Зеленая водородная экономика будущего
Одна из тем будущего - производство энергии с помощью водорода. В частности, "зеленый" водород, который производится с использованием энергии из возобновляемых источников, обладает огромным потенциалом. В настоящее время существует множество новых технологий для производства, транспортировки и использования этого энергоносителя.
Зеленый водород имеет огромное значение для достижения целей по защите климата, поставленных в Париже. Он производится с помощью технологии преобразования энергии в газ. В этом случае зеленый водород производится путем электролиза с использованием электроэнергии, получаемой из возобновляемых источников энергии, таких как ветер или солнце. Это означает, что зеленый водород не содержит CO².
Водородные технологии включают в себя различные механические или химические способы утилизации водорода. Они призваны помочь сократить выбросы вредных для климата газов, таких как углекислый газ или метан. Области применения варьируются от промышленного производства и использования в грузовом и транспортном транспорте до производства электроэнергии и тепла. Кроме того, с помощью водородных технологий можно гибко аккумулировать возобновляемые источники энергии.
Технологии производства водорода
Экологически чистый водород должен производиться с помощью электролиза. Существуют различные типы электролиза, но электролизер всегда состоит из нескольких электролизных ячеек, расположенных в ряд. Электрическая энергия из возобновляемых источников используется для окислительно-восстановительной реакции и расщепления воды на отдельные компоненты - кислород и водород. Полученный водород можно хранить в различных формах.
Согласно брошюре "Водородные технологии " Института керамических технологий и систем Фраунгофера IKTS, высокотемпературный электролиз, в частности, является "ключевой технологией для эффективного производства водорода и синтез-газа". Он имеет ряд преимуществ перед щелочными и ПЭМ-электролизерами. Например, процесс не требует компонентов из нержавеющей стали и позволяет напрямую производить синтез-газ. При высокотемпературном электролизе с использованием твердого оксида электролита (SOE) в процессе конверсии достигается температура более 750 градусов Цельсия. В качестве электролита используется твердый керамический материал, разделяющий две полуячейки. Вода поступает в реакционные камеры в виде пара.
Помимо высокотемпературного электролиза, существует также щелочной электролиз и электролиз с использованием протонообменных мембран. Щелочной электролиз (AEL) в настоящее время является наиболее широко используемым процессом электролиза, поскольку инвестиционные затраты невелики, а технология стабильна в долгосрочной перспективе. В AEL используется OH-проводящий жидкий электролит.
Электролиз с использованием протонообменной мембраны (ПЭМ) работает при низких температурах и является относительно новой технологией. Водород можно извлекать из промышленных и шахтных вод. Процесс Rodosan был разработан для этой цели в Fraunhofer IKTS. Преимущество ПЭМ заключается в том, что он может быстро реагировать на колебания добавленной энергии и имеет хорошие характеристики при изменении нагрузки. Водород выделяется в качестве полезного продукта реакции при электрохимической обработке серной кислоты и бессульфатной воды в ячейках мембранного электролиза.
Технологии утилизации водорода с низким содержанием CO²
В качестве технологического газа для производства основных и ценных продуктов "зеленый" водород может обеспечить отсутствие выбросов CO². Это связано с тем, что для производства стали железная руда должна быть преобразована в чугун. Для этого в доменной печи используется кокс. Чтобы сделать этот процесс практически климатически нейтральным (сокращение выбросов CO² более чем на 95 %), водород можно использовать вместо природного газа в процессах прямого восстановления. По данным Fraunhofer IKTS, наиболее подходящим методом является высокотемпературный электролиз. При этом можно эффективно использовать имеющееся отходящее тепло и получать синтез-газ.
Высокотемпературный электролиз также подходит для синтеза аммиака. В настоящее время для этого процесса используется природный газ, который выделяет большое количество CO². Если выбросы CO² неизбежны, их можно использовать в качестве источника углерода. Например, можно получить воски для косметической промышленности или топливо для авиации. Синтез Фишера-Тропша подходит для получения углеродсодержащих продуктов из CO² и водорода. Однако для того чтобы эта технология была особенно эффективной и действенной, ее необходимо сочетать с процессом (совместного) электролиза. В результате совместного электролиза образуется синтез-газ, что делает производство химических продуктов особенно эффективным.
Зеленый водород также служит источником энергии в таких областях, как электричество, тепло и мобильность. Газовые котлы в зданиях теоретически можно заправлять водородом. При производстве электроэнергии водород может быть преобразован в электричество с помощью топливных элементов, использующих реконверсию. Для этого используется холодное горение, при котором внутри топливного элемента происходит реакция между кислородом и водородом. Отработанным продуктом получаемого электрического напряжения является вода, поэтому выбросов в атмосферу не происходит. В транспортном секторе автомобили, суда и поезда, работающие на водороде, являются хорошим дополнением к электромобилям. Синтетическое топливо на основе водорода также может быть использовано, особенно в авиации и грузовом транспорте.
В рамках каринтийского проекта "H2 Carinthia" зеленый водород будет использоваться дважды: в промышленном производстве микрочипов на заводе Infineon и затем для заправки транспортных средств. После производства зеленый водород отделяется и подается на установку PSA (абсорбция под давлением) на водозаправочной станции, где он очищается для использования в транспорте. В декабре 2022 года первые пять автобусов, работающих на переработанном зеленом водороде, уже были запущены в сеть общественного транспорта Каринтии.
Технологии хранения и транспортировки зеленого водорода
Чтобы сделать водород пригодным для транспортировки и использования в других местах, его необходимо хранить. Это представляет собой серьезную проблему, поскольку он является легким и довольно летучим химическим веществом. Водород можно хранить в различных агрегатных состояниях над землей в резервуарах или под землей. В жидком виде водород хранится при крайне низких температурах (минус 553 градуса Цельсия) в изолированных криогенных резервуарах, что означает потерю большого количества энергии. Криогенные резервуары должны быть очень хорошо изолированы, чтобы водород не испарялся.
Водород хранится в газообразном состоянии либо в герметичных резервуарах, либо в подземных кавернах. Этот тип хранения используется чаще всего, так как гарантирует хорошую мобильность. В частности, каверны имеют большой объем хранения. Кроме того, не требуется запечатывать новые участки. Существуют также металлогидридные хранилища, в которых большое количество водорода хранится в твердых металлических решетчатых структурах (например, металлах или углероде) и может быть высвобождено при нагревании. Однако транспортировка в этом случае затруднена из-за большого собственного веса. Водород также может быть абсорбирован в жидких носителях, таких как нефть (жидкий органический носитель водорода). Однако при этом теряется много энергии из-за катализаторов.
Хранящийся водород затем транспортируется, например, на грузовиках, кораблях или поездах. Однако для того, чтобы это было безопасно для климата, транспортные средства должны быть электрическими или работать на "зеленом" водороде. Водород также можно транспортировать по существующим или новым газопроводам. Особый интерес здесь представляет инфраструктура природного газа. Водород можно добавлять в природный газ в определенных пропорциях. Полиэтиленовые трубы и металлопластиковые композитные трубы для транспортировки водорода также проходят испытания в химическом парке Биттерфельд-Вольфен.
Источник: www.ntv.de
