Водород и энергия. Свойства и применение. Особенности

Области применения «чистого» водорода отличаются широтой охвата и многообразием возможных решений. Сегодня этот газ используется не только в качестве горючего в транспортных средствах, но также в промышленных установках, в медицине и в ряде перерабатывающих производств. Внимание инженеров и ученых всего мира особенно привлекает сочетание «водород и энергия», получаемая на его основе.

Чем привлекателен водород и энергия, получаемая с его помощью

Возможность применения водорода в качестве энергетического (топливного) вещества объясняется следующими привлекательными качествами этого элемента:

Экологическая чистота водородного горючего.
Его доступность (при условии использования отработанных технологий).
Возможность использования в современных двигательных агрегатах и установках.

Особое место понятийная связка «водород и энергия» занимает в перспективных разработках систем, содержащих возобновляемые источники (ВИЭ).

Водород, полученный с помощью ВИЭ – оптимальное решение задачи производства дешевой энергии с учетом долгосрочной перспективы. В некоторых случаях этот природный газ рассматривается как переходной вариант к более эффективным «чистым» источникам.

Физические характеристики водорода и его химическая активность

В таблице Менделеева водород занимает первую позицию (его атомный номер – 1). Такое положение элемента означает, что он отличается простотой своей структуры и физической легкостью. Практически всем известные «летающие» воздушные шарики, как правило, наполняются водородом. Добавим к этому, что это самый распространенный во Вселенной элемент, составляющий до 75% ее общей массы.

Особенности положения в периодической таблице – причина того, что водород обладает следующими уникальными свойствами:

В свободном состоянии он образует 2-хатомную молекулу (H2).
При комнатной температуре и атмосферном давлении он обнаруживается в виде бесцветного газа.
Его плотность в 14 раз меньше, чем аналогичный показатель для воздуха.
В определенных условиях он способен соединяться с другими элементами.

Низкая плотность водорода приводит к тому, что в воздухе он быстро растворяется. При определенной температуре он смешивается с атомами других газообразных компонентов (с кислородом, например), образуя новое вещество – воду.

Этот газ отличается высоким показателем энергетической плотности, приходящейся на единицу массы (120-142 МДж кг-1). Выделяемое при его сгорании тепло настолько велико, что он считается одним из основных экологически чистых ВИЭ. После знакомства со свойствами этого элемента становится понятным, почему водород и энергия, получаемая на его основе, так занимают специалистов всего мира.

Энергетические свойства водорода

Наиболее привлекательная особенность химического элемента водорода – его вхождение в состав молекулы воды (H2O). С учетом того, что водная среда покрывает до 71% земной поверхности – запасы этого газа можно считать практически неисчерпаемыми.

В случае, если получится выделять водород из воды с минимальными затратами – в будущем он сможет превратиться в основной источник энергии, позволяющий существенно сократить парниковый эффект.

Основная сложность при решении этой задачи – легкая воспламеняемость водородного горючего. Указанный недостаток может рассматриваться и как положительное свойство, способствующее его использованию в качестве дешевого топлива.

К основным преимуществам применения водорода для производства электрической энергии, например, относят:

Экологическую чистоту процесса при получении из воды.
Отсутствие токсичных выбросов.
Высокую скорость рассеивания газа при его высвобождении.

Получение энергии из водорода возможно лишь при условии применения самых современных технологий.

Водородные топливные элементы

К наиболее распространенным способам высвобождения энергии водорода относятся две известные технологии. Первая реализуется путем его сжигания в двигателях внутреннего сгорания, а вторая – за счет превращения газа в электрическую энергию. В последнем случае для достижения нужного эффекта используются специальные устройства, называемые «топливными элементами». В этих устройствах протекают окислительно-восстановительные реакции, в которых участвуют водород и кислород.

По своей сути эти изделия представляют собой химическую батарею, состоящую из следующих основных частей:

Анод-окислитель, испускающий электроны.
Катод-восстановитель, притягивающий их к себе.
Электролит, разделяющий рабочие электроды.

Принцип работы топливного элемента заключается в переносе противоположно заряженных ионов через раствор и накоплению зарядов на рабочих пластинах. Топливо (водород и кислород) поступают на каждый электрод из специальных емкостей, с закачанными в них газами.

Исходный газ водород и энергия, полученная в результате химической реакции, в данном случае соотносятся как сырье и конечный продукт соответственно. Электрическая ЭДС на выходе топливного элемента (ТЭ) может использоваться в самых различных целях, начиная от подзарядки аккумуляторов и кончая питанием небольшого загородного домика.

В более «продвинутых» технологиях в состав ТЭ входит полимерно-электролитная мембрана (PEM), повышающая эффективность разделения заряженных ионов и величину конечной ЭДС. Такие модули в основном используются для подзарядки электромобилей и подобных им транспортных средств.

Vodorod i energiia 2

На каких объектах используется водород и энергия, полученная с его помощью

Во всем мире производится порядка 50 миллионов тонн водородного продукта в год. В предшествующие десятилетия он в основном применялся для производства сельскохозяйственных удобрений и при проведении гидрокрекинга. Сегодня ситуация существенно изменилась, причиной чему явились заметные успехи в развитии водородной экономики.

Специалисты в области ВИЭ нередко относят этот газ к полноценному заменителю традиционных видов топлива, включая углеводороды. Области применения водорода условно подразделяются на следующие виды:

Использование для работы в установках стационарного типа (мини электростанции и топливные элементы).
Мобильные системы, применяемые в воздушном, водном и наземном транспорте.
Портативные установки.
Резервное питание.

Возможны и комбинированные исполнения генераторных модулей, что позволяет получать универсальные системы выработки электроэнергии.

Гибридный водородный топливный элемент подходит сразу для нескольких способов применения. Он может устанавливаться не только в производственных помещениях или в автомобиле, но и использоваться в качестве резервного генератора или помещаться в специальной аппаратуре.

Сегодня уже встречаются автомобили небольшой грузоподъемности, работающие полностью на водородных топливных элементах (FCEV). В эту категорию также входят такси и личные автомобили. С одной заправкой такие машины способны покрыть расстояние до 500 км.

Vodorod i energiia 3

Этого вполне достаточно для того, чтобы успешно конкурировать с автомобилями на бензиновом топливе. В отличие от ДВС встроенный в них топливный элемент работает совершенно бесшумно и не загрязняет атмосферу вредными выбросами. Перспективные направления, где могут использоваться водород и энергия, получаемая с его помощью. Это:

Железнодорожный транспорт.
Морские суда (небольшие подводные лодки, в частности).
Техника, обслуживающая речные и морские переправы.

Добавим к этому потенциальную возможность применения топливных элементов в летающих аппаратах легкого класса (в дронах, в частности).

Проблемы развития водородной энергетики

Проблемы, с которыми сталкиваются специалисты, работающие по направлению «водород и энергия», заключаются в следующем:

Vodorod i energiia 4

Сложности длительного хранения водородного горючего.
Проблемы с поддержанием требуемого уровня его чистоты.
Безопасность работы с взрывоопасным газом.

К сложностям получения водорода относят необходимость использования дополнительных источников питания. Последнюю проблему удается снять путем применения мощностей солнечных или ветровых ВИЗ.

Существуют и чисто организационные сложности с использованием водорода в качестве неиссякаемого источника энергии. Для решения возникших проблем в 2017 году был создан специальный контролирующий орган – Международный Совет по водороду. О его учреждении было официально объявлено на Всемирном экономическом форуме в том же 2017 году.

Одну из активно обсуждаемых проблем – высокую стоимость газового горючего – по предположениям ряда специалистов удастся снять в самое ближайшее время. Уже найдены подходы к ее решению за счет применения современных электролизных технологий, обеспечивающих высокую рентабельность производства.

Еще один вариант решения проблемы – получение газового сырья, которое путем химических превращений объединяется с молекулами, содержащими углерод. Это позволит получить более устойчивое горючее, представляющее собой синтетический заменитель автомобильного и авиационного топлива. Такое решение имеет целый ряд преимуществ, включая сокращение объемов выброса углерода в атмосферу и сведение к минимуму загрязнения окружающей среды.