"Химия (углублённый уровень)", Еремин В.В., Кузьменко Н.Е., Дроздов А.А. и др./ Под ред. Лунина В.В.
Водородная энергетика использует водород для хранения, передачи и получения энергии. Сам водород не является первичным источником: его сначала производят, затрачивая энергию и используя сырьё. В топливном элементе водород реагирует с кислородом, а химическая энергия превращается в электрическую; продукт реакции — вода. Однако экологичность технологии зависит от производства водорода, а его сжатие, охлаждение и перевозка тоже требуют энергии и оборудования.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Водородная энергетика — направление энергетики, связанное с получением, хранением, транспортировкой и использованием водорода как энергоносителя. Энергоноситель помогает перенести или сохранить энергию, которую прежде получили из другого источника. Поэтому при оценке технологии учитывают не только использование водорода, но и его производство.
Водородное топливо — водород, используемый для получения энергии при сгорании или в электрохимических устройствах. При его взаимодействии с кислородом образуется вода, а энергия высвобождается в форме тепла или электричества. Это понятие помогает различать способы использования одного и того же топлива.
Топливный элемент — устройство, в котором энергия химической реакции водорода с кислородом непосредственно преобразуется в электрическую энергию. В отличие от обычного сжигания, реакция в нём разделена на электрохимические процессы, а электроны проходят через внешнюю цепь. Так устройство может питать электроприборы электрическим током.
Зелёный водород — водород, полученный электролизом воды с использованием возобновляемой электроэнергии. Электролиз — разложение вещества под действием электрического тока; в данном случае вода распадается на водород и кислород. Термин указывает на способ получения и источник энергии, а не на особые свойства самого газа.
Водород называют энергоносителем, потому что для его получения из воды или соединений нужно затратить энергию. Сам по себе он не даёт энергетике «бесплатную» энергию: он лишь сохраняет её в химической форме, чтобы использовать позднее или в другом месте. Например, электричество можно направить на электролиз, а полученный газ применить там, где прямое использование электричества неудобно. Поэтому сравнивают не только количество энергии, которое выделится при использовании водорода, но и затраты на весь путь.
Один из промышленных способов получения водорода — паровая конверсия природного газа. При высокой температуре метан взаимодействует с водяным паром, образуя водород и угарный газ; последующее превращение угарного газа с паром даёт дополнительный водород и углекислый газ. Водород можно получать и электролизом воды, подавая электрический ток на электроды. В обоих случаях экологический результат зависит от сырья и энергии: если используются ископаемый газ или электричество с большими выбросами, производство не становится безвредным только потому, что конечным продуктом реакции водорода будет вода.
В топливном элементе водород подают к одному электроду, кислород — к другому. На аноде молекулы водорода отдают электроны, а образовавшиеся ионы проходят внутри элемента; электроны не могут пройти тем же путём и движутся по внешней цепи. Этот направленный поток электронов и есть электрический ток, который можно использовать для работы устройства. На другом электроде частицы соединяются с кислородом и образуют воду, поэтому химическая энергия превращается в электрическую без обычного сжигания топлива.
Водород позволяет запасать энергию в химической форме и перевозить её туда, где она нужна. Это может быть полезно, когда электричество от возобновляемых источников вырабатывается не постоянно: избыток энергии используют для производства газа, а затем водород расходуют по необходимости. Но при обычных условиях газ занимает большой объём, поэтому его приходится сжимать, охлаждать или превращать в соединения, удобные для перевозки. Каждая такая операция требует оборудования и энергии, а значит, уменьшает общую эффективность энергетической цепочки.
Экологичность и практическая польза водородной энергетики зависят от нескольких этапов сразу. Важно, из какого сырья получили водород, каким способом и за счёт какой электроэнергии, сколько энергии ушло на подготовку и доставку и как именно газ используют. Топливный элемент на месте применения выделяет воду, но это не отменяет возможных выбросов на производстве. Поэтому водород может быть полезным решением для отдельных задач, однако его преимущества нужно оценивать для полного цикла, а не по одному продукту реакции.
Таблица сравнивает два базовых технологических пути и отдельно выделяет электролиз, питаемый возобновляемой электроэнергией. При выборе способа смотрите одновременно на сырьё, источник энергии и экологические последствия: один только продукт «водород» не описывает весь процесс. Указанная экологическая особенность зависит от конкретной технологии и энергосистемы.
| Способ получения | Исходное сырьё | Источник энергии | Экологическая особенность |
|---|---|---|---|
| Паровая конверсия природного газа | Природный газ, вода в виде пара | Теплота, обычно получаемая при сжигании топлива | Используется ископаемое сырьё; при производстве образуется CO₂ |
| Электролиз воды | Вода | Электрическая энергия из электросети | Выбросы зависят от того, как произведено электричество |
| Электролиз воды с возобновляемой электроэнергией | Вода | Электроэнергия солнца, ветра или других возобновляемых источников | Позволяет получать зелёный водород; полный экологический след зависит также от оборудования и других этапов |
Задача 1. Запишите уравнение реакции получения водорода электролизом воды и определите, сколько моль H₂ образуется из 2 моль H₂O. Сначала запишем формулы продуктов: при разложении воды образуются водород и кислород. Затем уравняем число атомов каждого элемента и используем коэффициенты как отношение количеств веществ.
Ответ: 2H₂O → 2H₂ + O₂; образуется 2 моль H₂. Соотношение 1:1 относится именно к воде и водороду в этом уравнении, поэтому подстановка заданного количества не требует дополнительного пересчёта.
Задача 2. При электролизе получили 4 моль H₂. Найдите количество O₂, которое образовалось одновременно, и количество разложившейся воды. По уравнению на 2 моль водорода приходится 1 моль кислорода и 2 моль воды. Сравним заданное количество водорода с коэффициентом 2: оно больше в два раза, значит, остальные количества тоже увеличатся в два раза.
Ответ: образовалось 2 моль O₂, разложилось 4 моль H₂O. Проверка по атомам подтверждает результат: в 4 моль воды содержится достаточно водорода для 4 моль H₂, а количество кислорода соответствует 2 моль O₂.
Задача 3. Топливный элемент потребил 2 моль H₂. Найдите количество образовавшейся воды и необходимого кислорода и объясните, почему появление воды не доказывает безвредность полного цикла. Для расчёта используем уравнение реакции водорода с кислородом; затем отдельно оценим, что оно сообщает об окружающей среде. Уравнение описывает работу элемента, но не производство водорода и не его доставку.
Ответ: образуется 2 моль H₂O и расходуется 1 моль O₂. Вода — продукт реакции в топливном элементе, но экологический итог определяется также происхождением водорода, источником энергии и затратами на хранение и перевозку.
Считать водород первичным источником энергии — значит забыть, что свободный газ сначала нужно произвести. Так ошибаются, сосредоточившись только на энергии, выделяемой при реакции. Проверьте себя вопросом: откуда взялись водород и энергия, затраченная на его получение?
Полагать, что любой водород экологически чист, нельзя: способ производства может сопровождаться выбросами. Обычно обращают внимание на воду, получаемую в топливном элементе, и не рассматривают предыдущие стадии. Уточните сырьё и источник энергии, а затем оцените выбросы всего процесса.
Путать горение водорода с работой топливного элемента — значит не различать тепловое и электрохимическое превращения энергии. Такое смешение возникает потому, что в обоих случаях реагируют водород и кислород. Проверьте описание процесса: в элементе электроны идут по внешней цепи и создают электрический ток.
Оценивать эффективность только по продуктам реакции недостаточно, потому что за кадром остаются производство, хранение и транспортировка. Ошибка появляется, когда рассматривают лишь уравнение реакции использования топлива. Для проверки проследите весь маршрут энергии и учтите затраты на сжатие, охлаждение и доставку водорода.
Чтобы разбираться в водородной энергетике, нужны знания о химических реакциях, окислении и восстановлении, электролизе и энергетическом эффекте реакций. Они помогают понять, откуда берутся продукты реакции, как движутся электроны и почему процесс требует энергии. Топливные элементы связывают эту тему с электрохимией и источниками тока. Оценка производства водорода и его влияния на природу требует также знаний о возобновляемой энергетике и воздействии технологий на окружающую среду.
Почему водород называют энергоносителем, а не источником энергии?
В природе водород обычно входит в состав соединений, например воды и природного газа, поэтому для получения свободного H₂ нужно затратить энергию. Он переносит и хранит энергию, полученную ранее из другого источника.
Какой способ получения водорода считают наиболее экологичным?
Зелёным называют водород, который получают электролизом воды с использованием возобновляемой электроэнергии. Его экологическое преимущество зависит от того, действительно ли электричество произведено с низкими выбросами и как устроены остальные этапы производства.
Чем топливный элемент отличается от обычного сжигания водорода?
При сжигании энергия выделяется главным образом в виде тепла. В топливном элементе реакция водорода с кислородом идёт электрохимически: электроны проходят по внешней цепи и создают электрический ток.
Почему хранить и перевозить водород непросто?
Водород имеет низкую плотность, поэтому для хранения нужного количества его сжимают или охлаждают до жидкого состояния. На эти процессы требуются энергия и специальное оборудование, а транспортировка также связана с техническими и безопасностными требованиями.
Можно ли считать водородную энергетику полностью безвредной для природы?
Нет, оценивать нужно весь цикл: получение водорода, его подготовку, хранение, перевозку и использование. При реакции в топливном элементе образуется вода, но производство водорода из ископаемого топлива может сопровождаться выбросами.
§ 69. Водородная энергети
