Водород

Водород меняет правила игры. Он может преобразить планету, снабжая её зелёной энергией и помогая её накапливать. Его можно использовать для грузовиков, кораблей, самолётов и даже целых городов. Но чтобы водородная революция стала реальностью, человечеству нужно преодолеть несколько технических и экономических трудностей. Так что давай отправимся на атомный уровень и посмотрим, хватит ли водороду сил изменить мир!

Если бы ты открыл книгу о Вселенной, водород был бы уже в первой главе. Ведь это один из строительных блоков Вселенной. Он составляет 90 % атомов в звёздах ^[1-4], а на Земле водород - один из главных компонентов воды, растений и даже ДНК всего живого ^[4-7].

Это ещё и очень энергоёмкое топливо, поэтому NASA использует его для ракет, исследующих космос ^[8,9,10]. Ясно одно: водород уже помогает человечеству достигать новых высот. И самое лучшее - он вообще не производит CO₂!

Так почему же это не главный источник энергии в мире? Ну, всё не так просто.

Водород сложно добыть из Земли в чистом виде, хотя природные залежи существуют ^[11-17]. Обычно он соединён с другими элементами и образует вещества. Например, соединяясь с кислородом, он образует воду, или H₂O. Он также может соединяться с углеродом и образовывать ископаемый газ, также известный как метан, или CH₄.

Поэтому, чтобы получить чистый водород, его нужно отделить от элементов, с которыми он соединён. Когда водород получают из воды, выделяется кислород. Когда его отделяют от ископаемого газа, выделяется углерод. Так что польза или вред водородного топлива для планеты зависят от того, как этот водород произведён.

Сейчас есть три основных способа производить водородное топливо, в зависимости от которых водород называют серым, голубым или зелёным: ^[18-21]

Сегодня большую часть водорода производят из ископаемого топлива ^[22-28], и самый распространённый вид - серый водород, получаемый из ископаемого газа. Но будь то газ, уголь или нефть, производство водорода из ископаемого топлива выбрасывает в атмосферу много CO₂ ^{[19,26,27,28]}. Увы, на эти виды приходится больше 99 % всего производства водорода ^[23,24,28]. Ой!

На самом деле одно только производство серого водорода выбрасывает больше CO₂, чем Великобритания и Австралия вместе ^[28,29]!

В последние годы развитие технологии, известной как улавливание и хранение углекислого газа, позволило электростанциям улавливать выбросы CO₂ и хранить их под землёй ^[30,31,32]. Когда её сочетают с производством водорода, получается голубой водород ^[33,34].

Но хотя этот способ снижает выбросы CO₂, сейчас при нём часто происходят утечки метана (CH₄) ^[34-37], который за 20 лет может быть для атмосферы более чем в 80 раз хуже ^[38,39,40]. Одно исследование даже показало, что при неправильном подходе рост выбросов CH₄ может быть настолько большим, что лучше было бы просто сжигать ископаемое топливо ^[35].

А вот что учёные действительно ищут - Эльдорадо чистой энергии - называется зелёный водород. Его получают из воды в химическом процессе, который называется электролизом: ^[41-45]

Представь большой бак с водой, или H₂O. Чтобы получить водород, сначала нужно разорвать его связи с кислородом. Для этого электричество разрушает связи в молекулах воды, создавая драгоценный водородный газ. Просто!

Всё это можно питать возобновляемыми источниками энергии, например солнцем и ветром, с почти нулевыми выбросами ^[41-45].

Этот зелёный водород может изменить мир ^{[21,28,43,44,45]}. Такие отрасли, как нефтехимия и производство стали ^[44-47], на которые приходится примерно 3,6 % и 7,2 % мировых выбросов ^[48], начинают становиться чище благодаря зелёному водороду вместо ископаемого топлива. Некоторые страны вкладываются в него, чтобы декарбонизировать производство аммиака - вещества для удобрений, - что сократило бы ещё 1-2 % мировых выбросов ^{[44-46,49-53]}.

Эксперты также изучают его применение в транспорте. Для машин это не в приоритете из-за успехов электромобилей, но для дальнобойных грузовиков, международных морских перевозок и самолётов дальнего радиуса действия приоритет выше. Они не могут работать на тяжёлых батареях, так что зелёный водород - отличная альтернатива ^{[21,28,44,45,54]}.

Теоретически (и если его производят экологично), единственный прямой выброс от водородного топлива - вода. Эту воду даже используют в космических шаттлах NASA, где астронавты действительно её пьют! ^[55,56]

Так в чём подвох?

Ну, если просто сжигать водород, он может заставить азот в воздухе вступить в реакцию и образовать оксиды азота - вредные загрязнители воздуха ^[57-61].

Это всё равно чище, чем сжигать ископаемое топливо, но самый чистый вариант - вообще его не сжигать, а использовать водородный топливный элемент, который напрямую превращает химическую энергию водорода в электричество ^[62-65]. Это не только эффективнее, но и даёт ноль выбросов оксидов азота и, конечно, ноль CO₂! ^{[57-59,63-65]}

Звучит неплохо, да? Так почему меньше 1 % производимого сегодня водорода - зелёный? ^[23,24,28] Почему не все переходят на эту экологичную версию?

Сейчас водород дорогой, и для его производства нужно много электричества ^[66-69]. Если бы ты хотел питать телефон зелёным водородом вместо того, чтобы напрямую заряжать его от возобновляемых источников энергии, тебе сначала пришлось бы превратить электричество из возобновляемых источников в водород, а потом с помощью топливного элемента снова превратить его в электричество. Так можно потерять до 70 % энергии, которую ты получил бы, если бы сразу заряжал телефон от солнечных панелей! ^[70,71,72]

Похоже, зелёный водород не так уж выгоден. Так зачем людям использовать его для питания домов и городов?

Ответ кроется в одном из самых сильных свойств водорода… Его способности хранить большие объёмы энергии для будущего использования.

Ветрякам нужен ветер, солнечным панелям нужен солнечный свет, поэтому в тёмные и безветренные дни часто приходится подключать газ и уголь, чтобы электричество не пропадало. Но есть идея позеленее:

Ты снабжаешь дома электричеством от возобновляемых источников через гибкую умную электросеть и строишь достаточно ветряных и солнечных электростанций, чтобы получать избыток энергии. Излишки можно направлять на заводы зелёного водорода, где их используют для производства водорода. Затем этот водород можно хранить и использовать для выработки электричества, когда солнце и ветер не справляются со спросом ^[73-76].

И это ещё не всё: водород можно в огромных количествах и надолго хранить под землёй - в старых шахтах, соляных кавернах или даже выработанных нефтяных и газовых месторождениях ^[77-80]. Значит, его можно использовать круглый год, даже в холодные зимние месяцы.

Это называется межсезонным накоплением энергии, и многие страны уже в него вкладываются ^{[23,81,82,83]}. Однажды оно может даже помочь избавиться от зависимости от ископаемого топлива. А ещё лучше то, что такие огромные запасы водорода дают странам больше энергетической независимости и уменьшают зависимость от импорта энергии, так что им не придётся полагаться на другие страны, чтобы свет не погас ^[84,85,86].

Но разве батареи не могут сделать то же самое?

Не совсем. Батареи, необходимые для хранения городского запаса энергии на недели или месяцы, обошлись бы гораздо, гораздо дороже ^[87-90]. А водород, наоборот, можно очень дёшево хранить в больших объёмах, и он мог бы решить эту проблему накопления энергии ^[91,92].

Так может ли водород помочь декарбонизировать планету? Ну, только если это зелёный водород, произведённый с помощью возобновляемых источников энергии ^[93], и только если его цена приемлема ^[66-69]. Для этого нужно расширять и обновлять инфраструктуру и разворачивать возобновляемые источники энергии в больших масштабах.

Но есть и хорошие новости! Энергия ветра и солнца теперь дешевле ископаемого топлива ^[27,94-97]. А благодаря недавним технологическим прорывам в электролизёрах цена производства зелёного водорода тоже быстро падает ^[98-102].

Так что, если человечество поддержит эту новую технологию, зелёный водород может стать одной из ярких звёзд, которых мы так ждали.