Способ получения большого количества водорода

Производство водорода: технологии и перспективы в России

Производство водорода: обзор 4-х технологий + какое необходимо оборудование + перспективы производства и прибыльность.

Водород – один из многих элементов, которые в чистом виде практически не встречаются в природе, но активно используются в промышленности и в быту. Чаще всего в гидрогене нуждается пищевая и химическая промышленность – его используют в изготовлении пластмасс, аммиака, метанола и мыла.

Структура применения водорода в России

В быту гидроген могут использовать для обогрева помещений, как заменитель природного газа, а также как компонент биотоплива.

В лабораторных условиях водород начали получать ещё в XVII-ом веке. Для этого использовали, к примеру, цинк или соляную кислоту. В XXI-ом веке для промышленного производства такая методика слишком дорогая и неудобная.

Благо, наука не стоит на месте, и сейчас доступны несколько новых способов получения гидрогена. В том числе, они могут использоваться и на скромных мощностях. Отличие в процессах будет заключаться только в химическом и физическом воздействии на исходное сырьё.

За счет этого производство водорода стало доступно не только на крупных промышленных комплексах, но и в небольшом количестве для нужд населения. О том, как именно это происходит, пойдет речь в данной статье.

4 способа получения водорода

Существует более 100 различных методов добычи гидрогена – как теоретических, так и освоенных в промышленных масштабах. В зависимости от выбранного вами вида получения ресурса, производство водорода потребует различного оборудования, сырья и других ресурсов.

Рассмотрим 5 самых распространенных способов производства водорода.

Способ №1. Паровая конверсия

Более 50% всего водорода получается путём паровой конверсии воды и метана. При этом три основных составляющих (природный газ, водяной пар и оксиген) смешиваются в определённых пропорциях.

Таким образом, часть природного газа сгорает вместе с кислородом, тем самым поддерживая необходимую температуру для продолжения химической реакции. Метан, не выгоревший во время реакции конверсии, реагирует с водяным паром, образуя оксид углерода (то есть сажу) и непосредственно гидроген.

Простота и относительная лёгкость делает производство водорода путём паровой конверсии наиболее дешёвым из всех доступных.

Способ №2. Разделение метана на углерод и водород

Благодаря дешевизне метана, а также простому способу его получения, такой тип добычи водорода проще всего. Однако высокие температуры и потенциальная пожароопасность требуют дополнительных мер безопасности. К тому же, оборудование для полного процесса крекинга не из дешёвых.

Способ №3. Электролиз воды

Ещё один вид добычи гидрогена – электролиз воды. Это второй по распространённости метод добычи водорода, обеспечивающий достаточно высокую чистоту конечного продукта. Сопутствующим «бонусом» в этом технологическом процессе становится кислород, не менее важный элемент.

Для такого способа производства требуются значительные запасы воды. Тем не менее он совсем не требователен к её качеству – для электролиза можно использовать промышленную, дождевую или даже сточную воду.

Способ №4. Пиролиз

«Топливом» для этого могут служить отходы сельского хозяйства и пищевых производств:

• Птичий помёт и другие побочные продукты животноводства.
• Отходы рыбных, соко- и мясокомбинатов.
• Некоторые виды технических культур, специально выращенных для получения биомассы.

При переработке всех этих биоотходов при помощи специальных бактерий образуется синтез-газ, в основном состоящий из двуокиси карбона и метана. Продуктом их переработки и становится гидроген.

Такой способ производства набирает всё большую популярность ввиду того, что, помимо гидрогена, из биомассы добываются этилен и ацетилен. Также ценным сырьём являются и сами биоотходы, которые широко используются в сельском хозяйстве для производства удобрений.

Стоимость закупки оборудования и сырья в России

К примеру, оборудование для пиролиза производит не только водород, но и этин, этен и другие органические соединения. По желанию, любой из этих ресурсов можно реализовать, как отдельный продукт, либо использовать в качестве сырья в дальнейшей добыче гидрогена.

Стоимость оборудования варьируется в зависимости от предполагаемого объема производства. Например, небольшие «комнатные» генераторы можно приобрести по цене до 10000 долларов. Такого вполне может хватить для использования в хозяйственных нуждах – например, для обогрева помещений.

Далее идёт категория «потяжелее»: генератор электролиза, потребляющий 30 л воды в час, будет производить 30 куб. метров H и 15 куб. метров O₂ за час. Стоимость такого оборудования составляет около 110 тыс. долларов США. Чистота получаемого на выходе гидрогена оценивается в 99,6-99,8%.

Такой тип генераторов использует наиболее доступный ресурс для производства – воду и электричество. Как уже говорилось ранее, вода может быть абсолютно любого качества. К примеру, можно использовать дождевую воду, речную, либо морскую.

При покупке генератора стоит учесть, что некоторые из них работают только с дистиллированной, то есть технической водой!

Оборудование для добычи гидрогена из биосырья и полезных ископаемых посредством пиролиза, обойдётся гораздо дороже. К примеру, для производства 300 куб. метров H из биотоплива предприниматель должен быть готов выложить 400-800 тыс. долларов.

Тем не менее не стоит забывать, что при пиролизе добывается большое количество побочных продуктов, а чистота водорода достигает отметки в 99.999%. Сырьём для такого типа добычи могут выступать практически любые органические соединения. При этом срок окупаемости такой установки составляет до 5 лет.

Самый простой способ получения водорода.

Как получить водород для двигателя на воде?

Производство водорода – российские перспективы

Несмотря на то, что некоторые автомобильные и энергетические компании собирались использовать водород на российском рынке ещё в 2014, широкого распространения такой вид топлива пока что не получил. Несмотря на это, у нас имеются в свободной продаже автомобили с гибридным и водородным двигателями.

Но автомобили – не единственная сфера применения этого газа. Водород используется при сварке тугоплавких металлов, в пищевом производстве, а в промышленности при помощи гидрогена восстанавливают некоторые металлы из их оксидов.

Себестоимость добычи одного килограмма – 1-5 долл. США, а 1 м3 H на российском рынке стоит, в среднем, 1300 рублей. И это только с учётом «чистого» гидрогена, без побочных продуктов производства! А ведь, к примеру, стоимость 40 л ацетилена составляет 2,5-4 тыс. рублей.

Как видите, производство водорода – это выгодный бизнес, масштаб реализации которого можно «вписать» в имеющийся у вас бюджет. А что можно сказать о перспективах дела?

В будущем планируется значительное снижение себестоимости гидрогена, а также широкое распространение автомобилей с водородным двигателем, как альтернативы «классическому» топливу.

Вдобавок ко всему, при добыче газа можно использовать солнечную энергию, что ещё больше удешевляет себестоимость гидрогена. Всё это делает производство водорода перспективным и выгодным вложением.

Источник

Как собирать, хранить и поставлять водород

В одном из прошлых постов мы выяснили, что в обозримой перспективе себестоимость производства водорода снизится настолько, что этот газ станет конкурентоспособным энергоносителем на транспорте и в энергетике. Но есть ещё одна потенциальная проблема водородной экономики: хранить, транспортировать и поставлять H₂ не так просто, как кажется. В этот раз мы расскажем, какие технологии решат эти задач и не «съедят» ли транспортные издержки прибыль будущих водородных магнатов.

В 1870 году Джон Рокфеллер создал в составе зарождавшегося нефтяного концерна Standard Oil бондарные мастерские. Нефтяной бум в США разразился так внезапно, что в ход пошли бочки из-под рыбы и виски объёмом в 42 галлона (почти 159 литров) — те самые баррели. Это было идеальное решение, так как они были подъёмными для грузчиков и подходящего размера для тогдашнего транспорта. Однако цена самого деревянного барреля выросла из-за бума до $3,0 при средней цене на нефть в США в 1870 году $3,86 (примерно $60 сегодня).

Поэтому Рокфеллер справедливо решил, что лучше делать бочки самому, открыл бондарные мастерские в Standard Oil и снизил цену барреля до $1,5 . Какой мы делаем вывод из этой истории? Удельная стоимость массового сырьевого товара почти всегда низкая, поэтому в конечной цене всегда большую роль играют издержки на хранение, преобразованию и поставку. Водород — более капризный груз, чем нефть и природный газ. У него низкая плотность, поэтому, чтобы сохранять экономически значимое количество, бочками не обойтись.

Один килограмм водорода при атмосферном давлении и комнатной температуре занимает 11,2 куб. м. Для сравнения: полный бак водородной Toyota Mirai — 4,7 кг водорода . И хотя сейчас 85% водорода идёт в дело там же, где он производится (нефтепереработка и производство удобрений), чем больше водородомобилей будет ездить по миру, тем острее станет необходимость «порционной» поставки H2 миллионам потребителей. Об это мы расскажем дальше, но сначала разберёмся, где хранить водород.

Где и как хранить водород

По мере превращения водорода из промышленного в потребительский товар — им будут заправлять машины, питать электросистему и отопление домов — его нужно будет запасать в больших количествах. Это нужно будет и для того, чтобы цены на водород не скакали. Причём газ будет храниться долго, поэтому не столько важна скорость закачки/откачки и расположение, сколько объём хранилищ.

Такую технологию давно придумали: много газа можно закачать в пещеры. Сейчас водород закачивают в основном в соляные пещеры — них он почти не загрязняется примесями, а нормированная стоимость хранения — до $0,6 за кг.

Второй естественный резервуар для водорода — истощённые пласты залежей природного газа или нефти и водоносные горизонты. Они больше соляных пещер, но водород в них сильнее загрязняется, вступая в реакцию с горной породой, микробами, жидкостями. В такие пещеры водород пока не закачивают, поэтому считать «экономику» рано.

Карта водородного будущего Европы. Большинство соляных пещер для водорода (обозначены зелёными треугольниками) сосредоточено на севере Германии, в Нидерландах и Франции. Источник: European Hydrogen Backbone Perspective, 2020.

Однако для краткосрочного и мелкомасштабного хранения водорода такие «пещеры горного короля» не подходят — нужны баки. В резервуарах хранят сжатый или сжиженный водород, который можно быстро закачать или откачать в нужных объёмах.

Сжатый водород (при давлении 700 бар, т. е. приблизительно 690 атм.) имеет только 15% плотности энергии (количество энергии на единицу объёма) бензина, и чтобы хранить эквивалентное количество топлива, скажем, на водородной заправке, нужно в семь раз больше места.

Поэтому водород скорее всего будут мешать с аммиаком, у которого плотность больше, а места такой смеси требуется меньше, что позволит транспортировать больше водорода без увеличения объёма хранилища. Правда, придётся потратиться на конверсию и реконверсию смеси.

В каком виде транспортировать водород

Проблема подготовки водорода для транспортировки решается по-разному: H2 сжимают, сжижают, смешивают с другими веществами. У каждого из этих вариантов свои преимущества и недостатки, а оптимальное решение зависит от географии поставок, расстояния, объёма и вида водорода для потребителя.

В любом агрегатном состоянии (кроме твёрдого, конечно) водород можно пустить по имеющимся газовым трубам, что однозначно дешевле, чем строить новую инфраструктуру. Первый кандидат — газовые сети. В мире насчитывается 3 млн километров газопроводов и 400 млрд кубометров подземных хранилищ метана. Но с этим есть технические проблемы:

у водорода низкая плотность энергии, и объёмы (или время) его поставки через газопровод придётся увеличить;

водород очень горюч на воздухе, поэтому чтобы снизить риски, придётся менять оборудование по всей цепочке поставок;

не всякая инфраструктура для, например, метана подойдёт водороду; особенно это касается потребительских котлов, бойлеров и т. п. (об этом подробнее ниже);

потребителям нужен разный газ (одним только чистый водород, другим — смесь), а технологии выделения чистого водорода из полученной смеси повысят конечную стоимость газа на $0,3-0,4 за кг.

В итоге наряду с газообразным водородом нам придётся производить его сжиженные и смешанные версии.

Как адаптировать мелких потребителей к водороду? На рисунке — возможный вариант. Это H2Rex — водородный генератор компании Toshiba (о нём мы рассказывали). Его топливные элементы вырабатывают электричество с помощью электрохимических реакций между полученным водородом и кислородом из атмосферы. Результат — электричество и тепло, которые получает потребитель. Источник: Toshiba ESS

Как и природный газ, водород сжижается. Но проблема в том, что для этого H2 нужно охладить до -253 °C . Если представить, что для охлаждения используется часть самой поставки H2, то на сжижение уйдёт 25-35% её массы.

Такая же операция над природным газом требует только 10% массы. Есть и другой вариант: водород смешивается с другими веществами для перевозки в жидком виде. Главные претенденты на роль «попутчиков» H2 — упомянутый выше аммиак и жидкие органические носители водорода (Liquid Organic Hydrogen Carrier, LOHC), к примеру, метилциклогексан (C7H14). Чтобы смешать водород с аммиаком, нужно 7-18% энергии из объёма поставки. Столько же водорода теряется, когда он выделяется из этой смеси. Но аммиак сжижается при температуре -33 °C и содержит в 1,7 раза больше водорода на кубометр, поэтому аммиачно-водородную смесь транспортировать дешевле, чем чистый водород.

Схожим образом водород можно включить в жидкий органический носитель. На конверсию и реконверсию при этом уйдёт 35-40% водорода, хотя объёмы поставок эти издержки покрывают.

Некоторые жидкие органические носители водорода могут быть негорючими, что делает перевозку безопаснее. Источник: Hydrogenious LOHC Technologies / YouTube

Как доставлять водород

Как и углеводороды сейчас, водород перемещать по миру в основном будут трубы, суда и автоцистерны. Отправлять H2 поездами в целом будет дороже, хотя удалённым потребителям в локациях без трубопровода это возможно. В мире сегодня существует много водородопроводов, но в основном они не выходят за пределы технологических площадок химических и нефтеперерабатывающих заводов. Поэтому более оптимальный вариант — трубы для передачи природного газа.

Однако далеко не все они подходят для прокачки водорода из-за типа стали: трубы из низкопрочной стали будут портиться из-за контакта с водородом (водородное охрупчивание) и давления прокачки. При этом их пропускная способность должна быть в три раза выше из-за низкой плотности водорода. Последнее решается, как мы уже выяснили, смешиванием водорода с жидкостями, и для таких соединений также есть трубопроводы. В частности, трубы используют для прокачки аммиачно-водородной смеси. Один из аммиакопроводов, к примеру, идёт из Тольятти (Россия) до Одессы (Украина) (2,4 тыс. км).

В целом трубы — перспективно самый дешёвый вариант доставки. Себестоимость транспортировки 1 кг водорода в виде газа на расстояние около 1,5 тыс. км составит $1,0. Если пустить по трубам жидкую смесь, то с учётом конверсии и реконверсии она вырастет до $1,5 за кг. Если расстояние увеличивается, то повышается и цена (нужно больше компрессорных станций), поэтому на расстоянии 2,5 тыс. км водород из трубы обойдётся уже в $2,0 за кг.

Однако трубопровод подойдёт не для всех потребителей. В некоторые страны H2 доставят морем. Пока танкеры для перевозки водорода массово не производят. Первое такое судно, получившее название Suiso Frontier, построила компания Kawasaki Heavy Industries, а спустили его на воду в декабре 2019 года в Кобе (Япония). В марте 2020 года на танкер установили резервуар объёмом 1 250 куб. м, в котором водород будут перевозить в сжиженном состоянии.

Водородовоз Suiso Frontier построен в рамках проекта создания безуглеродной цепи поставок водорода из Австралии в Японию. Правда, сам танкер работает на дизельном двигателе , так что безуглеродной цепь не получается. Kawasaki Group Channel / YouTube

В других проектах предполагаются танкеры, схожие по размеру с судами для СПГ, которые в качестве топлива будут сжигать в день примерно 0,2% от перевозимого водорода. Более перспективны в этом отношении танкеры, которые сейчас перевозят сжиженный нефтяной газ (СНГ). В их резервуары можно залить аммиачную и другие подобные смеси водорода. Газовозами доставлять водород дороже, чем по трубопроводам.

Самый затратный способ — везти сжиженный водород на расстояние около 1,5 тыс. км: с учетом расходов на сжижение перевозка встанет в порядка $2,0 за кг, в аммиачной смеси — $1,2, с жидкими органическими носителями — $0,6 за кг. Правда, в отличие от расходов прокачки по трубам, себестоимость морской транспортировки слабо растёт при увеличении расстояния. Альтернатива — автомобильные перевозки. Уже сегодня водород возят в основном тягачи с прицепом или автоцистерны. В первом случае прицеп загружают резервуаром со сжатым водородом.

Правда, обычно перевозят таким способом в пределах 300 км: дальше становится невыгодно. Развитие автоперевозок водорода будет зависеть от вместимости баков. Теоретически один прицеп со сжатым газообразным водородом может вместить до 1 100 кг в лёгких композитных цилиндрах (под давлением 500 бар). Однако этот показатель редко достигается на практике, поскольку правила во всем мире ограничивают допустимое давление, высоту, ширину и вес цистерн.

Потреблять бензин или солярку грузовику совсем не обязательно — его ДВС может работать на всё том же водороде. Hyundai XCIENT Fuel Cell — первый массовый грузовик на водороде, десять копий которого поставили в 2020 в Швейцарию для коммерческого использования. Заправить такой грузовик можно 32 кг водорода, которые ему хватит примерно на 400 км хода. Источник: Hyundai.news

Второй вариант — автоцистерны со сжиженным водородом, если есть постоянные потребители и объёмы поставки компенсируют расходы на сжижение.

Изолированные криогенные автоцистерны могут перевозить до 4 000 кг сжиженного водорода. Их применяют на расстояниях до 4 000 км. Дальше — нельзя: водород нагревается, из-за чего растёт давление. На расстояние до 500 км поставка водорода с жидким органическим носителем (с учётом конверсии) обойдётся в $2,9 за кг. Аммиачная смесь водорода при таких же условиях доедет до потребителя в среднем за $1,5 за кг.

Как видно, экономика автоперевозок зависит от объёма поставок: чем больше требуется водорода, тем более выгодно построить трубопровод. Чем меньше и чем ближе потребитель, тем выгоднее возить водород грузовиками

Итого: сколько стоят путешествия водорода

Прежде чем подвести предварительный итог напомним, во сколько обойдётся производство «зелёного» водорода и при какой цене он станет конкурентоспособным относительно традиционных энергоносителей.

В самых перспективных регионах добычи, откуда будут экспортировать экологически чистый водород (Ближний Восток, Северная и Южная Африка, Индия, Китай, Австралия, Патагония, Мексика, Юго-Запад США), он будет стоит $1,6–3,0 за кг (стоимость производства).

По подсчётам Международного энергетического агентства, наиболее выгодный вариант сухопутной поставки водорода на расстояния до 3,5 тыс. км. — это водород в газообразном состоянии через трубопровод (около $5,5 за кг ; здесь и далее стоимость транспортировки). На больших расстояниях по трубопроводам уже лучше пускать водородно-аммиачную смесь, что обойдётся в $6 за кг (до 5 тыс. км).

Морские поставки от расстояний зависят не так сильно, как от технологии. Дешевле всего перевозить смесь с аммиаком и органическими жидкими носителями (порядка $4,0–4,5 за кг). Дороже отправлять морем сжиженный водород (от $5,5 до $6,0 за кг).

Как видно, с учётом доставки «зелёный» водород на возобновляемых источниках энергии, добытый в Японии, будет дороже импортированного из Австралии или Ближнего Востока. А вот Европа вполне может не зависеть от его поставок из Северной Африки. Источник: International Energy Agency

При этом, по данным Совета по водородной энергетике, нижняя граница конкурентоспособности водорода для грузовиков, автобусов (для дальних перевозок) и электричек составит $4-5 за кг; для отопления и электропитания жилых домов — $3-5 за кг.; для автопогрузчиков — $7-9 за кг.

Но для частных и коммерческих городских перевозок водород останется дорогим, тем более с учётом доставки (нужно, чтобы он был не дороже $1,0-1,5). Однако вариативность подсчётов очень широкая, и для каждого региона и потребителя экономика водородных поставок будет своя.

Более того, мы в Toshiba знаем, как включить в цепь добавленной водородной стоимости новые технологии, которые позволят снизить транспортные издержки.

Как построить водородную цепь добавленной стоимости

Вырисовывается такая картина: в густонаселенных районах Европы и США водород от большого числа местных поставщиков для небольших потребителей в основном будут возить грузовики. Крупные потребители будут получать водород либо по трубопроводам от дальних поставщиков, либо импортировать морем из соседних стран (Латинская Америка для США и Северная Африка с Ближним Востоком — для Европы).

Японии будет сложнее: местный водород будет сравнительно дорогим, поэтому для крупных потребителей возможны поставки морем из стран ближнего и дальнего зарубежья. Правда, водородная энергетика всё-таки будет «демократичнее» углеводородной благодаря доступности возобновляемых источников энергии большому числу потребителей.

Именно на этой основе мы строим водородную цепь добавленной стоимости Toshiba (Toshiba Hydrogen Value Chain). Для крупных потребителей водород могут производить большие солнечные электростанции, наподобие той, что мы построили в Фукусиме . В день она вырабатывает газа на заправку 560 водородных авто и 150 домовладений. Часть водорода отправится грузовиками, часть — по трубам.

В последнем случае конвертировать полученный водород поможет наш генератор на топливных элементах H2Rex, который уже производит электричество и тепло из водорода и воздуха, к примеру, для гостиницы в Кавасаки. Небольшим и удалённым от производства H2 потребителям подойдут мини-электростанции типа нашей H2One. Она вырабатывает водород методом электролиза из воды, который поддерживается встроенной солнечной батареей.

Мы убеждены, что интеграция таких источников и преобразователей энергии в сочетании со строительством водородных электростанций на ВИЭ позволит снизить зависимость потребителей от зарубежных поставок H2, которые могут оказаться для них дорогими.

Источник