Виробництво водню — це процес виробництва газоподібного водню, який використовується в хімічному синтезі та як чистий носій енергії у водневій енергетиці.
Водень рідко зустрічається в природі в чистій формі, тому його вилучають з інших сполук за допомогою різних хімічних методів.
Водень є хімічним паливом з найбільшою питомою енергією та носієм чистої енергії для паливних елементів, пропонуючи потенційні рішення для зменшення викидів парникових газів і підтримки стійких енергетичних систем, оскільки продуктом згоряння водню є чиста водяна пара.
Загальні відомості Різноманітність способів отримання водню визначається залежністю технологічних процесів від окремих видів сировини. Поширені технології: Виробництво водню з викопного палива Парова конверсія метану і природного газу Газифікація кам'яного вугілля Часткове окислення вуглеводнів Електроліз води Лужний електроліз Електроліз на протонообмінній мембрані Електроліз на аніонообмінній мембрані Електроліз за високих температур Термохімічне перетворення відходів чи біомаси Газифікація Піроліз Біотехнологічне виробництво водню Ферментація біомаси Електрогідрогенез Біофотоліз
Ринок водню
Станом на початок 2020-х, водень в основному використовується в нафтопереробному та хімічному секторах і виробляється з використанням викопного палива, такого як вугілля та природний газ, і, таким чином, відповідає за значні річні викиди CO2. Чистий водень, вироблений за допомогою відновлюваних джерел енергії або ядерної енергії, або викопного палива з використанням уловлювання вуглецю, може допомогти декарбонізувати низку секторів, включаючи далекомагістральні перевезення, хімічну промисловість, виробництва заліза та сталі. Автомобілі, що працюють на водні, хоч і в невеликій кількості, покращують якість повітря та сприятимуть енергетичній безпеці. Водень також може підтримувати інтеграцію змінних відновлюваних джерел енергії в електроенергетичну систему, будучи одним із небагатьох варіантів зберігання енергії протягом днів, тижнів або місяців.
Попит на водень досяг історичного максимуму в 2022 році, але він залишається зосередженим у традиційних сферах застосування. У 2022 році глобальне споживання водню досягло 95 Мт, збільшившись майже на 3%.
Водень із низьким рівнем викидів дуже повільно впроваджується в існуючі програми, становлячи лише 0,7% від загального попиту на водень, що означає, що виробництво та використання водню у 2022 році було пов'язане з викидами понад 900 Мт CO2. Кращі перспективи в промисловості, зокрема у виробництві аміаку. Водень із низьким рівнем викидів може стати для країн можливістю підняти економіку на майбутнє шляхом створення галузей у ланцюгах постачання водневих технологій. За різними сценаріями прогнозується, що розмір ринку водневого сектору з низьким рівнем викидів зросте з $1,4 мільярда станом на 2022 рік до $12 мільярдів до 2030 року, що еквівалентно витратам на офшорні вітрові установки в Європі у 2022 році, або до $112 мільярдів, що приблизно відповідає розміру ринку сонячних фотоелектричних установок на дахах в Азіатсько-Тихоокеанському регіоні в 2022 році. Річне виробництво водню з низьким рівнем викидів може досягти 38 Мт у 2030 році, якщо всі оголошені проекти будуть реалізовані, хоча 17 Мт надходять із проектів на ранніх стадіях розробки. Із загального обсягу, очікується, що 27 Мт буде засновано на електролізі та електроенергії з низьким рівнем викидів, а 10 Мт — на викопному паливі з уловлюванням, утилізацією та зберіганням вуглецю. Уряди та компанії започаткували низку ініціатив щодо співпраці з метою сприяння розгортанню технологій з низьким рівнем викидів, зокрема водню. Загалом 41 уряд наразі має водневу стратегію.
Станом на 2024 рік, глобальний ринок використання водню оцінюється в $115 млрд.
Технології виробництва водню
Методи виробництва Водень є найпоширенішим газом у Всесвіті та має максимальний вміст енергії на одиницю ваги порівняно з будь-яким іншим відомим паливом. Використання водню для виробництва енергії не призводить до викидів забруднюючих речовин, оскільки виробляються лише тепло та водяна пара, що зменшує викиди парникових газів. Крім енергетичних застосувань, водень широко використовується в хімічній і нафтовій промисловості. Незважаючи на велику кількість водню, він рідко знаходиться у вільній формі в природі, тому існують різні методи його виробництва з викопного палива, води, біомаси та відходів.
Виробництво водню охоплює кілька методів, кожен з яких має унікальні процеси та наслідки для сталого розвитку. Станом на початок 2020-х переважають паровий риформінг метану та газифікація вугілля, хоча як побічний продукт утворюється вуглекислий газ. Часткове окислення вуглеводнів забезпечує більший вихід водню, але також виділяє CO2, якщо без технології уловлювання вуглецю. Електроліз розщеплює воду на водень і кисень за допомогою електрики. Газифікація перетворює побутові відходи чи біомасу на синтез-газ, багатий воднем, пропонуючи поновлюване джерело водню з потенційною вуглецевою нейтральністю. Темнова та фото- ферментація використовує бактерії для виробництва водню з органічних сполук, тоді як мікробні електролізні елементи інтегрують мікробний метаболізм з електрохімічними процесами для ефективного виробництва водню. Термохімічне розщеплення води використовує концентровану сонячну енергію для розщеплення молекул води, обіцяючи безперервну роботу з високою ефективністю, але потребуючи високих температур і складних систем. Фотоелектрохімічні та фотобіологічні процеси використовують сонячне світло безпосередньо, причому фотоелектрохімічні процеси використовують напівпровідники, а фотобіологічні процеси (біофотоліз) — мікроорганізми або водорості, що є багатообіцяючим, але стикається з проблемами ефективності та масштабованості.
Характеристика методів виробництва
Більша частина водню, станом на початок 2020-х, виробляється за допомогою термохімічних процесів з використанням викопного палива: вуглеводневий риформінг, газифікація вугілля, вуглеводневий піроліз і плазмовий риформінг.
Енергоємність виробленого водню менше, ніж енергія, що міститься у вихідному паливі, але завдяки високому ККД паливних елементів вона може бути використана повніше, ніж при безпосередньому використанню вихідного палива. Внаслідок перетворення вихідного палива, в атмосферу може викидатися вуглекислий газ, так само, як внаслідок роботи двигуна автомобіля. Але завдяки високому ККД паливних елементів його кількість може бути меншою, ніж при використанні палива безпосередньо.
Невелика частина водню (4% в 2006 році, і приблизно стільки ж на початку 2020-х) отримується шляхом електролізу води. Для одержання кілограму водню таким шляхом необхідно витратити приблизно 50 кіловат-годин електроенергії. Розщеплення води в найпростішій формі використовує електричний струм (електроліз), що проходить через два електроди, щоб розщепити воду на водень і кисень. Однак воду також можна розщепити за допомогою інших джерел енергії, таких як енергія світла (фотоелектроліз), теплова енергія (термоліз) і біофотоліз за допомогою мікроорганізмів.
Вартість кожного методу варіюється в залежності від локації, ринкових умов і урядових пільг/податків, але загалом, станом на початок 2020-х, вартість виробництва водню, серед найпопулярніших методів, є найменшою для парового риформінгу метану, і, за збільшенням вартості: газифікації вугілля, переробка біомаси, переробка відходів, електроліз води відновлювальними джерелами енергії та електроліз води з електромережі. Очікується, що вартість виробництва з викопного палива зростатиме, а з відновлювальних ресурсів — дешевшати. Вартість виробництва «чистого» водню, станом на 2024 рік, складає, в залежності від метода, від €1,7 до €10,2/кг.
За рівнем викидів CO2 в атмосферу, «найчистішими» є технології термохімічної переробки біомаси та відходів, в поєднанні з уловленням вуглецю. Ці методи є вуглецево-негативними.
Загалом набули поширення наступні 4 категорії методів: виробництво водню з викопного палива, електроліз води, термохімічне перетворення відходів та біомаси, біотехнологічні методи виробництва водню.
Виробництво водню з викопного палива Виробництва водню з викопного палива включає такі методи: паровий риформінг метану, газифікація вугілля, часткове окислення вуглеводнів, автотермічний риформінг, вуглеводневий піроліз. Ці процеси передбачають реакцію вуглеводнів або вугілля з парою, киснем або водою з утворенням багатих на водень газів, хоча вони зазвичай призводять до викидів вуглекислого газу в атмосферу Землі, збільшуючи парниковий ефект і глобальне потепління, якщо не поєднуються з технологіями уловлювання та зберігання вуглецю. Водень, вироблений з викопного палива з інтеграцією технологій уловлення та зберігання вуглецю зветься «синім», а без них — «сірим». Транспортні засоби з водневим двигуном, що працюють на «сірому» водні, сприяють у 2-3 рази вищим загальним викидам вуглецю в атмосферу, порівняно з автомобілями з бензиновим двигуном, тому що виробництво 1 кг «сірого» водню виділяє в атмосферу, щонайменше, 10 кг вуглекислого газу (CO2).
Окрім обробки викопного палива, термохімічні методи газифікації і піролізу використовуються для виробництва водню з відходів пластику, твердих побутових відходів та біомаси (розглянуто нижче).
Паровий риформінг Паровий риформінг є широко використовуваним методом отримання водню. Він включає в себе реакцію метану (або інших вуглеводнів) з парою над каталізатором для отримання синтез-газу, що складається з газоподібного водню (H2), монооксиду вуглецю (CO) та вуглекислого газу (CO2). Процес зазвичай відбувається при високих температурах (700—1000 °C) і помірному тиску. Такі каталізатори, як нікель, зазвичай використовуються для прискорення швидкості реакції. Станом на 2023 рік, методом парового риформінгу метану виробляється 48 % світового водню..
Газифікація вугілля Газифікація кам'яного вугілля передбачає перетворення вугілля на синтез-газ. Газифікація з уловленням вуглецю дає переваги в ефективності порівняно з традиційним спалюванням вугілля, оскільки дозволяє чистіше видобувати водень, водночас уловлюючи вуглекислий газ для потенційного зберігання, переробки або утилізації, тим самим потенційно зменшуючи викиди парникових газів, пов'язані з використанням вугілля.
Часткове окислення вуглеводнів Часткове окислення вуглеводнів — це процес, у якому вуглеводні, наприклад метан, реагують з обмеженою кількістю кисню або повітря при високих температурах, утворюючи водень і монооксид вуглецю. Ця екзотермічна реакція відбувається в умовах, які перешкоджають повному згорянню, в результаті чого утворюється суміш синтез-газу, яку можна далі обробляти для різних промислових застосувань, включаючи виробництво водню.
Автотермічний риформінг Автотермічний риформінг — це процес, який використовується для виробництва водню, який поєднує часткове окислення та конверсію з водяною парою в одному реакторі, що забезпечує високу ефективність і гнучкість. Він використовує каталізатор для перетворення вуглеводнів, таких як природний газ або рідке паливо, на водень, монооксид вуглецю та вуглекислий газ, причому тепло, що утворюється в результаті часткового окислення, забезпечує енергію, необхідну для ендотермічних реакцій конверсії з парою. Цей метод користується перевагою завдяки здатності отримувати водень високого рівня чистоти, придатний для різноманітних промислових застосувань.
Вуглеводневий піроліз Вуглеводневий піроліз для виробництва водню передбачає нагрівання вуглеводнів (таких як метан, пропан або вищі вуглеводні) при високих температурах (зазвичай вище 700°C) за відсутності кисню. Цей процес розщеплює вуглеводні на простіші молекули, головним чином водень і монооксид вуглецю, за допомогою серії хімічних реакцій, відомих як термічний розпад або крекінг.
Електроліз води