25 октября 2024 БКС Экспресс
Есть разные способы получения энергии, однако большинство из них вряд ли смогут заменить нефть и газ, если представить, что они вдруг исчезнут. Однако есть перспективные отрасли, которые в будущем могут стать альтернативой привычному топливу. Рассказываем, как работает водородная энергетика.
История вопроса
Водород — один из самых распространенных элементов на Земле и в космосе. А еще он может быть источником энергии, который теоретически в будущем может стать одной из альтернатив привычной нам углеводородной энергетики.
Для хранения и выработки энергии водорода необходимы специальные топливные элементы. Впервые они были сконструированы еще в 1830-х гг. британским ученым Уильямом Гроувом, который показал, что производить химическую энергию с применением электролиза можно внутри специального устройства. Позже он понял, что этот процесс обратим, то есть кислород и водород объединяются в молекулы воды без горения, а в результате выделяется тепло и электричество. Ученый назвал устройство, в котором удалось провести эту реакцию, газовой батареей — оно стало первым топливным элементом.
В 1937 г. профессор Кембриджского университета Френсис Т. Бэкон начал разрабатывать собственный водородный топливный элемент. В конце 1950-х гг. он собрал батарею из 40 устройств мощностью 5 кВт, которая могла обеспечить энергией грузоподъемник или сварочный аппарат. При этом она была достаточно массивна и работала только при высоких температурах — около 200 градусов по Цельсию.
В 1959 г. ученый решил добавить ионообменную мембрану, чтобы транспортировка ионов происходила проще. Позже его изобретением заинтересовалось правительство США, в том числе NASA. В итоге обновленное устройство стали использовать в качестве источника энергии на аппаратах «Аполлон»: также они обеспечивали астронавтов теплом и водой.
Топливо — не топливо
С технической точки зрения топливо должно гореть, чтобы вырабатывать энергию. Однако в водородных элементах выработка тепла и электричества происходит за счет химической реакции, поэтому называть его топливом не совсем правильно.
Давайте разберемся, как работает водородный топливный элемент.
Он состоит из:
• анода
• катода
• особого электролита — мембраны.
Важно, что эти устройства не накапливают и не хранят энергию, а вырабатывают ее ровно до тех пор, пока в них поступают газы: водород — на анод, кислород — на катод. Оба этих элемента разделены мембраной, которая свободно пропускает только положительно заряженные ионы, а вот электроны пропустить не может.
Если подать в топливный элемент описанные выше газы, то произойдет следующее: под действием катализатора молекулы водорода распадутся на отдельные атомы — протоны и электроны. Поскольку мембрана способна пропускать только положительно заряженные частицы, протоны пройдут сквозь нее к катоду, где соединятся с молекулами кислорода и электронами из внешней среды — в результате получится вода. А еще в ходе химической реакции выделятся тепло и энергия.
Как добывают водород
Водород, в отличие от кислорода, практически не встречается на Земле в чистом виде, поэтому его нужно извлекать из разных соединений с помощью химических методов. В зависимости от способа добычи он различается по цветам:
• Коричневый — получают посредством газификации угля. В этом случае пары воды пропускают над углем, разогретым до 1 тыс. градусов.
• Голубой — получают из природного газа — метана. При этом вредные отходы в виде углекислого газа, улавливаются для вторичного использования.
• Розовый (или красный) — производится в результате электролиза воды с использованием атомной энергетики.
• Серый — добывают с помощью конверсии метана. При этом вредные вещества, получающиеся в процессе, выбрасываются в атмосферу.
• Зеленый — получают с помощью электролиза воды, используя возобновляемые источники энергии. Такое производство считается самым безвредным для природы, однако также и самым дорогостоящим.
Кроме того, существуют методы получения водорода из биологических отходов, этилового спирта и даже водорослей. Однако их доля в глобальном производстве крайне мала.
Плюсы и минусы водородной энергетики
Как и у любой технологии, у водородной энергетики есть как важные преимущества, так и весомые недостатки.
Плюсы:
• Запасы водорода практически безграничны. Этот элемент встречается повсюду, соответственно, вероятность того, что возникнет его дефицит, крайне мала (в отличие от углеводородной энергии, которая исчерпаема).
• Энергоэффективность. Водород содержит приблизительно в три раза больше энергии, чем ископаемое топливо. Соответственно, его расход гораздо экономичнее. К примеру, коэффициент полезного действия у солнечных электростанций составляет 20%, у ветряных — 40%. При этом у водородных топливных элементов — до 65%.
• Безопасно для окружающей среды. В результате химической реакции не выделяется никаких вредных веществ, которые могли бы навредить экологии.
Однако добыча самого водорода зачастую далеко не экологичный процесс.
• Высокая применимость. Водородные топливные элементы могут применяться практически в любых видах транспорта — в авиации, морских и грузовых перевозках, а также в качестве ракетного топлива. Также его можно использовать в снабжении городов электроэнергией.
К примеру, компания Northern Gas Networks проводит эксперимент в британском городе Лидс, целью которого является перевод отопления всего населенного пункта на водород.
Минусы:
• Высокая стоимость. Именно дороговизна добычи чистого водорода ставит препятствия на пути развития этой отрасли. Сегодня процесс производства исходного элемента достаточно дорогой. Однако эксперты считают, что постепенное снижение цен на оборудование, необходимое для производства водорода, сможет сделать его более доступным уже в ближайшие десятилетия.
• Сложности в хранении и транспортировке. Перемещать водород крайне сложно. Это самый легкий из химических элементов, и если взять конкретный объем, к примеру, цистерну, то именно водорода из всех видов топлива туда поместится меньше всего. Сейчас способы перевода этого газа в жидкое состояние модернизируются, но на данный момент это происходит следующим образом: газ надо либо сжать до давления, в 700 раз превышающего атмосферное, либо охладить до -253 градусов по Цельсию.
• Горючесть. В сравнении с природным газом, бензином и пропаном водород огнеопаснее всего. Поэтому малейшее повреждение емкости, в которой он находится, может привести к трагическим последствиям.
Примеры использования водородного топлива
• Водородные автобусы в Японии
В Японии первые дорожные тесты с автобусами, работающими на водородных топливных ячейках, прошли еще летом 2015 г. Одним из разработчиков этой технологии стал автопроизводитель Toyota. Как отмечали в мэрии Токио, у таких средств передвижения есть большой плюс: в случае землетрясения или других стихийных бедствий, сопровождающихся повреждением электросетей, водородные автобусы можно использовать как мобильные электростанции.
Сегодня подобный транспорт курсирует во многих европейских городах, в том числе в Роттердаме и Осло.
• Водородный поезд в Германии
В 2022 г. в этой стране началась эксплуатация пока единственных в мире водородных поездов Coradia iLint. По заявлениям инженеров, заправлять каждое транспортное средство нужно один раз в день — запаса хода хватит на 1 тыс. км. Скорость таких поездов ограничена законом до 80–100 км/ч, однако они могут разгоняться до 140 км/ч.
Кстати, еще в 2021 г. РЖД присоединилась к мировой гонке по созданию водородных поездов. Испытания новых разработок могут состояться уже в 2025 г. на Сахалине и в Москве.
• Водородные автомобили
Такие автомобили уже можно найти в продаже. К примеру, в США доступны две модели на водородных топливных элементах — Hyundai Nexo и Toyota Mirai. Однако существует проблема, которая тормозит развитие такого транспорта — малое количество водородных заправок.
При этом в 2021 г. автомобиль Toyota, работающий на водородных топливных элементах, попал в Книгу рекордов Гиннеса, проехав 1360 км без дозарядки.
http://bcs-express.ru/ (C)
Не является индивидуальной инвестиционной рекомендацией | При копировании ссылка обязательна | Нашли ошибку - выделить и нажать Ctrl+Enter | Отправить жалобу
История вопроса
Водород — один из самых распространенных элементов на Земле и в космосе. А еще он может быть источником энергии, который теоретически в будущем может стать одной из альтернатив привычной нам углеводородной энергетики.
Для хранения и выработки энергии водорода необходимы специальные топливные элементы. Впервые они были сконструированы еще в 1830-х гг. британским ученым Уильямом Гроувом, который показал, что производить химическую энергию с применением электролиза можно внутри специального устройства. Позже он понял, что этот процесс обратим, то есть кислород и водород объединяются в молекулы воды без горения, а в результате выделяется тепло и электричество. Ученый назвал устройство, в котором удалось провести эту реакцию, газовой батареей — оно стало первым топливным элементом.
В 1937 г. профессор Кембриджского университета Френсис Т. Бэкон начал разрабатывать собственный водородный топливный элемент. В конце 1950-х гг. он собрал батарею из 40 устройств мощностью 5 кВт, которая могла обеспечить энергией грузоподъемник или сварочный аппарат. При этом она была достаточно массивна и работала только при высоких температурах — около 200 градусов по Цельсию.
В 1959 г. ученый решил добавить ионообменную мембрану, чтобы транспортировка ионов происходила проще. Позже его изобретением заинтересовалось правительство США, в том числе NASA. В итоге обновленное устройство стали использовать в качестве источника энергии на аппаратах «Аполлон»: также они обеспечивали астронавтов теплом и водой.
Топливо — не топливо
С технической точки зрения топливо должно гореть, чтобы вырабатывать энергию. Однако в водородных элементах выработка тепла и электричества происходит за счет химической реакции, поэтому называть его топливом не совсем правильно.
Давайте разберемся, как работает водородный топливный элемент.
Он состоит из:
• анода
• катода
• особого электролита — мембраны.
Важно, что эти устройства не накапливают и не хранят энергию, а вырабатывают ее ровно до тех пор, пока в них поступают газы: водород — на анод, кислород — на катод. Оба этих элемента разделены мембраной, которая свободно пропускает только положительно заряженные ионы, а вот электроны пропустить не может.
Если подать в топливный элемент описанные выше газы, то произойдет следующее: под действием катализатора молекулы водорода распадутся на отдельные атомы — протоны и электроны. Поскольку мембрана способна пропускать только положительно заряженные частицы, протоны пройдут сквозь нее к катоду, где соединятся с молекулами кислорода и электронами из внешней среды — в результате получится вода. А еще в ходе химической реакции выделятся тепло и энергия.
Как добывают водород
Водород, в отличие от кислорода, практически не встречается на Земле в чистом виде, поэтому его нужно извлекать из разных соединений с помощью химических методов. В зависимости от способа добычи он различается по цветам:
• Коричневый — получают посредством газификации угля. В этом случае пары воды пропускают над углем, разогретым до 1 тыс. градусов.
• Голубой — получают из природного газа — метана. При этом вредные отходы в виде углекислого газа, улавливаются для вторичного использования.
• Розовый (или красный) — производится в результате электролиза воды с использованием атомной энергетики.
• Серый — добывают с помощью конверсии метана. При этом вредные вещества, получающиеся в процессе, выбрасываются в атмосферу.
• Зеленый — получают с помощью электролиза воды, используя возобновляемые источники энергии. Такое производство считается самым безвредным для природы, однако также и самым дорогостоящим.
Кроме того, существуют методы получения водорода из биологических отходов, этилового спирта и даже водорослей. Однако их доля в глобальном производстве крайне мала.
Плюсы и минусы водородной энергетики
Как и у любой технологии, у водородной энергетики есть как важные преимущества, так и весомые недостатки.
Плюсы:
• Запасы водорода практически безграничны. Этот элемент встречается повсюду, соответственно, вероятность того, что возникнет его дефицит, крайне мала (в отличие от углеводородной энергии, которая исчерпаема).
• Энергоэффективность. Водород содержит приблизительно в три раза больше энергии, чем ископаемое топливо. Соответственно, его расход гораздо экономичнее. К примеру, коэффициент полезного действия у солнечных электростанций составляет 20%, у ветряных — 40%. При этом у водородных топливных элементов — до 65%.
• Безопасно для окружающей среды. В результате химической реакции не выделяется никаких вредных веществ, которые могли бы навредить экологии.
Однако добыча самого водорода зачастую далеко не экологичный процесс.
• Высокая применимость. Водородные топливные элементы могут применяться практически в любых видах транспорта — в авиации, морских и грузовых перевозках, а также в качестве ракетного топлива. Также его можно использовать в снабжении городов электроэнергией.
К примеру, компания Northern Gas Networks проводит эксперимент в британском городе Лидс, целью которого является перевод отопления всего населенного пункта на водород.
Минусы:
• Высокая стоимость. Именно дороговизна добычи чистого водорода ставит препятствия на пути развития этой отрасли. Сегодня процесс производства исходного элемента достаточно дорогой. Однако эксперты считают, что постепенное снижение цен на оборудование, необходимое для производства водорода, сможет сделать его более доступным уже в ближайшие десятилетия.
• Сложности в хранении и транспортировке. Перемещать водород крайне сложно. Это самый легкий из химических элементов, и если взять конкретный объем, к примеру, цистерну, то именно водорода из всех видов топлива туда поместится меньше всего. Сейчас способы перевода этого газа в жидкое состояние модернизируются, но на данный момент это происходит следующим образом: газ надо либо сжать до давления, в 700 раз превышающего атмосферное, либо охладить до -253 градусов по Цельсию.
• Горючесть. В сравнении с природным газом, бензином и пропаном водород огнеопаснее всего. Поэтому малейшее повреждение емкости, в которой он находится, может привести к трагическим последствиям.
Примеры использования водородного топлива
• Водородные автобусы в Японии
В Японии первые дорожные тесты с автобусами, работающими на водородных топливных ячейках, прошли еще летом 2015 г. Одним из разработчиков этой технологии стал автопроизводитель Toyota. Как отмечали в мэрии Токио, у таких средств передвижения есть большой плюс: в случае землетрясения или других стихийных бедствий, сопровождающихся повреждением электросетей, водородные автобусы можно использовать как мобильные электростанции.
Сегодня подобный транспорт курсирует во многих европейских городах, в том числе в Роттердаме и Осло.
• Водородный поезд в Германии
В 2022 г. в этой стране началась эксплуатация пока единственных в мире водородных поездов Coradia iLint. По заявлениям инженеров, заправлять каждое транспортное средство нужно один раз в день — запаса хода хватит на 1 тыс. км. Скорость таких поездов ограничена законом до 80–100 км/ч, однако они могут разгоняться до 140 км/ч.
Кстати, еще в 2021 г. РЖД присоединилась к мировой гонке по созданию водородных поездов. Испытания новых разработок могут состояться уже в 2025 г. на Сахалине и в Москве.
• Водородные автомобили
Такие автомобили уже можно найти в продаже. К примеру, в США доступны две модели на водородных топливных элементах — Hyundai Nexo и Toyota Mirai. Однако существует проблема, которая тормозит развитие такого транспорта — малое количество водородных заправок.
При этом в 2021 г. автомобиль Toyota, работающий на водородных топливных элементах, попал в Книгу рекордов Гиннеса, проехав 1360 км без дозарядки.
http://bcs-express.ru/ (C)
Не является индивидуальной инвестиционной рекомендацией | При копировании ссылка обязательна | Нашли ошибку - выделить и нажать Ctrl+Enter | Отправить жалобу