Каким способом можно собирать водород

Урок 26. Получение водорода и его применение

В уроке 26 «Получение водорода и его применение» из курса «Химия для чайников» узнаем о получении водорода в лабораториях и в промышленности, а также выясним в каких отраслях промышленности его применяют.

Водород находит широкое применение в технике и лабораторных исследованиях. Мировое промышленное производство водорода из меряется десятками миллионов тонн в год.

Выбор промышленного способа получения простых веществ зависит от того, в какой форме соответствующий элемент находится в природе. Водород находится в природе преимущественно в соединениях с атомами других элементов. Поэтому для его получения необходимо использовать химические методы. Эти же методы применяют для получения водорода и в лабораторной практике.

Получение водорода в лаборатории

В лабораториях водород получают уже известным вам способом, действуя кислотами на металлы: железо, цинк и др. Поместим на дно пробирки три гранулы цинка и прильем небольшой объем соляной кислоты. Там, где кислота соприкасается с цинком (на поверхности гранул), появляются пузырьки бесцветного газа, которые быстро поднимаются к поверхности раствора:

Атомы цинка замещают атомы водорода в молекулах кислоты, в результате чего образуется простое вещество водород Н₂, пузырьки которого выделяются из раствора. Для получения водорода таким способом можно использовать не только хлороводородную кислоту и цинк, но и некоторые другие кислоты и металлы.

Соберем водород методом вытеснения воздуха, располагая пробирку вверх дном (объясните почему), или методом вытеснения воды и проверим его на чистоту. Пробирку с собранным водородом наклоняем к пламени спиртовки. Глухой хлопок свидетельствует о том, что водород чистый; «лающий» громкий звук взрыва говорит о загрязненности его примесью воздуха.

В химических лабораториях для получения относительно небольших объемов водорода обычно применяют способ разложения воды с помощью электрического тока:

Из уравнения процесса разложения следует, что из 2 моль воды образуются 2 моль водорода и 1 моль кислорода. Следовательно, и соотношение объемов этих газов также равно:

Получение водорода в промышленности

Очевидно, что при огромных объемах промышленного производства сырьем для получения водорода должны быть легкодоступные и дешевые вещества. Такими веществами являются природный газ (метан СН₄) и вода. Запасы природного газа очень велики, а воды — практически неограниченны.

Самый дешевый способ получения водорода — разложение метана при нагревании:

Эту реакцию проводят при температуре около 1000 °С.

В промышленности водород также получают, пропуская водяные пары над раскаленным углем:

Существуют и другие промышленные способы получения водорода.

Применение водорода

Водород находит широкое практическое применение. Основные области его промышленного использования показаны на рисунке 103.

Значительная часть водорода идет на переработку нефти. Около 25 % производимого водорода расходуется на синтез аммиака NH₃. Это один из важнейших продуктов химической промышленности. Производство аммиака и азотных удобрений на его основе осуществляется в нашей стране на ОАО «Гродно Азот». Республика Беларусь поставляет азотные удобрения во многие страны мира.

В большом количестве водород расходуется на получение хлороводородной кислоты. Реакция горения водорода в

кислороде используется в ракетных двигателях, выводящих в космос летательные аппараты. Водород применяют и для получения металлов из оксидов. Таким способом получают тугоплавкие металлы молибден и вольфрам.

В пищевой промышленности водород используют в производстве маргарина из растительных масел. Реакцию горения водорода в кислороде применяют для сварочных работ. Если использовать специальные горелки, то можно повысить температуру пламени до 4000 о С. При такой температуре проводят сварочные работы с самыми тугоплавкими материалами.

В настоящее время в ряде стран, в том числе и в Беларуси, начаты исследования по замене невозобновляемых источников энергии (нефти, газа, угля) на водород. При сгорании водорода в кислороде образуется экологически чистый продукт — вода. А углекислый газ, вызывающий парниковый эффект (потепление окружающей среды), не выделяется.

Предполагают, что с середины XXI в. должно быть начато серийное производство автомобилей на водороде. Широкое применение найдут домашние топливные элементы, работа которых также основана на окислении водорода кислородом.

Краткие выводы урока:

1. В лаборатории водород получают действием кислот на металлы.
2. В промышленности для получения водорода используют доступное и дешевое сырье — природный газ, воду.
3. Водород — это перспективный источник энергии XXI в.

Надеюсь урок 26 «Получение водорода и его применение» был понятным и познавательным. Если у вас возникли вопросы, пишите их в комментарии. Если вопросов нет, то переходите к следующему уроку.

Источник

Как собирать, хранить и поставлять водород

В одном из прошлых постов мы выяснили, что в обозримой перспективе себестоимость производства водорода снизится настолько, что этот газ станет конкурентоспособным энергоносителем на транспорте и в энергетике. Но есть ещё одна потенциальная проблема водородной экономики: хранить, транспортировать и поставлять H₂ не так просто, как кажется. В этот раз мы расскажем, какие технологии решат эти задач и не «съедят» ли транспортные издержки прибыль будущих водородных магнатов.

В 1870 году Джон Рокфеллер создал в составе зарождавшегося нефтяного концерна Standard Oil бондарные мастерские. Нефтяной бум в США разразился так внезапно, что в ход пошли бочки из-под рыбы и виски объёмом в 42 галлона (почти 159 литров) — те самые баррели. Это было идеальное решение, так как они были подъёмными для грузчиков и подходящего размера для тогдашнего транспорта. Однако цена самого деревянного барреля выросла из-за бума до $3,0 при средней цене на нефть в США в 1870 году $3,86 (примерно $60 сегодня).

Поэтому Рокфеллер справедливо решил, что лучше делать бочки самому, открыл бондарные мастерские в Standard Oil и снизил цену барреля до $1,5 . Какой мы делаем вывод из этой истории? Удельная стоимость массового сырьевого товара почти всегда низкая, поэтому в конечной цене всегда большую роль играют издержки на хранение, преобразованию и поставку. Водород — более капризный груз, чем нефть и природный газ. У него низкая плотность, поэтому, чтобы сохранять экономически значимое количество, бочками не обойтись.

Один килограмм водорода при атмосферном давлении и комнатной температуре занимает 11,2 куб. м. Для сравнения: полный бак водородной Toyota Mirai — 4,7 кг водорода . И хотя сейчас 85% водорода идёт в дело там же, где он производится (нефтепереработка и производство удобрений), чем больше водородомобилей будет ездить по миру, тем острее станет необходимость «порционной» поставки H2 миллионам потребителей. Об это мы расскажем дальше, но сначала разберёмся, где хранить водород.

Где и как хранить водород

По мере превращения водорода из промышленного в потребительский товар — им будут заправлять машины, питать электросистему и отопление домов — его нужно будет запасать в больших количествах. Это нужно будет и для того, чтобы цены на водород не скакали. Причём газ будет храниться долго, поэтому не столько важна скорость закачки/откачки и расположение, сколько объём хранилищ.

Такую технологию давно придумали: много газа можно закачать в пещеры. Сейчас водород закачивают в основном в соляные пещеры — них он почти не загрязняется примесями, а нормированная стоимость хранения — до $0,6 за кг.

Второй естественный резервуар для водорода — истощённые пласты залежей природного газа или нефти и водоносные горизонты. Они больше соляных пещер, но водород в них сильнее загрязняется, вступая в реакцию с горной породой, микробами, жидкостями. В такие пещеры водород пока не закачивают, поэтому считать «экономику» рано.

Карта водородного будущего Европы. Большинство соляных пещер для водорода (обозначены зелёными треугольниками) сосредоточено на севере Германии, в Нидерландах и Франции. Источник: European Hydrogen Backbone Perspective, 2020.

Однако для краткосрочного и мелкомасштабного хранения водорода такие «пещеры горного короля» не подходят — нужны баки. В резервуарах хранят сжатый или сжиженный водород, который можно быстро закачать или откачать в нужных объёмах.

Сжатый водород (при давлении 700 бар, т. е. приблизительно 690 атм.) имеет только 15% плотности энергии (количество энергии на единицу объёма) бензина, и чтобы хранить эквивалентное количество топлива, скажем, на водородной заправке, нужно в семь раз больше места.

Поэтому водород скорее всего будут мешать с аммиаком, у которого плотность больше, а места такой смеси требуется меньше, что позволит транспортировать больше водорода без увеличения объёма хранилища. Правда, придётся потратиться на конверсию и реконверсию смеси.

В каком виде транспортировать водород

Проблема подготовки водорода для транспортировки решается по-разному: H2 сжимают, сжижают, смешивают с другими веществами. У каждого из этих вариантов свои преимущества и недостатки, а оптимальное решение зависит от географии поставок, расстояния, объёма и вида водорода для потребителя.

В любом агрегатном состоянии (кроме твёрдого, конечно) водород можно пустить по имеющимся газовым трубам, что однозначно дешевле, чем строить новую инфраструктуру. Первый кандидат — газовые сети. В мире насчитывается 3 млн километров газопроводов и 400 млрд кубометров подземных хранилищ метана. Но с этим есть технические проблемы:

у водорода низкая плотность энергии, и объёмы (или время) его поставки через газопровод придётся увеличить;

водород очень горюч на воздухе, поэтому чтобы снизить риски, придётся менять оборудование по всей цепочке поставок;

не всякая инфраструктура для, например, метана подойдёт водороду; особенно это касается потребительских котлов, бойлеров и т. п. (об этом подробнее ниже);

потребителям нужен разный газ (одним только чистый водород, другим — смесь), а технологии выделения чистого водорода из полученной смеси повысят конечную стоимость газа на $0,3-0,4 за кг.

В итоге наряду с газообразным водородом нам придётся производить его сжиженные и смешанные версии.

Как адаптировать мелких потребителей к водороду? На рисунке — возможный вариант. Это H2Rex — водородный генератор компании Toshiba (о нём мы рассказывали). Его топливные элементы вырабатывают электричество с помощью электрохимических реакций между полученным водородом и кислородом из атмосферы. Результат — электричество и тепло, которые получает потребитель. Источник: Toshiba ESS

Как и природный газ, водород сжижается. Но проблема в том, что для этого H2 нужно охладить до -253 °C . Если представить, что для охлаждения используется часть самой поставки H2, то на сжижение уйдёт 25-35% её массы.

Такая же операция над природным газом требует только 10% массы. Есть и другой вариант: водород смешивается с другими веществами для перевозки в жидком виде. Главные претенденты на роль «попутчиков» H2 — упомянутый выше аммиак и жидкие органические носители водорода (Liquid Organic Hydrogen Carrier, LOHC), к примеру, метилциклогексан (C7H14). Чтобы смешать водород с аммиаком, нужно 7-18% энергии из объёма поставки. Столько же водорода теряется, когда он выделяется из этой смеси. Но аммиак сжижается при температуре -33 °C и содержит в 1,7 раза больше водорода на кубометр, поэтому аммиачно-водородную смесь транспортировать дешевле, чем чистый водород.

Схожим образом водород можно включить в жидкий органический носитель. На конверсию и реконверсию при этом уйдёт 35-40% водорода, хотя объёмы поставок эти издержки покрывают.

Некоторые жидкие органические носители водорода могут быть негорючими, что делает перевозку безопаснее. Источник: Hydrogenious LOHC Technologies / YouTube

Как доставлять водород

Как и углеводороды сейчас, водород перемещать по миру в основном будут трубы, суда и автоцистерны. Отправлять H2 поездами в целом будет дороже, хотя удалённым потребителям в локациях без трубопровода это возможно. В мире сегодня существует много водородопроводов, но в основном они не выходят за пределы технологических площадок химических и нефтеперерабатывающих заводов. Поэтому более оптимальный вариант — трубы для передачи природного газа.

Однако далеко не все они подходят для прокачки водорода из-за типа стали: трубы из низкопрочной стали будут портиться из-за контакта с водородом (водородное охрупчивание) и давления прокачки. При этом их пропускная способность должна быть в три раза выше из-за низкой плотности водорода. Последнее решается, как мы уже выяснили, смешиванием водорода с жидкостями, и для таких соединений также есть трубопроводы. В частности, трубы используют для прокачки аммиачно-водородной смеси. Один из аммиакопроводов, к примеру, идёт из Тольятти (Россия) до Одессы (Украина) (2,4 тыс. км).

В целом трубы — перспективно самый дешёвый вариант доставки. Себестоимость транспортировки 1 кг водорода в виде газа на расстояние около 1,5 тыс. км составит $1,0. Если пустить по трубам жидкую смесь, то с учётом конверсии и реконверсии она вырастет до $1,5 за кг. Если расстояние увеличивается, то повышается и цена (нужно больше компрессорных станций), поэтому на расстоянии 2,5 тыс. км водород из трубы обойдётся уже в $2,0 за кг.

Однако трубопровод подойдёт не для всех потребителей. В некоторые страны H2 доставят морем. Пока танкеры для перевозки водорода массово не производят. Первое такое судно, получившее название Suiso Frontier, построила компания Kawasaki Heavy Industries, а спустили его на воду в декабре 2019 года в Кобе (Япония). В марте 2020 года на танкер установили резервуар объёмом 1 250 куб. м, в котором водород будут перевозить в сжиженном состоянии.

Водородовоз Suiso Frontier построен в рамках проекта создания безуглеродной цепи поставок водорода из Австралии в Японию. Правда, сам танкер работает на дизельном двигателе , так что безуглеродной цепь не получается. Kawasaki Group Channel / YouTube

В других проектах предполагаются танкеры, схожие по размеру с судами для СПГ, которые в качестве топлива будут сжигать в день примерно 0,2% от перевозимого водорода. Более перспективны в этом отношении танкеры, которые сейчас перевозят сжиженный нефтяной газ (СНГ). В их резервуары можно залить аммиачную и другие подобные смеси водорода. Газовозами доставлять водород дороже, чем по трубопроводам.

Самый затратный способ — везти сжиженный водород на расстояние около 1,5 тыс. км: с учетом расходов на сжижение перевозка встанет в порядка $2,0 за кг, в аммиачной смеси — $1,2, с жидкими органическими носителями — $0,6 за кг. Правда, в отличие от расходов прокачки по трубам, себестоимость морской транспортировки слабо растёт при увеличении расстояния. Альтернатива — автомобильные перевозки. Уже сегодня водород возят в основном тягачи с прицепом или автоцистерны. В первом случае прицеп загружают резервуаром со сжатым водородом.

Правда, обычно перевозят таким способом в пределах 300 км: дальше становится невыгодно. Развитие автоперевозок водорода будет зависеть от вместимости баков. Теоретически один прицеп со сжатым газообразным водородом может вместить до 1 100 кг в лёгких композитных цилиндрах (под давлением 500 бар). Однако этот показатель редко достигается на практике, поскольку правила во всем мире ограничивают допустимое давление, высоту, ширину и вес цистерн.

Потреблять бензин или солярку грузовику совсем не обязательно — его ДВС может работать на всё том же водороде. Hyundai XCIENT Fuel Cell — первый массовый грузовик на водороде, десять копий которого поставили в 2020 в Швейцарию для коммерческого использования. Заправить такой грузовик можно 32 кг водорода, которые ему хватит примерно на 400 км хода. Источник: Hyundai.news

Второй вариант — автоцистерны со сжиженным водородом, если есть постоянные потребители и объёмы поставки компенсируют расходы на сжижение.

Изолированные криогенные автоцистерны могут перевозить до 4 000 кг сжиженного водорода. Их применяют на расстояниях до 4 000 км. Дальше — нельзя: водород нагревается, из-за чего растёт давление. На расстояние до 500 км поставка водорода с жидким органическим носителем (с учётом конверсии) обойдётся в $2,9 за кг. Аммиачная смесь водорода при таких же условиях доедет до потребителя в среднем за $1,5 за кг.

Как видно, экономика автоперевозок зависит от объёма поставок: чем больше требуется водорода, тем более выгодно построить трубопровод. Чем меньше и чем ближе потребитель, тем выгоднее возить водород грузовиками

Итого: сколько стоят путешествия водорода

Прежде чем подвести предварительный итог напомним, во сколько обойдётся производство «зелёного» водорода и при какой цене он станет конкурентоспособным относительно традиционных энергоносителей.

В самых перспективных регионах добычи, откуда будут экспортировать экологически чистый водород (Ближний Восток, Северная и Южная Африка, Индия, Китай, Австралия, Патагония, Мексика, Юго-Запад США), он будет стоит $1,6–3,0 за кг (стоимость производства).

По подсчётам Международного энергетического агентства, наиболее выгодный вариант сухопутной поставки водорода на расстояния до 3,5 тыс. км. — это водород в газообразном состоянии через трубопровод (около $5,5 за кг ; здесь и далее стоимость транспортировки). На больших расстояниях по трубопроводам уже лучше пускать водородно-аммиачную смесь, что обойдётся в $6 за кг (до 5 тыс. км).

Морские поставки от расстояний зависят не так сильно, как от технологии. Дешевле всего перевозить смесь с аммиаком и органическими жидкими носителями (порядка $4,0–4,5 за кг). Дороже отправлять морем сжиженный водород (от $5,5 до $6,0 за кг).

Как видно, с учётом доставки «зелёный» водород на возобновляемых источниках энергии, добытый в Японии, будет дороже импортированного из Австралии или Ближнего Востока. А вот Европа вполне может не зависеть от его поставок из Северной Африки. Источник: International Energy Agency

При этом, по данным Совета по водородной энергетике, нижняя граница конкурентоспособности водорода для грузовиков, автобусов (для дальних перевозок) и электричек составит $4-5 за кг; для отопления и электропитания жилых домов — $3-5 за кг.; для автопогрузчиков — $7-9 за кг.

Но для частных и коммерческих городских перевозок водород останется дорогим, тем более с учётом доставки (нужно, чтобы он был не дороже $1,0-1,5). Однако вариативность подсчётов очень широкая, и для каждого региона и потребителя экономика водородных поставок будет своя.

Более того, мы в Toshiba знаем, как включить в цепь добавленной водородной стоимости новые технологии, которые позволят снизить транспортные издержки.

Как построить водородную цепь добавленной стоимости

Вырисовывается такая картина: в густонаселенных районах Европы и США водород от большого числа местных поставщиков для небольших потребителей в основном будут возить грузовики. Крупные потребители будут получать водород либо по трубопроводам от дальних поставщиков, либо импортировать морем из соседних стран (Латинская Америка для США и Северная Африка с Ближним Востоком — для Европы).

Японии будет сложнее: местный водород будет сравнительно дорогим, поэтому для крупных потребителей возможны поставки морем из стран ближнего и дальнего зарубежья. Правда, водородная энергетика всё-таки будет «демократичнее» углеводородной благодаря доступности возобновляемых источников энергии большому числу потребителей.

Именно на этой основе мы строим водородную цепь добавленной стоимости Toshiba (Toshiba Hydrogen Value Chain). Для крупных потребителей водород могут производить большие солнечные электростанции, наподобие той, что мы построили в Фукусиме . В день она вырабатывает газа на заправку 560 водородных авто и 150 домовладений. Часть водорода отправится грузовиками, часть — по трубам.

В последнем случае конвертировать полученный водород поможет наш генератор на топливных элементах H2Rex, который уже производит электричество и тепло из водорода и воздуха, к примеру, для гостиницы в Кавасаки. Небольшим и удалённым от производства H2 потребителям подойдут мини-электростанции типа нашей H2One. Она вырабатывает водород методом электролиза из воды, который поддерживается встроенной солнечной батареей.

Мы убеждены, что интеграция таких источников и преобразователей энергии в сочетании со строительством водородных электростанций на ВИЭ позволит снизить зависимость потребителей от зарубежных поставок H2, которые могут оказаться для них дорогими.

Источник