Производство экологически чистого водорода

Среди различных методов производства водорода наиболее экологически безопасным является «зеленый водород». Для производства «зеленого» водорода используются исключительно возобновляемые источники энергии - такие как солнце, ветер и гидроэлектроэнергия, благодаря чему он является топливом с нулевым содержанием углерода от момента его производства до сжигания. Это отличает его от других типов водорода, включая серый водород, который получают из ископаемого топлива.

Электролиз является основой экологически чистого производства водорода: с помощью электричества молекулы воды расщепляются на составляющие их водород и кислород. Однако ограничения по мощности, эффективности и стоимости не позволяют быстро наращивать его производство.

Электролиз — это процесс электрохимических реакций и переноса ионов, происходящий в электролизере. Электролизеры оснащены двумя электродами — анодом и катодом — разделенными электролитом. Этот электролит, который представляет собой жидкий раствор (для щелочных) или твердотельную мембрану (для ПЭМ), облегчает прохождение ионов, ограничивая при этом поток электронов. Его необходимо тщательно выбирать с учетом таких факторов, как ионная проводимость, химическая стабильность и совместимость с материалами электродов.

Когда постоянный ток подается на жидкую воду в электролизере, между анодом и катодом возникает разность электрических потенциалов. На аноде, отмеченном положительным потенциалом, молекулы воды (H₂O) подвергаются реакции окисления, в результате чего происходит потеря электронов. В результате образуется газообразный кислород (O₂), положительно заряженные ионы водорода (протоны, H+) и высвобождаются электроны во внешнюю цепь, что в электролизерах с протонообменной мембраной (ПЭМ) представлено следующим образом:

2 H₂O(l) → O₂(g) + 4 H+(aq) + 4 e−

Протоны H+ под действием градиента потенциала перемещаются через электролит к отрицательно заряженному катоду. На катоде происходит реакция восстановления, в ходе которой протоны легко принимают электроны из внешней цепи, нейтрализуя их заряд и образуя двухатомный газообразный водород (H₂):

2 H+(aq) + 2 e− → H₂(g)

Общая электролитическая реакция, представляющая собой совокупность анодного окисления и катодного восстановления, выглядит следующим образом:

2 H₂O(l) → 2 H₂(g) + O₂(g)

Эффективность этого процесса имеет большое значение для экономической целесообразности производства «зеленого» водорода. На эту эффективность влияют несколько факторов, в том числе:

• Рабочая температура, давление и чистота воды, поддерживаемые в системе, которые должны быть точно измерены
• Избыточный потенциал, который необходим для протекания реакции с желаемой скоростью 
• Омические потери из-за сопротивления переносу ионов в электролите 
• Ограничения массопереноса, определяющие доступность реактивов на поверхности электродов 

Оптимизация этих параметров требует тщательного выбора материала, проектирования архитектуры электродов, а также измерения и контроля всех соответствующих параметров. Среди разнообразных технологий электролизеров, доступных в настоящее время, протонообменная мембрана и щелочные электролизеры являются наиболее технологически зрелыми и широко распространенными.

Электролизёр с применением протонообменной мембраны, характеризующиеся тем, что в качестве электролита в них используется твердая полимерная мембрана, имеют ряд преимуществ по сравнению с технологиями, использующими жидкий электролит, включая более высокую энергоэффективность, более быстрое время отклика на колебания потребляемой мощности и компактную конструкцию. Благодаря этим качествам электролизёры с применением протонообменной мембраны хорошо подходят для интеграции с периодически возобновляемыми источниками энергии, такими как солнечная и ветровая энергия, где выходная мощность может значительно меняться. Как правило, они используются в лабораториях и других предприятиях, специализирующихся на производстве высококачественных продуктов.

Щелочные электролизеры с жидким электролитом не так эффективны, но они стоят дешевле, имеют более длительный срок службы и допускают более низкую чистоту воды, чем варианты протонообменных мембран. Все эти факторы повышают их конкурентоспособность на крупных предприятиях по производству экологически чистого водорода, где основными факторами являются себестоимость и масштаб. 

Другие разрабатываемые технологии включают высокотемпературный или твердооксидный электролиз и анионообменные мембраны. Конкуренция в гонке технологий производства водорода зависит от конкретного применения.

Несмотря на свою перспективу в качестве экологически чистого топлива во всей цепочке добавленной стоимости, производство «зеленого» водорода сопряжено с рядом проблем.

Во-первых, производство водорода путем электролиза — особенно с помощью электролизёров с применением протонообменной мембраны — дороже, чем производство серого и голубого водорода путем парового риформинга метана или автотермического риформинга. Кроме того, водород менее энергоемкий, чем природный газ и другие виды ископаемого топлива, а затраты на питание процессов водородом превышают затраты на питание ископаемым топливом в расчете на единицу энергии.

Высокая эффективность электролизеров в стеках — около 70% — при этом новые технологии, такие как твердооксидные электролизерные ячейки (SOEC), по прогнозам, обеспечат еще более высокую эффективность. Однако, как и в любой другой системе, общая эффективность установки зависит не только от используемой технологии, но и от баланса установок для охлаждения, сушки, обработки и сжатия водорода. Кроме того, не хватает возобновляемых источников энергии, необходимых для реального расширения масштабов электролиза, что требует дополнительных инвестиций в инфраструктуру.

Кроме того, транспортировка и хранение водорода сложны с точки зрения логистики из-за необходимости создания специализированной инфраструктуры, такой как трубопроводы и резервуары для хранения, специально предназначенные для работы с этим огнеопасным составом. Нынешняя инфраструктура рассчитана в основном на использование природного газа, и, к сожалению, в силу уникальных свойств водорода ее невозможно легко переоборудовать. Атомы водорода — самые маленькие из всех элементов, поэтому для предотвращения утечки двухатомного водородного газа требуются сложные уплотнения трубопроводов, клапанов и прокладок. Он также может ослабить многие металлы, поскольку атомы застревают во внутренней структуре оболочки, что снижает порог напряжения и ускоряет растрескивание в неподходящих материалах.

Решение этих проблем требует стратегического планирования, финансовой поддержки со стороны как национальных государств, так и частных заинтересованных сторон, а также постоянных технологических инноваций. Несмотря на экономические трудности, процедура внедрение электролизеров начинает набирать обороты. К концу 2022 года мировая мощность электролизеров для производства водорода достигла почти 11 ГВт, а к 2030 году ожидается, что мощность достигнет 170-365 ГВт.

Кроме того, в ближайшие десятилетия прогнозируется, что усилия по оптимизации электролизеров приведут к снижению затрат за счет увеличения масштаба, обучения и эффективности. Это включает в себя нацеленность на более высокий уровень улавливания энергии от возобновляемых источников, а также на возмещение внутренних потерь энергии в процессе эксплуатации. Смежные технологии, такие как водородные топливные элементы, которые по сути являются реверсивными электролизерами, будут опираться на новые достижения и технологические наработки, полученные в ходе этого перехода.

Помимо производства, важнейшее значение имеет наличие специализированной водородной инфраструктуры. Повышение перспективности водорода как альтернативного источника энергии зависит от наращивания механизмов, необходимых для распределения и преобразования его энергии в полезные формы.

В ближайшие 20-30 лет ожидается рост мирового спроса на водород, обусловленный его универсальностью в качестве энергоносителя и потенциалом снижения выбросов углерода в трудноустранимых секторах экономики. В частности, отрасли транспортного сектора и производства электроэнергии стремятся внедрить в ассортимент экологически чистую водородную энергетику в качестве альтернативы ископаемому топливу.

В транспортном секторе экологичные топливные элементы, работающие на водороде, предлагают перспективное решение для коммерческого транспорта с минимальным выбросом CO2, например, для грузовых автомобилей, автобусов и даже самолетов. Это особенно актуально для дальних перевозок, где электромобили с аккумуляторными батареями сталкиваются с ограничениями по дальности, мощности и весу.

В промышленности водород может заменить ископаемое топливо в таких энергоемких процессах, как производство стали, цемента и аммиака, сокращая тем самым углеродный след. Кроме того, ожидается, что энергетический сектор будет все активнее использовать «зеленый» водород для хранения энергии из расширяющейся инфраструктуры возобновляемых источников, что позволит решить проблему перебоев в работе солнечной и ветряной энергетики без ущерба для плотности энергии и ухудшения свойств аккумуляторов.

Водород даже подмешивают в систему распределения природного газа, чтобы сократить выбросы углерода в атмосферу. Газовые плиты, системы отопления, сушилки для белья и другие приборы могут сжигать природный газ с содержанием водорода до 20%, что часто ограничивается только пороговыми значениями, установленными газовой инфраструктурой. Новые конструкции газовых турбин и газовых двигателей теперь могут смешивать до 50% водорода с природным газом в качестве источника топлива на электростанциях, а некоторые небольшие турбины — до 100% водорода без необходимости смешивания с природным газом.

Испанская транснациональная коммунальная компания Iberdrola, демонстрирующая свою уверенность в водородной экономике, с более чем 60 проектами «зеленого» водорода, находящимися в разработке по всему миру. Эти проекты охватывают различные отрасли, включая производство удобрений, синтез «зеленого» аммиака и грузовой транспорт, демонстрируя универсальность «зеленого» водорода как экологически чистого энергетического решения.

В частности, компания Iberdrola строит крупнейший в Европе завод по производству «зеленого» водорода, который будет использоваться в основном для производства аммиака для удобрений, что позволит снизить экологическое воздействие этой отрасли, содержащей большое количество углерода. Этот знаковый проект подчеркивает потенциал «зеленого» водорода для декарбонизации даже самых сложных секторов экономики.

Правительственные инициативы также играют решающую роль в ускорении внедрения «зеленого» водорода. Инициатива HyBlend Министерства энергетики США (DOE) способствует развитию «зеленого» водорода, исследуя возможности безопасного смешивания водорода с природным газом и его транспортировки по существующим трубопроводам. Он ориентирован на совместимость с трубопроводами, безопасность материалов и снижение затрат, что делает экологически чистое распределение водорода более доступным и масштабируемым.

Зеленый водород — краеугольный камень революции в области чистой энергии, и по мере развития технологий он будет играть все более важную роль. Однако реализация его потенциала требует решения существующих проблем в области добычи, хранения, транспортировки и инфраструктуры. Это предполагает дальнейшие инвестиции в исследования и разработки, стратегическое сотрудничество между государственными и частными структурами и поддерживающую государственную политику.

По мере развития возобновляемой энергетики и инфраструктуры для производства водорода, повышения эффективности электролиза и разработки политики стоимость производства «зеленого» водорода должна снижаться, устраняя еще один основной барьер на пути к широкому распространению. Для этого потребуется все больше перспективных и дальновидных компаний и инициатив, которые будут прокладывать путь к становлению водородной экономики с помощью амбициозных проектов и инновационных решений, снижая глобальные выбросы углекислого газа для более экологически устойчивого будущего.