Як збирати, зберігати та постачати водень

В одному з минулих постів ми з'ясували, що в перспективі собівартість виробництва водню знизиться настільки, що цей газ стане конкурентоспроможним енергоносієм на транспорті та в енергетиці. Але є ще одна потенційна проблема водневої економіки: зберігати, транспортувати та постачати₂ не так просто, як здається. На цей раз ми розповімо, які технології вирішать ці завдання і чи не «з'їдять» транспортні витрати прибуток майбутніх водневих магнатів.

У 1870 році Джон Рокфеллер створив у складі нафтового концерну Standard Oil, що зароджувався, бондарні майстерні. Нафтовий бум у США вибухнув так раптово, що в хід пішли бочки з-під риби та віскі обсягом 42 галони (майже 159 літрів) — ті самі барелі. Це було ідеальне рішення, оскільки вони були підйомними для вантажників та відповідного розміру для тогочасного транспорту. Проте ціна самого дерев'яного бареля зросла через бум до $3,0 за середньої ціни на нафту США в 1870 року $3,86 (приблизно $60 сьогодні).

Тому Рокфеллер справедливо вирішив, що краще робити бочки самому, відкрив бондарні майстерні в Standard Oil та знизив ціну бареля до $1,5. Який ми робимо висновок із цієї історії? Питома вартість масового сировинного товару майже завжди низька, тому в кінцевій ціні завжди велику роль відіграють витрати на зберігання, перетворення та постачання. Водень — вередливіший вантаж, ніж нафта і природний газ. Він має низьку щільність, тому, щоб зберігати економічно значну кількість, бочками не обійтися.

Один кілограм водню при атмосферному тиску та кімнатній температурі займає 11,2 куб. м.Для порівняння: повний бак водневої Toyota Mirai - 4,7 кг водню. І хоча зараз 85% водню йде в справу там же, де він виробляється (нафтопереробка та виробництво добрив), чим більше водень їздитиме по світу, тим гострішою стане необхідність «порційної» постачання H2 мільйонам споживачів. Про це ми розповімо далі, але спочатку розберемося, де зберігати водень.

Де і як зберігати водень

У міру перетворення водню з промислового на споживчий товар — їм заправлятимуть машини, живитимуть електросистему та опалення будинків — його треба буде запасати у великих кількостях. Це потрібно буде і для того, щоби ціни на водень не скакали. Причому газ зберігатиметься довго, тому не так важлива швидкість закачування/відкачування та розташування, скільки обсяг сховищ.

Таку технологію давно вигадали: багато газу можна закачати в печери. Зараз водень закачують в основному в соляні печери — їх майже не забруднюється домішками, а нормована вартість зберігання — до $0,6 за кг.

Другий природний резервуар для водню - виснажені пласти покладів газу чи нафти і водоносні горизонти. Вони більші за соляні печери, але водень у них сильніше забруднюється, вступаючи в реакцію з гірською породою, мікробами, рідинами. У такі печери водень поки що не закачують, тож рахувати «економіку» зарано.

Карта водневого майбутнього Європи. Більшість соляних печер для водню (позначені зеленими трикутниками) зосереджено північ від Німеччини, Нідерландах і Франції. Джерело: European Hydrogen Backbone Perspective, 2020.

Однак для короткострокового та дрібномасштабного зберігання водню такі «печери гірського короля» не підходять — потрібні баки.У резервуарах зберігають стиснутий або скраплений водень, який можна швидко закачати або відкачати в потрібних об'ємах.

Стиснутий водень (при тиску 700 бар, тобто приблизно 690 атм.) має лише 15% щільності енергії (кількість енергії на одиницю об'єму) бензину, і щоб зберігати еквівалентну кількість палива, скажімо, на водневій заправці, потрібно в сім разів більше місця.

Тому водень швидше за все заважатимуть з аміаком, у якого щільність більша, а місця такої суміші потрібно менше, що дозволить транспортувати більше водню без збільшення обсягу сховища. Щоправда, доведеться витратитися на конверсію та реконверсію суміші.

Як транспортувати водень

p align="justify"> Проблема підготовки водню для транспортування вирішується по-різному: H2 стискають, зріджують, змішують з іншими речовинами. У кожного з цих варіантів свої переваги та недоліки, а оптимальне рішення залежить від географії поставок, відстані, об'єму та виду водню для споживача.

У будь-якому агрегатному стані (крім твердого, звичайно) водень можна пустити по газових трубах, що однозначно дешевше, ніж будувати нову інфраструктуру. Перший кандидат – газові мережі. У світі налічується 3 млн кілометрів газопроводів та 400 млрд кубометрів підземних сховищ метану. Але із цим є технічні проблеми:

1. у водню низька щільність енергії, і обсяги (або час) його постачання через газопровід доведеться збільшити;
2. водень дуже горючий на повітрі, тому щоб знизити ризики, доведеться міняти обладнання по всьому ланцюжку поставок;
3. не всяка інфраструктура для, наприклад, метану підійде водню; особливо це стосується споживчих котлів, бойлерів тощо (про це докладніше нижче);
4. споживачам потрібен різний газ (одним лише чистий водень, іншим — суміш), а технології виділення чистого водню з отриманої суміші збільшать кінцеву вартість газу на $0,3-0,4 за кг.

У результаті поряд із газоподібним воднем нам доведеться виробляти його скраплені та змішані версії.

Як адаптувати дрібних споживачів до водню? На малюнку – можливий варіант. Це H2Rex – водневий генератор компанії Toshiba (про нього ми розповідали). Його паливні елементи виробляють електрику за допомогою електрохімічних реакцій між одержаним воднем та киснем з атмосфери. Результат – електрика та тепло, які отримує споживач. Джерело: Toshiba ESS

Як і природний газ, водень зріджується. Але проблема в тому, що для цього H2 потрібно охолодити до -253 °C. Якщо припустити, що з охолодження використовується частина самої поставки H2, то зрідження піде 25-35% її маси.

Така сама операція над природним газом вимагає лише 10% маси. Є й інший варіант: водень поєднується з іншими речовинами для перевезення в рідкому вигляді. Основні претенденти на роль "попутників" H2 - згаданий вище аміак і рідкі органічні носії водню (Liquid Organic Hydrogen Carrier, LOHC), наприклад, метилциклогексан (C7H14). Щоб змішати водень із аміаком, потрібно 7-18% енергії з обсягу постачання. Стільки ж водню губиться, коли він виділяється із цієї суміші. Але аміак зріджується при температурі -33 °C і містить у 1,7 рази більше водню на кубометр, тому аміачно-водневу суміш транспортувати дешевше ніж чистий водень.

Так само водень можна включити в рідкий органічний носій. На конверсію і реконверсію у своїй піде 35-40% водню, хоча обсяги поставок ці витрати покривають.

Деякі рідкі органічні носії водню можуть бути негорючими, що робить перевезення безпечнішим. Джерело: Hydrogenious LOHC Technologies / YouTube

Як доставляти водень

Як і вуглеводні зараз, водень переміщатимуть світом в основному труби, судна та автоцистерни. Відправляти H2 поїздами загалом буде дорожче, хоча віддаленим споживачам у локаціях без трубопроводу це можливо. У світі сьогодні існує багато водневих проводів, але в основному вони не виходять за межі технологічних майданчиків хімічних та нафтопереробних заводів. Тому оптимальніший варіант — труби для передачі природного газу.

Однак далеко не всі вони підходять для прокачування водню через тип сталі: труби з низькоміцної сталі псуватимуться через контакт з воднем (водневе охрупчування) і тиск прокачування. При цьому їхня пропускна здатність повинна бути втричі вищою через низьку щільність водню. Останнє вирішується, як ми вже з'ясували, змішування водню з рідинами, і для таких сполук також є трубопроводи. Зокрема, труби використовують для прокачування аміачно-водневої суміші. Один із аміакопроводів, наприклад, йде з Тольятті (Росія) до Одеси (Україна) (2,4 тис. км).

Загалом труби — найдешевший варіант доставки. Собівартість транспортування 1 кг водню як газу з відривом близько 1,5 тис. км становитиме $1,0. Якщо пустити по трубах рідку суміш, то з урахуванням конверсії та реконверсії вона зросте до $1,5 за кг. Якщо відстань збільшується, то підвищується і ціна (потрібно більше компресорних станцій), тому з відривом 2,5 тис. км водень із труби обійдеться вже $2,0 за кг.

Проте трубопровід підійде не всім споживачів. У деякі країни H2 доставлять море.Поки танкери для перевезення водню масово не виробляють. Перше таке судно, яке отримало назву Suiso Frontier, побудувала компанія Kawasaki Heavy Industries, а спустили його на воду в грудні 2019 року в Кобі (Японія) У березні 2020 року на танкер встановили резервуар. куб. м, у якому водень перевозитимуть у зрідженому стані.

Водородовоз Suiso Frontier побудований в рамках проекту створення безвуглецевого ланцюга постачання водню з Австралії до Японії. Правда, сам танкер працює на дизельному двигуні, так що безвуглецевий ланцюг не виходить.

В інших проектах передбачаються танкери, схожі за розмірами з суднами для ЗПГ, які в якості палива будуть спалювати в день приблизно 0,2% від водню, що перевозиться, Більш перспективні в цьому відношенні танкери, які зараз перевозять скраплений нафтовий газ (СНД). резервуари можна залити аміачну та інші подібні суміші водню. ніж трубопроводами.

Найвитратніший спосіб — везти скраплений водень на відстань близько 1,5 тис. км: з урахуванням витрат на зрідження перевезення стане близько $2,0 за кг, в аміачній суміші — $1,2, з рідкими органічними носіями — $0,6 за кг . Правда, на відміну від витрат прокачування по трубах, собівартість морського транспортування слабо зростає при збільшенні Уже сьогодні водень возять в основному тягачі з причепом або автоцистерни.

Щоправда, зазвичай перевозять у такий спосіб в межах 300 км: далі стає невигідно.Теоретично один причіп зі стисненим газоподібним воднем може вмістити до 1100 кг у композитних циліндрах (під тиском 500 бар). Однак цей показник рідко досягається на практиці, оскільки правила у всьому світі обмежують допустимий тиск, висоту, ширину та вагу цистерн.

Споживати бензин або солярку вантажівці зовсім не обов'язково — його ДВС може працювати на тому ж водні. Hyundai XCIENT Fuel Cell — перша масова вантажівка на водні, десять копій якої поставили в 2020 році до Швейцарії для комерційного використання. Заправити таку вантажівку можна 32 кг водню, які їй вистачить приблизно на 400 км. Джерело: Hyundai.news

Другий варіант - автоцистерни зі зрідженим воднем, якщо є постійні споживачі та обсяги постачання компенсують витрати на зрідження.

Ізольовані кріогенні автоцистерни можуть перевозити до 4000 кг зрідженого водню. Їх застосовують на відстанях до 4000 км. Далі не можна: водень нагрівається, через що зростає тиск. На відстань до 500 км постачання водню з рідким органічним носієм (з урахуванням конверсії) коштуватиме $2,9 за кг. Аміачна суміш водню за таких самих умов доїде до споживача в середньому за $1,5 за кг.

Як видно, економіка автоперевезень залежить від обсягу постачання: чим більше потрібно водню, тим вигідніше побудувати трубопровід. Чим менше і чим ближче споживач, тим вигідніше возити водень вантажівками

Разом: скільки коштують подорожі водню

Перш ніж підбити попередній підсумок нагадаємо, скільки коштуватиме виробництво «зеленого» водню і за якої ціни він стане конкурентоспроможним щодо традиційних енергоносіїв.

У найперспективніших регіонах видобутку, звідки експортуватимуть екологічно чистий водень (Близький Схід, Північна та Південна Африка, Індія, Китай, Австралія, Патагонія, Мексика, Південний Захід США), він коштує $1,6–3,0 за кг ( вартість виробництва).

За підрахунками Міжнародного енергетичного агентства, найвигідніший варіант сухопутного постачання водню на відстані до 3,5 тис. км. — це водень у газоподібному стані через трубопровід (близько $5,5 за кг; тут і далі вартість транспортування). На великих відстанях трубопроводами краще пускати воднево-аміачну суміш, що обійдеться в $6 за кг (до 5 тис. км).

Морські постачання від відстаней залежать негаразд, як від технології. Найдешевше перевозити суміш з аміаком та органічними рідкими носіями (близько $4,0–4,5 за кг). Найдорожче відправляти морем скраплений водень (від $5,5 до $6,0 за кг).

Як видно, з урахуванням доставки «зелений» водень на відновлюваних джерелах енергії, видобутий у Японії, буде дорожчим від імпортованого з Австралії або Близького Сходу. А ось Європа цілком може не залежати від його постачання з Північної Африки. Джерело: International Energy Agency

При цьому, за даними Ради з водневої енергетики, нижня межа конкурентоспроможності водню для вантажівок, автобусів (для далеких перевезень) та електричок становитиме $4-5 за кг; для опалення та електроживлення житлових будинків - $3-5 за кг.; для автонавантажувачів - $7-9 за кг.

Але для приватних та комерційних міських перевезень водень залишиться дорогим, тим більше з урахуванням доставки (потрібно, щоб він був не дорожчим за $1,0-1,5). Однак варіативність підрахунків дуже широка, і для кожного регіону та споживача економіка водневих поставок буде своєю.

Більше того, ми в Toshiba знаємо, як включити до доданої водневої вартості нові технології, які дозволять знизити транспортні витрати.

Як побудувати водневий ланцюг доданої вартості

Вимальовується така картина: у густонаселених районах Європи та США водень від великої кількості місцевих постачальників для невеликих споживачів переважно возитимуть вантажівки. Великі споживачі отримуватимуть водень або трубопроводами від далеких постачальників, або імпортуватимуть морем із сусідніх країн (Латинська Америка для США та Північна Африка з Близьким Сходом — для Європи).

Японії буде складніше: місцевий водень буде порівняно дорогим, тому великих споживачів можливі поставки морем із країн ближнього і далекого зарубіжжя. Щоправда, воднева енергетика все-таки буде «демократичнішою» за вуглеводневу завдяки доступності відновлюваних джерел енергії великому числу споживачів.

Саме на цій основі ми будуємо водневий ланцюг доданої вартості Toshiba (Toshiba Hydrogen Value Chain). Для великих споживачів водень можуть виробляти великі сонячні електростанції на кшталт тієї, що ми побудували у Фукусімі. На день вона виробляє газу на заправку 560 водневих авто та 150 домоволодінь. Частина водню вирушить вантажівками, частина — трубами.

В останньому випадку конвертувати отриманий водень допоможе наш генератор на паливних елементах H2Rex, який вже виробляє електрику та тепло з водню та повітря, наприклад, для готелю Кавасаки. Невеликим та віддаленим від виробництва H2 споживачам підійдуть міні-електростанції типу нашої H2One. Вона виробляє водень методом електролізу із води, який підтримується вбудованою сонячною батареєю.

Ми переконані, що інтеграція таких джерел та перетворювачів енергії у поєднанні з будівництвом водневих електростанцій на ВДЕ дозволить знизити залежність споживачів від закордонних поставок H2, які можуть виявитися для них дорогими.

11 Як отримати, зібрати та розпізнати: а) водень: б) кисень: в) вуглекислий газ: г) аміак; д) етилен?

№11. а). Водень отримують взаємодією металів із кислотами (крім HNO₃). Найчастіше використовують Zn та HCl.

Збирають водень методом витіснення повітря в перевернену вгору дном посудину, оскільки водень легший за повітря. Для розпізнавання водню його підпалюють і характером звуку, з яким згоряє, визначають наявність даного газу.

б). Кисень одержують розкладанням перманганату калію або пероксиду водню.

Збирають кисень витісненням повітря (він важчий за повітря, тому посудину розташовують вниз дном) або витісненням води (він малорозчинний у воді).

Для того щоб довести наявність кисню, необхідно в посудину внести тліє лучинку: якщо вона розгориться - значить, у посудині був кисень.

в). Вуглекислий газ отримують дією кислоти на карбонати, зазвичай беруть HCl та CaCO₃

Збирають CO₂ витісненням повітря в посудину, розташований вниз дном, так як він важчий за повітря.

Витісненням води вуглекислий газ не можна зібрати, оскільки він добре розчинний.

Розпізнають вуглекислий газ за допомогою розчину Ca(OH)₂ (вапняної води), який каламутніє у присутності CO₂.

Решник з хімії за 11 клас (О.С. Габрієлян, 2007 рік),
завдання №11
до глави «§8 Газоподібні речовини».

Водень та його властивості

Водень - Найлегший хімічний елемент, що займає в періодичній таблиці Менделєєва початкове місце.

До загальних характеристик належать такі властивості: немає кольору запаху, смаку. Двохатомна форма нетоксична, проте у поєднанні з повітрям (або ) пожежонебезпечна та схильна до вибухів. Вибухонебезпечність також проявляється у присутності інших газів-окислювачів, наприклад, фтору, хлору.

На Землі водень є у складі молекулярних сполук, наприклад, вода. Його роль кислотно-основних реакціях важко переоцінити.

Знаходження у природі, вивчення його властивостей

Зоряна температура дозволяє існувати водню як плазми. Це приблизно 6000оС. Проте простір між зірками заповнено окремими молекулами, атомами та іонами, які найчастіше утворюють молекулярні скупчення різних розмірів та форм — хмари. Щільність речовини у своїй перестав бути постійної величиною, як та її температура.

У корі Землі водень вважається десятим за поширеністю елементом. Його масова частка дорівнює 1%. У той самий час за кількістю атомів він сягає 17%. Це друге місце після кисню, частка якого дорівнює 52%. Звідси й значної ролі водню у природі, особливо у хімічних перетвореннях.

Водень, на відміну від кисню, не може існувати у вільному стані, лише у зв'язаному. Винятком є ​​атмосфера, в сухому залишку якої 0,00005% простої речовини — водню.

Всі органічні речовини включають водень. Велика його частка у живих клітинах (за кількістю атомів його питома вага сягає 63%).

У складі води водень має велике значення у протіканні геохімічних процесів. Так, вулканічні гази викликають закінчення певної кількості водню вздовж розломів (причина — рифтогенез).З цієї причини часто виявляють водень у районі вугільних родовищ.

Натуральні мінерали можуть містити у вигляді іонів амонію, гідроксил-іонів та води.

Причина появи молекул в атмосфері – розкладання формальдегіду – учасника окислення метану та інших органічних сполук. Крім того, причина його утворення — неповне згоряння палива та біомаси, фіксація азоту деякими мікроорганізмами, що містяться у повітрі.

Молекули водню є легкими, тому мають високу теплову швидкість. При попаданні у верхні шари атмосфери такі молекули часто відлітають у космос, причому втрати можуть досягати 3 кг кожну секунду.

Хімічні та фізичні властивості

Починаючи говорити про хімічні властивості водню, слід зазначити надзвичайну міцність його двоатомної молекули. Для того, щоб вона розпалася і атоми могли взаємодіяти з іншими учасниками хімічної реакції, необхідна енергія:

Висока температура уможливлює реакцію з сажею:

Коли активні метали з'єднуються з воднем, утворюються гідриди, наприклад гідрид натрію (NaH), гідрид кальцію ( Отримання водню, як видобути витісненням з води

Споживання у світі водню становить близько 75 млн т. Переважна більшість припадає на нафтопереробку та виробництво аміаку. Отримання водню для таких промислових потреб відбувається переважно з газу (його витрата становить 205 млрд м3). Решту беруть з вугілля. Приблизно 100 тис. т виробляють за допомогою реакції електролізу.

Одержання водню супроводжується надходженням в атмосферу 830 млн. т вуглекислого газу. Вартість отримання водню із газу становить від півтора до трьох доларів за кожний кг.

Отримання водню методом електролізу в хімії має такий вигляд:

Отримання та збирання водню в домашніх умовах, техніка безпеки

Реальним способом отримання водню в домашніх умовах є реакція лугу з алюмініємГаз виходить набагато чистішим, ніж у реакції з кислотою.

Беремо скляну ємність, засипаємо в неї трохи засобу проти «Крот» і наливаємо 100 г води звичайної температури. Через 20-60 секунд можна додати нову порцію фольги.

Щоб водень, що утворився, зібрати, можна закрити банку кришкою, зробивши в ній отвір, в яке вставити трубку. Другий кінець трубки закріпити в повітряній кульці.

Оскільки водень є вибухонебезпечною речовиною, робити це потрібно вкрай обережно, починаючи з моменту можливого витіснення кришки до кінця процесу.

Особливості застосування водню

Водень використовується у багатьох виробничих сферах, що відображено в таблиці:

У хімічної промисловості активний водень йде на виробництво аміаку (50%), метанолу (8%) У нафтопереробній — для гідрокрекінгу та гідроочищення.

Харчова та косметична промисловість "користується" воднем для виробництва харчових добавок, а також саломасу, маргарину, мила, косметичних продуктів.

Для хімічних лабораторій водень - газ-носій для газової хроматографії, а для метеорології - наповнювач оболонок метеозондів.

Водень - цінне ракетне паливо, однак, через незначний діапазон температур, використовується суміш рідкої та твердої фаз.

У еелектроенергетиці водень застосовують для охолодження електрогенераторів. Його висока теплопровідність дозволяє використовувати газ для заповнення сфер гірокомпасів та колб LED-лампочок.