В научно-популярной литературе за водородом закрепилась слава основы экономики будущего. Хотя в промышленности его активно используют едва ли не больше века. Он незаменим в нефтехимии, производстве удобрений и синтетического топлива, а также в энергетике. Но не в качестве энергоносителя — эту роль водороду пока только обещают. Naked Science рассказывает, насколько важное, хоть и не слишком заметное, место занимает в жизни каждого землянина легчайший газ, и какое у него будущее.

Водород — первый элемент в периодической таблице. Его атом состоит всего из одного протона и одного электрона (самый распространенный из изотопов, еще есть дейтерий и протий, у которых есть дополнительно один и два нейтрона в ядре соответственно). При нуле градусов Цельсия газообразный водород имеет плотность всего около 90 граммов на кубический метр, а в сжиженном состоянии (минус 253 градуса Цельсия) — 70 килограммов на кубический метр. Это самый распространенный химический элемент во Вселенной (порядка 88,6 процента от всех атомов).

В чистом виде водород удалось получить ко второй половине XVII века воздействием кислот на металлы. Бесцветный газ без запаха и вкуса легко сгорал с характерным щелчком, в результате этой химической реакции образовывалась вода. За такое очевидное свойство газ и получил свое название. К 1930-м годам большинство свойств водорода уже были известны ученым. Благодаря его простоте — атом H состоит лишь из протона и электрона — с его помощью удалось изучить множество явлений в мире элементарных частиц. Однако и за рамками теоретических исследований у водорода нашлось немало применений.

До конца XIX века водород в чистом виде либо в смеси с другими газами использовали как топливо для осветительных приборов, экспериментальных двигателей внутреннего сгорания и наполняли им воздушные шары. Последняя роль принесла ему всемирную известность благодаря расцвету дирижаблей. Но по-настоящему незаменимым для мировой экономики водород стал в результате работы двух великих немецких химиков Фрица Габера и Карла Боша. Созданный ими химический процесс позволял в промышленных масштабах получать аммиак — основное сырье для производства удобрений.

Газ, без которого не было бы современного мира

Несмотря на то, что в земной атмосфере азот трудно назвать дефицитным, этот обязательный компонент биологических молекул большинству живых существ недоступен: они не способны его усваивать в газообразном виде. В естественных условиях биосфера пополняется соединениями азота в основном благодаря почвенным бактериям. Но до верхних ступеней пищевой цепочки доходит лишь малая их часть. Поэтому без удобрений сельское хозяйство просто не способно обеспечить сколь-нибудь развитое общество необходимым количеством калорий.

Пока на помощь человечеству не пришло изобретение Габера, усовершенствованное Бошем, сырьем для азотных удобрений служили гуано (останки помета птиц) и природный нитрат натрия (натриевая, или чилийская, селитра). С этими ресурсами — две проблемы: во-первых, их запасы конечны, да и богатые месторождения есть не везде; а во-вторых, добывать их приходилось фактически рабским трудом в нечеловеческих условиях (рабочие руки очень быстро заканчивались). Все возрастающий спрос на удобрения во время индустриализации резко поднял важность и гуано, и чилийской селитры. Результатом стали даже несколько войн из-за древнего птичьего помета (например, Вторая тихоокеанская война 1879–1883 годов, в ходе которой Чили силой забрала месторождения гуано у Боливии).

Зато в 1910 году мир изменился навсегда. Химическая промышленность получила экономически выгодный способ выработки аммиака. Для этого требуется азот, водород, катализатор, а также высокие температура и давление. С тех пор вклад процесса Габера в процветание человечества можно назвать едва ли не определяющим для нынешней цивилизации. По некоторым оценкам, до половины атомов азота в телах жителей развитых стран попали в пищевую цепочку исключительно благодаря промышленно синтезированным азотным удобрениям. Не менее двух пятых современного человечества без этого изобретения не существовало бы. Естественно, чудо не бесплатно: на производство аммиака уходит около двух процентов всей потребляемой в мире первичной энергии.

Упрощенная схема современного химического завода, применяющего процесс Габера—Боша для производства аммиака. Фиолетово-розовый овал — первичный риформер, на который подается метан (CH₄) и вода (H₂O), здесь происходит частичное разложение природного газа на молекулярный водород (H₂) и оксид углерода (CO). Затем в систему подается очищенный воздух (кислород и азот), которые во вторичном риформере (горчичный овал) смешиваются с продуктами первичного и помогают дополнительно разложить метан. Далее смесь поступает в реактор, где при помощи катализатора и с добавлением воды метан окончательно расщепляется, а угарный газ окисляется до углекислого. На выходе получается синтез-газ из азота, водорода и CO₂, его сжимают и отправляют на очистку от углекислоты в скруббер. После него азот и водород уже снова под давлением дополнительно нагреваются и идут непосредственно в реактор производства аммиака (второй горчичный овал). Выход продукта не стопроцентный, поэтому непрореагировавшие азот с водородом после охлаждения и сепарации аммиака снова поступают в реактор

Обогащение нефтепродуктов

Нефтехимическая отрасль — второй основной потребитель водорода в мире. Он используется для целого ряда процессов, позволяющих повышать качество нефтепродуктов и природного газа. В их числе — гидроочистка, гидрокрекинг, гидродеалкилирование. Если не вдаваться в детали, то все эти процедуры представляют собой ту или иную реализацию гидрогенолиза. То есть расщепления в присутствии водорода связей между двумя атомами углерода либо атомом углерода и примесями. В качестве последних, например, выступают сера или соединения азота. Они не только становятся сильными загрязнителями при сгорании, но и отравляют катализаторы на последующих этапах нефтепереработки. Можно смело сказать, что без использования водорода такого качества и разнообразия углеводородов никогда бы не получилось.

И многое-многое другое

Оставшиеся после нефтепереработки и производства аммиака 10 процентов всего потребляемого человечеством водорода уходят почти полностью на химическую и пищевую промышленность. В первую очередь — для гидрирования. Это реакция присоединения водорода к той или иной молекуле. Если гидрировать углекислый газ, получится метанол. А он, в свою очередь, чрезвычайно востребованное сырье для производства полимеров (точнее, из него делают формальдегид, необходимый для этого) и широко используемая добавка в бензин. К тому же метанол сам по себе — перспективное экологичное топливо для ДВС. Сейчас для этого предназначения его производят в основном из биологического сырья, но в перспективе предпочтительнее техпроцесс на основе водорода.

Еще один продукт, который немыслим без водорода, — маргарин. Его делают из смеси растительных жиров (масел), которые сгущаются (насыщаются) гидрированием. В последние годы на волне борьбы с трансжирами эта сфера использования водорода плавно сходит на нет. Остальные области применения водорода потребляют менее пяти процентов от общего его производства в мире. Среди них одна из наиболее любопытных, но при этом малоизвестных — в качестве теплоносителя систем охлаждения мощных электрогенераторов (от 60 мегаватт и выше). А самая зрелищная — как ракетное топливо, например в носителях Delta IV Heavy, Space Launch System и «Чанчжэн-5». Кроме того, сравнительно много водорода потребляет микроэлектронная индустрия, использующая его для стабилизации аморфного кремния, производство и обработка особо чистых металлов, а также фармацевтика. Эти ниши по объемам потребляемого водорода незначительны, но их роль в современной экономике колоссальна.

В космонавтике и ракетостроении водород нашел свое место и в качестве горючего, и в качестве энергоносителя. Кислород-водородные двигатели «Спейс шаттла» отправили в космос 355 астронавтов из 16 стран (многих по несколько раз) и почти 1600 тонн грузов, включая львиную долю конструкционных элементов и модулей МКС. Аналогичная топливная пара использовалась или используется на некоторых американских, индийских, японских и китайских ракетах, а также в советской «Энергии». Для выработки электричества водородные топливные элементы применялись в программе «Аполлон» и разрабатывались для «Бурана». На фото: упрощенная версия двигателя «Спейс шаттла» (SSME, RS-25) — AR-22 — в ходе испытаний на возможность быстрого повторного использования для проекта космоплана XS-1

Потенциальный энергоноситель будущего

Получается, водород уже давно и прочно закрепился в мировой экономике и промышленности. В основном, конечно, как сырье для химических процессов. Но у него есть огромный потенциал в качестве энергоносителя и накопителя энергии.