Производство водорода: как производится водород, и что он собой представляет?
Водород, имеющий значительный потенциал как экологичный энергоноситель, привлекает все большее внимание, особенно в связи с инициативами, направленными на борьбу с изменением климата. Интересовались ли вы тем, что именно представляет собой водород и как он производится? В этой статье мы рассмотрим принципы и технологии, используемые для производства водорода, и расскажем, почему он является особенным элементом.
Водород: самый простой химический элемент и его состав
Проще говоря, водород — это газ без цвета, запаха и вкуса. Он пользуется репутацией самого простого и распространенного химического элемента во вселенной. Водород состоит из протонов и электронов.
Он очень легко вступает в химические реакции, в частности, образуя воду. Он может быть эффективным топливом и использоваться для производства электроэнергии, передвижения транспортных средств и выработки тепла. Являясь экологически чистым носителем энергии, водород способен снизить воздействие на окружающую среду и способствовать развитию более устойчивых решений в энергетической индустрии
применение водорода в промышленности
Технологии производства водорода
Существует несколько технологий производства водорода, которые могут использоваться в зависимости от конкретных требований и доступных ресурсов. Вот несколько распространенных методов:
- Паровой риформинг природного газа: в настоящее время это самая распространенная технология производства водорода. В этом процессе природный газ, содержащий большое количество метана, нагревается водяным паром в присутствии катализатора. Паровой риформинг можно себе представить как "расщепление" природного газа.
В ходе этого процесса метан в составе природного газа вступает в реакцию с водяным паром, образуя водород (H2) и угарный газ (CO). Полученный водород очищается и затем может использоваться в качестве топлива для транспортных средств, для выработки электричества в топливных элементах и в других отраслях промышленности. Этот процесс не требует больших затрат, но имеет свои недостатки, так как при нем выделяется углекислый газ, негативно влияющий на окружающую среду.
- Электролиз воды: при электролизе вода расщепляется на водород и кислород под действием электрического тока. Для этого используются электролизные установки, в которых происходит процесс электролиза.
- Производство водорода с использованием солнечной энергии: в этом методе для выполнения электролиза используется солнечная, а не электрическая энергия. Для этого можно использовать как прямые солнечные лучи, так и лучи, сконцентрированные с помощью зеркал или коллекторов. Эта новая технология может использоваться в странах с достаточным количеством солнечных дней, что делает производство водорода особенно экономичным.
- Термохимическое производство водорода (биотехнологическое получение водорода): некоторые микроорганизмы, а именно некоторые бактерии и водоросли, могут выделять водород в процессе ферментации или фотосинтеза. Этот метод все еще находится на стадии разработки, но потенциально может использоваться в качестве экологически безопасного источника водорода. Недостатком этого способа производства является использование невозобновляемых ресурсов.
Экологичное производство водорода: выбор подходящего источника энергии
Следует отметить, что не все процессы производства водорода одинаково экономичны и безопасны для окружающей среды. Соответствие производства водорода требованиям устойчивого развития зависит от используемого источника энергии и количества выбросов CO2 в процессе. Чтобы водород оставался экологически чистым источником энергии, очень важно выбирать возобновляемые источники энергии и при его производстве.
Использование возобновляемых источников энергии, в частности солнца, а также энергии ветра и воды, позволяет значительно снизить выбросы CO2 при производстве водорода, что делает его более экологичным. Производство не наносит ущерба окружающей среде. Это важный шаг на пути к минимизации выбросов CO2 и сокращению воздействия на климат.
Водород также часто называют «шампанским энергетического перехода». Но как производить водород с применением возобновляемых источников энергии в большом масштабе?
использование водорода в транспорте
Наиболее перспективным процессом представляется электролиз. Эта технология не наносит ущерба окружающей среде, особенно при использовании энергии из возобновляемых источников. Эти технологии играют важную роль в превращении чистого водорода в экологичный энергоноситель для применения в разных отраслях. Мы подробно рассмотрим различные технологии, проанализировав их преимущества и недостатки.
PEM-электролиз:
В процессе PEM-электролиза, также известного как электролиз с применением мембраны протонного обмена, вода расщепляется на водород и кислород с помощью полимерной мембраны и электрического тока.
Преимущества:
- Быстрый запуск и быстрая адаптация к переменным нагрузкам
- Высокая эффективность при работе с частичной нагрузкой
- Низкая рабочая температура (50–80 °C), позволяющая сократить использование дорогостоящих материалов
- Компактный размер и простая интеграция в существующие системы
- Высокий уровень технологической зрелости (TRL 7-8)
Недостатки:
- Чувствителен к примесям в воде, поэтому требует предварительной обработки воды
- Ограниченный срок службы топливного элемента с мембраной протонного обмена (около 10 000 часов работы)
- Более высокие затраты по сравнению с щелочным электролизом
Щелочной электролиз:
При щелочном электролизе вода разделяется на водород и кислород с помощью щелочного электролита, как правило — водного раствора гидроксида калия.
Преимущества:
- Меньшие по сравнению с PEM-электролизом затраты
- Устойчивость к загрязнениям в воде
- Длительный срок службы электролитического элемента (прибл. 40 000 – 80 000 часов работы)
- Самый высокий уровень технологической зрелости (TRL 8-9)
Недостатки:
- Более низкая скорость реакции по сравнению с PEM-электролизом
- Более высокая рабочая температура (70–100 °C) увеличивает энергопотребление
- Более сложная интеграция в существующие системы из-за разных рабочих параметров
SOEC (твердооксидные электролизные элементы):
SOEC — это твердооксидный электролизный элемент, то есть высокотемпературный электролизный элемент, который преобразует воду в водород и кислород при высоких температурах и с использованием твердых оксидов в качестве электролита.
Преимущества:
- Высокая эффективность и рекуперация тепла благодаря высокой рабочей температуре (800 – 1000 °C)
- Гибкость благодаря использованию разных видов топлива (например, пара, CO2)
Недостатки:
- Высокие рабочие температуры требуют применения дорогостоящих материалов и специальной теплоизоляции
- Медленный запуск и адаптация к изменениям нагрузки
- Большие размеры и сложная интеграция системы
- Еще не накоплен большой опыт крупномасштабного применения технологии
AEM-электролиз (электролиз с анионообменной мембраной):
AEM — это анионообменная мембрана, которая используется для электролиза, в процессе которого под действием электрического тока через нее проникают отрицательно заряженные ионы, в результате чего вода расщепляется на водород и кислород.
Преимущества:
- Меньшие по сравнению с PEM-электролизом затраты
- Устойчивость к загрязнениям в воде
- Работа при более низких температурах (прибл. 60–80 °C)
Недостатки:
- Менее разработанная и коммерциализированная технология по сравнению с PEM- и щелочным электролизом
- Потенциальные проблемы с долгосрочной стабильностью мембраны
- Нет доступного оборудования для крупных производств. Низкий уровень технологической зрелости.