH₄) аналогично «серому», но вместо того чтобы выбрасывать углекислый газ в атмосферу, его улавливают и закапывают под землю или, что еще лучше, превращают в новые продукты, такие как пластик и строительные материалы. «Голубой» водород имеет низкий уровень выбросов CO₂ при условии, что природный газ, используемый для его производства, не утекает при добыче и транспортировке и что большая часть CO₂ может быть уловлена.

Далее следует «бирюзовый», в котором используется процесс пиролиза для нагревания метана в отсутствие кислорода, в результате чего водород и углерод превращаются в твердый материал, который можно использовать в строительстве, а также для изготовления шин. Помимо этого существует «розовый» водород, который использует электричество, получаемое из ядерной энергии, для расщепления воды на водород и кислород с помощью электролиза. В глобальном масштабе это означает, что каждая страна сможет производить водородное топливо для собственных нужд, используя оптимальный с точки зрения затрат ресурсов способ.

Что насчет экономической целесообразности?

Несомненно, прямое использование возобновляемой электроэнергии более энергоэффективно, чем ее преобразование в водород, а затем использование в качестве источника энергии. Однако для многих вещей прямая электрификация невозможна или нецелесообразна. Тяжелая промышленность, например сталелитейное производство, нуждается в химическом сырье, и «зеленый» водород может заменить металлургический уголь, выбрасывающий CO₂, или химикаты на основе ископаемого топлива. Многие отрасли промышленности также нуждаются в высоких температурах, которые дорого производить с помощью электрического нагрева. Транспорт больших расстояний, например поезда или судоходство, а также зимнее отопление в странах и районах с холодным климатом требуют настолько больших затрат энергии, что хранение достаточного количества электрической энергии очень непрактично. Однако водород легко можно хранить в резервуарах под давлением или в больших кавернах, вырытых в каменной соли глубоко под землей.

Рекомендуем почитать:

Использование водорода для хранения или транспортировки энергии в разумном сочетании с возобновляемыми источниками энергии приведет к созданию энергетической системы с наименьшими затратами, особенно если учесть, что водород также станет намного дешевле. А по мере того как все больше и больше стран ставят водородные цели в своей энергетической системе, все больше компаний объявляют о новых проектах по переходу от ископаемого углеродного топлива к использованию водорода и все больше инвесторов признают финансовый потенциал водорода, отрасль стремительно расширяется, что ведет к снижению стоимости электролизеров, используемых для получения водорода из воды.

Важным препятствием на данном этапе является цена: в 2021 году стоимость «голубого» водорода составляла около 6 евро за килограмм. Коалиция компаний Green Hydrogen Catapult намерена способствовать снижению цены на водород более чем в два раза: до 3 долларов за килограмм к 2026 году, а администрация Байдена запустила план Earthshot, согласно которому к 2030 году цена на водород составит 1 доллар за килограмм.

Водород и необходимая инфраструктура

Водород нужно не только производить и хранить, но и транспортировать. Логичное опасение состоит в том, что водород может проникнуть в сталь трубопроводов и сделает их слишком хрупкими. Однако эксперименты и анализ существующих труб показали, что в более мягких сортах стали это происходит очень медленно, и, к счастью, большая часть магистральных трубопроводов в Европе сделана из такой мягкой стали с очень толстыми стенками, которые могут безопасно удерживать водород в течение нескольких десятилетий. А в таком случае обслуживание трубопроводов не станет более сложным и дорогим, чем оно является сегодня.

Для распределения низкого давления в городских районах большая некоторые страны Европы с 2000 года меняют железные газовые трубы на полиэтиленовые трубы, которые свариваются встык для идеального соединения. Это началось как проект по устранению всех утечек в системе распределения природного газа, но теперь оказалось, что это идеальная подготовка для передачи водорода на предприятия и в дома. И это экономит миллиарды евро, поскольку городам и странам не нужно перекапывать дороги и закапывать новые трубы.

Сколько стоит транспортировка водорода на большие расстояния?

Водород является отличным энергоносителем. Это значит, что он может помочь использовать энергию самых ветреных и солнечных мест в мире — от самых жарких пустынь до самых диких океанов. Возьмем, к примеру, солнечную ферму в Северной Африке. Лучший способ доставить эту энергию по дну Средиземного моря в Европу, где спрос на нее высок, — не новая дорогостоящая сеть электрических кабелей, а существующие газопроводы.

Транспортировка жидкостей и газов на сотни или тысячи километров может осуществляться по трубам с минимальными потерями газа и затратами энергии на проталкивание — менее 1 % от энергии водородного топлива.

А вот для классической перевозки водорода требуются специализированные дорогостоящие суда-цистерны, много энергии для сжатия и охлаждения водорода до жидкого состояния, время для загрузки и разгрузки цистерн и энергия для разогрева и повторной газификации водорода. Это очень сложно и дорого, но лучше всего подходит для очень больших расстояний. Опять же, если исходить из того, что со временем каждая страна сможет производить водород для собственных нужд, необходимость транспортировки на большие расстояния отпадет в принципе. А для локальной транспортировки можно будет использовать газопроводы.

Водород против электричества в сфере транспорта

Широкое распространение электрических автомобилей создает иллюзию того, что со временем все виды транспорта будут работать на электричестве. Но скорее всего этого не случится никогда — некоторые виды транспорта не могут быть полностью электрифицированы. Авиалайнеры должны нести достаточно энергии, чтобы пролететь тысячи миль, что в обозримом будущем невозможно с помощью батарей. Жидкий зеленый или голубой водород, или топливо на основе водорода, может стать решением проблемы экологически чистого воздушного транспорта.

Грузовые суда с трудом смогут пересекать огромные океаны на батареях, и снова водород может стать ответом, в виде аммиака, который легко хранить в жидком виде и использовать непосредственно в качестве топлива в слегка модифицированных дизельных двигателях.

На земле автомобили, работающие на водородных топливных элементах, имеют некоторые преимущества перед аккумуляторными EV. Водород очень быстро заправляется — в течение нескольких минут, а не часов, как при зарядке аккумулятора. Он также намного легче аккумуляторов, что является важным преимуществом, когда речь идет о дальности хода автомобиля и снижении ущерба, наносимого дорогам. Это делает его привлекательным для замены современного дизельного тяжелого транспорта, такого как грузовики и некоторые поезда, причем компании Daimler, Volvo и Scania уже рассматривают эту технологию.

Почему мы не подумали о водороде раньше?

В романе «Таинственный остров» Жюль Верн представил, что вода, разложенная электричеством на примитивные элементы, однажды будет использована в качестве топлива, а водород и кислород, составляющие ее, будут служить неисчерпаемым источником тепла и света.

Как видите, мы лишь недавно начали воплощать в жизнь замыслы Верна, потому что, в отличие от готового к сжиганию ископаемого топлива, чистый водород не является свободно доступным: чтобы освободить его из воды, необходимо затратить энергию. Что изменилось: возобновляемая энергия стала дешевой, технология электролизеров — более совершенной, и мы, наконец, осознали глубокую глобальную опасность выбросов парниковых газов.

Прочитано: 552