Можно ли получить водород из воздуха

Содержание статьи

Производство водорода

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 22 октября 2019; проверки требуют 12 правок.

Электролизёр — оборудование для производства водорода из воды

Промышленное производство водорода — неотъемлемая часть водородной энергетики, первое звено в жизненном цикле употребления водорода. Водород практически не встречается на Земле в чистом виде и должен извлекаться из других соединений с помощью различных химических методов.

Методы производства водорода[править | править код]

В настоящее время существует множество методов промышленного производства водорода: разрабатывались технологии производства водорода из мусора, этанола, металлургического шлака[1], биомассы[2] и другие технологии.

К подобным способам относятся[источник не указан 2117 дней]:

паровая конверсия метана и природного газа;
газификация угля;
электролиз воды;
пиролиз;
частичное окисление;
биотехнологии.

Также в редких случаях используется реакция алюминия и щелочного раствора.

Разнообразие способов получения водорода является одним из главных преимуществ водородной энергетики, так как повышает энергетическую безопасность и снижает зависимость от отдельных видов сырья.

На настоящий момент наиболее экономически выгодным считается производство водорода из ископаемого сырья и в данный момент наиболее доступным и дешёвым процессом является паровая конверсия (согласно прогнозам, она будет использоваться в начальной стадии перехода к водородной экономике для упрощения преодоления проблемы «курицы и яйца», когда из-за отсутствия инфраструктуры нет спроса на водородные автомобили, а из-за отсутствия водородных автомобилей не строится инфраструктура. В долгосрочной перспективе, однако, необходим переход на возобновляемые источники энергии, так как одной из главных целей внедрения водородной энергетики является снижения выброса парниковых газов; такими источниками может быть энергия ветра или солнечная энергия, позволяющая проводить электролиз воды). Снизить уровень выбросов углерода в производственных отраслях можно за счет водорода, полученного с использованием низкоуглеродных технологий, для этого можно применять технологии улавливания и хранения углекислого газа, а также электролиза воды, «в первую очередь с помощью энергии объектов атомной, гидро-, ветряной и солнечной энергетики».

Цветовая градация водорода зависит от способа его выработки и углеродного следа, то есть количества вредных выбросов[3]:

«зеленый» — произведён с помощью энергии из возобновляемых источников методом электролиза воды, считается самым чистым;
«голубой» — произведенный из природного газа; в этом случае углекислый газ накапливается в специальных хранилищах;
«желтый» — произведенный при помощи атомной энергии.
при производстве «серого» водорода вредные выбросы идут в атмосферу.

Себестоимость «зеленого» водорода около 10 долларов за кг (что «абсолютно нерентабельно», по мнению главы Фонда национальной энергетической безопасности); «голубой» и «желтый» водород в несколько раз дешевле «зеленого» — от 2 долларов за килограмм.

Производство водорода может быть сосредоточено на централизованных крупных предприятиях, что понижает себестоимость производства, но требует дополнительных расходов на доставку водорода к водородным автозаправочным станциям. Другим вариантом является маломасштабное производство непосредственно на специально оборудованных водородных автозаправочных станциях.

В декабре[когда?] 2013(?) германский институт Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) завершил строительство пилотной установки по производству водорода из воды в солнечных концентраторах. Мощность установки 100 кВт[4].

В 2019 г. в Германии началось строительство крупнейшей в мире установки по производству 1300 тонн водорода ежегодно методом электролиза.[5]

Производство водорода из различных источников сырья[править | править код]

На 2019 год в мире потребляется 75 млн тонн водорода, в основном в нефтепереработке и производстве аммиака. Из них более 3/4 производится из природного газа, для чего расходуется более 205 млрд м3 газа.[6] Почти все остальное получают из угля. Около 0,1 % (~100 тыс. тонн) вырабатывается электролизом. При производстве водорода в атмосферу поступает ~830 млн тонн CO2. Себестоимость водорода из природного газа оценивается в 1,5-3 доллара за 1 кг.

Из метана[править | править код]

Паровая конверсия с водяным паром при 1000 °C:

Водород можно получать разной чистоты: 95-98 % или особо чистый. В зависимости от дальнейшего использования водород получают под различным давлением: от 1,0 до 4,2 МПа. Сырье (природный газ или легкие нефтяные фракции) подогревается до 350-400° в конвективной печи или теплообменнике и поступает в аппарат десульфирования. Конвертированный газ из печи охлаждается в печи-утилизаторе, где вырабатывается пар требуемых параметров. После ступеней высокотемпературной и низкотемпературной конверсии СО газ поступает на адсорбцию СО2 и затем на метанирование остаточных оксидов. В результате получается водород 95-98,5 % чистоты с содержанием в нем 1-5 % метана и следов СО и СО2.

В том случае, если требуется получать особо чистый водород, установка дополняется секцией адсорбционного разделения конвертированного газа. В отличие от предыдущей схемы конверсия СО здесь одноступенчатая. Газовая смесь, содержащая H2, CO2, CH4, H2O и небольшое количество СО, охлаждается для удаления воды и направляется в адсорбционные аппараты, заполненные цеолитами. Все примеси адсорбируются в одну ступень при температуре окружающей среды. В результате получают водород со степенью чистоты 99,99 %. Давление получаемого водорода составляет 1,5-2,0 МПа.

Также возможно каталитическое окисление кислородом:

Из угля[править | править код]

Пропускание паров воды над раскалённым углем при температуре около 1000 °C:

Старейший способ получения водорода. Себестоимость процесса $2-$2,5 за килограмм водорода. В будущем возможно снижение цены до $1,50, включая доставку и хранение.

Электролиз[править | править код]

Электролиз водных растворов солей:

Электролиз водных растворов гидроксидов активных металлов (преимущественно, гидроксида калия)[7]

Кроме того, существует промышленная технология электролиза химически чистой воды, без применения каких-либо добавок. Фактически, устройство представляет собой обратимый топливный элемент с твёрдой полимерной мембраной[7].

Из биомассы[править | править код]

Водород из биомассы получается термохимическим, или биохимическим способом. При термохимическом методе биомассу нагревают без доступа кислорода до температуры 500°-800° (для отходов древесины), что намного ниже температуры процесса газификации угля. В результате процесса выделяется H2, CO и CH4.

Себестоимость процесса $5-$7 за килограмм водорода. В будущем возможно снижение до $1,0-$3,0.

В биохимическом процессе водород вырабатывают различные бактерии, например, Rodobacter speriodes.

Возможно применение различных энзимов для ускорения производства водорода из полисахаридов (крахмал, целлюлоза), содержащихся в биомассе. Процесс проходит при температуре 30° Цельсия при нормальном давлении. Себестоимость процесса около $2 за кг.

Из цепочки сахар-водород-водородный топливный элемент можно получить[8] в три раза больше энергии, чем из цепочки сахар-этанол-двигатель внутреннего сгорания.

Из мусора[править | править код]

Разрабатываются различные новые технологии производства водорода. Например, в октябре 2006 года Лондонское Водородное Партнёрство опубликовало исследование (недоступная ссылка) о возможности производства водорода из муниципального и коммерческого мусора. Согласно исследованию, в Лондоне можно ежедневно производить 141 тонну водорода как пиролизом, так и анаэробным сбраживанием мусора. Из муниципального мусора можно производить 68 тонн водорода.

141 тонны водорода достаточно для работы 13750 автобусов с двигателями внутреннего сгорания, работающими на водороде. В Лондоне в настоящее время эксплуатируется более 8000 автобусов.

Химическая реакция воды с металлами[править | править код]

В 2007 году Университет Purdue (США) разработал метод производства водорода из воды при помощи алюминиевого сплава.

Сплав алюминия с галлием формируется в пеллеты. Пеллеты помещают в бак с водой. В результате химической реакции производится водород. Галлий препятствует образованию оксидной пленки на поверхности алюминия, тормозящую процесс окисления алюминия. В результате реакции создаётся водород и оксид алюминия.

Из одного фунта (≈453 г) алюминия можно получать более 2 кВт·ч энергии от сжигания водорода и более 2 кВт·ч тепловой энергии во время реакции алюминия с водой. В будущем, при использовании электроэнергии атомных реакторов 4-го поколения, себестоимость водорода, получаемого в ходе реакции, станет эквивалента цене бензина $3 за галлон (≈3,8 л).

Автомобиль среднего размера с двигателем внутреннего сгорания с 350 фунтами (158 кг) алюминия на борту может проехать 350 миль (560 км). В будущем стоимость такой поездки составит $63 (0,11 $/км), включая стоимость восстановления оксида алюминия на атомной электростанции 4-го поколения.[9]

С использованием водорослей[править | править код]

Учёные калифорнийского университета в Беркли (UC Berkeley) 1999 году обнаружили[10], что если водорослям не хватает кислорода и серы, то процессы фотосинтеза у них резко ослабевают, и начинается бурная выработка водорода.

Водород может производить группа зелёных водорослей, например, Chlamydomonas reinhardtii. Водоросли могут производить водород из морской воды, или канализационных стоков.

Домашние системы производства водорода[править | править код]

Вместо строительства водородных заправочных станций водород можно производить в бытовых установках из природного газа, или электролизом воды. Honda испытывает свою бытовую установку под названием Домашняя энергетическая станция Honda. Установка в бытовых условиях производит водород из природного газа. Часть водорода используется в топливных элементах для производства тепловой и электрической энергии для дома. Оставшаяся часть водорода используется для заправки автомобиля.

Британская компания ITM Power Plc разработала и испытала в 2007 г. бытовой электролизёр для производства водорода. Водород производится ночью, что позволит сгладить пики потребления электроэнергии. Электролизер мощностью 10 кВт производит из воды водород, и хранит его под давлением 75 бар. Произведённого водорода достаточно для 40 км пробега битопливного (водород/бензин) Ford Focus. Компания планирует начать производство бытовых электролизеров в начале 2008 года. ITM Power уже достигла уровня себестоимости электролизеров $164 за 1кВт.

Крупнейшие производители водорода[править | править код]

Air Liquide
Linde AG
Praxair

См. также[править | править код]

Хранение водорода
Доставка водорода
Водородная заправочная станция
Водородный транспорт
Солнечный коллектор
Фотоводород

Примечания[править | править код]

Ссылки[править | править код]

«Hydrogen Production Processes» // Department of Energy
Hydrogen Production: Natural Gas Reforming // Department of Energy]
https://web..org/web/20130305093655/https://www.nrel.gov/hydrogen/proj_production_delivery.html
https://web..org/web/20160304111204/https://www.iea.org/publications/freepublications/publication/hydrogen.pdf
https://www.marketing-services.ru/imgs/goods/864/rynok_vodoroda.pdf
https://www.fsec.ucf.edu/en/consumer/hydrogen/basics/production.htm
Производств водорода из энергии солнца Презентация NREL (недоступная ссылка с 22-08-2015 [2115 дней])
Микробная установка вырабатывает водород из дешёвого сырья // Membrana

Источник

Водородная энергетика: методы получения водорода

Часть 2.

Так как водород, фактически, не встречается на Земле в свободной форме, его вынуждены извлекать из прочих связанных соединений.

Одним из главных преимуществ водородной энергетики является большое разнообразие химических способов получения водорода.

Преимуществом тут является независимость от одного метода получения водорода, что благоприятно сказывается на энергетической безопасности всей концепции водородной энергетики.

Основными методами получения водорода являются:

1. паровая конверсия метана и природного газа;

2. газификация угля;

3. электролиз воды;

4. пиролиз;

5. частичное окисление;

6. биотехнологии.

Водород можно получать взаимодействием активных металлов с кислотами-неокислителями. Например, взаимодействием Цинка и Хлороводорода:

Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2.

Как мы видим, взаимодействие Цинка с соляной кислотой даёт выход водорода. Существуют и другие способы подобного получения водорода. Например, взаимодействие алюминия с водными растворами щелочей и т.п. Однако, подобный способ подходит лишь для лабораторных исследований и демонстраций, потому что он очень дорогой.

Концепция водородной энергетики подразумевает промышленное производство водорода; массовость и дешевизна должны быть неотъемлемой частью всей концепции.

Промышленные способы добычи водорода:

1. Электролиз воды

Промышленная установка щелочного электролиза воды

Разберём его чуть подробнее, так как много всяких изобретателей пытаются использовать именно эту технологию.

Воздействуя на дистиллированную воду электрическим током, можно разложить её на составляющие — кислород и водород:

2H2O = 2H2 + O2.

«Впервые электролитическое разложение воды на кислород и водород было осуществлено в 1800 году, а промышленное освоение этого метода началось с 1888 года, когда стали доступны генераторы постоянного тока».

Электролиз воды — довольно дорогая технология получения водорода. В совокупности, на неё приходится всего 4-5% от общего произведённого объёма водорода.

Технология электролиза воды выглядит привлекательно в связи с экологической чистотой получения и возможности создания установок с широким диапазоном производительности (от нескольких литров до сотен кубометров водорода в час).

Способ прост и удобен в эксплуатации, обладает высокой чистотой производимого водорода. Дополнительно, побочным продуктом является получение кислорода — ценного химического вещества.

Но главное, электролиз водорода — очень перспективный метод экологически чистого получения водорода из возобновляемых или атомных источников энергии.

Я напомню, что концепция производства водородной энергетики и её дальнейшего развития в водородную экономику преследует именно экологическую чистоту.

Методов разложения воды для выделения водовода множество.

Основные из них:

электрохимический;
термический;
термохимический;
биохимический;
фотохимический;
электролитический.

Разумеется, наиболее проработанный и изученный метод — электролитический. Он позволяет производить водород с КПД до 90%.

Существуют три промышленных способа реализации электролизной технологии производства водорода. Они отличаются типом используемого электролита и условиями проведения электролиза.

Способы реализации электролизной технологии производства водорода

Щелочной электролиз — процесс прохождения электрического тока через раствор электролита от анода к катоду, вследствие чего на них образуются газы — соответственно, водород и кислород:

1. на аноде: 2OH- → 0,5O2 + H2O + 2e (выделение кислорода);

2. на катоде : 2H2O + 2e- → H2 + 2OH (выделение водорода);

3. суммарная реакция: H2O → H2 + 0,5O2.

Дальнейшим усовершенствованием технологии в области КПД и экономичности стала разработка электролизёров с твердо-полимерным электролитом (ТПЭ).

ТПЭ-электролизёры в 6 раз дороже водно-щелочных с аналогичными характеристиками, но при этом экологически чистые; имеют значительно меньшие массо-габаритные характеристики и энергозатраты, повышенный уровень безопасности, возможность работы в нестационарных режимах, простое обслуживание.

Основной элемент ТПЭ — беспористая полимерная мембрана перфторированного углерода, обладающая высокой химической стойкостью и высокой электропроводностью. Переносчиком заряда в таких мембранах является гидратированный протон:

1. на анод: H2O → O2 + 4H+;

2. на катод: 4H(+) + 4e(-) → 2H2.

Минимальная чистота получения водорода электролизом с ТПЭ — 99,98%.

Принципиальная схема электролизной ячейки с ТПЭ

Третий метод — высокотемпературный электролиз водяного пара. Проводится в ячейках с твёрдым электролитом на основе оксидов циркония, оксидов некоторых элементов (оксиды кальция, иттрия, иттербия, селена, ванадия) для увеличения его электропроводимости. Подобный электролит обладает униполярной проводимостью — ток через него переносится ионами кислорода, образующимися при диссоциации воды и выделении водорода на катоде:

Н2О (пар) + 2е → О2 + Н2 (газ) катод О 2(-) → 0,5 О2 (газ) + 2е.

Вывод водорода осуществляется из катодного пространства вместе с непрореагировавшим паром.

Принципиальная схема ячейки для высокотемпературного электролиза водяного пара с коаксиальным расположением электродов: 1 — катодное пространство ячейки; 2 — катод; 3 — твёрдый электролит на основе оксидов циркония; 4 — анод; 5 — анодное пространство ячейки

Независимо от способа реализации, основной вклад в стоимость водорода, производимого методом электролиза (70-90 %), вносят затраты на электроэнергию!

В комментариях к прошлой статьи читатель писал о якобы новом изобретённом им способе электролиза для получения водорода из морской воды. Но ничего нового тут нет. Смотрим формулу:

2NaCl + 2H2O = H2+ Cl2+ 2NaOH.

Ну это же элементарно, давно известно и вовсю применяется.

Для получения водорода из воды при электролизе требуется, как минимум, столько же энергии, сколько её выделяется при сгорании водорода. Однако не вся эта энергия должна поступать в виде электроэнергии — можно использовать в электролизёрах и тепловую энергию воды. Тут имеется энергетический баланс: чем выше её температура, тем больше вклад тепловой энергии и меньше вклад электрической. В ряде случаев это сулит немалую выгоду — можно использовать тепло от любого источника: скажем, от ядерного реактора. Особенно значительна экономия электроэнергии при температурах воды в районе тысячи градусов. Однако, в этих условиях сама вода переходит в пар, и снова потребуется твердый термостойкий электролит.

Многочисленные работы, в которых сделана попытка дать технико-экономическую оценку путей развития производства водорода на ближайшие годы, свидетельствуют о перспективности разрабатываемых электрохимических методов.

В перспективе можно ожидать, что параллельно с разработкой термических, термохимических, биохимических и других методов получения водорода из воды, начнутся интенсивные работы по усовершенствованию существующих и созданию более экономичных новых методов электролитического разложения воды на базе электрической энергии станций, работающих на атомной энергии. Одно из таких направлений уже разрабатывается — электролиз воды под давлением.

2. Паровая, или парокислородная конверсия метана (ПКМ).

Производство водорода методом риформинга конверсии метана

Метан — основной компонент природного газа, его концентрация в нём достигает от 77 до 99%. Высокое содержание метана и в попутных нефтяных газах — от 31 до 91%. Метан — это, фактически, большая молекула водорода, которая состоит из одного атома углерода и 4-х атомов водорода. Уже из химической формулы ясно, что метан «сильно обогащён» водородом. Следовательно, получение водорода именно из метана должно быть наиболее рентабельным.

Схема реактора паровой конверсии метана

Процесс отделения водорода от углеродной основы в метане протекает в трубчатых печах (химических паровых реформерах) с внешним подводом теплоты при температурах 750-850 градусов Цельсия через стенку трубы на каталитических поверхностях (никель, корунд и др.):

CH4+H2O ↔ CO+3H2;

далее с монооксидом углерода, или попросту «угарным газом», идёт реакция:

CO+H2O ↔ CO2+H2.

Это самый дешёвый и рентабельный способ получения водорода. Себестоимость процесса — от 2 до 5 долларов за 1 кг водорода!

В парокислородной конверсии вместе с горячим паром в активную зону реактора подаётся кислород. Реакции процесса аналогичные, что и для ПКМ, однако дополнительно происходит окисление метана кислородом:

CH4+O2 ↔ 2CO+3H2.

Реагирование веществ в парокислородной конверсии метана даёт общий результирующий тепловой эффект, равный нулю!

Это делает установку дороже на 5-10 %.

Главное преимущество парокислородной конверсии по сравнению с ПКМ — передача теплоты напрямую, а не через стенку теплообменника.

Сравнение характеристик ПКМ и парокислородной конверсии

В настоящий момент уже разработан высокоэффективный проточный мембранный аппарат для одновременного риформинга метана и окисления СО на никелевых и палладиевых катализаторах. Чистота водорода достигает 99,999 %, тогда как при конверсии природного газа — всего 76,2 %.

3. Газификация угля

Установка газификация угля

Самый старейшим с 1940-вых годов способом получения водорода является газификация угля. Справедливо встаёт вопрос: причём здесь уголь, ведь в его составе всего около 6% нужного нам газа? Однако, получение водорода из угля связано с термическим разложением воды, а сам уголь непосредственно используется в качестве энергоресурса и химического реагента. В угле много углерода, который и будет реагировать с кислородом, водой и угарным газом.

Воздействуя на уголь одновременно водяным паром и кислородом, получаем уже знакомую парокислородную конверсию.

Основные реакции процесса газификации угля:

C+O2 ↔ CO2;

C+2H2O ↔ CO2+2H2;

C+H2O ↔ CO+H2;

C+CO2 ↔ 2CO.

Существует большое количество способов газификации угля. Они отличаются термодинамическими параметрами, размером и принципом подачи угля в газогенератор, а также способом удаления шлака. Существует многоступенчатый процесс производства водорода железопаровым способом:

Fe3O4+CO ↔ 3FeO+CO2;

Fe3O4+H2 ↔ 3FeO+H2O.

Все рассмотренные методы — это автотермическое проведение реакций газификации, где в методе с CO2-акцептором осуществлён аллотермический подвод теплоты за счёт реакции СаО с двуокисью углерода. Далее, в регенераторе карбонат кальция разлагается термически:

CaO+CO2 ↔ CaCO3;

CaCO3 ↔ CaO+CO2.

Есть и классические процессы: Лурги, Копперс-Тотцека и Винклера.

Производство синтез-газа, в состав которого входят: водород, метан, окислы углерода и прочие газы — может быть также основано на переработке биомассы и промышленно-бытовых отходов, что одновременно способствует решению экологических проблем. Например, переработать отходы жизнедеятельности рогатого скота, да и вообще любого другого сельскохозяйственного животного.

При термохимической обработке биомассы её нагревают без доступа кислорода до температуры 500-800 градусов Цельсия, в результате чего образуются водород, метан и оксид углерода.

Для выделения водорода из синтез-газа используются разнообразные методы: адсорбция, абсорбция, диффузии через мембраны, электрохимическая конверсия, глубокое охлаждение, катализ.

Параметры методов газификации угля

Это основные, хорошо освоенные и изученные методы промышленного получения водовода. Однако все они дороги в сравнении с традиционной энергетикой. Водород — дорогое топливо. Поэтому его сегодня практически не используют (именно в качестве топлива).

Структура мирового производства (а) и потребления (б) водорода

Основными потребителями водорода являются химическая промышленность и нефтепереработка. Водород является ключевым элементом в производстве минеральных удобрений (получение аммиака).

Более половины потребляемого в мире водорода на сегодняшний день используется в качестве химического сырья. Раскисляющее действие водорода широко применяют в порошковой металлургии, металлообработке, производстве стекла, синтетических рубинов и т.п. Применение водорода в микроэлектронике, главным образом, связано с получением кремния путём восстановления SiCl4. Основным потребителем водорода как топлива является космонавтика. Комбинация «жидкий водород (топливо) — жидкий кислород (окислитель)» обеспечивает выделение максимального количества энергии на единицу веса, что является определяющим критерием для аэрокосмических приложений.

Существуют ли перспективные методы получения водорода, которые будут отличаться дешевизной и качеством? Такие существуют. И не только теоретические, но практические способы.

Например:

плазмохимический способ, который обещает быть в 15 раз дешевле электролизного;

хорошо проработанный способ получения водорода благодаря использованию ядерной энергетики (концепция атомно-водородной энергетики);

получение водорода с помощью альтернативных источников энергии;

усовершенствование методов электролиза воды;

способ использования вещества мантии Земли для получения водорода;

перспективы развития водородной энергетики на основе алюминия и т.д.

О некоторых перспективных способах поговорим в следующей статье.

Часть 3. Водородная энергетика: атомно-водородная технология

================================================================

P. S. Ссылки на источники теперь находятся в группе Вконтакте!

Часть 1. Водородная энергетика: когда наступит будущее?

Источник