В данной работе исследуются возможности использования водорода как ключевого энергоносителя в энергетике будущего. Акцентируется внимание на достоинствах водорода в сравнении с традиционными видами топлива (нефтью, газом и углем), в частности, на его высокой энергетической плотности и экологической чистоте при использовании в топливных элементах. Производится детальное сопоставление объемов выбросов парниковых газов при сжигании водорода и метана. Описываются основные способы получения водорода («серый», «голубой», «зеленый», «бирюзовый» и другие) с анализом их экономической эффективности и влияния на окружающую среду. Отмечаются существующие технологические проблемы, например, формирование оксидов азота при сгорании и трудности, связанные с производством водорода высокой чистоты. Представлены прогнозы Международного энергетического агентства (МЭА) относительно увеличения спроса на водород до 528 млн тонн к 2050 году и его вклада в глобальный энергетический баланс (18 %). В заключение подчеркивается техническая и экономическая осуществимость перехода к водородной энергетике в XXI веке, с особым вниманием к развитию «бирюзовых» и «зеленых» технологий производства.

Ключевые слова: водород, водородная энергетика, топливные элементы, парниковые газы, «зеленый» водород, «бирюзовый» водород, метан.

Современный человек целиком и полностью зависим от электроэнергии, т. к. подавляющее большинство сфер нашей деятельности просто не смогло бы существовать, если бы электричество внезапно перестало производиться. Основной процент электроэнергии в настоящее время человек получает на тепловых электростанциях (далее — ТЭС) за счет сжигания органического топлива, например, угля, природного газа, нефти и т. д. В настоящее время, несмотря на развитие других видов получения электроэнергии, около 70 % [1] вырабатываемой в мире электроэнергии вырабатывается на ТЭС, при этом выработка растет вместе с ростом населения, ведь все большее количество людей необходимо обеспечить большим количеством электричества. Согласно данным British Petroleum, количество вырабатываемой электроэнергии в 1980 году составило 8409,6 ТВт*ч, а в 2021–28466,3 ТВт*ч [3]. Вместе с ростом производимого электричества должно увеличиваться и потребление топлива, а также загрязнение атмосферы. На долю энергетической отрасли в настоящее время приходится около 20–30 % [2] общих выбросов в атмосферу, при этом наибольшая часть загрязнения производится работой ТЭС.

Одним из перспективных направлений развития энергетики является переход на водородное топливо. Водород является самым распространенным химическим элементом во Вселенной и может использоваться как топливо для электростанций нового типа. Помимо этого, водород с успехом можно применять в качестве топлива для транспортных средств и даже для космических ракет. Основное преимущество водородного топлива над другим популярным видом модернизации транспорта — электрификацией, в том, что водородное топливо может применяться также для судов и авиации, т. к. эти виды транспорта с трудом поддаются электрификации.

В настоящее время считается, что использование в качестве электрического топлива природного газа куда экологичнее, чем использование угля или нефти за счет того, что при сжигании газа в атмосферу происходит меньше выбросов. Помимо этого, газ также имеет большую удельную энергоемкость.

Проведем сравнение водорода и основного компонента природного газа — метана при сгорании. Сжигание 1 кг водорода приводит к выработке порядка 120 МДж тепловой энергии, в то время как сжигание 1 кг метана дает 50 МДж. При этом, при сгорании 1 кг водорода выделяется 9 кг водяного пара. Горение же 1 кг метана приводит к выбросу 2,75 кг диоксида углерода и 2,25 кг водяного пара. Для получения количества энергии, эквивалентной количеству энергии при сжигании 1-го кг водорода, необходимо сжечь 2,4 кг метана. При этом, в атмосферу будет выброшено 6,6 кг CO ₂ и 5,4 кг водяного пара. Т. е. при получении одинакового количества энергии посредством сжигания водорода и метана, при сгорании последнего происходит на 30 % больше выбросов парниковых газов. [4]

Водяной пар, наряду с диоксидом углерода, является парниковым газом и также влияет на усиление парникового эффекта на Земле, задерживая излучения. Однако важно учитывать, что водяной пар поглощает большинство излучаемых землей волн, за исключение интервала волн длиной от 8 до 12 мкм, на который приходится выпускаемая в космос земная радиация. При нынешней температуре поверхности на этот интервал приходится максимум излучения и на задержку этого излучения очень сильно влияет диоксид углерода, т. к. он поглощает излучения в этом промежутке, тем самым оказывая очень значительное влияние в задержке теплового излучения в атмосфере.

Несмотря на то, что сгорание водорода не выбрасывает в атмосферу диоксид углерода, этот процесс остается опасным за счет того, что во время сжигания используется не чистый кислород O ₂ , а атмосферный воздух, который на 78 % состоит из азота. При температуре свыше 600° C происходит реакция азота и кислорода в результате которой образуется соединение NO. При нормальном атмосферном давлении и комнатной температуре происходит окисление NO кислородом, в результате чего образуется оксид азота NO ₂ , являющийся токсичным для человека соединением, которое становится причиной образования смога и выпадения кислотных дождей. Т. к. температура сгорания водорода составляет 2000° C, то в результате его сжигания будет выделяться огромное количество азота, что окажется весьма опасным для человека и окружающей среды, поэтому использовать водород в привычных газовых турбинах не менее вредно, чем сжигать любое другое топливо. [5]

Другим способом получения энергии из водорода является применение топливных элементов (далее — ТЭ) (рис. 1). В таких элементах происходит преобразование химической энергии атомов водорода в электрическую напрямую. ТЭ состоит из анода и катода, разделенных электролитической мембраной. Поступив в ТЭ, атом водорода вступает в реакцию с катализатором, которым, как правило, является платина. В результате этой реакции электрон отделяется от атома водорода и притягивается к аноду, преобразовываясь в ток, который поступает на нагрузку. Молекулы водорода, лишившись электронов, превращаются в катионы и преодолевают мембрану, чего не могут сделать нейтральные атомы, и также поступают на анод, где соединяются с потерянными ранее электродами и атомами кислорода, образуя воду. Кроме воды, у работы ТЭ есть еще один побочный продукт — тепло.

Коэффициент полезного действия (далее — КПД) ТЭ составляет около 60 % против 29–45 % КПД у газовой турбины, что делает такие элементы перспективным и наиболее чистым методом получения электроэнергии. Помимо этого, ТЭ можно также применять и в транспортных средствах, где их КПД также превосходит КПД лучших двигателей внутреннего сгорания, равный 35–40 %. [6]

Рис. 1. Устройство водородного ТЭ

В настоящее время развитие водородной энергетики сталкивается с рядом трудностей, самой значительной из которых является трудность получения водорода, т. к. в чистом виде на Земле этот элемент практически не встречается, поэтому, для получения его в больших объемах, применяют различные способы синтеза водорода из других химических соединений. [9]

В качестве условного непрофессионального деления методы получения водорода разделяют по цветам:

— «Серый» водород — производится путем паровой конверсии природного газа. Во время этого процесса водяной пар смешивают с метаном при температуре около 700–1000° C под давлением и при наличии катализатора. Этот способ является одним из самых дешевых способов получения водорода, но вместе с тем объем образуемых выбросов CO ₂ аналогичен сжиганию привычного углеводородного топлива. При таком способе производства стоимость килограмма водорода находится в районе 1–2$.

— «Бурый» водород — производится методом газификации угля, т. е. термохимическом превращении угля в газ под воздействием высокой температуры. Полученный в результате синтез-газ содержит в себе водород, окись углерода и углеводороды. Такой метод несколько чище «серого», но по-прежнему не является экологичным. Стоимость килограмма водорода при таком способе производства равна 2–2,5$.

— «Голубой» водород — производится подобно «серому», однако в нем применяются технологии захвата углекислого газа. Этот способ дороже «серого», но выбросы парниковых газов при его использовании меньше лишь на 9–12 %. Стоимость «голубого» водорода составляет около 2,8–3,5$ за килограмм.

— «Бирюзовый» водород — производится методом пиролиза метана, во время которого газ под воздействием температуры от 900 до 1900° C разлагается на газовую и твердую фракцию. Где газ — водород, а твердая фракция — кокс или сажа. Такой водород весьма чист экологически, твердые отходы от его производства могут применяться в других отраслях промышленность, а стоимость производства одного килограмма газа находится в районе 2$.

— «Зеленый» водород — производится методом электролиза воды. Этот метод подразумевает направление энергии, полученной из возобновляемых источников на электрическое разложение воды на составные элементы — водород и кислород. Этот метод является самым экологически чистым из всех известных, но, вместе с тем, и самым дорогим: так цена за 1кг водорода доходит до 10$.

— «Розовый», «желтый» или «красный» водород — водород, произведенный электролизом воды, но за тем различием, что необходимая для электролиза энергия поступает не от возобновляемых источников электроэнергии, а от атомных электростанций. [7, 8]

К наиболее перспективным методам производства водорода можно отнести «бирюзовый» и «зеленый» ввиду их высокой экологичности, а в случае с «бирюзовым» — еще и дешевизны. В настоящее время «Газпром нефть» планирует значительно развить в России производство «бирюзового» водорода, что доказывает эффективность применения этого метода.

Согласно докладу МЭА, к середине столетия спрос на водород в мире должен достичь 528 млн т, тогда как в 2020 году он составил 87 млн. К 2050 году доля водорода в мировом потреблении составит 18 %, из которых 10 % придется на «зеленый» газ. К этому времени планируется снизить стоимость «зеленого» водорода до 2$ за килограмм, что произойдет из-за удешевления и развития технологий использования возобновляемых видов энергии. [10]

Таким образом, переход на водородную энергетику вполне реален даже в XXI столетии. Уже сейчас существуют относительно дешевые и экологически чистые методы получения и применения водорода. Дальнейшее развитие технологий получения и использования водорода даст человеку возможность не только перейти на новый источник электроэнергии, но и улучшить транспорт, уменьшив выбросы вредных веществ в атмосферу, избегая, тем самым, негативных последствий для климата и здоровья людей.

Литература:

1. Тепловая энергетика. — Текст: электронный // MANUFACTURERS.RU: [сайт]. — URL: https://manufacturers.ru/article/teplovaya-energetika?ysclid=lovjwj5gcw892160646 (дата обращения: 21.06.2025).
2. Вредные выбросы ТЭС. — Текст: электронный // Poznayka.org: [сайт]. — URL: https://poznayka.org/s68534t1.html?ysclid=lovklk5dz9595386392 (дата обращения: 21.06.2025).
3. Список стран по производству электроэнергии. — Текст: электронный // Wikipedia: [сайт]. — URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Список_стран_по_производству_электроэнергии (дата обращения: 21.06.2025).
4. Применение водорода в энергетике: вопросы экологии. — Текст: электронный // АНО «Центр исследований и научных разработок в области энергетики «Водородные технологические решения»: [сайт]. — URL: https://ww-h2.com/services/application-of-hydrogen-in-the-energy-sector/?ysclid=louo0oy0pc258571189 (дата обращения: 21.06.2025).
5. Экологические проблемы сжигания водорода. — Текст: электронный // smart-lab.ru: [сайт]. — URL: https://smart-lab.ru/blog/667602.php?ysclid=lovq3xieyt893585045 (дата обращения: 21.06.2025).
6. Как работает водородный топливный элемент и почему автомобили с таким «двигателем» еще не ездят по всему миру. — Текст: электронный // Дзен.Платформа: [сайт]. — URL: https://dzen.ru/a/ZLFg_vSNHwjLGrq8 (дата обращения: 21.06.2025).
7. Водородная энергетика. — Текст: электронный // Wikipedia: [сайт]. — URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Водородная_энергетика#Сферы_примененияm/ru/companies/toshibarus/articles/428511/ (дата обращения: 21.06.2025).
8. Переход на зеленый: возможности и трудности мировой водородной экономики. — Текст: электронный // РБК Тренды: [сайт]. — URL: https://trends.rbc.ru/trends/green/64ad3aca9a79474eabb9312f (дата обращения: 21.06.2025).
9. Получение водорода из природного газа. — Текст: электронный // Автор24: [сайт]. — URL: https://spravochnick.ru/neftegazovoe_delo/poluchenie_vodoroda_iz_prirodnogo_gaza/?ysclid=lovq6j08w6767843188 (дата обращения: 21.06.2025).
10. Перспективы и недостатки водородной энергетики. — Текст: электронный // ТБанк: [сайт]. — URL: https://t-j.ru/news/review-vodorod/?ysclid=loumpimyyb673810660 (дата обращения: 21.06.2025).