Распространенность и получение водорода. Водородная энергетика

Водород – самый распространенный элемент космоса (90%): составляет до половины массы звезд (в том числе Солнца). И на Земле водорода много – четвертое место после O, Si, Al. Его кларк в природе (т.е. молярная доля среди других элементов) равен 3%. (Термин «кларк» введен в честь ученого Кларка, который впервые оценил распространенность элементов в природе.) Однако в виде простого вещества водород встречается редко (см. выше): содержится в нефтяных и горючих газах, присутствует в виде включений в некоторых минералах.

Основные формы нахождения водорода в природе – это вода, углеводороды¹ и т.п., в которых Н имеет наиболее характерную для него степень окисления (ст.ок.) (+1), что и определяет промышленные способы синтеза , т.е. восстановление Н⁺. Этот процесс осуществляют либо электрохимическим способом (например, электролизом водного раствора NaCl), либо химическими методами. Однако получать водород термическим разложением его соединений оказывается слишком энергоемким, например, температура начала реакции: , – около 2000⁰С.

Дешевле восстанавливать Н⁺ воды с помощью угля, электротока и др. Причем наименее дорогой способ (в 3 раза дешевле электролиза) – конверсия метана водяным паром в присутствии никелевого катализатора. Однако этот процесс высокотемпературный (как и все перечисленные) и, кроме того, он создает проблему отделения и утилизации углекислого газа. Поэтому продолжаются поиски более эффективных способов синтеза водорода, в частности, предлагается технология, которая включает две стадии: первая – электролиз с восстановлением водорода на катоде и окислением сернистого газа на аноде, что суммарно отражает уравнение реакции:

.

(При этом требуется в 7 раз меньшая по величине разность потенциалов на электродах, чем при электролизе воды, ибо – сильный восстановитель даже в кислой среде: , а .) На второй стадии серная кислота, образовавшаяся в анодном пространстве, подвергается термолизу при сравнительно невысокой температуре (и таким образом цикл замыкается):

.

Как перспективные методы синтеза предлагаются термолиз природных углеводородов¹ или их переработка в плазменных установках. Разрабатываются также методы разложения воды под действием солнечной энергии (фотолиз) в присутствии катализаторов (например, на основе диоксида титана). Кроме того, ученые пытаются генетически изменять растения, чтобы интенсифицировать выделение ими водорода (при дыхании). Эти задачи важны, ибо – не только незаменимый реагент во многих технологиях, но и из всех энергоносителей максимально отвечает требованиям к современному топливу:

1). Большие запасы. Запасы водорода на Земле в виде воды практически неисчерпаемы, поскольку при его сгорании они восполняются (возобновляемый ресурс!);

2). Значительный тепловой эффект сгорания в расчете на единицу массы:  кДж/моль, а моль – это всего 2 г топлива; причем наиболее эффективный способ «сжигания» водорода – каталитическое окисление его кислородом в топливном элементе [9] (с передачей образующейся электрической энергии, например, электродвигателю автомобиля).

3). Безопасность и компактность хранения. Это можно обеспечить, если, например, растворять в специальных сплавах (в частности, полученных на основе титана и железа). При небольшом нагревании водород выделяется из сплава, причем частично в виде “Н”, более активного, чем (?). Возможно также хранение водорода в баллонах под высоким давлением, но это взрывоопасно.

4). Экологическая чистота (главное требование!). Испытания автомобилей на водородном топливе показали, что их выхлопные газы чище, чем засасываемый воздух.

В таких странах, как Швейцария, Италия и др., частично уже используют водород в быту вместо природного газа. Таким образом, по мнению ученых, мы находимся на пороге водородной энергетики (хотя как топливо водород был запатентован еще в 1799 году французским инженером Ф. Лебоном и др.).

Кроме того, водород, точнее его изотопы: дейтерий ( ) и тритий ( ), – считаются топливом будущего в термоядерной энергетике (которая, в отличие от атомных электростанций, практически не дает вредных отходов): , где Q на несколько порядков больше, чем при сгорании .

Еще больше энергии можно получить в процессах аннигиляции, например, при взаимодействии водорода и антиводорода (с отрицательным зарядом ядра и позитроном на орбитали); получение антиводорода – одна из решаемых задач современной физики, но это может быть перспектива лишь отдаленного будущего.