Устойчивое развитие занимает важное место в политической повестке дня. В наших предыдущих блогах о жидком водороде уже кратко описывалось, как водород приобретает все большее значение в качестве устойчивого энергоносителя и топлива для различных отраслей промышленности.
В этом блоге мы более подробно рассмотрим различные способы производства водорода. Мы рассмотрим серый, голубой и зеленый водород, объясним, что такое паровой риформинг метана, проанализируем проблемы, связанные с этим методом, и расскажем, как мы постепенно движемся к миру, полному устойчивого водорода.
Водород в трех цветах
Водород может быть получен различными способами. Некоторые методы значительно более устойчивы, чем другие, поэтому процессы часто изображаются цветами. Три наиболее распространенных метода производства называются серым, синим и зеленым водородом.
Серый водород (паровой риформинг метана)
В настоящее время около 95% всего водорода в Европе производится методом парового риформинга метана. Этот метод использует пар при высокой температуре (700-1000 °C) для получения водорода из источника метана, такого как природный газ или уголь. Эти два элемента в сочетании с катализатором вызывают реакцию при давлении 3-25 бар (1 бар = 14,5 psi). В результате этой реакции образуются CO, CO2 и водород.
Затем, на втором этапе, называемом «реакцией сдвига воды и газа», происходит дальнейшее обогащение водородом. На этом этапе происходит реакция между паром и СО, опять же с помощью катализатора. В результате образуется небольшое количество тепла и СО и большое количество водорода.
Химические формулы этого процесса выглядят следующим образом:
Паровой риформинг метана
CH4 + H2O → CO + 3H2
Реакция сдвига воды с газом
CO + H2O → CO2 + H2
Паровой риформинг метана — эффективный процесс, но, к сожалению, довольно вредный для окружающей среды.
На каждый килограмм водорода, полученного таким методом, выделяется целых 7 килограммов CO2.
Голубой водород
Несколько более экологичной альтернативой является голубой водород. Голубой водород — это, по сути, то же самое, что и серый водород (производится путем парового риформинга метана), но подавляющее большинство CO2 улавливается и хранится под землей(улавливание и хранение углерода) или повторно используется(улавливание и использование углерода).
В процессе улавливания и хранения углерода (CCS) высвобожденный CO2 транспортируется по трубопроводам к пустым газовым месторождениям и, например, закачивается в подземные слои песчаника. CO2 также может быть уловлен и повторно использован, например, для производства биотоплива, пластмасс или бетона. Этот процесс известен как улавливание и использование углерода (УУУ).
Голубой водород гораздо более экологичен, чем серый, но улавливание CO2 требует дополнительной инфраструктуры и энергии. В результате стоимость голубого водорода выше, чем стоимость серого водорода.
Зеленый водород
Самой экологичной, но, к сожалению, и самой сложной альтернативой является зеленый водород. Экологически чистый водород производится путем электролиза. Эта химическая реакция осуществляется с помощью электрического тока для разделения сложных веществ на отдельные вещества. Для получения зеленого водорода вода расщепляется на кислород и водород.
Электролиз и экологически чистый водород в настоящее время находятся в центре внимания. При использовании только экологически чистой энергии (например, энергии ветра или солнца) процесс является CO2-нейтральным.
Однако производство экологически чистого водорода требует больших затрат. Электролиз требует относительно большого количества экологически чистой электроэнергии, а эффективность всего производственного процесса — включая электролиз — все еще находится в стадии разработки. Все эти проблемы влияют на масштабируемость; в результате производство экологически чистого водорода в мире пока очень ограничено. Ожидается, что в ближайшем будущем ситуация изменится.
От парового риформинга метана к экологически чистому водороду
Как мы в конечном итоге достигнем этой зеленой водородной экономики? Как будет происходить переход от парового риформинга метана, который в настоящее время является предпочтительным методом, к устойчивому зеленому водороду, начиная с 2021 года?
Как недавно написал в своем блоге SINTEF, «будущее — зеленое, но путь к нему многоцветный». До того, как зеленый водород возобладает над серым, должно пройти по меньшей мере несколько десятилетий. Точные сроки остаются догадками, но существуют прогнозы относительно методов производства, которые мы увидим в период до 2050 года.
Прогнозы СИНТЕФ
Приведенная ниже таблица основана на результатах предварительного исследования «Водород для Европы» и несколько изменена SINTEF. Различные цвета представляют собой прогноз методов производства водорода в ближайшие десятилетия.
Черная линия
Во-первых, черная пунктирная линия указывает на ожидаемый рост производства водорода в целом. Нет никаких сомнений: спрос на водород значительно возрастет в период до 2050 года.
Серая линия
Серая линия(H2 из природного газа) указывает на водород, полученный путем парового риформинга метана. Хотя большая часть водорода в 2021 году все еще будет производиться таким образом, серая линия, вероятно, резко пойдет вниз, начиная с этого года. Серый водород по-прежнему остается самым быстрым и дешевым вариантом производства в 2021 году, но с ростом производства синего и зеленого водорода в ближайшем будущем потребуется все меньше и меньше серого водорода.
Синяя линия
Синяя линия обозначает голубой водород. Голубой водород — это, по сути, серый водород, при этом CO2 улавливается в процессе производства. Поскольку в остальном производственные процессы схожи, голубой водород является логичным первым шагом на пути к устойчивому развитию. В конце концов, инфраструктура для парового риформинга метана уже существует. Единственное дополнение, необходимое для производства голубого водорода, — это система улавливания и хранения углерода (CCS) или улавливания и использования углерода (CCU).
Зеленая линия
В то время как синий водород служит промежуточной технологией, зеленый водород (произведенный с использованием возобновляемых ресурсов и электролиза) является конечной целью большинства стратегий. Однако «зеленый» водород и его процессы все еще находятся на ранних стадиях, поэтому «зеленая» линия вряд ли обгонит «синюю» в ближайшее время.
К счастью, разработки, связанные с производством экологически чистого водорода, идут полным ходом. Многие страны инвестировали в пилотные проекты, связанные с производством, хранением, транспортировкой и, конечно, применением «зеленого» водорода (см. наш недавний блог«Для чего используется водород?»).
Однако для достижения желаемой зеленой водородной экономики потребуется еще больше инвестиций, больше исследований и снижение затрат. Это требует времени, что четко отражено зеленой линией.
Желтая линия
Наконец, на графике появляется желтая линия. Этот метод использует биомассу (и CCS) для производства водорода. В принципе, использование биомассы является устойчивым до тех пор, пока эта биомасса является остаточным отходом. Однако, поскольку производство водорода с использованием биомассы является менее эффективным процессом, а биомассы доступно меньше, производство водорода с использованием возобновляемых источников энергии будет иметь большую долю в общем количестве производимого водорода.
Будущее без выбросов CO2
Что эти события означают для общего объема выбросов CO2 в Европе в ближайшие десятилетия? Это, конечно, еще предстоит увидеть, но прогнозы оптимистичны. По данным SINTEF, использование чистого водорода может привести к сокращению более чем на 800 млн тонн CO2 в год к 2050 году. Это составляет 19% от текущих выбросов парниковых газов.
Такое значительное сокращение выбросов CO2 потребует ожидаемого роста производства «зеленого» водорода. Необходимо даже десятикратное увеличение нынешнего объема рынка, при этом производство должно быть полностью устойчивым.
Хочешь узнать больше?
Компания Demaco имеет около 30 лет опыта в проектировании и производстве лучших инфраструктур для жидкого водорода. У вас есть вопросы о нашей работе? Не стесняйтесь обращаться к нам или просмотрите наши продукты и проекты для получения дополнительной информации.
