Виробництво водню

Виробництво водню — процеси та технології промислового виробництва водню як складова водневої енергетики, перша ланка в життєвому циклі використання водню.

Електролізер

Водень практично не зустрічається в природі в чистій формі і повинен вилучатись з інших сполук за допомогою різних хімічних методів. Важливість технологій визначається високою теплотою згоряння водню та можливостями зниження викиду парникових газів, оскільки продуктом згоряння є звичайна вода.

Загальні відомості

Різноманітність способів отримання водню визначається залежністю технологічних процесів від окремих видів сировини. Поширені технології:

• метану і природного газу;
• Газифікація вугілля;
• Електроліз води;
• Піроліз;
• Часткове окислення;
• Біотехнологічне виробництво водню.

Технології виробництва водню

Процес Кварнера

Кварнер-процес або кварнер сажі та водню (CB & H) — це метод, розроблений в 1980-х роках однойменною норвезькою компанією для виробництва водню з вуглеводнів, наприклад, з метану, природного газу і біогазу. Розподіл енергії у речовині під час процесу приблизно такий: близько 48 % енергії міститься в атомі водню, 40 % — у вуглеці та 10 % — у перегрітій парі.

Біологічне виробництво

Ферментативне виробництво водню — це ферментативне перетворення органічного субстрату в біоводень, що здійснюється групою бактерій за допомогою мультиферментативних систем в три кроки, аналогічно до анаеробного перетворення. Темнова ферментація не потребує світлової енергії, тому можливе неперервне виробництво водню з органічних сполук — вдень і вночі. Фотоферментація відрізняється від темнової ферментації тим, що вона протікає лише за наявності світла. Наприклад, фотоферментація з Rhodobacter sphaeroides SH2C може бути використана для перетворення нижчих жирних кислот у водень. Електрогідрогенез використовується в мікробних паливних елементах, де водень виробляється з органічних речовин (наприклад, зі стічних вод, органічних відходів або твердих речовин) при напрузі 0,2 — 0,8 V.

Біоводень може вироблятися у біореакторі, що містить мікроводорості. Наприкінці 1990-х років було виявлено, що якщо з водоростей вилучити сірку, вони вироблятимуть водень замість кисню, як під час звичайного фотосинтезу.

Біоводень може вироблятись в біореакторах, які використовують іншу сировину, найчастіше цією сировиною є відходи. Цей процес здійснюється бактеріями, що поглинають вуглеводні та виділяють водень і вуглекислий газ. Є кілька способів подальшого ізолювання CO2, в результаті чого залишається лише водень. Прототип водневого біореактору на відходах введено в експлуатацію на заводі виноградних соків Велч у штаті Пенсильванія.

Електроліз з біокаталізаторами

Крім звичайного електролізу, можливий також електроліз з використанням мікробів. При електролізі з біокаталізаторами водень утворюється внаслідок проходження через мікробний паливний елемент, також можуть використовуватись різноманітні водні рослини. До них належать родини Glyceria, Spartina, рис, помідори, люпин, водорості.

Електроліз води

Водень може вироблятись електролізом за високого тиску або електролізом води за низького тиску. У сучасних ринкових умовах 50 кВт·год електроенергії, витраченої на виробництво одного кілограма стисненого водню, коштують приблизно стільки ж, скільки водень, вироблений за 8 центів/kWh. Ціновий еквівалент пояснюється тим, що більшість водню виробляється з викопних видів палива, які ефективніше використовувати для виробництва хімічного продукту безпосередньо, ніж для виробництва електроенергії і подальшого електролізу. Так чи інакше, головним завданням водневої енергетики є отримання водню з інших джерел, тож в майбутньому планується не використовувати викопне паливо як сировину.

Електроліз за високого тиску

Електроліз за високого тиску — це електроліз води, при якому вода (H2O) розкладається на кисень (O2) і водень (H2), внаслідок пропускання електричного струму через воду. Різниця між таким електролізером і звичайним, полягає у тому, що водень виводиться під тиском близько 120—200 бар. При стисканні водню в електролізаторі потреба у зовнішньому компресорі водню зникає, середнє споживання енергії внутрішнім компресором становить близько 3 %.

Електроліз за високих температур

Водень може бути отриманий в процесі високотемпературного електролізу (HTE), що забезпечується енергією у вигляді тепла та електроенергії. Оскільки частина енергії в HTE — теплова, менша кількість енергії потребує подвійного перетворення (з тепла в електрику, а потім в хімічну форму), тому на виробництво кілограму водню витрачається набагато менше енергії.

В той час як атомна електроенергія може бути використана для електролізу, теплова ядерна енергія може застосовуватись безпосередньо для розщеплення води на кисень і водень. Розігрітий до високих температур (950—1000 ° С) газ у ядерному реакторі може розкладати воду на кисень і водень термохімічним шляхом через використання ядерної теплової енергії. Дослідження можливостей високотемпературних ядерних реакторів можуть зрештою привести до організації виробництва водню, яке буде конкурентоспроможним з виробництвом, що базується на перетворенні природного газу. General Atomics передбачає, що водень, вироблений у високотемпературному газовому реакторі (ВТГР) коштуватиме $ 1.53/кг. У 2003 році водень, одержаний переробкою природного газу, коштував $ 1.40/кг. В перерахунку на вартість природного газу у 2005 році, водень коштує $ 2.70/кг.

Високотемпературний електроліз проводився в лабораторії, з витратами 108 МДж теплової енергії на кілограм водню, але не в промислових масштабах. Крім того, в результаті цих процесів одержується низькоякісний «промисловий» водень, який є непридатним для використання в паливних елементах.

Фотоелектрохімічне розщеплення води

Найчистішим способом отримання водню є той, що базується на використанні електроенергії, виробленої фотоелектричними системами. Вода розкладається на водень і кисень шляхом електролізу — фотоелектрохімічного (PEC) процесу, який також називають штучним фотосинтезом. У фотоелектричній промисловості ведуться наукові дослідження, спрямовані на розвиток високоефективної технології мультиперехідних елементів.

Концентрація теплової сонячної енергії

Для розкладання води на кисень і водень необхідні дуже високі температури. Щоб процес протікав за нижчих температур, необхідний каталізатор. Нагрівання води може відбуватись за рахунок концентрації сонячної енергії. Hydrosol-2 — це 100 кіловатний експериментальний завод на Plataforma Solar de Almería в Іспанії, який нагріває воду до необхідних 800—1200 ° С за допомогою сонячного світла. Hydrosol II введений в експлуатацію з 2008 року. Розробка цього 100 кіловатного експериментального заводу базується на модульній концепції. Отже, цілком можливо, що діапазон дії цієї технології буде розширений до мегават шляхом збільшення кількості реакторних блоків і з'єднання заводу з геліостатними полями (поля дзеркал, що автоматично орієнтуються на сонце) відповідного розміру.

Фотоелектрокаталітичне виробництво

Метод, вивчений Томасом Нанном і його командою в Університеті Східної Англії, складається з золотого електрода, вкритого шарами наночасток фосфіду індія (InP). Вони ввели залізо-сірчаний комплекс в шари покриття, внаслідок чого після занурення у воду і опромінення світлом під невеликим електричним струмом, вироблявся водень з ККД 60 %.

Термохімічне виробництво

Є більш ніж 352 термохімічних цикла, які можуть використовуватись для розкладання води. Близько десятка з них (наприклад, цикл оксиду заліза, цикл церій (IV)- церій(III) оксид, цикл цинк — цинк-оксид, сульфур-йодний цикл, мідно-хлорний і гібридний сульфурний цикл) зараз досліджуються і знаходяться на фазі випробування з метою одержання водню і кисню з води за допомогою теплової енергії та без використання електрики. Ці процеси можуть бути ефективнішими, ніж електроліз за високих температур, діапазоні ефективності від 35 % — 49 % LHV. Термохімічне виробництво водню з використанням хімічної енергії вугілля або природного газу, як правило, не розглядається, бо безпосередньо хімічний спосіб є ефективнішим.

Жоден з термохімічних процесів виробництва водню не був використаний на промисловому рівні, хоча деякі з них були продемонстровані в лабораторії.

У листопаді 2021 року Мінпромторг підключило АФК «Система» до пілотного Хабаровського проекту з виробництва щорічно запланованих 350 тисяч тонн зеленого водню.

Див. також

Воднева енергетика

Примітки

1. . Архів оригіналу за 3 червня 2016. Процитовано 10 липня 2018.
2. https://www.hfpeurope.org/infotools/energyinfos__e/hydrogen/main03.html^{[недоступне посилання з березня 2019]}
3. . Архів оригіналу за 25 січня 2012. Процитовано 10 липня 2018.
4. . Архів оригіналу за 20 липня 2011. Процитовано 10 липня 2018.
5. . Архів оригіналу за 7 січня 2017. Процитовано 10 липня 2018.
6. Crabtree, George W.; Mildred S. Dresselhaus, and Michelle V. Buchanan (December 2004). . Physics Today. с.  39. Архів оригіналу за 26 липня 2008. Процитовано 9 травня 2008.
7. 2001-High pressure electrolysis — The key technology for efficient H.2^{[недоступне посилання з березня 2019]}
8. (Пресреліз). Science Daily. 18 вересня 2008. Архів оригіналу за 10 липня 2018. Процитовано 19 вересня 2008.
9. Nuclear Hydrogen R&D Plan (PDF). United States Department of Energy. March 2004. Архів оригіналу (PDF) за 22 червня 2013. Процитовано 9 травня 2008.
10. DLR Portal - DLR scientists achieve solar hydrogen production in a 100-kilowatt pilot plant. Dlr.de. 25 листопада 2008. Архів оригіналу за 22 червня 2013. Процитовано 19 вересня 2009.
11. Water Splitting by Visible Light: A Nanophotocathode for Hydrogen Production^{[недоступне посилання з березня 2019]}
12. (PDF). Архів оригіналу (PDF) за 5 лютого 2009. Процитовано 10 липня 2018.
13. UNLV Thermochemical cycle automated scoring database (public)^{[недоступне посилання з березня 2019]}
14. (PDF). Архів оригіналу (PDF) за 17 квітня 2007. Процитовано 10 липня 2018.
15. https://lenta.ru/articles/2022/02/21/farmb/
16. https://www.cnews.ru/articles/2023-04-13_evtushenkov_vladimir_biznes_na_blago
17. https://raexpert.ru/database/person/evtushenkov_vladimir_petrovich/
18. https://www.tadviser.ru/index.php/Персона:Евтушенков_Владимир_Петрович
19. https://www.osnmedia.ru/ekonomika/feliks-evtushenkov-afk-sistema/

Посилання

• Integrated Hydrogen Production, Purification and Compression System (англ.)
• Leeds researchers fuelling the ‘hydrogen economy’ (англ.)