Как получают водород: современные технологии и будущее водородной энергетики

Уже в относительно недалеком будущем запасы углеводородов и других источников энергии будут исчерпаны, и заменить их сможет только водород. Однако, находясь буквально повсюду в составе огромного количества соединений и особенно, в водах Мирового океана, он остается «журавлем в небе»: чтобы заполучить энергию водорода требуется довольно много этой энергии затратить.

Способы получения водорода

Электролиз воды

На сегодня существует несколько способов выделения водорода, отличающихся друг от друга по экологичности и стоимости. Один из них — электролиз. Его суть — воздействие на дистиллированную воду электрическим током, в результате чего вода разлагается на кислород и водород:

2Н₂О = 2Н₂ + О₂

Технология очень привлекательна с точки зрения экологии, но при этом очень затратная, поэтому на нее приходится всего 4-5 % произведенного водорода, который за чистоту еще называют «зеленым».

Существует несколько способов разложения воды на составляющие — электрохимический, термический, термохимический, биохимический, фотохимический и электролитический. Последний наиболее эффективен, позволяя получать водород с КПД до 90 %.

Паровая или парокислородная конверсия метана (ПКМ)

Будучи основным компонентом природного газа (доля метана в нем составляет от 77 до 99%), метан содержит в себе 4 атома водорода, что делает его очень рентабельным в качестве водородосодержащего сырья. Для отделения водорода применяются трубчатые печи (химические паровые реформеры) с внешним подводом тепла температурой 750-850 °C через стенку трубы на каталитических поверхностях. Водород, производимый из ископаемого топлива с выделением СО₂, получил название «серый».

Недостаток метода — значительные выбросы углекислого газа. В зависимости от сырья — газа или угля — их объемы сопоставимы с выбросами при сжигании. Для снижения выбросов используются технологии улавливания и хранения углерода, однако они еще далеки от полномасштабной коммерциализации.

Автотермическая конверсия природного газа (автотермический риформинг)

В отличии от ПКМ автотермическое тепло, необходимое для процесса, выделяется за счет энергии самой реакционной смеси, без подвода тепла извне.

Автотермический риформинг осуществляется в автотермических реакторах, куда подается смесь пара, природного газа и кислорода в пропорциях, при которых одна часть метана сгорает в кислороде, а другая реагирует с водяным паром, выделяя водород и окислы углерода.

Газификация угля и биомассы

Метод получения водорода путем нагрева угля с водяным паром и кислородом до температуры 900-1200 °C. В результате образуется синтез-газ, содержащий водород, угарный и углекислый газы СО и СО₂. Водород выделяется из смеси с помощью технологий абсорбции или мембранной фильтрации. По «цветовой» классификации — это коричневый или бурый водород.

Метод применяется в регионах, где нет природного газа, но много угля. Полученный из него водород используется при производстве электроэнергии и в химической промышленности. Основной недостаток метода — высокое содержание в выбросах СО₂, что диктует необходимость устанавливать дорогостоящие системы улавливания и хранения СО₂.

Цвета водорода: что значит зеленый, голубой, серый и другие

Подобно разноцветным тканям в магазине, водород разделяется по цветам, правда, весьма условно. Цветовая «этикетка» в данном случае характеризует способ получения водорода и сопровождаемые его экологические издержки. Водородная «палитра» весьма разнообразна.

1. Самым перспективным и чистым считается зеленый водород, получаемый методом электролиза — расщепления воды на кислород и водород с помощью возобновляемых источников энергии солнечных, ветровых установок и ГЭС.

   
   
2. Больше всего получают серого водорода. Он появляется в результате переработки метана методом паровой конверсии.
3. Синий (голубой) водород — это, по сути, тот же серый с одной лишь разницей: образующийся в процессе производства СО₂ улавливают и хранят.

   
   
4. Нечто среднее между зеленым, серым и синим является бирюзовый водород, производимый методом пиролиза метана. Это когда газ нагревают до высокой температуры при недостатке кислорода с выделением водорода и твердого углерода. Последний не выбрасывается в атмосферу, а используется в промышленности.
5. Изумрудный водород — новичок. Его получают из биометана и природного газа методом термоплазменного электролиза с помощью воды, электричества и плазмы.
6. Желтый (оранжевый) водород производят методом электролиза с помощью энергии АЭС. Выход углерода минимален, но остаются ядерные отходы, которые необходимо утилизировать, перерабатывать или захоранивать.
7. Розовый водород, как и желтый, получают методом электролиза непосредственно на АЭС.
8. Технология получения красного водорода также основана на разложения воды, но уже с помощью химической реакции и катализаторов при высокой температуре.
9. Коричневый (бурый) водород получают путем газификации бурого угля и превращения в водородосодержащий газ в результате его окисления при высокой температуре.

Промышленное производство водорода

Водород получают в лабораториях и на промышленных предприятиях. В лабораторных условиях газообразный водород выделяется при взаимодействии активных металлов с кислотами, к примеру, цинка с серной кислотой; при электролизе воды или разложения аммиака, при наличии катализатора и высокого давления.

Промышленное использование водорода охватывает несколько ведущих отраслей. Так в химической промышленности он задействован в процессе синтеза аммиака и метанола. Водород необходим в производстве кислот, спиртов и других важнейших химических продуктов.

В нефтепереработке водород используется для гидроочистки и гидрокрекинга, что повышает качество топлива и снижает содержание примесей. Он также необходим при создании синтетических жидких видов топлива.

В металлургии водород используется для восстановления металлов из оксидов. Одно из перспективных направлений — «водородная» металлургия с минимальными выбросами СО₂.

Среди «клиентов» водорода — пищевая, стекольная промышленность, медицина, энергетика, транспорт, где в качестве топлива будет использоваться водород, не оставляющий при сгорании СО₂.

По оценке экспертов, к 2028 году производство водорода в России вырастет до 3,3 млрд. кубометров. На Россию приходится 7 % мирового производства водорода (5-е место в мире). К 2030 году ее доля может увеличиться до 20 %.

Среди крупнейших российских производителей водорода ПАО НК «Роснефть», ООО «Газпром Нефтехим Салават», Кемеровское АО «Азот», «Газпром», «Росатом», НОВАТЭК.

Предприятия по производству «зеленого» водорода на возобновляемых источниках энергии (ВИЭ) строятся в разных странах. Основная используемая технология — электролиз воды с помощью электричества, полученного от возобновляемых источников энергии. Однако, по-прежнему электролиз дорог. Технология предполагает использование дорогостоящих мембран, прокладок и уплотнительных компонентов для отделения анода от катода.

Известны несколько проектов по производству «зеленого» водорода: Western Green Energy Hub (Западная Австралия), Green Energy Oman (Оман), Hyrasia One (Казахстан).

Новые и экспериментальные методы получения водорода

У водородной энергетики большое будущее. Ученые выходят на новые перспективные технологии получения водорода. Одна из них — фотокаталитическое разложение воды, основанное на ее разложении с помощью световой энергии.

В ней задействованы фотокатализаторы — специальные материалы, поглощающие свет и использующие его энергию в качестве катализатора химической реакции. Эту технологию еще называют искусственным фотосинтезом.

Еще одним источником получения водорода могут стать водородные бактерии, группа бактерий, получающих энергию роста путем окисления молекулярного водорода. Как правило, такая реакция сочетается с поглощением СО₂, единственного источника органического углерода.

В группу водородных бактерий входят Hydrogenomonas, Pseudomonas, Alcaligenes, и некоторые представители рода Nocardia.

Набирает популярность технология высокотемпературного электролиза (ВТЭ). Речь идет о процессе разложения воды с использованием электрического тока при температурах от 700 до 1000 °C. При таких температурах повышается скорость электрохимических реакций и снижается энергопотребление.

Проблемы и вызовы водородной энергетики

Развитие водородной энергетики — это еще и преодоление множества технологических проблем. Наиболее перспективные направления пока достаются очень дорого. Примером тому, «зеленый» водород, который обходится в 2-3 раза дороже «серого».

Значительная часть энергии теряется в процессе преобразования воды в водород и обратно. Для хранения водорода в газообразном состоянии требуются специальные емкости и дополнительная энергия.

Еще одна проблема — водородная хрупкость, процесс, при котором атомы водорода проникают в кристаллическую решетку металла, снижая его пластичность. Для жидкого водорода, находящегося под высоким давлением, требуются специальные дорогостоящие трубопроводы и емкости для транспортировки.

Для хранения жидкого водорода используются бесшовные емкости из аустенитной нержавеющей стали и из низкоуглеродистых сталей.

Перспективы и будущее водородного топлива

Свое будущее с водородной энергетикой связывает транспортная отрасль. В обозримой перспективе автомобили, суда, поезда и авиатехника будут оснащаться водородными топливными элементами, где в результате химической реакции вырабатывается электричество, питающее электродвигатели.

В промышленности акцент переместится от ПКМ к электролизу и «зеленому» водороду, произведенному из ВИЭ. Водород со временем превратится в высокоемкий аккумулятор, решающий проблему энергетического дисбаланса. К примеру, при избытке электроэнергии она перенаправляется установки промышленного электролиза.

Накопленный водород будет находиться на длительном хранении, а при дефиците использоваться для генерации электричества через топливные элементы. Запасы водорода можно использовать в качестве топлива на обычных тепловых электростанциях.

В области водородной энергетики сегодня реализуется несколько крупных международных проектов с участием США, Китая, стран ЕС, Индии. Среди них европейские проекты European Hydrogen Backbone по строительству сети трубопроводов общей протяженностью 53000 км, американский Hydrogen City по производству 3 млн. тонн водорода, проект «Зеленый водород» китайской компании Sinopec и другие.

И все же при столь большом разнообразии технологий получения водорода необходимо, прежде всего, добиться снижения стоимости именно зеленого водорода.