Мировая промышленность уже достаточно давно занимается производством водорода, который используется для выпуска пластмасс, мыла, аммиака. Чистый водород в настоящее время применяется в основном в следующих областях:
–микро- и наноэлектроника – для создания новых уникальных процессов и изделий;
–производство чистых материалов – вольфрама, молибдена, редкоземельных металлов, кремния, ультрадисперсных порошков (тугоплавких и редкоземельных металлов, карбидов, нитридов, боридов,) монокристаллов, обладающих уникальными магнитными и электрическими свойствами, в том числе анизотропией;
–восстановительная металлургия – светлый отжиг хромоникелиевых сталей, сплавов, содержащих титан и алюминий, кремнийсодержащих трансформаторных сталей, производство и спекание порошковых материалов и изделий, цветных металлов и сплавов т.д.;
–химическая промышленность – производство чистых продуктов, в том числе монометров, синтез-газа, синтетических топлив (метанол, диметиловый эфир) и др.;
–телекоммуникация и связь – автономные экологически чистые источники питания на топливных элементах;
–водородная экономика – экологически чистые и высокоэффективные транспорт и автономные энергетические установки.
Потребности в чистом водороде для различных приложений варьируются от нескольких десятков нм3/ч (для микро- и наноэлектроники) до десятков миллионов нм3/ч (для водородной экономики).
Всеми существующими и перспективными промышленными способами производится либо водород технической чистоты (95–99,8 об. %), либо газовые смеси, содержащие от 30 до 95 об. % водорода.
Широкое применение водород получил в ракетно-космической промышленности, являясь наиболее оптимальным компонентом топлива с точки зрения энергетических показателей. Передовые мировые державы постепенно переводят на водород крупные предприятия, объекты промышленности, транспортные средства. Огромнейшим интересом водород пользуется в компаниях по производству автомобилей, которые на ежегодных выставках все чаще и чаще демонстрируют свои автомобили на водородном топливе.
Водородная энергетика – развивающаяся отрасль, основанная на использовании водорода в качестве средства для аккумулирования, транспортировки и потребления энергии людьми, транспортной инфраструктурой и различными производственными направлениями.
На 2019 год в мире потребляется 65 млн тонн водорода, в основном в нефтепереработке и производстве аммиака. Из них более 3/4 производится из природного газа, для чего расходуется более 205 млрд м3 газа. Почти все остальное получают из угля. Около 0,1% (~100 тыс. тонн) вырабатывается электролизом. При производстве водорода в атмосферу поступает ~830 млн тонн CO2. Структура мирового производства водорода представлена на рис.В.1, а структура потребления водорода – на рис.В.2.
Водород стал важнейшей составляющей политики перехода в углеродно-нейтральное состояние всех стран, объявивших о таких целях, многие правительства принимают водородные стратегии, одну за другой.
Рис. В.1. Структура мирового производства водорода
Рис.В.2. Структура потребления водорода
В одном из сценариев интеграции водородных технологий в энергокомплекс США, рассматриваемых лабораториями Министерства энергетики этой страны, к середине века водород возьмет на себя роль второго после электроэнергии всеобщего энергоносителя. На рис.В.3. представлены изменения в диаграмме (источник Lawrence Livermore National Laboratory, DOE USA) знергопотоков в США в 2040 г. В случае интеграции водородных технологий, красным отмечены сузившиеся потоки, черным – расширяющиеся в квадриллионах BTU (1 квадриллион BTU = 25,21 млн. т.н.э). Более 90% энергии для производства водорода обеспечит электроэнергия, при этом потребность в первичной энергии угля, газа и нефти упадет на 73%, 34% и 18% соответственно, а доля ВИЭ (в первую очередь за счет ветра) возрастет в 4–5 раз.
Рис. В.3. Предполагаемая диаграмма энергопотоков в США в 2040 г.
Россия имеет большой опыт в области разработки и освоения водородных энергетических технологий. Еще в 30‑е годы прошлого столетия в Советском Союзе в МВТУ им Н. Э. Баумана велось исследование влияния добавок водорода к бензину для автомобильных двигателей. Широким фронтом исследования и разработки в области водорода и водородных технологий велись в 1970‑е годы в рамках государственной программы «Водородная энергетика». В рамках этой программы была разработана концепция водородной энергетики. В период реформирования экономики страны этот задел был в значительной степени утрачен, а потенциал ослаблен. Новый этап развития водородной энергетики начался в