2. Свойства водорода

Газ водород — история, применение в промышленности и перспективы

Водород – самый распространенный элемент во Вселенной. Человечеству он был известен достаточно давно, но активное применение и разработка технологий с использованием этого газа начались лишь несколько десятилетий назад. Газ водород активно используется в самых разных областях промышленности, а в перспективе еще и в энергетике.

«рождающий воду»

Поскольку как химический элемент водород был известен достаточно давно, то однозначного первооткрывателя установить невозможно. В истории сохранилось не так много записей и документов, которые могли бы дать ответ. Алхимики еще в 14-15 веках наблюдали в ходе определенных химических реакций выделение загадочного «горючего» газа, но еще не выделяли водород как отдельную составляющую.

Первые упоминания в научных работах датируются 1766 годом. Британский химик и физик Генри Кавендиш сумел выделить из кислот водород, после чего собрал газ в отдельной камере и поджег. В ходе этого эксперимента была получена вода. Также Кавендиш попытался определить массу водорода, что ему удалось сделать лишь с небольшой погрешностью.

А вот русское название химическому элементу выдал Михаил Соловьёв в 1824 по аналогии с «кислород».

Физические свойства водорода

Встречается элемент на Земле чаще всего в виде соединений с другими элементами. Реже в виде двухатомного газа H2, состоящего из пары атомов. В обычных условиях – это бесцветный, нетоксичный газ без какого-либо цвета и вкуса. В смесях с воздухом, кислородом, хлором или фтором при определенной концентрации может быть взрывоопасен.

Первое практическое применение водорода

Уникальные свойства этого газа быстро нашли применение в нескольких сферах, в частности, в военной. В 18 веке воздушная техника сводилась к шарам и дирижаблям. Наполняли емкости горячим воздухом, благодаря которому вся конструкция могла взлетать. Проблемой было то, что воздух требовалось поддерживать горячим, иначе он терял свою подъемную способность.

История дирижаблей на водороде ассоциируется с именем Фердинанда фон Цеппелина, который создал модели LZ-1, LZ-2 и LZ-3. Последнюю заметили военные, после чего эти воздушные суда начали активно использоваться в военных действиях в ходе Первой мировой войны, а также в пассажирских перевозках. Дирижабли без особых проблем могли совершать длительные полеты, в том числе через Атлантический океан.

Способы получения водорода

В космосе над всеми элементами преобладает водород, однако на Земле встретить его в свободном виде практически невозможно. В связи с этим существует несколько разнообразных технологий получения этого газа, каждая из которых имеет свои особенности.

В лабораторных условиях нередко пользуются древним способом – получая газ из кислот. Пример, взаимодействие серной кислоты и цинка, в ходе которого выделяется H2. В качестве металлов могут подойти и другие, например, алюминий. Однако полученный газ требуется еще дополнительно очистить.

В местах с дешевым электричеством может использоваться электролиз – разложение воды на водород и кислород. В воду добавляется небольшое количество солей, чтобы жидкость смогла проводить электричество. Технология позволяет получить не только водород, но и кислород, который также имеет большое значение в промышленном производстве. Единственный недостаток – большие затраты электроэнергии.

Нередко можно встретить разработки по получению водорода в ходе разложения органических или неорганических веществ. Например, компания Ways2H предлагает специальную технологию утилизации бытовых отходов, в ходе которой без сгорания можно получить водород. По заявлениям представителей фирмы, с одной тонны сухих отходов вырабатывается от 30 до 150 килограмм водорода. Однако все подобные проекты пока находятся либо на стадии экспериментов, любо работают только на небольших тестовых площадках.

Что такое водород сегодня — применение водорода

С развитием технологий и возможностью получать газ в больших масштабах началось широкое применение водорода в самых разных областях:

Есть и более бытовое применение, знакомое каждому – перекись водорода. Этот состав также используют при отбеливании.

Как известно, кислород оказывает неблагоприятный эффект на сварной шов, понижая его прочность. Решением этой проблемы стали защитные газы, которые не допускают попадания воздуха в зону горения дуги. В число активных защитных газов как раз и входит водород. Применение этого газа в качестве защитного имеет несколько плюсов: равномерное проплавление ванны, возможность создания аккуратного шва, высокая защита от большинства окислительных процессов.

Будущее водорода в мировой энергетике

Видео о водородной энергетике

Несмотря на все достоинства водородной технологии, есть несколько важных «но». Во-первых, имеется масса вопросов относительно безопасности водорода в автомобильном транспорте. В отличие от бензина, водород легко может взорваться при контакте с воздухом, поэтому даже незначительные ДТП на дороге представляют опасность. Это вынуждает автопроизводителей устанавливать дополнительные датчики и делать баки более ударопрочными.

Во-вторых, в мире образовалась проблема «яйца и курицы». Машины на водороде не появляются из-за отсутствия инфраструктуры, а ее не хотят возводить из-за небольшого количества машин. Разорвать этот замкнутый круг становится сложнее, учитывая конкуренцию со стороны электромобилей. По данным за 2020 год в мире насчитывается около 500 водородных заправок, в то время как станций для зарядки авто – больше 11 миллионов!

Несмотря на эти ограничения, многие уверены, что водород станет неотъемлемой частью энергетики будущего, так же, как он используется сейчас в пищевой и химической промышленности.

Энергия «чистого» будущего

Александр НовакЗаместитель председателя Правительства РФ

Водород, полученный с использованием низкоуглеродных технологий, может быть эффективным средством декарбонизации тех отраслей промышленности, которые в настоящее время потребляют большое количество угля или газа в качестве источника энергии, либо такой водород может стать вариантом замены уже используемого водорода на низкоуглеродный (например, в нефтепереработке и химической промышленности).Несмотря на то, что сегодня водород используется в основном в промышленном производстве, этот химический элемент имеет значительный потенциал расширения областей применения.В сфере электроэнергетики он может использоваться в качестве углеродно-­нейтрального топлива как для централизованной, так и для распределенной генерации, выступать средством накопления энергии и применяться в качестве вторичного энергоносителя, аккумулирующего энергию, которая производится на объектах возобновляемой энергетики.Кроме того, использование водорода в смеси с метаном или в чистом виде в системе газоснабжения рассматривается в качестве направления декарбонизации децентрализованного теплоснабжения и ЖКХ.Водород может применяться в различных видах транспорта – автомобилях, складском транспорте, поездах, авиатранспорте, судах – как в топливных элементах, так и в двигателях внутреннего сгорания.

Настоящее и будущее водородной энергетики

По оценкам экспертов, мировой спрос на чистый водород в настоящее время находится на уровне 75 млн тонн в год. При этом порядка 95 % потребления приходится на нефтеперерабатывающую и химическую промышленность, в основном самостоятельно обеспечивающих собственные потребности в водороде за счет его производства на специализированных установках непосредственно в месте потребления (так называемый кэптивный рынок). Еще около 42 млн тонн водорода используется в смеси с другими газами (в основном в виде синтез-газа) в качестве сырья или топлива при производстве тепловой и электрической энергии.Для сравнения, в качестве энергоносителя в таких перспективных сферах как транспорт и энергетика в настоящее время потребляется менее 0,01 млн тонн в год. Столь незначительные объемы во многом связаны с сохраняющимися барьерами развития водородной энергетики: высокой стоимостью низкоуглеродного водорода, недостаточной готовностью технологий для его широкого применения, включая обеспечение безопасности всей производственной цепочки, дефицитом необходимой инфраструктуры для хранения и транспортировки водорода, а также рядом пробелов в нормативной правовой базе.На сегодняшний день наиболее экономически выгодным является производство водорода из ископаемого сырья. По данным МЭА, в структуре мирового производства чистого водорода 75 % приходится на природный газ, 23 % – на уголь. При этом водород, производящийся из ископаемого сырья (в первую очередь, угля) обладает относительно высоким углеродным следом. Для снижения углеродного следа и дальнейшей декарбонизации отраслей возможно внедрение технологий производства водорода из ископаемого сырья с использованием систем улавливания и хранения углекислого газа, а также электролиза воды, в первую очередь, с помощью энергии объектов атомной, гидро-, ветряной и солнечной энергетики. Большие перспективы имеются у новых технологий низкоуглеродного производства водорода, в частности технологии пиролиза метана.В настоящее время мировые эксперты не пришли к единому мнению о потенциальных объемах мирового рынка водорода. Диапазон оценок глобального спроса на водород к 2050 году колеблется в пределах от нескольких десятков до почти 700 млн тонн в год. Между собой конкурируют два возможных сценария дальнейшего развития водородной энергетики: формирование глобального рынка с крупнотоннажными перевозками энергоресурса от центров производства к центрам потребления, по аналогии с рынками нефти и сжиженного природного газа, или же локальное сосредоточение производства и потребления водорода в рамках отдельных стран или небольших регионов.По какому сценарию пойдет дальнейшее развитие водородной энергетики, будет во многом зависеть от темпов декарбонизации мировой экономики и скорости освоения и развития водородных технологий. Способствовать появлению глобального рынка водорода будет спрос со стороны стран, ратифицировавших Парижское климатическое соглашение, но не имеющих достаточных собственных ресурсов для производства низкоуглеродной энергии и топлива для декарбонизации секторов экономики. Еще одним немаловажным стимулом, способным увеличить объемы производства и потребления водорода, является развитие технологий для его использования в качестве средства накопления энергии на установках ВИЭ и расширение сфер применения водородных топливных элементов.

Развитие водородной энергетики в России

В 2019 году Россия присоединилась к Парижскому соглашению по климату, чем поддержала международные усилия по противодействию изменению климата, охране окружающей среды и рациональному природопользованию.Уже сегодня страна является одним из гарантов глобальной энергетической безопасности, обеспечивая природным газом – наиболее экологическим чистым ископаемым источником энергии – европейских и восточных партнеров.Одна из ключевых задач, закрепленных в Энергетической стратегии Российской Федерации на период до 2035 года, – на основе имеющихся компетенций в сфере традиционной энергетики развивать потенциал России в новых перспективных направлениях, формируя собственную научную и техническую базу энергетики будущего и наращивая экспорт высокотехнологичных решений и несырьевой продукции. В этой связи развитие водородной энергетики полностью отвечает поставленным задачам.

Несмотря на то, что отечественные топливно-­энергетический и электроэнергетические балансы сегодня являются одними из самых «зеленых» в мире, Россия продолжает дальнейшую работу над развитием альтернативных источников, в том числе над расширением использования водорода на внутреннем рынке.В качестве наиболее перспективных направлений в настоящее время рассматривается применение водорода в качестве энергоносителя на транспорте, в энергетике и промышленности. Помимо этого, водород потенциально может использоваться для энергоснабжения потребителей энергетически изолированных районов и территорий с особыми требованиями экологичности, например, в Арктике.Наша страна обладает важными конкурентными преимуществами: значительным энергетическим потенциалом и ресурсной базой, генерирующими мощностями, географической близостью к потенциальным потребителям водорода, научным заделом в сфере производства, транспортировки и хранения водорода, а также действующей транспортной инфраструктурой.Для реализации имеющегося в стране потенциала в октябре 2020 года правительством была утверждена дорожная карта по развитию водородной энергетики в Российской Федерации до 2024 года, задача которой – расширение производства и потребления водорода, а также вхождение страны в число мировых лидеров по его производству и экспорту. В настоящее время подготовлен проект Концепции развития водородной энергетики, в котором сформулированы приоритеты развития водородной энергетики с определением краткосрочных, среднесрочных и долгосрочных целей.Одной из первостепенных задач, на которой предстоит сосредоточиться, должна стать разработка конкурентоспособных технологий производства водорода как из ископаемого сырья, в первую очередь природного газа, так и электролизом воды на базе АЭС и ВИЭ. При этом, нужно продолжать работу по развитию в стране возобновляемой энергетики, уделяя особое внимание снижению стоимости, получаемой от солнечных и ветровых станций электроэнергии, для организации экономически эффективного производства водорода с минимальным углеродным следом.

Отдельное внимание стоит обратить на разработку технологий эффективной и безопасной транспортировки и хранения водорода, не получивших в настоящее время достаточного развития для широкомасштабного применения в промышленности. Для достижения эффективных результатов потребуется развитие отечественной научной школы и профессиональных кадровых компетенций, создание инжиниринговых центров и полигонов для отработки пилотных проектов, а также разработка соответствующей нормативной базы по стандартизации и в сфере безопасности по всей цепочке жизненного цикла от производства до применения водородных энергоносителей. Для вывода на рынок новых решений необходимо будет обеспечить и законодательную поддержку водородной энергетики.Развитие всех этих направлений предусмотрено в рамках дорожной карты по развитию водородной энергетики. К 2024 году запланирована реализация ряда пилотных проектов в области водородной энергетики, направленных, в том числе, на создание и применение пилотных установок производства водорода без выбросов углекислого газа, разработку, изготовление и проведение испытаний газовых турбин на метано-­водородном топливе, создание опытного образца железнодорожного транспорта на водороде и опытных полигонов низкоуглеродного производства водорода на объектах переработки углеводородного сырья или добычи природного газа, производство водорода с использованием атомных электрических станций.

Международное сотрудничество

В активной стадии находится взаимодействие с иностранными партнерами в сфере водородной энергетики. В первую очередь, ставка будет делаться на страны Европейского союза и Азиатско-­Тихоокеанского региона, в которых уже приняты долгосрочные программы развития водородной энергетики.В настоящий момент наиболее интенсивный диалог ведется с немецкой и японской сторонами. В рамках Российско-­Японского Консультационного энергетического совета достигнуты принципиальные договоренности о взаимодействии в рамках двусторонней рабочей группы. Отдельное внимание уделяется перспективам сотрудничества по водородному направлению между российскими компаниями и японскими органами власти.В частности, одна из крупнейших энергетических компаний России – «Росатом» – в рамках подписанного в 2019 году соглашения о сотрудничестве совместно с Агентством по природным ресурсам и энергетике Японии разрабатывает технико-­экономическое обоснование (ТЭО) проекта поставок водорода из России в Японию. В случае его успеха можно будет говорить о реализации масштабного проекта организации глобальной цепочки поставок водорода, а в будущем – о формировании уникального низкоуглеродного водородного кластера, цена на водород в котором будет интересна для потенциальных партнеров. Еще одним перспективным направлением сотрудничества двух сторон может стать обмен опытом в части развития технологий.Что касается российско-­германского сотрудничества, в высокой степени готовности находится подписание совместной российско-­германской декларации о намерениях между Минэнерго России и Федеральным Министерством экономики и энергетики ФРГ о сотрудничестве в сфере устойчивой энергетики. Предусматривается создание рабочей группы высокого уровня по устойчивой энергетике под председательством министров энергетики России и Германии и входящей в ее состав подгруппы по сотрудничеству в сфере водородной энергетики.

Подписание Декларации станет основой для расширения взаимовыгодного энергетического сотрудничества между нашими странами, обмена опытом в области изучения технологии производства, хранения, использования и транспортировки водорода для реализации совместных российско-­германских проектов в данной сфере, а также будет способствовать использованию и совершенствованию наилучших доступных технологий и практик.На сегодняшний день энергетическая политика Российской Федерации полностью отражает ключевые мировые тренды. Наша страна на протяжении многих лет является одним из лидеров на глобальном рынке углеводородов, при этом параллельно, не теряя, а наращивая компетенции в традиционных направлениях ТЭК, Россия намерена вой­ти в число мировых лидеров в сфере производства и экспорта водорода. Это окажет мультипликативный эффект на развитие смежных отраслей и будет способствовать достижению глобальной цели низкоуглеродного развития мировой экономики.

Применение водорода в промышленности

Современную промышленность невозможно представить без использования в разных ее отраслях и на разных этапах производства технических газов. И водород один из самых востребованных промышленностью газов, он занимает третье место после кислорода и азота.

Водород является одним из важнейших видов сырья нефтехимической и химической промышленности. Без этого газа не обходятся и другие отрасли: металлургическая, пищевая, стекольная, электронная, электротехническая.

Химическая промышленность

Основной областью применения водорода является производство химических продуктов — аммиака, метанола, хлористого водорода и его раствора — соляной кислоты. В дальнейшем аммиак используется для получения азотных удобрений, взрывчатых веществ, синтетических волокон, пластмассы, лекарств.

Нефтеперерабатывающая промышленность

На НПЗ водород используется при получении топлива из высокосернистого тяжелого сырья, в установках гидрообессеривания, для гидрокрекинга дистиллятов, гидроочистки, при производстве смазочных материалов, так же водород необходим в других процессах нефтепереработки.

В металлургии основная доля используемого водорода приходится на получение металлизированного сырья прямым восстановлением железа. С помощью водорода восстанавливают металлы из их оксидов, например, так получают вольфрам.

Большие объемы технического водорода применяются в прокатном производстве для термической обработки холоднокатаного проката. Используется водород металлургическими предприятиями для получения азотно-водородной защитной атмосферы при термической обработке трубного проката.

При горении водорода в кислороде температура поднимается примерно до 3000 °C, что позволяет сваривать тугоплавкие металлы.

Стекольная промышленность

В этой отрасли водород используется при производстве листового стекла флоат-методом и при получении кварцевого стекла, изготавливаемого плавлением кварца, горного хрусталя или синтетического диоксида кремния в кислородно-водородном пламени.

Энергетика

Благодаря таким свойствам, как высокие теплопроводность и коэффициент диффузии, водород используется для охлаждения мощных турбогенераторов на ТЭЦ и АЭС.

Пищевая промышленность

На предприятиях пищевой промышленности — масложировых комбинатах — водород применяется при производстве маргарина методом гидрогенизации жидких растительных жиров.

К другим потребителям водорода относятся горно-обогатительные комбинаты, электротехническая и электронная промышленность, заводы по изготовлению ядерного топлива, транспортные, газовые, фармацевтические предприятия.Сжиженный водород используется как ракетное горючее.

Перспективы и недостатки водородной энергетики

Для хранения и выработки энергии от водорода используются топливные элементы. Первый водородный топливный элемент был сконструирован английским ученым Уильямом Гроувом в 30-х годах 19 века. Гроув и работавший параллельно с ним Кристиан Шенбейн продемонстрировали возможность производства энергии в водородно-кислородном топливном элементе с использованием кислотного электролита.

В 1959 году Фрэнсис Т. Бэкон из Кембриджа добавил в водородный топливный элемент ионообменную мембрану для облегчения транспорта гидроксид-ионов. Изобретением Бэкона сразу заинтересовались правительство США и NASA, обновленный топливный элемент стал использоваться на космических аппаратах «Аполлон» в качестве главного источника энергии во время их полетов.

В отличие от кислорода водород практически не встречается на земле в чистом виде и поэтому извлекается из других соединений с помощью различных химических методов.

По этим способам его разделяют на цветовые градации.

Зеленый — производится из возобновляемых источников энергии методом электролиза воды. Все, что необходимо для этого: вода, электролизер и большое снабжение электроэнергией.

Голубой — производится из природного газа, а вредные отходы улавливаются для вторичного использования. Тем не менее идеально чистым этот метод не назовешь.

Розовый или красный — произведенный при помощи атомной энергии.

Серый — водород получают путем конверсии метана. При его производстве вредные отходы выбрасываются в атмосферу.

Коричневый — водород получают в результате газификации угля. Этот метод также после себя оставляет парниковые газы.

Еще существуют технологии получения биоводорода из мусора и этанола, но их доля чрезвычайно мала.

Себестоимость производства по видам водорода, доллар за килограмм

На переработку угля приходится 18% производства водорода, 4% обеспечивается за счет зеленого водорода и 78% — переработкой природного газа и нефти. Методы производства, основанные на ископаемом топливе, приводят к образованию 830 млн тонн выбросов CO2 каждый год, что равно выбросам Великобритании и Индонезии, вместе взятым. И тем не менее водород — это более чистая альтернатива традиционному топливу.

В мире три основных источника выбросов, способствующих потеплению климата: транспорт, производство электроэнергии и промышленность. Водород может использоваться во всех трех областях. При использовании в топливных элементах водородная энергия оставляет минимальные потери, а после использования в качестве побочного продукта остается только вода, из которой снова можно добывать водород.

Перспективы отрасли

Согласно докладу МЭА, к 2050 году мировой спрос на водород должен достичь 528 млн тонн — против 87 млн в 2020, — а его доля в мировом потреблении составит 18%, из них 10% будет приходиться на зеленый водород.

В июне 2020 года Германия объявила о реализации национальной водородной стратегии с инвестициями в 7 млрд евро, чтобы стать лидером в этой области.

Япония, Франция, Южная Корея, Австралия, Нидерланды и Норвегия начали свой курс на водород раньше Германии, а Япония сделала это раньше всех — в декабре 2017 года.

В июле 2020 года Минэнерго подготовило план развития в РФ водородной энергетики на период 2020—2024 годов. Производить водород собираются «Росатом», «Газпром» и «Новатэк». В дорожной карте предусмотрены следующие меры:

В 2021 году HydrogenOne Capital — первый в мире инвестиционный фонд, ориентированный на зеленый водород, заявил о листинге на Лондонской бирже. Фонд инвестирует в проекты мощностью 20—100 МВт с возможностью их расширения до 500 МВт.

Как сделать ремонт и не сойти с ума

Высокая применимость. Электрификация транспорта поможет снизить выбросы в атмосферу, но авиацию, морские и грузовые перевозки на дальние расстояния трудно перевести на использование электроэнергии, потому что для этих секторов требуется топливо с высокой плотностью энергии. Зеленый водород может удовлетворить эти потребности. Например, Airbus представил концепции самолетов с водородным двигателем и надеется ввести его в эксплуатацию к 2035 году.

Nikola строит полуприцепы, работающие как на аккумуляторных батареях, так и на водороде. Компания заявляет, что ее топливные элементы могут работать при более низких температурах, чем батареи. И они легче, что делает их более практичными для грузовиков и другой тяжелой техники. Nikola также утверждает, что дальность хода такого грузовика составит 900 миль на баке с водородом. Для сравнения: у Tesla Semi с батарейным питанием, который может быть запущен в производство в конце этого года или в 2022 году, заявленная дальность — 200—300 миль.

Также свои аналогичные модели транспорта представили компании Toyota, Honda и BMW.

Время заправки электромобиля на топливных элементах в среднем составляет менее четырех минут. При этом в отличие от батарей они не нуждаются в перезарядке. Поскольку они могут работать независимо от сети, то могут использоваться как запасные генераторы электричества или тепла.

Важный элемент перехода на водород — его применение в ЖКХ. Кроме пилотных проектов в Великобритании Лидс станет первым городом, энергоснабжение которого будет полностью водородным. Согласно плану, все газовые сети и транспортное оборудование переведут на него.

Запасы водорода практически безграничны. Так как он встречается почти всюду, его можно использовать там, где он производится. В отличие от батарей, которые не могут хранить большое количество электроэнергии в течение продолжительного времени, водород можно производить из избыточной возобновляемой энергии и хранить в больших количествах.

Энергоэффективность. Водород содержит почти в три раза больше энергии, чем ископаемое топливо, поэтому для выполнения какой-либо работы его требуется гораздо меньше. Например, по сравнению с электростанцией, работающей на сжигании топлива с КПД от 33 до 35%, водородные топливные элементы выполнят ту же функцию с КПД до 65%. Для примера, у солнечных элементов КПД — 20%, а у ветряных — 40%.

Весной 2020 года в городе Фукусима была запущена самая крупная в мире электростанция, работающая на водороде. Для питания электролизных установок на ней размещены солнечные батареи общей мощностью 20 МВт. Всего станция вырабатывает 1,2 тысячи кубических метров водорода в час.

В автомобилях топливные элементы используют 40—60% энергии топлива, а также обеспечивают сокращение его расхода на 50%.

Зеленый водород — отличная среда для хранения энергии. Например, у Германии существует проблема с энергосистемой. В ясные и ветреные дни солнечные экраны и ветряные турбины на севере производят больше электроэнергии, чем может потребить эта часть страны. Из-за этого Германия вынуждена продавать излишки электроэнергии соседним странам себе в убыток. Избыток электроэнергии из ВИЭ можно хранить в виде водорода, а затем сжигать для выработки электроэнергии, когда это необходимо.

Стоимость зеленого водорода. Как уже говорилось выше, именно стоимость добычи самого чистого вида водорода ставит наиболее сильные препятствия в его развитии. По словам и прогнозам Минэнерго РФ, перспективы водородной энергетики связаны с удешевлением стоимости водорода, производимого электролизом воды. В качестве основных факторов обеспечения конкурентоспособности зеленого водорода рассматривается перспективное снижение капитальных затрат на электролизеры, а также стоимости электроэнергии из ВИЭ.

Сферы применения водорода

Современную промышленность сложно представить без применения технических газов на различных этапах производства. На сегодняшний день водород входит в тройку наиболее востребованных промышленностью газов, уступая лишь кислороду и азоту.

Водород относится к числу важнейших видов сырья химической и нефтехимической промышленности. Свойства этого газа обуславливают его применение и в других отраслях промышленности: металлургической, пищевой, стекольной, электронной, электротехнической.

Структура потребления водорода в России в 2013 г.

В России основная область потребления водорода – производство химических продуктов, прежде всего аммиака и метанола.

Потребление водорода при синтезе метанола CH 3 OH составило 0,6 млн.т. в 2013 г.

Потребление водорода в остальных сегментах химической промышленности не превышает 90 тыс.т. – 3% от объема потребления.

Повышается потребность НПЗ в водороде, необходимом для получения топлив из тяжелого высокосернистого сырья. Огромное количество водорода требуется для установок гидрообессеривания, гидрокрекинга дистиллятов, гидроочистки, изомеризации, производств смазочных материалов. Кроме того, водород на НПЗ используется для активации катализаторов риформинга и регенерации катализаторов изомеризации.

Основной областью применения водорода в металлургии является производство металлизированного сырья методом прямого восстановления железа. Сейчас в этом процессе потребляется около 320 тыс.т. водорода.

Значительные объемы водорода расходуются в технологических процессах прокатного производства (при термической обработке холоднокатаного проката). Потребление водорода – около 15 тыс.т. в год.

Водород на металлургических предприятиях используется также для создания защитной азотно-водородной атмосферы при термообработке труб.

В стекольной промышленности водород применяется при производстве листового стекла float-методом, а также для получения кварцевого стекла, которое изготавливают плавлением чистого горного хрусталя, кварца или синтетического оксида кремния в водородно-кислородном пламени.

В энергетике водород используется для охлаждения мощных турбогенераторов, благодаря его высокой теплопроводности и коэффициенту диффузии, а также нетоксичности. По оценкам, в энергетике на ТЭЦ, АЭС потребляется около 4-5 тыс.т. водорода в год.

В пищевой промышленности водород используется в процессах гидрогенизации масел и жиров при получении твердых жиров (маргарина). Объем потребления водорода масложировыми комбинатами оценивается на уровне 1,5 тыс.т. в год.

Среди прочих потребителей водорода – обогатительные комбинаты, заводы, занимающиеся фабрикацией ядерного топлива, предприятия электронной и электротехнической промышленности, транспортные и газовые компании, фармацевтика.

Опытный завод по производству низкоуглеродистой стали в северной Швеции мог бы значительно сократить выбросы углерода в отрасли.

Проект под названием Hydrogen Breakthrough Ironmaking Technology (Водородная технология производства железа, HYBRIT) нацелен на замену кокса, который традиционно используется при производстве стали, водородом, получаемым при помощи возобновляемой электроэнергии. Как кокс, так и водород могут быть использованы в качестве восстановителя для удаления примесей из железной руды. При традиционном производстве стали углерод в коксе реагирует с кислородом в железной руде с образованием углекислого газа. Если вместо кокса используется водород, то он реагирует с кислородом в железной руде с образованием водяного пара.

Участники проекта считают, что он может значительно обезуглеродить сталелитейную промышленность в Швеции и других странах. Действительно, сталелитейная промышленность в целом постоянно стремится повысить эффективность своих процессов, и производство тонны стали в настоящее время требует 40% той энергии, которая была необходима в 1960 году.

Mårten Görnerup, генеральный директор совместного предприятия, объясняет сроки реализации проекта:

В нужном месте, в нужное время

В настоящее время большая часть водорода производится в процессе, называемом паровым риформингом, который включает использование высокотемпературного пара для извлечения водорода из природного газа, ископаемого топлива. Что особенного в процессе HYBRIT, так это то, что весь водород получается путем пропускания электрического тока через воду в процессе, который называется электролизом. Несмотря на то, что это энергоемко, если требуемое электричество может быть получено из возобновляемых источников, выбросы углерода во всем процессе незначительны.

Швеция оказалась идеальным местом для реализации HYBRIT технологии из-за комбинации нескольких факторов.

Завод будет использоваться для проведения экспериментальных кампаний, чтобы найти оптимальные условия для сокращения выбросов CO2. Проект даст более четкое понимание того, что происходит внутри взаимосвязанной промышленной системы и как добиться эффективного производственного процесса.

Мартин Линдквист, президент и главный исполнительный директор SSAB, добавляет:

Подсчет стоимости

Правительство Швеции оказывает широкую поддержку HYBRIT, и в июне проект получил крупнейший финансовый вклад Шведского энергетического агентства в общей сложности 528 млн шведских крон, что эквивалентно 51,3 млн евро.

Хотя первоначальные исследования показывают, что производственные затраты HYBRIT будут примерно на 20–30 процентов выше, чем традиционные процессы выплавки стали, ожидается, что этот разрыв со временем сократится, что может привести к увеличению затрат на выбросы углекислого газа через систему торговли выбросами Европейского союза и ожидается снижение стоимости возобновляемой энергии.

Если HYBRIT будет успешным, последствия для будущего производства стали в мире могут быть значительными. Гернеруп заключает:

Исследователи из Гарвардского университета сообщили о получении — под давлением около 5 млн атмосфер — водорода в металлическом состоянии. Научный руководитель Института физики высоких давлений РАН, академик Сергей Стишов рассказывает об истории и перспективах металлического водорода.

Водород обычно встречается в молекулярном виде, то есть в виде молекул, состоящих из двух протонов и двух электронов. Однако, если расщепить молекулу, то получится атомарный водород, состоящий из одного протона и одного электрона и представляющий собой полный аналог щелочных металлов. При атмосферном давлении атомарный водород неустойчив и быстро переходит в молекулярную форму. Однако в тридцатых годах прошлого века британский ученый Джон Бернал, известный борец за мир и автор оригинальных научных идей (например, о структуре жидкостей, об оливин-шпинелевом переходе в недрах Земли), предположил, что атомарный водород может оказаться стабильным при высоких давлениях. Эта идея привлекла внимание теоретиков Вигнера и Хантингтона, которые и произвели соответствующие расчеты в 1935 году. Гипотеза Бернала нашла подтверждение — согласно указанным расчетам, молекулярный водород переходит в атомарную металлическую фазу при высоких давлениях порядка 250 тыс. атмосфер со значительным увеличением плотности (в свете современных исследований приведенная оценка выглядит весьма приближенной).

Однако с тех пор долгое время проблема металлического водорода не находилась в центре внимания исследователей в области физики высоких давлений. Следует лишь упомянуть теоретические работы А. А. Абрикосова (ныне нобелевского лауреата) и В. П. Трубицына, выполненные в 1950-х годах прошлого столетия и посвященные строению водородных планет: Юпитера и Сатурна.

Взрыв интереса к проблеме произошел в 1968 году, когда американский физик Нил Ашкрофт опубликовал статью, в которой доказывал, что полученный при высоком давлении атомный металлический водород может при атмосферном давлении оставаться стабильным. Но главное, Ашкрофт показал, что металлический водород может обладать сверхпроводимостью при комнатной температуре. Вот это и явилось главной мотивацией для дальнейших исследований. Действительно, получение материала со сверхпроводимостью при комнатной температуре означало бы переворот в энергетике.

Несколько экспериментальных групп объявили о своих намерениях заняться получением металлического водорода. Одними из первых заявила о себе группа Нила Ашкрофта и Артура Руоффа из Корнелльского университета (США). В интервью, напечатанном в Physics Today в начале 1970-х, они заявили, что при наличии финансирования сделают металлический водород в течение года.

Нужно сказать, в это время уже было ясно, что для получения металлического водорода потребуется давление не менее миллиона атмосфер. И никто не знал, как получить этот миллион. Руофф в Корнелле строил громадный многопуансонный аппарат, с помощью которого, как оказалось, нельзя было получить необходимое давление. Другие группы в США и России стали готовить аппаратуру для измерения уравнения состояния и кривой плавления молекулярной фазы. В Институте физики высоких давлений (ИФВД) АН СССР стали думать, как приспособить имевшийся громадный пресс усилием 50 тыс. тонн для поисков металлического водорода. Теоретики стали еще и еще раз вычислять давление перехода водорода в металлическое состояние, температуру его сверхпроводящего перехода, анализировать свойства метастабильной фазы металлического водорода (Е. Г. Бровман и Ю. Каган). В. Л. Гинзбург (будущий нобелевский лауреат) — апологет сверхпроводимости во всех ее проявлениях и автор основополагающей работы в этой области (знаменитое уравнение Гинзбурга — Ландау) — был настолько увлечен перспективой получения комнатной сверхпроводимости, что объявил проблему металлического водорода одной из важнейших проблем физики твердого тела. Словом, работа началась.

Одновременно в ненаучной прессе появились фантастические прогнозы. Например, что из металлического водорода можно будет делать легчайшие пуленепробиваемые жакеты или детали космических ракет, которые можно будет использовать как топливо. Ученые особенно не протестовали против подобных измышлений, а порой и сами пускали их в оборот, поскольку это помогало получить финансирование.

Так или иначе, проблема металлического водорода, потенциально обладающего чудодейственными свойствами, приобрела в 1970-х годах вполне тотальный и даже государственный характер. Для подтверждения сказанному расскажу небольшую историю. В 1977 году я посетил несколько университетских и национальных лабораторий США, среди них была и Аргоннская национальная лаборатория, где я общался с одним из ее сотрудников, Джимом Иогерсоном. Спустя несколько лет Джим при встрече рассказал мне, что после моего визита в Аргонн к нему заявились представители секретных служб, стараясь выяснить, правда ли, что академик Л. Ф. Верещагин погиб в результате взрыва полученного в его институте (ИФВД) металлического водорода (Л. Ф. Верещагин скончался в 1977 году незадолго до моего визита в США, по причинам, никак не связанным с водородной тематикой). Это история показывает, что государственная машина США следила за ситуацией и принимала всерьез самые нелепые выдумки. Кроме того, государственные люди США, подогретые прессой и учеными, опасались, что металлический водород будет впервые получен в СССР. Большой пресс ИФВД не давал им покоя.

Тем не менее реального продвижения на пути к достижению миллионных давлений не было до тех пор, пока Питер Белл и Дейв Мао из Геофизической лаборатории (Вашингтон, США) не заявили в 1977 году о достижении 1,7 млн атмосфер в миниатюрном устройстве (алмазных наковальнях), давление в котором создается с помощью двух алмазов. Лед тронулся. Начались реальные исследования водорода. Однако с течением времени выяснилось, что действенных игроков всего трое. Это Артур Руофф из Корнелла, Рассел Хемли и Дейв Мао из Геофизической лаборатории и сегодняшний герой Айк Сильвера (Isaac Silvera) из Гарварда (все из США). Айк получил признание за работы по стабилизации атомарного водорода осаждением на подложку, порытую сверхтекучим гелием, проведенные во время его пребывания в Голландии.

Алмазные наковальни позволяют получать давление до 5 млн атмосфер, но в очень маленьком образце — микронных размеров

За годы исследований было получено много экспериментальных данных в условиях высоких статических и динамических давлений. Билл Неллис из Ливерморской лаборатории (США) утверждал, что жидкий дейтерий (изотоп водорода) переходит в металлическую жидкость при высоких давлениях и температурах, создаваемых сильными ударными волнами. Совершенствуя технику эксперимента, исследователи шаг за шагом приблизились к давлениям, царящим в центре Земли (около 4,5 млн атмосфер). Однако водород упорно не хотел металлизоваться. Исследователи обратились к соединениям водорода и жидкому водороду, было получено много интересных результатов, но твердый водород оставался непреклонным.

И наконец, в январе этого года Айк Сильвера публикует в журнале Science сообщение о получении металлического водорода при давлении около 5 млн атмосфер. Это утверждение мгновенно подверглось критике со стороны конкурирующих исследователей (Е. Григорьянц, Эдинбург; М. Еремец, Майнц), хотя было поддержано отцом всей этой деятельности Нилом Ашкрофтом.

Как бы ни сложилась ситуация дальше, ясно, металлический водород получен — или будет получен. Но важно знать, что количество вещества, получаемое в алмазных наковальнях, можно уместить на острие тонкой швейной иглы. По этой причине всякие проекты, связанные с практическим использованием металлического водорода, следует отнести к научно-фантастическому жанру.

Водород является востребованным компонентом для большого количества производственных процессов, относящимся к промышленности. Чтобы его использовать для решения технических задач количество примесей в составе вещества не должно превышать 0, 05%, относится к марке, А и 0,01% — марка Б.

Популярность и востребованность химического элемента связана напрямую с его положительными особенностями:

Востребованность водорода для промышленных целей

Водород требуется для получения аммиака, выступающим неотъемлемым компонентом для добычи удобрений азотного типа, производства пластмассы, волокон из синтетических материалов и лекарств. Сочетание его с хлором дает возможность получить хлороводород и соляную кислоту. Также благодаря нему изготавливается множество веществ, относящимся к органическим.

С помощью водорода удается восстановить первоначальные свойства определенных металлов, состоящих из их оксидов (вольфрам). При его горении в кислороде достигается температура в среднем 3000 °C. Данные условия позволяют выполнять плавление и сваривание металлов тугоплавкого типа.

Использование водорода в промышленности можно наблюдать на примере металлургии. данной отрасли он задействуется с целью восстановительного процесса металлов из оксидов. В результате удается получить сплавы, относящиеся к тугоплавким. Затем водородно-кислородное пламя, отличающееся высокой температурой, обладает способностью расплавлять их и сваривать. Для таких целей задействуется горелка, спроектированная по аналогии ацетиленокислородной.

Преимущества применения водорода

Водород, пребывающий в жидком состоянии, является отличным вариантом топлива для ракет. Также активно идет работа, чтобы в будущем использовать его в виде горючего для силового агрегата машин. Воплощение в жизнь данной идеи положительно скажется на экологической ситуации, так как при сгорании водорода в атмосферу не попадают опасные компоненты, наносящиеся непоправимый вред окружающей среде.

Одним из основных потребителем химического элемента являются предприятия, работающие в сфере нефтехимии и занимающиеся переработкой нефти. Здесь расход водорода, который добывается промышленным методом, достигает отметки 50% от общего числа. Большое количество полимеров, соединений углеводородного типа и масс, с пластическими свойствами, получают исключительно из водорода.

Газообразное вещество благодаря отличной теплопроводности и отсутствию в составе вредных компонентов оптимально подходит для снижения уровня нагрева турбогенераторов, характеризующихся высоким запасом мощности. В условиях повышенной температуры водород демонстрирует регенерацию, беря на себя атомы кислорода, находящиеся в оксидах металлов. Это дает возможность применять его для прямого восстановления руды.

В зависимости от отрасли газообразная консистенция выступает как основной элемент, дополнительный материал либо горючее.

Cогласно статистическим данным востребованность водорода стремительно растет и его использование каждые 15 лет удваивается в несколько раз.

Перейти в раздел «Водородные компрессоры»

Лидерами по потреблению водорода являются предприятия, производящие аммиак NH 3
. Сейчас на 28 предприятиях в России используется 2,46 млн.т. водорода в год.

Потребление водорода при синтезе метанола CH 3
OH составило 0,6 млн.т. в 2013 г.