Виробництво водню: як виробляють водень і що це таке?
Водень набуває все більшого значення як перспективний екологічно чистий енергоносій, особливо з огляду на сприятливіше для клімату майбутнє. Але чи замислювалися ви колись, що таке водень і як його виробляють? У цій статті ми розглянемо основи й технології, які використовують для виробництва водню, а також дізнаємося, що робить його особливим елементом.
Водень: найпростіший хімічний елемент і його склад
Простіше кажучи, водень — це газ без кольору, запаху та смаку. Він має репутацію найпростішого та найпоширенішого хімічного елемента у Всесвіті. Водень складається з крихітних частинок — протонів і електронів.
Він є надзвичайно реактивним і може поєднуватися з іншими елементами, утворюючи сполуки, як-от вода. Він діє як потужне паливо і може використовуватися для виробництва електроенергії, приведення в рух транспортних засобів і виробництва тепла. Будучи чистим енергоносієм, водень здатний знизити негативний вплив на довкілля та сприяти сталому енергопостачанню.
промислове застосування водню
Отримання водню шляхом технологічного використання
Існує декілька технологій виробництва водню, які можна використовувати в залежності від конкретних вимог і наявних ресурсів. Ось кілька поширених методів:
- Паровий риформінг природного газу: наразі це найбільш поширена технологія виробництва водню. У цьому процесі природний газ, який складається переважно з метану, нагрівається водяною парою за наявності каталізатора. Образно паровий риформінг можна уявити як "розщеплення" природного газу.
У цьому процесі метан у природному газі реагує з водяною парою, утворюючи водень (H2) і монооксид вуглецю (CO). Отриманий водень очищають, після чого його можна використовувати як паливо в транспортних засобах, для виробництва електроенергії в паливних елементах або в різних промислових цілях. Цей процес не є дорогим, але він має і недоліки. Як побічний продукт виділяється вуглекислий газ, який негативно впливає на довкілля.
- Електроліз води: під час електролізу вода розщеплюється на водень і кисень за допомогою електричного струму. Для цього в обладнанні, яке називається електролізером, відбувається процес електролізу.
- Виробництво водню з використанням сонячної енергії: у цьому методі для здійснення процесу електролізу замість електричної енергії використовується сонячна. Це можна зробити або за допомогою прямого сонячного світла, або шляхом концентрації сонячного випромінювання з використанням сонячних дзеркал або колекторів. Цю нову технологію можна застосовувати в країнах, де є достатньо сонця, і вона може сприяти значному зниженню витрат під час виробництва водню.
- Термохімічне виробництво водню (біологічне виробництво водню): деякі мікроорганізми, як-от певні бактерії або водорості, можуть виробляти водень шляхом ферментації або фотосинтезу. Цей метод все ще перебуває на стадії розроблення, але має потенціал як постійне та екологічно чисте джерело водню. Однак недоліком цього типу виробництва є обмеженість ресурсів.
Сталість виробництва водню: вибір правильного джерела енергії
Слід зазначити, що не всі процеси виробництва водню є однаково сталими або екологічно чистими. Сталість виробництва водню залежить від використовуваного джерела енергії та викидів CO2 під час виробничого процесу. Щоб максимально використати переваги водню як чистого джерела енергії, дуже важливо використовувати для виробництва водню відновлювані джерела енергії.
Використання відновлюваних джерел енергії, як-от енергія сонця, енергія вітру або гідроенергія, дає змогу значно скоротити викиди CO2 під час виробництва водню і зробити його більш сталим. Виробляється екологічно чистий водень. Це важливий крок на шляху до низьковуглецевого майбутнього та вирішення проблеми зміни клімату.
Водень також часто називають «шампанським енергетичного переходу». Але як ми можемо виробляти водень із відновлюваних джерел енергії у великих масштабах?
застосування водню у транспорті
Найбільш перспективним процесом є електроліз. Процес електролізу дає змогу виробляти водень без шкоди для довкілля, особливо якщо електроенергія для цього надходить із відновлюваних джерел енергії. Ці технології відіграють важливу роль у тому, щоб чистий водень став сталим енергоносієм для різних застосувань. Ми детально розглянули різні технології, а також переваги й недоліки кожної з них.
Електроліз PEM:
У ході електролізу PEM, також відомого як електроліз за допомогою протонообмінної мембрани, вода розщеплюється на водень і кисень за допомогою полімерної мембрани та електричного струму.
Переваги:
- Швидкий запуск і адаптація до змінних навантажень
- Висока ефективність під час роботи із частковим навантаженням
- Низька робоча температура (50–80 °C), що дає змогу скоротити використання дорогих матеріалів
- Компактний розмір і легка інтеграція в наявні системи
- Високий рівень технологічної зрілості (TRL 7-8)
Недоліки:
- Чутливість до домішок у воді, тому потрібна попередня обробка води
- Обмежений термін служби паливного елемента PEM (приблизно 10 000 годин роботи)
- Вищі витрати порівняно з лужним електролізом
Лужний електроліз:
Під час лужного електролізу вода розщеплюється на водень і кисень за допомогою лужного електроліту — зазвичай водного розчину гідроксиду калію.
Переваги:
- Нижчі витрати порівняно з електролізом PEM
- Стійкість до забруднювачів у воді
- Тривалий термін служби комірки електролізера (приблизно 40 000–80 000 годин роботи)
- Найвищий рівень технологічної зрілості (TRL 8-9)
Недоліки:
- Нижча швидкість реакції порівняно з електролізом PEM
- Вищі робочі температури (70–100 °C) призводять до більшого споживання енергії
- Складніша інтеграція в наявні системи через різні робочі параметри
SOEC (комірка для електролізу твердих оксидів):
SOEC (Solid Oxide Electrolysis Cell) — високотемпературна електролітична комірка, яка перетворює воду на водень і кисень за високих температур і з використанням твердих оксидів в ролі електроліту.
Переваги:
- Висока ефективність і рекуперація тепла завдяки високим робочим температурам (800–1000 °C)
- Гнучкість у використанні різних видів палива (наприклад, пару, CO2)
Недоліки:
- Високі робочі температури вимагають використання дорогих матеріалів і спеціальної теплоізоляції
- Повільний запуск і адаптація до змінних навантажень
- Більші розміри та складна системна інтеграція
- Малий досвід експлуатації у великих масштабах
Електроліз AEM (аніонообмінна мембрана):
AEM розшифровується як Anion Exchange Membrane і означає технологію електролізера, у якій використовується спеціальна мембрана, що забезпечує проникність для негативно заряджених іонів і розщеплює воду на водень і кисень за допомогою електричного струму.
Переваги:
- Нижчі витрати порівняно з електролізом PEM
- Стійкість до забруднювачів у воді
- Робота за більш низьких температур (прибл. 60–80 °C)
Недоліки:
- Обмежене розроблення та комерціалізація порівняно з електролізом PEM і лужним електролізом
- Потенційні проблеми з довгостроковою стабільністю мембрани
- Немає установок великого масштабу. Низький рівень технологічної зрілості.