Водородная энергетика

Водородная электростанция

Водородная энергетика — отрасль энергетики, основанная на использовании водорода в качестве средства для аккумулирования, транспортировки, производства и потребления энергии. Водород выбран как наиболее распространенный элемент на поверхности земли и в космосе, теплота сгорания водорода наиболее высока, а продуктом сгорания в кислороде является вода. 

Водородная энергетика относится к альтернативной энергетике и рассматривается как часть низкоуглеродной экономики. Переход к водородной энергетике позволяет отказаться от традиционных источников ископаемого топлива и сократить влияние производства энергии на глобальное потепление. 

Производство водорода

Существует четыре основных источника промышленного производства водорода: природный газ, нефть, уголь и электролиз; на долю которых приходилось 48%, 30%, 18% и 4% мирового производства водорода соответственно в 2010-х годах.

Диоксид углерода может быть отделен от природного газа с эффективностью 70-85% для производства водорода и от других углеводородов с различной степенью эффективности.

Паровая конверсия природного газа

Наиболее распространенный метод производства водорода, основывается на паровой конверсии природного газа. Процесс заключается в нагревании газа до температуры 700-1100 °С в присутствии пара и никелевого катализатора. В результате эндотермической реакции молекулы метана распадаются и образуется монооксид углерода СО и водород Н2. Затем газообразный угарный газ может быть пропущен с паром над оксидом железа или другими оксидами и подвергнут реакции сдвига водяного газа для получения дополнительных количеств Н2.

Для этого процесса высокотемпературный (700-1100 °C) пар (H2O) реагирует с метаном (CH4) в эндотермической реакции с получением синтез-газа:

CH4 + H2O → CO + 3H2

На второй стадии дополнительный водород образуется в результате низкотемпературной экзотермической реакции сдвига водяного газа, протекающей при температуре около 360 °C:

CO + H2O → CO2 + H2

По существу, атом кислорода (O) отделяется от дополнительной воды (пара) для окисления CO до CO2. Это окисление также обеспечивает энергию для поддержания реакции. Дополнительное тепло, необходимое для запуска процесса, обычно подается за счет сжигания некоторой части метана.

Недостатком этого процесса является то, что его основными побочными продуктами являются CO, CO2 и другие парниковые газы. В зависимости от качества исходного сырья, одна тонна произведенного водорода также произведет от 9 до 12 тонн CO2.

В настоящее время этот метод является самым дешевым способом производства водорода.

Электролиз воды

Водород может быть получен посредством электролиза под высоким или низким давлением. Кроме того, альтернативой может быть ряд других возникающих электрохимических процессов, таких как высокотемпературный электролиз или электролиз с использованием углерода. Тем не менее, в настоящее время лучшие процессы электролиза воды имеют эффективный электрический КПД 70-80%, так что получается 1 кг водорода (который имеет удельную энергию около 40 кВтч/кг) требуется 50–55 кВтч электроэнергии.

В некоторых частях мира паровая конверсия метана составляет в среднем от 1 до 3 долл./кг. Это делает производство водорода с помощью электролиза уже конкурентоспособным во многих регионах.

Водород из биомассы

Производство водорода с помощью водорослей

Ферментативное производство водорода представляет собой ферментативное превращение органического субстрата в биоводород, проявляемое разнообразной группой бактерий с использованием многоферментных систем, включающих три этапа, аналогичных анаэробному превращению. Реакции ферментации не требует световой энергии, поэтому они способны постоянно производить водород из органических соединений в течение дня и ночи.

Фотоферментация отличается от "темной" ферментации, потому что она происходит только при наличии света. Например, фотоферментация с помощью бактерии Rhodobacter sphaeroides происходит по средствам превращения низкомолекулярных жирных кислот в водород.

Электрогидрогенез используется в микробных топливных элементах, где водород вырабатывается из органического вещества.

Биологический водород может быть получен в биореакторе водорослей. Также биологический водород может быть получен в биореакторах, которые используют отходы. В процессе используются бактерии, питающиеся углеводородами и выделяющие водород и углекислый газ. Углекислый газ может успешно преобразовываться в газообразный водород.

Биокатализированный электролиз

Помимо стандартного электролиза, существует электролиз с использованием бактерий. При биокатализированном электролизе водород образуется после прохождения различных растений через микробный топливный элемент (Microbial fuel cell). К ним относятся тростниковая сладкая трава, кордграсс, рис, помидоры, люпин и водоросли.

Термохимическое производство

Есть более чем 350 термохимических процесса, которые могут быть использованы для расщепления воды на кислород и водород. Около дюжины таких процессов исследуются и находятся на стадии испытаний с целью получения водорода и кислорода из воды и тепла без использования электричества. Эти процессы потенциально могут быть более эффективными, чем высокотемпературный электролиз.

Термохимическое производство водорода с использованием химической энергии из угля или природного газа обычно не рассматривается, поскольку прямой химический путь более эффективен.

Инфраструктура производства и доставки

Водородная инфраструктура будет состоять в основном из промышленного водородного трубопроводного транспорта и оснащенных водородом заправочных станций, подобных тем, которые находятся на магистрали. Водородные станции, не расположенные вблизи водородного трубопровода, будут снабжаться через водородные резервуары, прицепы для сжатого водорода, прицепы для жидкого водорода, автоцистерны для жидкого водорода или специальное производство на месте.

Хранение

Сжатый водородный газ 

Увеличение давления водорода позволяет увеличить его плотность и сократить необходимый объем резервуаров. Такими резервуарами могут стать цистерны из углеродного и стеклопластикового армирующего пластика.

Немногие материалы подходят для водородных резервуаров, поскольку водород имеет свойство диффундировать через многие материалы и вызывает ослабление в некоторых типов металлических контейнеров.

Жидкий водород

В качестве альтернативы можно использовать жидкий водород с более высокой плотностью. Однако жидкий водород является кипит при температуре -252°C. Криогенное хранение сокращает вес, но требует большого количества энергии для охлаждения и поддержания температуры. Резервуары для хранения жидкого водорода должны быть хорошо изолированы, чтобы свести к минимуму выкипание.

Водород сжижается путем снижения его температуры до -253 °C, аналогично сжиженному природному газу, который хранится при -162 °C.

Первый терминал с хранилищем для жидкого водорода был сделан в Кобе (Япония).

Хранение в виде гидрида

В отличие от хранения молекулярного водорода, водород может храниться в виде химического гидрида или в каком-нибудь другом водородсодержащем соединении. Газообразный водород реагирует с некоторыми другими материалами для получения материала для хранения водорода, который может быть транспортирован относительно легко. В месте использования материал для хранения водорода может разлагаться, образуя газообразный водород.

Наряду с проблемами массы и объемной плотности, связанными с хранением молекулярного водорода, существующие барьеры для практических схем хранения обусловлены высоким давлением и температурными условиями, необходимыми для образования гидридов и выделения водорода.

Адсорбция

Третий подход заключается в адсорбции молекулярного водорода на поверхности твердого материала для хранения. В отличие от гидридов, упомянутых выше, водород не диссоциирует/рекомбинирует при зарядке/разрядке системы хранения и, следовательно, не страдает от кинетических ограничений многих систем хранения гидридов.

Плотность водорода, аналогичная сжиженному водороду, может быть достигнута с помощью соответствующих адсорбирующих материалов. Некоторые предлагаемые адсорбенты включают активированный уголь, наноструктурированные угли, металл-органические каркасные структуры и гидрат клатрата водорода.

Водородные автозаправочные станции

Водородная заправочная станция

Возможно выстраивание сети заправочных станций на автомагистралях, подобно бензиновым, дизельным и метановым автозаправочным станциям. Создание подобной инфраструктуры (или трансформация имеющейся) вдоль дороги или шоссе, позволяет свободно передвигаться транспортным средствам, работающим на водороде.