что такое водород детям

Водород — самый маленький и распространённый элемент во Вселенной

Представьте себе, человек включает в сеть прибор, опускает его в колбу с водой и по всему дому загораются лампочки, работают электроплита и стиральная машина. И в результате работы прибора отходами является вода, которую завтра вновь можно использовать. Фантастика? Не совсем. В мировых лабораториях ученые работают над получением альтернативного топлива. И водородное топливо — одно из наиболее перспективных в этом плане.

Сейчас, когда вещества окружающего мира разложены на атомы, а человек стремится заглянуть внутрь ядра, водород и другие газы хорошо изучены. Древние алхимики, из-за невидимости газов, не учитывали участие воздуха в проводимых реакциях. И только со временем к ученым пришло понимание, что воздушные газы — полноценные участники химических реакций, и без их исследования картина мира будет неполной.

У истоков завтрашних изобретений стоят исследования ученых XVI-XVII вв и теория о флогистоне — некой горючей субстанции, что улетучивается из веществ при горении, смешивается с воздухом и не может быть выделена из него.

В 1703 году теория флогистона описана немецким ученым Георгом Шталем для объяснения процессов горения, восстановления и обжига.

Первооткрывателем водорода считают, Генри Кавендиша, который подробно исследовал вещество, названное им «горючий воздух». Профиль ученого можно увидеть на странице 72 учебника «Химия 8 класс» под редакцией Н.Е.Кузнецовой. Более точных портретов ученого к сожалению не осталось. Современники описывали его как очень скромного и странного человека.

Лавуазье во второй половине восемнадцатого века осуществили водный синтез водорода с помощью горячего железа, что доказало присутствие водорода в составе воды.

Водород (Hydrogenium) — рождающий воду. Обозначается латинской литерой Н. Вселенная на 75% состоит из водорода, и на остальные 93 природных элемента, присутствующих в таблице Менделеева приходятся остальные 25%. На Земле — его позиция скромнее, девятый по распространенности. Водород входит в состав воды, благодаря круговороту которой поддерживается жизнь на земле.

Физические свойства водорода

не обладает цветом,

не ощутим вкусовыми и обонятельными рецепторами человека ( NB! Помним, что пробовать в лаборатории ничего нельзя!)

в сравнении с воздухом, водород легче практически в 14 раз;

из-за неполярности молекулы Н2, водород плохо растворим в воде,

некоторые металлы (палладий) могут абсорбировать атомарный водород с образованием гидридов металлов..

Формулы получения водорода

1. Реакция металлов с разбавленными кислотами:

Для получения водорода используется аппарат Киппа. Представлен на странице 73 учебника “Химия 8 класс” под редакцией Н.Е.Кузнецовой

2. Реакция щелочных и щелочноземельных металлов с водой:

2Na +2H2O → 2NaOH +H2↑

3. Реакции гидролиза гидридов:

СаH2 + 2Н2О = Са(ОН)2 + 2Н2↑

4.Реакции цинка, кремния или алюминия со щелочами:

2Al +2NaOH +6H2O → 2Na[Al(OH)4] +3H2↑

Si + 2NaOH + H2O → Na2SiO3 + 2H2

Zn +2KOH +2H2O → K2[Zn(OH)4] +H2↑

5. Электролиз воды.

2H2O → 2H2+О2

Не смотря на то, что в результате электролиза получается чистый водород, экономически этот способ самый дорогой.

1. Взаимодействие с галогенами.

При обычной температуре водород реагирует со фтором:
H2 + F2 = 2HF.

Яркий свет обеспечивает реакцию водорода с хлором с выделением хлороводорода, взаимодействие с бромом протекает не так активно, водород с йодом не реагирует до конца даже при высокой температуре.

2. Взаимодействие с кислородом.

Для получения сероводорода пропускают водород через расплавленную серу:
H2 + S = H2S

4.Химические свойства водорода с оксидами металлов.

Благодаря способности водорода отдавать электроны, он восстанавливает многие металлы из их оксидов:
CuO + H2 = Cu + H2O.

5. Химические свойства металлов с водородом.

Если водород нагреть до высокой температуры, происходит реакция с щелочными и щелочноземельными металлами.

Источник

Водород и его свойства

Что такое водород

Водород — самый легкий химический элемент, занимающий в периодической таблице Менделеева начальное место.

Его атомный номер — единица. На одноатомную форму водорода приходится около 75% барионной массы, она считается самым распространенным веществом во всей Вселенной. Водородная плазма — основное вещество звезд, за исключением компактных.

У водорода три изотопа:

К общим характеристикам относятся следующие свойства: не имеет цвета запаха, вкуса. Двухатомная форма ( Н 2 ) нетоксична, однако в соединении с воздухом (или О 2 ) пожароопасна и склонна к взрывам. Взрывоопасность также проявляется в присутствии прочих газов-окислителей, например, фтора, хлора.

На Земле водород присутствует в составе молекулярных соединений, например, вода. Его роль в кислотно-основных реакциях трудно переоценить.

Нахождение в природе, изучение его свойств

Звездная температура позволяет существовать водороду в виде плазмы. Это примерно 6000оС. Однако пространство между звездами заполнено отдельными молекулами, атомами и ионами, которые зачастую образовывают молекулярные скопления различных размеров и форм — облака. Плотность вещества при этом не является постоянной величиной, как и его температура.

В коре Земли водород считается десятым по распространенности элементом. Его массовая доля равна 1%. В то же время по числу атомов он достигает 17%. Это второе место после кислорода, доля которого равна 52%. Отсюда и значительная роль водорода в природе, особенно в химических превращениях.

Водород, в отличие от кислорода, не может существовать в свободном состоянии, только в связанном. Исключение составляет атмосфера, в сухом остатке которой 0,00005% простого вещества — водорода.

Все органические вещества включают в свой состав водород. Велика его доля в живых клетках (по количеству атомов его удельный вес достигает 63%).

В составе воды водород имеет большое значение в протекании геохимических процессов. Так, вулканические газы вызывают истечение определенных количестве водорода вдоль разломов (причина — рифтогенез). По этой же причине часто обнаруживают водород в районе угольных месторождений.

Натуральные минералы могут содержать Н2 в виде ионов аммония, гидроксил-ионов и воды.

Причина появления молекул Н2 в атмосфере — разложение формальдегида — участника окисления метана и прочих органических соединений. Кроме того, причина его образования — неполное сгорание топлива и биомассы, фиксация азота некоторыми микроорганизмами, содержащимися в воздухе.

Молекулы водорода легкие, поэтому имеют высокую тепловую скорость. При попадании в верхние слои атмосферы такие молекулы часто улетают в космос, при этом их потери могут достигать 3 кг каждую секунду.

Химические и физические свойства

Начиная говорить о химических свойствах водорода, нужно отметить чрезвычайную прочность его двухатомной молекулы. Для того, чтобы она распалась и атомы могли провзаимодействовать с другими участниками химической реакции, необходима энергия:

Обычные температурные условия обеспечивают протекание реакций только с металлами высокой активности, к примеру, с кальцием:

1 2 C a + H 2 → C a H 2

Исключение составляет реакция с фтором, продуктом которой является фтороводород:

1 2 F 2 + H 2 → 2 H F

Если имеется возможность повышения температуры (либо при другом воздействии, к примеру, освещении), водород может вступать в реакцию с большинством металлов и неметаллов:

1 2 O 2 + 2 H 2 → 2 H 2 O

В реакциях с галогенами образуются галогеноводороды:

1 2 H 2 + F 2 → 2 H F (в темноте происходит взрыв)

1 2 H 2 + C l 2 → 2 H C l (на свету происходит взрыв)

В реакции с оксидами водород проявляет восстановительные свойства:

1 2 C u O + H 2 → H 2 O + C u

Высокая температура делает возможной реакцию с сажей:

1 2 C + 2 H 2 → C H 4

Когда активные металлы соединяются с водородом, образуются гидриды, например гидрид натрия (NaH), гидрид кальция (CaH2), гидрид магния (MgH2). Эти солеобразные твердые, легко гидролизирующиеся вещества:

1 2 C a H 2 + 2 H 2 → C a ( O H ) 2 + 2 H 2

Оксиды металлов, реагируя с водородом, восстанавливаются с выделением воды:

1 2 F e 2 O 3 + 3 H 2 → 2 F e + 3 H 2 O

Благодаря свойствам водорода, он нашел применение для восстановления органических веществ. Протекают реакции с участием катализатора, а также при высоких параметрах давления и температуры. К примеру, насыщенные алканы образуются в результате гидрирования ненасыщенных алкенов и алкинов.

Физические свойства водорода:

Хорошо растворяется в металлах, поэтому способен диффундировать в них. В серебре не растворим.

Получение водорода, как добыть вытеснением из воды

Потребление в мире водорода составляет порядка 75 млн т. Основная масса приходится на нефтепереработку и производство аммиака. Получение водорода для таких промышленных нужд происходит в основном из природного газа (его расход составляет 205 млрд м3). Оставшуюся часть берут из угля. Примерно 100 тыс т вырабатывают с помощью реакции электролиза.

Получение водорода сопровождается поступлением в атмосферу 830 млн т углекислого газа. Стоимость получения водорода из газа составляет от полутора до трех долларов за каждый кг.

Получение водорода методом электролиза в химии выглядит так:

1 2 2 N a C l + 2 H 2 O → 2 N a O H + C l 2 + H 2

Метод конверсии метана при температуре 1000оС с водяными парами:

1 2 C H 4 + H 2 O ↔ C O + 3 H 2

Следующий способ получения — пропускание водяных паров над горящим коксом (температура не менее 1000оС):

1 2 H 2 O + С ↔ С O + H 2

Свободный водород выделяется в результате реакции катализа окислением кислородом:

1 2 2 C H 4 + O 2 ↔ 2 C O + 4 H 2

В промышленности H2 часто получают путем электролиза водных растворов активных металлов:

а также путем крекинга и риформинга углеводородов при переработке нефти.

Существуют способы получения Н2 лабораторными способами:

В промышленности используется очистка водорода из сырья, которое содержит углерод (в частности — водородсодержащий газ ВСГ). Методы следующие:

Получение и собирание водорода в домашних условиях, техника безопасности

Реальным способом получения водорода в домашних условиях является реакция щелочи с алюминием. Газ получается гораздо чище, чем в реакции с кислотой. Схема следующая. В качестве алюминия используют фольгу, щелочного раствора — средство «Крот».

Берем стеклянную емкость, засыпаем в нее немного средства против засора «Крот» и наливаем 100 г воды обычной температуры. Перемешиваем до полного растворения и помещаем сюда же фольгу, скатанную в небольшие шарики. Выделение тепла свидетельствует о начале реакции, после чего ее скорость активируется. Через 20-60 секунд можно добавить новую порцию фольги.

Чтобы образовавшийся водород собрать, можно закрыть банку крышкой, сделав в ней отверстие, в которое вставить трубку. Второй конец трубки закрепить в воздушном шарике.

Поскольку водород является взрывоопасным веществом, делать это нужно крайне осторожно, начиная от момента возможного вытеснения крышки до конца процесса. Попадание водорода в воду приведет к образованию вещества, способного вызвать обморожение.

Особенности применения водорода

Водород используется во многих производственных сферах, что отражено в таблице:

В химической промышленности активный водород идет на производство аммиака (50%), метанола (8%). В нефтеперерабатывающей — для гидрокрекинга и гидроочистки. На эти цели расходуется около 37% всего водорода, что производится.

Пищевая и косметическая промышленность «пользуется» водородом для производства пищевых добавок, а также саломаса, маргарина, мыла, косметических продуктов.

Для химических лабораторий водород — газ-носитель для газовой хроматографии, а для метеорологии — наполнитель оболочек метеозондов.

Водород — ценное ракетное топливо, однако, ввиду незначительного диапазона температур, используется смесь жидкой и твердой фаз.

В электроэнергетике водород применяют для охлаждения электрогенераторов. Его высокая теплопроводность позволяет использовать газ для заполнения сфер гирокомпасов и колб LED-лампочек.

Источник

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.

Газ водород: «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

Что такое водород — это самый легкий элемент в химической таблице, поэтому занимает почетное первое место. Его ядро включает всего один протон и один нейтрон. Несмотря на повсеместное распространение во вселенной, в земной коре содержится всего около 1%.

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.

Источник

Урок-сказка «Химические свойства водорода»

Ищем педагогов в команду «Инфоурок»

Цель : Используя игровую форму, изучить химические свойства вещества водорода

В игровой форме изучить теоретические сведения о химических свойствах водорода. Положение элемента в периодической системе Д. И. Менделеева.

Отрабатывать умение по составлению формул и уравнений.

Развивать познавательный интерес учащихся к более глубокому изучению химии.

Тип урока : комбинированный

Основные этапы урока :

3. Подведение итогов

И когда Ашка объяснил цель своего визита, то самый старший из них Аргон сказал, что они являются высшей знатью химического государства, поэтому не могут дружить с простыми, малоизвестными элементами.

Не дожидаясь гнева хозяина, Ашка быстро покинул его жилище и печально побрёл дальше.

Ашка вежливо поздоровался и предложил свою помощь. Кислород очень обрадовался гостю и, пригласив его в дом, решил напоить чаем.

Но как только он зажёг спичку – раздался оглушительный взрыв:

В результате взрыва водород оказался на другой улице (таблица – III период).

И тут в окошке Ашка увидел красавицу – Серу : белокурую, голубоглазую, с удивительной фигурой – недавнюю победительницу конкурса «Мисс Химия».

С первого взгляда Ашка был безнадёжно влюблён. Он решил тут же объясниться с красавицей. Но по мере приближения к домику вдруг появился неприятный запах, напоминающий запах тухлых яиц, потому что всё пространство между ними заполнялось сероводородом :

Дойдя до последнего дома ( Na ),он увидел свет во всех окнах и услышал шум веселившейся компании. Ашка зашёл «на огонёк».

Его радостно и шумно приветствовали хозяин дома Натрий и остальные члены клуба «Металлика», но через некоторое время о нём снова забыли, потому что многие металлы легко вступают в дружбу, но также легко расстаются с друзьями.

Нестойкий гидрид натрия

Даже золото не могло с нею сравнится по красоте.

Но со временем она почернела, покрывшись чёрным оксидом меди:

И во время рассказа (а в помещении было очень жарко) старушка Медь вдруг посветлела, разрумянилась и снова превратилась в блестящую красавицу :

И когда об этом узнали окружающие, то отбоя от желающих подружиться с ВЕЛИКИМ ВОССТАНОВИТЕЛЕМ не было!

Водород стал химической знаменитостью.

И теперь он живёт не на окраине города, а в доме №1, чтобы каждый мог найти его без труда.

Но и это не всё. Водороду предложили ещё одну квартиру рядом с резиденцией благородных газов ( VII группа), где он иногда проживает.

II . Учащиеся записывают уравнения реакций в тетрадь.

Для закрепления учащиеся выполняют упр. № 9 на стр. 67 учебника.

В заключение разобрать применение водорода на стр. 66 учебника и пофантазировать на тему «Экологически чистое водородное топливо».

Источник

Водород: эпоха возрождения?

Климатические амбиции крупнейших экономик мира на пути к низкоуглеродной энергетике заставили их снова обратиться в сторону самого легкого и самого распространенного элемента на земле — водорода. По мнению международных экспертов, водород, который имеет двухсотлетнюю историю использования, именно по причине экологической чистоты наконец имеет шансы на успех.

«Хотя за последние 50 лет водород пережил несколько волн интереса, ни одна из них не привела к устойчивому росту инвестиций и более широкому внедрению в энергетических системах. Тем не менее, недавний акцент на декарбонизацию и расширение масштабов и ускоренный рост низкоуглеродных технологий, таких как возобновляемые источники энергии, вызвал новую волну интереса к свойствам и расширению цепочки поставок водорода», — пишет в своем обзоре Goldman Sachs (GS).

Водород содержит в 2,5 раза больше энергии на единицу массы по сравнению с природным газом и бензином, но его очень низкий вес подразумевает гораздо более низкую плотность энергии на единицу объема в его газообразной форме в условиях окружающей среды.

«Водород обладает рядом ценных свойств, два из которых делают его уникальным в эпоху изменения климата:

— отмечают эксперты GS.

Зеленый, серый, бурый и голубой водород

В настоящее время производится около 70 млн тонн водорода, но лишь менее 2% производится экологически чистым способом — путем электролиза воды, когда вода разлагается на свои составляющие — водород и кислород — после подачи электрического тока. Если электроэнергия производится с использованием возобновляемых источников энергии (ВИЭ) — это «зеленый» водород, что является конечной целью экологически ответственных стран.

Однако, как водится, это наиболее дорогостоящий способ, и сейчас водород производится в основном из ископаемых источников энергии, в частности, из природного газа путем его риформинга — это «серый» водород (75%), поскольку нежелательным продуктом является СО2.

Остальной объем водорода производится путем газификации угля и называется «бурым» водородом.

По данным Международного энергетического агентства (МЭА), около 6% мирового производства газа и 2% угля используется для производства водорода, что приводит к существенным выбросам парниковых газов.

Аналитики Wood Mackenzie подсчитали, что в 2017 году на мировое производство водорода приходилось больше ежегодных выбросов CO2 и других парниковых газов, чем на всю Германию и мировую судоходную отрасль — 830 млн т в год.

На пути к «зеленому» водороду выделяется понятие «голубого» водорода: если при производстве «серого» или «бурого» будут улавливаться парниковые газы за счет систем CCS (carbon capture systems).

Где используется водород

С 1975 года спрос на водород увеличился более чем в три раза — с 18 до чуть более 70 млн т в год, из них около половины — 38 млн т — потребляется в нефтепереработке, около 32 млн т — в химической промышленности для производства аммиака, еще 4 млн т потребляют другие отрасли, в частности, при производстве метанола и стали, подсчитало МЭА.

Эксперты отмечают, что водород может «обезуглеродить» ряд секторов, где это представлялось сложным осуществить, включая перевозки на дальние расстояния, химическую промышленность, а также производство чугуна и стали.

Как пишет GS, ключевые характеристики водорода (малый вес и высокая энергия на единицу массы, короткое время дозаправки, нулевые прямые выбросы при использовании возобновляемых источников энергии) делают его привлекательным кандидатом в качестве транспортного топлива.

На сегодняшний день сжатый водород используется для автомобильного транспорта (включая легковые автомобили, а также автобусы, грузовики и поезда), при этом на легковые автомобили приходится подавляющее большинство используемых электромобилей на топливных элементах. Япония, США, ЕС и Южная Корея лидируют по уровню парка FCEV, но многие другие страны недавно также установили цели по внедрению водорода в транспортном секторе.

«Конкурентоспособность автомобилей на водородных топливных элементах зависит от стоимости топливных элементов и заправочных станций, в то время как для грузовых автомобилей приоритетной задачей является снижение стоимости доставки водорода»,

Количество FCEV в мире почти удвоилось до 25210 единиц в конце 2019 года, при этом было продано 12350 новых автомобилей — почти вдвое больше, чем в 2018 году. По состоянию на конец 2019 года во всем мире работало 470 водородных заправочных станций, что на 20% больше, чем в 2018 году.

Железнодорожная отрасль уже является лидер ом в европейском энергетическом переходе, генерируя только 0,1% общих выбросов парниковых газов, однако водородные поезда помогут дополнительно снизить выбросы и уровень шума. Первые коммерческие поезда были представлены в 2016 году компанией Alstom, а в 2018 году они введены в эксплуатацию в Германии. Хотя они все еще находятся на ранней стадии разработки и, по данным Alstom, их первоначальные затраты на 25% выше, экологический, технический и экономический профиль делает водородные поезда привлекательными для замены парка с дизельными двигателями, считают эксперты GS.

При использовании для бытового и промышленного отопления водород можно добавлять в существующие газопроводы с наибольшим потенциалом использования в многоквартирных и коммерческих зданиях, особенно в густонаселенных городах, в то время как более долгосрочные перспективы могут включать прямое использование водорода в водородных котлах или топливных элементах.

Добавление до 20% водорода в газораспределительную сеть требует минимальных или потенциально нулевых модификаций сетевой инфраструктуры или бытовых приборов конечного пользователя, отмечает МЭА.

Проект GRHYD во Франции, который начал подмешивать 6% водорода в сеть природного газа в 2018 году, уже достиг 20% в объемном выражении в 2019 году, демонстрируя техническую осуществимость этого подхода.

Закачка водорода в магистральные газопроводы является более сложной задачей из-за несовместимости материалов при высоких давлениях и более низкого допуска по концентрации водорода в смеси, которую могут принять промышленные пользователи. Однако в рамках некоторых пилотных экспериментов изучается возможность впрыска водорода в такие газопроводы, а проект, разработанный Snam в Италии, уже продемонстрировал возможность подмешивания водорода в объеме до 10%.

На промышленных предприятиях по переработке нефти, производству аммиака, метанола и стали «зеленый» или «голубой» водород может использоваться в качестве топлива (обеспечивая высокотемпературное тепло, требуемое на промышленных предприятиях) или как сырье, помогая сделать соответствующие производства экологически чистыми. Одним из ключевых промышленных применений чистого водорода, которое в последнее время привлекло внимание промышленности, является производство углеродистой стали с нулевым содержанием углерода. В настоящее время осуществляется ряд проектов по развитию этих процессов и продвижению к коммерциализации.

В производстве электроэнергии водород является одним из ведущих вариантов хранения возобновляемой энергии, а водород и аммиак можно использовать в газовых турбинах для повышения гибкости энергосистемы.

Аммиак можно также использовать на угольных электростанциях для сокращения выбросов.

Сколько стоит водородная экономика

Основной статьей затрат при производстве «серого» водорода является стоимость сырья — от 45% до 75% себестоимости, считает МЭА.

При этом, если добавить в схему использование уловителей СО2, затраты вырастают примерно на 50%:

Конечно же, доля сырья в себестоимости для стран, импортирующих газ, выше, чем в странах-производителях.

Согласно отраслевым исследованиям, использование технологий улавливания выбросов при производстве водорода может снизить их на 90%. В настоящее время по всему миру работает 20 крупных объектов CCS (в основном в США, Канаде и Норвегии) ​​с общей мощностью, превышающей 35 млн тонн в год.

Наиболее широко применяемой и зрелой технологией является щелочной электролиз, характеризующийся относительно низкими капитальными затратами на электролизер (менее дорогие, поскольку обычно используется меньше драгоценных металлов по сравнению с другими технологиями электролиза, и с относительно высокой эффективностью, обычно варьирующейся от 55% до 70%).

Эксперты полагают, что «голубой» водород, вероятно, будет в ближайшей и среднесрочной перспективе основным проводником низкоуглеродной энергетики, пока «зеленый» водород не достигнет паритета затрат.

Аналитики МЭА отмечают, что в связи со снижением затрат на возобновляемую электроэнергию, в частности, солнечную энергию и энергию ветра, интерес к электролитическому водороду растет, и в последние годы было реализовано несколько демонстрационных проектов.

Если бы весь водород производился бы сейчас путем электролиза, это привело бы к потребности в электроэнергии в 3600 ТВт*ч, что превышает годовую выработку электроэнергии в Европейском Союзе, подсчитали аналитики агентства.

При снижении затрат на солнечную и ветровую генерацию строительство электролизеров в местах с отличными условиями для возобновляемых ресурсов может стать недорогим вариантом поставки водорода даже с учетом затрат на передачу и распределение при транспортировке водорода из удаленных мест, где используются возобновляемые источники энергии.

Согласно исследованию Wood Mackenzie, к 2040 году затраты на экологически чистый водород упадут на 64%. Так, считают эксперты, с учетом заявленных за последние десять месяцев проектов по «зеленому» водороду, объемы будут достаточно большими и достаточно стабильными, чтобы можно было масштабировать зарождающийся рынок.

«В среднем, к 2040 году затраты на производство зеленого водорода будут равны затратам на водород, вырабатываемый из ископаемого топлива. В некоторых странах, таких как Германия, это произойдет к 2030 году.

Учитывая масштаб, который мы наблюдали до сих пор, 2020-е годы, вероятно, станут десятилетием водорода»,

— отмечают аналитики WoodMac.

В то же время росту конкурентоспособности «зеленого» водорода будет способствовать и рост цен на ископаемые виды топлива. В то время как в 2020 году «серый» водород является самым дешевым водородом, за исключением Китая, Wood Mackenzie ожидает, что к 2040 году затраты на него вырастут на 82%, в основном, из-за роста цен на газ. В Саудовской Аравии и США «серый» водород по-прежнему будет самым дешевым водородом до 2040 года, считают они.

Стоимость «голубого» водорода к 2040 году вырастет, по мнению WoodMac, на 59%. «Успех „голубого“ водорода связан с успехом технологии CCS, которая страдает от высоких затрат и отмены проектов. Как и в случае с „серым“ водородом, прогнозируемый профиль затрат в значительной степени определяется ценами на природный газ», — считают они.

Решение за политиками

«Даже с учетом множества проблем, которые ждут зарождающийся рынок экологически чистого водорода, мы твердо уверены, что в ближайшее время возникнет какая-то форма низкоуглеродной водородной экономики. Учитывая степень четкой политики, корпоративной и социальной поддержки, которая процветала в 2020 году, зеленый водород будет успешно масштабироваться и обеспечивать значительное снижение производственных затрат», — уверены в WoodMac.

«В 2019 году водородные технологии продолжали развиваться, что вызвало большой интерес у политиков. Это был рекордный год для ввода в эксплуатацию электролизных мощностей, и на ближайшие годы было сделано несколько важных заявлений», — полагают аналитики МЭА.

В 2020 году производство низкоуглеродного водорода, как ожидается, составит около 0,46 млн т, уже анонсированы проекты, которые позволят к 2023 году производить 1,45 млн т, а к 2030 году стоит задачу увеличить производство до 7,92 млн т в год, отмечают в агентстве.

Европейский Союз летом текущего года заявил о намерении отказаться от использования ископаемых источников топлив к 2050 году и использовать декарбонизированные газы.

Европа является крупнейшим потребителем российских нефти и газа — основных источников пополнения российского бюджета.

Значит, России придется искать новые пути к своему традиционному партнеру.

«Газпром» уже пытается застолбить для себя нишу в производстве водорода, принимая участие в общественных дискуссиях, проведенных Европейской комиссией по проекту водородной стратегии. «Те предложения, которые мы высказали, — применение пиролиза метана для производства низкоуглеводного водорода — также включены в уже опубликованную стратегию ЕС. И водород, произведенный из природного газа, обладает как экономическими, так и экологическими преимуществами. То есть он может быть произведен без выбросов СО2», — сказал начальник отдела департамента 623 «Газпрома» Константин Романов.

По его словам, сейчас из природного газа в Европе производится более 8 млн тонн водорода в год, и на это используется более 30 млрд кубометров газа. Тогда как по планам ЕС предполагается производить лишь 1 млн тонн водорода с использованием электролиза воды.

«Мы ведем с европейскими партнерами дискуссии, переговоры о реализации пилотных водородных проектов в Европе, в том числе стратегия позволяет использовать и грантовую систему, механизмы грантов Еврокомиссии для развития пиролиза. Мы считаем, что природный газ по-прежнему останется важным источником для водорода и в целом для ЕС», — заключил Романов.

Светлана Кристалинская

Источник