Значение водородных цветов, помимо зеленого

Водород, который способен произвести революцию в таких отраслях, как транспортировка и производство электроэнергии, является развивающимся и практически неиспользуемым источником энергии. Хотя при сжигании водорода не происходит выбросов парниковых газов (ПГ), экологический след его жизненного цикла является результатом всех процессов, предшествующих его производству и потреблению, который значительно варьируется в зависимости от используемых на этом пути источников энергии.

Эти различия привели к появлению системы цветовой классификации, позволяющей дифференцировать разные оттенки водорода и их последствия для экологической устойчивости. «Зеленый» водород — это международный стандарт экологически чистого производства, но его масштабирование сталкивается со значительными проблемами в области инфраструктуры и эффективности. Электролиз воды на атомной энергии позволяет получать розовый водород и сохранять углеродно-нейтральный жизненный цикл, но зависимость от атомной энергии создает другие проблемы. Методы производства голубого и бирюзового водородов позволяют достичь компромисса между экономической целесообразностью и устойчивостью. Черный, коричневый и серый водород склоняют чашу весов в пользу экономической доступности, представляя собой экономичную альтернативу более экологичным вариантам.

Черный и бурый водород в основном производят из угля. Оба вида водорода производятся путем газификации угля — многоступенчатого процесса реакции угля с кислородом и паром при высоких температурах для получения сингаза. Это смесь газов, одним из которых является водород. 

Черный водород образуется при сжигании битуминозного угля, который является плотным и считается высокосортным. С другой стороны, бурый водород производится из бурого угля, более «молодого» и менее уплотненного, с более высоким содержанием влаги и более низкой энергетической плотностью. 

С точки зрения воздействия на окружающую среду производство черного и коричневого водорода довольно схоже, и оба метода являются относительно эффективными. Однако зависимость от ископаемого топлива без улавливания углерода может свести на нет некоторые преимущества водородной энергетики с точки зрения экологической устойчивости.

Газификация угля начинается с измельчения и обработки угля для удаления примесей, а затем проводятся следующие этапы:

1. Сушка и пиролиз (деволатилизация)

На начальном этапе уголь нагревается для удаления влаги и летучих веществ, а также для его расщепления на другие элементы и материалы. Сушка проводится при температуре около 200 °C (392 °F), а пиролиз — при температуре от 300 °C (572 °F) до 700 °C (1 292 °F). В процессе пиролиза крупные молекулы угля распадаются на более мелкие газообразные продукты — в основном метан (CH₄), водород (H₂), угарный газ (CO), углекислый газ (CO₂) — и смолу.

2. Сжигание

Часть угля (C) представляет собой древесный уголь, твердый остаток пиролиза, который вступает в реакцию с летучими газами и кислородом (O₂) в процессе контролируемой реакции горения. Эта экзотермическая реакция обеспечивает тепло, необходимое для последующих реакций газификации. При полном и частичном сгорании образуются углекислый и угарный газы.

C + O₂ → CO₂ (Полное сжигание)
2C + O₂ → CO (Частичное сжигание)

3. Реакции газификации

При газификации оставшийся уголь реагирует с паром (H₂O) и кислородом при высоких температурах 1 200 - 1 500 °C (2 192 - 2 732 °F) в восстановительной среде, выделяя водород и другие газы. Основными реакциями газификации являются: 

Реакция водяного газа: C + H₂O ⇌ CO + H₂ (Эндотермический)
Реакция Будуара: C + CO₂ ⇌ 2CO (Эндотермический)   

В результате этих реакций образуется сингаз — смесь, состоящая в основном из монооксида углерода и водорода, а также диоксида углерода и других следовых газов.

4. Процесс получения метана

В некоторых случаях для увеличения содержания метана в сингазе используется дополнительная стадия, называемая метанизацией. Иногда его называют электронным метаном, если используется зеленый водород и переработанный CO₂ или CO₂ от прямого захвата воздуха (DAC). Для этого необходимо провести реакцию монооксида углерода с водородом в присутствии катализатора:

CO + 3H₂ ⇌ CH₄ + H₂O (Экзотермический)

5. Очистка и обогащение сингаза

Сырой сингаз содержит примеси, которые должны быть удалены перед дальнейшим использованием. Процесс очистки обычно включает в себя:

• Удаление пыли, когда для удаления твердых частиц используются методы физической сепарации. 
• Удаление серы, когда такие соединения, как сероводород (H₂S) удаляются с помощью аминного скруббинга или аналогичных процессов. 
• Удаление углекислого газа, при котором происходит улавливание и хранится CO₂ или же его использование в других промышленных процессах.

6. Выделение и очистка водорода

Последний этап — выделение водорода из очищенной смеси сингаза. Этого можно добиться различными методами, два наиболее распространенных из которых следующие:

• Адсорбция с колебанием давления, в котором используются адсорбирующие материалы для селективного улавливания монооксида углерода с выделением очищенного водорода. 
• Мембранная сепарация, в котором используются специализированные мембраны, пропускающие водород и удерживающие другие газы.

Серый водород — наиболее распространенный тип водорода, который в настоящее время встречается в промышленности и производится либо с помощью парового риформинга метана (SMR) либо автотермического риформинга (ATR). Для обоих этих методов требуется углеводородное сырье, состоящее в основном из метана, причем чаще всего используется природный газ.

Получение природного газа и извлечение водорода

Природный газ — это газ без запаха и цвета, преимущественно находящийся под поверхностью Земли вблизи нефтяных месторождений. Этот универсальный источник энергии, образовавшийся за миллионы лет в результате разложения органических веществ под воздействием сильного тепла и давления, является краеугольным камнем современного общества и используется для отопления домов, питания промышленности и производства электроэнергии. Кроме того, он является сырьем для нескольких соединений, которые в конечном итоге превращаются в продукты, такие как синтетические ткани, антифриз, краски, упаковочные материалы, шампуни, лосьоны и удобрения.

Этот газ содержится в пористых и проницаемых горных породах, которые называются коллекторами, часто находясь под слоями непроницаемых пород, которые препятствуют его выходу. Эти резервуары могут располагаться под сушей на суше или на шельфе под морским дном. Для обнаружения скрытых запасов природного газа требуется проведение сложных геологических исследований, сейсморазведки и разведочного бурения. После обнаружения потенциального резервуара начинается процесс добычи, часто с использованием комбинации технологий, предназначенных для конкретных геологических условий.

Наиболее распространенный метод добычи — бурение ствола скважины в пласте, в результате чего образуется канал, по которому запертый газ поступает на поверхность. Этот поток часто обусловлен естественным давлением самого пласта. По мере добычи газа давление обычно снижается, что приводит к использованию методов искусственного подъема для поддержания добычи, таких как насосы или компрессоры.

После выхода на поверхность добытый природный газ, в котором часто присутствуют примеси, такие как водяной пар, песок и другие газы, проходит ряд этапов переработки. Эти этапы важны для удаления примесей, выделения ценных компонентов и подготовки самого газа к использованию. Затем переработанный природный газ транспортируется по трубопроводам, а также в сжатом (CNG) или сжиженном (LNG) виде специализированными танкерами к потребителям по всему миру. 

Широкое распространение серого водорода обусловлено прежде всего наличием в мире большого количества природного газа. Кроме того, по сравнению с газификацией угля, методы SMR и ATR требуют меньше углерода, поэтому предпочтение отдается черному и бурому водороду. Голубой водород позволяет продвинуться дальше в использовании методов SMR и ATR за счет улавливания, транспортировки и хранения углерода, но это требует значительных эксплуатационных расходов. 

Хотя переход на полностью возобновляемые энергосистемы является конечной целью в цепочке создания добавленной стоимости водорода, смешивание водорода с природным газом на существующих электростанциях представляет собой промежуточное решение. Для этого необходимо высокоточное измерение расхода и газоаналитическое оборудование в режиме реального времени, обеспечивающее постоянство газовой смеси. Водород также можно смешивать с природным газом для бытовых и коммерческих нужд в концентрации до 20% в зависимости от законодательства страны.

Это снижает выбросы, поскольку водород сгорает чище, чем природный газ. В то время как бытовые приборы могут сжигать только 20% смеси водорода с природным газом, газовые турбины, используемые на электростанциях, могут сжигать гораздо более высокую смесь, вплоть до 100% водорода в новых моделях.

Подходы к смешиванию обеспечивают постепенный переход на более чистые источники энергии, не требуя немедленной и полной замены существующей инфраструктуры, облегчая необходимость значительных капиталовложений в новые электростанции и трубопроводы.

Успех этой стратегии во многом зависит от источника водорода. В то время как смешивание серого, коричневого или черного водорода имеет ограниченное воздействие на окружающую среду из-за выбросов при производстве, использование зеленого водорода, произведенного из возобновляемых источников, значительно снижает общий уровень выбросов парниковых газов, поддерживая цели достижения нулевых выбросов УГ.

По мере развития водородной энергетики понимание ее различных видов, включая методы производства и воздействие на окружающую среду, имеет решающее значение. В то время как «зеленый» водород обеспечивает достижение цели нулевых выбросов УГ, низкоуглеродный водород, а также «черный», «коричневый» и «серый» водороды необходимы для развития инфраструктуры, исследований и диверсификации энергетики.

Поскольку в ближайшие десятилетия человечество будет ориентироваться на изменение климата, для обеспечения непрерывности и экологичности энергоснабжения потребуются разнообразные источники энергии. Несмотря на то, что еще предстоит преодолеть ряд трудностей, водород обещает стать экологически чистым, универсальным и устойчивым энергонасителем.