Водород – самый распространенный элемент во Вселенной. Он также является самым легким и простым, обладая одним протоном и одним электроном. Водород бесцветен и нетоксичен, не имеет запаха и вкуса, но при этом очень горюч — настолько, что именно данный элемент помогает всем звездам в известной Вселенной ярко освещать окружающее пространство.

Наше собственное Солнце превращает 600 миллионов тонн водорода в секунду в гелий в результате реакции синтеза. В ходе данного процесса возникает свет, который делает возможной жизнь на Земле. Это довольно полезный материал, но когда дело доходит до использования водорода для наших энергетических нужд, включая электроснабжение дата-центров, потребляющих все больше и больше электричества, возникают проблемы.

Несмотря на то, что на долю водорода приходится около 75% всей материи в известной Вселенной, данный элемент в чистом виде формирует лишь приблизительно 0,000055% нашей атмосферы. Но одновременно водород входит в состав буквально миллионов других соединений. Возможно, самая распространенная комбинация водорода на Земле — это комбинация с кислородом в форме воды: ресурса, которого достаточно много и который легко поддается добыче.

Процесс добычи водорода представляет собой микс преимуществ и недостатков. Хорошая новость в том, что его источники находятся повсюду. Однако вещество необходимо извлечь из текущей формы, для чего требуется специализированное оборудование и энергия. Электролиз воды с образованием водорода (см. ниже) может быть очень экологичным процессом, но его эффективность может зависеть от использования катализаторов из драгоценных металлов, таких как платина или иридий.

Водород чаще всего потребляется в виде газа. Но из-за низкой естественной плотности он требует значительного сжатия (до 300 – 400 бар) с целью обеспечения достаточного количества газа для длительного времени работы подключенной нагрузки. Газообразный водород нетоксичен и не вызывает коррозии, но его атомы настолько малы, что могут проникать в большинство металлов, вызывая водородное охрупчивание. Данное обстоятельство требует тщательного рассмотрения при проектировании безопасных систем хранения.

Водород может быть сжижен до самого высокого соотношения среди всех газов (848:1). Но жидкий водород необходимо хранить при температуре ниже -252 градусов по Цельсию под давлением, чтобы предотвратить его выкипание. Звучит сложно, но переработка нефти с получением топлива также является непростым занятием.

Превращение водорода в экологически чистый источник энергии

Хотя водород кажется идеальным экологически чистым источником энергии, его производство остается довольно сложным процессом, который включает отделение чистого водорода от его молекулярных аналогов.

Возможно, наиболее известным подобным процессом является электролиз, в ходе которого электричество разделяет молекулы воды на части с образованием их первоначальных аналогов из чистого водорода и кислорода.

Впервые этот процесс был продемонстрирован 222 года назад несколькими группами ученых, использовавших грубую аккумуляторную технологию. Это, безусловно, заставляет задуматься о том, почему использование водорода в качестве топлива до сих пор не стало более распространенной практикой. Причина в сложности построения основанной на водороде экосистемы.

Существует ряд способов отделить водород от других соединений, большинство из которых создает так называемый “серый” водород — или водород, являющийся результатом других промышленных процессов, которые по-прежнему создают CO2 и иные парниковые газы (ПГ). Также выделяется “голубой” водород, при создании которого около 70% побочного CO2 улавливается и “изолируется” под землей, а не выбрасывается в атмосферу.

Наиболее распространенная модель промышленного производства водорода основана на процессе паровой конверсии метана из природного газа (паролиз). Как и другие процессы на основе углеводородов, это экономически обоснованный, но не особенно экологически ориентированный процесс, который превращает 2,2 тонны метана, 4,9 тонны воды и 5,7 мегаватт*часов электроэнергии в 1,1 тонны водорода и 6 тонн CO2.

Для сравнения: электролитический процесс, основанный на все более популярной модели протонообменной мембраны (PEM), потребляет только воду и электричество и производит чистый водород и кислород. Данный аналог становится еще более “зеленым”, если необходимое электричество производится из экологически чистых источников, включая солнечные и ветровые фермы. К сожалению, сегодня лишь только около 5% водорода приходится на электролиз.

“Зеленая” энергия топливных элементов

Сочетание технологии топливных элементов и водорода может оказаться идеальной моделью для производства “зеленой” электроэнергии с практически нулевым выбросом парниковых газов.

Хотя многие могут подумать, что топливные элементы — это новейшая технология, первый электрохимический топливный элемент был изобретен в далеком 1838 году сэром Уильямом Гроувом. Причем изобретенная еще в 1932 году Фрэнсисом Томасом Бэконом концепция водородно-кислородно-щелочного топливного элемента даже сегодня приводит в действие вспомогательные системы большинства космических кораблей.

Топливные элементы во многом напоминают любые окислительно-восстановительные батареи, за исключением того, что они предназначены для непрерывной работы, пока горит топливо. Настоящая прелесть топливных элементов заключается в том, что внутрь входят водород и кислород, а выходят электричество и водяной пар. Интересно, что вода, произведенная топливными элементами космического корабля “Аполлон”, была достаточно чистой, чтобы ее можно было пить.

От высокотемпературных топливных элементов, таких как топливные элементы с расплавленным карбонатом и твердым оксидом, которые работают при температуре более 530 градусов Цельсия, до топливных элементов среднего класса с фосфорной кислотой или щелочных аналогов – сегодня существует несколько сравнительно доступных устройств, которые служат ряду целей и работают с использованием различных видов топлива.

Но наибольший интерес вызывают топливные элементы с протонообменной мембраной (PEM), также известные как топливные элементы с полимерно-электролитной мембраной и относящиеся к категории реверсивных.

Преимущество использования модели реверсивных топливных элементов для “зеленой” энергетики заключается в том, что их можно применять для выработки электроэнергии по мере необходимости с использованием водорода и кислорода. А когда выработка электроэнергии не требуется, реверсивные топливные элементы могут применяться для выработки водорода с использованием поступающего извне электричества (например, с соседней солнечной фермы) для последующего хранения.

Как газовая турбина генерирует “зеленое” электричество?

Газовая турбина — еще одно средство использования водорода для выработки электроэнергии. В течение десятилетий заинтересованным сторонам доступна технология газотурбинного генератора (ГТГ), который традиционно работает на различных формах метана. Внимание к использованию водорода в качестве топлива возникло сравнительно недавно.

Существует более десятка производителей систем ГТГ по всему миру, предлагающих продукты, которые конкурируют с дизельными генераторами в диапазоне мощностей от 5 МВт до 18 МВт, хотя в настоящее время “царем горы” является General Electric 7HA.03, обеспечивающий 430 МВт мощности (с возможностью наращивания до 640 МВт ) при КПД 61% в режиме комбинированного цикла, функционируя в тандеме с системой рекуперации тепла выхлопных газов и дополнительным паротурбинным генератором.

Возможно, более интересным является тот факт, что турбина GE весьма неприхотлива и может сжигать сланцевый газ, сжиженный природный газ, дизельное топливо и нефть. Но для максимального сокращения выбросов парниковых газов инженеры рекомендуют использовать топливную смесь, содержащую от 50% водорода. Даже работая на природном газе в тестовом сценарии, когда GE 7HA.01 сжег 3,3 тонны смеси воздух/природный газ, при испытании было получено только около 6,2 жидких унций загрязнения.

К относительной эффективности газотурбинного генератора добавляется тот факт, что он вырабатывает переменный ток. Данное обстоятельство устраняет необходимость в инверторной системе. Современные турбины можно разогнать до полной нагрузки менее чем за 20 минут и замедлить до менее чем 30% от номинальной мощности, не выходя при этом за нормы выбросов, что является важным фактором, когда речь идет о балансировке колебаний спроса и предложения в центральной электросети в течение дня.

Вывод

Множащиеся ежегодно технологические достижения приближают водород к превращению в гораздо более экологически чистый альтернативный источник энергии не только для нужд систем резервного электроснабжения дата-центров, но и для полноценной замены центральной электросети, предающей электричество, которое получается после сжигания ископаемого топлива.