Иллюстрация: globalenergyprize.org. Хорошо известно, что водородная энергетика уже несколько лет считается наиболее перспективным направлением, которое должно заменить традиционную генерацию, прежде всего, для снижения выбросов парниковых газов и сокращения антропогенного воздействия на климат. Исследователи во всём мире пытаются искать решения – как принципиально новые, так и способные повысить эффективность и экологичность традиционных методов получения водорода, таких как газификация угля («бурый» водород), паровой риформинга метана («серый» водород) или электролиз воды с применением ВИЭ («зелёный» водород). «Переток» представляет обзор наиболее интересных разработок. Вначале рассмотрим “Изумрудный” водород, получаемый за счёт термоплазменного электролиза.
Одной из альтернатив традиционным способам получения H2 может стать преобразование биометана и природного газа в водород с помощью термоплазменного электролиза. Метод предложен стартапом HiiROC, по оценке которого паровой риформинг метана сопряжён с выбросами 9 кг углекислого газа на 1 кг водорода, а удельные затраты на электролиз воды (50 кВт•ч на 1 кг водорода) в полтора раза превышают энергетическую ёмкость полученной продукции (33 кВт•ч на 1 кг). Новый способ фактически позволяет разделять углеводороды на два базовых компонента (углерод и водород), обеспечивая при этом компактность производственных мощностей: установка термоплазменного электролиза будет занимать площадь грузового контейнера, который можно разместить в непосредственной близости от места потребления водорода. Преимуществом является и получение углерода в качестве побочного продукта, который можно использовать в производстве каучуков, шин и строительных материалов.
Новая технология найдёт первое промышленное применение на газовой электростанции (49 МВт) в графстве Линкольншир (Великобритания), где с третьего квартала этого года водород будет использоваться для производства электроэнергии. Первоначально доля H2 в структуре газовой смеси будет составлять лишь 3%, однако со временем разработчики увеличат показатель до 20%. Это позволит снизить выбросы парниковых газов. По оценке Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК (IPCC)), по удельному объёму их эмиссии газовые станции более чем в 40 раз превосходят атомные реакторы – 490 г на 1 кВт•ч выработки против 12 г/кВт•ч соответственно.
В том же направлении движется стартап Aurora Hydrogen, объявивший о привлечении $10 млн для создания установки по производству «бирюзового» водорода мощностью 200 кг в сутки. Сырьём для получения H2 станет метан (CH4), однако вместо парового риформинга Aurora Hydrogen будет использовать высокотемпературный пиролиз в инертной атмосфере: в первом случае образование газообразного водорода является следствием реакции пара и метана, сопряженной с большими выбросами CO2, тогда как во втором CH4 расщепляется на водород и твёрдый углерод под влиянием микроволнового нагревания, которое происходит при отсутствии воздуха и воды. В отличие от «голубого» водорода, производство «бирюзового» не потребует использования дорогостоящих технологий улавливания, утилизации и хранения углекислого газа. Другим преимуществом стает сравнительно низкая энергоёмкость. По оценке Aurora Hydrogen, производство «бирюзового» водорода потребует на 80% меньше удельных затрат электроэнергии, чем электролиз, который обычно применяется для получения «зелёного» водорода. Эта технология была опробована в университете Торонто (Канада), где экспериментальный пиролизный реактор в 2021 году успешно проработал четыре часа, сумев обеспечить 100-процентную конверсию метана в водород. По оценке участников проекта, с её помощью можно ежегодно экономить до 500 млн тонн углекислого газа, что сопоставимо c объёмом выбросов CO2 от сжигания попутного нефтяного газа в Канаде.
Водород без CO2
Компания Babcock & Wilcox, специализирующаяся на технологиях возобновляемой энергетики, и производитель оборудования для сжижения и транспортировки промышленных газов Chart Industries займутся коммерциализацией технологии BrightLoop, которая позволяет получать водород из ископаемого топлива, изолируя при этом 95% углекислого газа без использования дополнительного оборудования для его улавливания.
С технологией BrightLoop для производства водорода можно использовать практически любое ископаемое топливо, в том числе уголь, метан и нефтяной кокс. Исходное сырьё подаётся в высокотемпературный топливный ректор, где вступает в реакцию с частицами – носителями кислорода. Это приводит к образованию побочных продуктов сгорания (в основном, углекислого газа и воды) при одновременном восстановлении частиц – носителей кислорода, которые затем перемещаются в водородный реактор. Здесь частицы вступают в контакт с водяным паром, генерируя поток водорода. Наконец, на последнем этапе частицы транспортируются в реактор сжигания, где они регенерируются воздухом до исходного состояния. В результате образуется тепло, которое нагревает частицы для их возвращения в топливный реактор. При этом тепло также можно использовать для нагревания воздуха с последующим производством пара и электроэнергии.
Н2 из отработанных солнечных панелей
Компания EPRO Advance Technology, базирующаяся в Гонконге (Китай), разработала пористый кремниевый материал (Si+), который при контакте с водой генерирует водород. Новый материал можно хранить в пластиковой упаковке, благодаря чему его использование напоминает капсульный способ приготовления кофе.
Сырьём для получения Si+ является металлургический кремний, который можно извлекать из отработанных солнечных панелей. Соответствующие технологии уже появляются на рынке: например, французский стартап Rosi Solar с помощью пиролиза изолирует металлы от ячеек фотоэлектрических панелей. Разработка EPRO Advance Technology может внести вклад в рентабельную утилизацию кремния, чьё производство сопряжено с более высоким удельным объёмом выбросов CO2 (50 кг на 1 кг), чем в случае магния, алюминия и титана.
Другое преимущество Si+ состоит в решении проблемы межконтинентальной транспортировки водорода, для чего с недавних пор используются дорогостоящие танкеры. Первую в мире морскую перевозку H2 из Австралии в Японию в январе 2022 года осуществило судно Suiso Frontier грузоподъёмностью 75 тыс. тонн. Для этого водород, полученный методом газификации угля с применением технологий улавливания CO2, потребовалось перевести в газообразном состоянии в порт Гастингс на юго-востоке Австралии, а затем – обратить в жидкость при температуре -253°C и отгрузить на танкер.
Разработка EPRO Advance Technology позволит использовать для транспортировки обычные грузовые контейнеры: по оценке компании, стандартный 20-футовый контейнер сможет перевозить 2,7 тонны Si+. При этом логистика не требует дополнительных техрешений, так как материал не взрывоопасен. Инновация уже привлекла внимание инвесторов: аэропорт Гонконга рассматривает возможность использования Si+ для создания сети водородных заправок. Пористый кремниевый материал также может найти применение в электроэнергетике, в морском и наземном транспорте, т. е. в отраслях, которые постепенно охватывает водородная революция.
Твёрдый водород для кораблей
Схожее решение будет использовано на корабле Neo Orbis, который верфь Next Generation Shipyards спустит на воду в 2023 году в порту Амстердама (Нидерланды): водород для подачи на топливные элементы судна будет образовываться при смешивании борогидрида натрия (NaBH4) с водой и катализатором. Судно оборудуют батареями для хранения энергии, а также ёмкостью для складирования отработанного топлива – метабората натрия (NaBO2), который на берегу с помощью восстановителя (например, магния) будет обратно перерабатываться в NaBH4, обеспечивая замкнутость цикла.
Преимущество проекта, прежде всего – в безопасном хранении сырья: газообразный водород может воспламеняться при комнатной температуре, дизельное топливо – при температуре 55°C, борогидрид натрия – при 70°C. Другой сильной стороной NaBH4 является высокая энергоёмкость: из одного кубометра борогидрида натрия можно получать 126 кг газообразного водорода, тогда как из жидкого водорода (при -253°C) – только 71 кг, а из сжатого (под давлением 700 бар) – 42 кг. Участники проекта собираются в дальнейшем добиться эффекта нулевого цикла: тепло, вырабатываемое при смешивании NaBH4 с водой и катализатором, в таком случае можно будет использовать для обогрева на корабле.
H2 из пластиковых отходов
Университет Манчестера (Великобритания) совместно с компанией Powerhouse Energy тестирует технологию получения электроэнергии и водорода из пластиковых отходов. Проект может помочь решить проблему утилизации трудноперерабатываемого пластика.
Технология представляет собой процесс термической обработки пластика. Первоначально пластиковые отходы дробят на кусочки одинакового размера, которые при размещении в бескислородной камере плавятся под воздействием высоких температур, а затем испаряются в синтез-газ – смесь из метана, водорода и небольшого количества окиси углерода. Синтез-газ направляется в камеру осушки, где его очищают от инертных остатков (составляют не более 5% от исходного объёма пластиковых отходов). Полученное сырьё будет иметь ту же теплотворность, что и природный газ. Его можно будет подавать на газовую турбину для выработки электроэнергии, а также использовать для получения водорода с помощью паровой конверсии.
Инновационная технология получила название распределённой модульной генерации (Distributed Modular Generation – DMG). По оценке Powerhouse Energy, с её помощью при переработке 40 тонн пластика в сутки можно получать 40 тонн синтез-газа, а из него – 2 тонны водорода, то есть 50 кг на каждую тонну сырья. Достоинством DMG является автономное энергоснабжение: если работа электролизных установок требует высоких затрат электроэнергии из возобновляемых источников (50 кВт•ч на 1 кг водорода), то синтез-газ можно использовать для обеспечения работы термических камер и установок парового риформинга. При этом DMG может помочь снизить негативное влияние на экологию. По данным Powerhouse Energy, в Великобритании перерабатывается лишь около 30% пластиковых отходов, в том числе из-за сложности переработки смешанного пластика, а также влияния многоступенчатой переработки на свойства регенерированных пластмасс.
Электролиз под действием звуковых волн
Учёные из Мельбурнского королевского технологического университета (RMIT, Австралия) смогли кратно повысить эффективность электролиза воды для получения «зелёного» водорода за счёт использования звуковых волн.
Электролиз – процесс расщепления дистиллированной воды на молекулы водорода и кислорода под воздействием электрического тока: при подаче тока на электроды происходит расщепление – на стороне катода образуется водород, на стороне анода – кислород. Однако на эффективность процесса негативно влияет скопление пузырьков водорода и кислорода на поверхности электродов, в результате чего образуется газовый слой, снижающий их активность и производительность. Решить эту проблему помогает использование высокочастотных вибраций, которые предотвращают образование пузырьков. Исследователи из RMIT доказали, что эта инновация кратно повышает эффективность привычного электролиза – объём получаемого водорода оказался в 14 раз больше. Столь сильный прирост эффективности позволяет заменить платину и иридий в электродах на более дешёвые металлы, в частности, серебро. Правда, коммерциализация новой технологии потребует интеграции источников звуковых волн с промышленными электролизёрами.
Воздушный электролиз для Сахары
Исследователи из университетов Мельбурна и Манчестера создали прототип электролизной установки, которая может использовать воздушную влагу для производства водорода. Основным элементом является блок для сбора воды, выполненный из пористого материала и пропитанный гигроскопическим (способным поглощать влагу) ионным раствором. По обеим сторонам блока расположены анод и катод, электроды соединены с газоприёмниками, при этом блок для аккумулирования жидкости может использоваться как резервуар для хранения электролита (вещества, проводящего электрический ток вследствие диссоциации на ионы).
Устройство может работать в паре с солнечной панелью, ветровым генератором или любым другим источником «чистой» энергии. Аккумулируемая вода переносится на поверхность электродов, где в изоляции от воздуха она разделяется на кислород и водород. Прототип может генерировать 3,7 кубометров водорода в сутки при относительной влажности воздуха в 4%, что кратно ниже влажности в Сахаре (20%) и самых засушливых районах Австралии (21%).
Инновация в случае масштабирования поможет расширить географию проектов в области «зелёного» водорода, которые реализуются преимущественно в странах с обилием водных ресурсов. Пока единственной страной к югу от Сахары, собирающейся стать крупным производителем водорода, является Намибия, где площадкой для сооружения электролизных мощностей на 3 ГВт должен будет стать Национальный парк Цау-Хаеб, расположенный на побережье Атлантического океана.
Водород из стоков молочных и кондитерских фабрик
Учёные Федерального исследовательского центра (ФИЦ) биотехнологии РАН изучили бактерии, найденные в реакторе для очистки сточных городских вод. Микроорганизмы оказались представителями нового штамма бактерий Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum – SP-H2. Их ключевыми свойствами являются высокая адаптация к жизни в кислой среде и способность перерабатывать органические отходы, богатые простыми сахарами, выделяя водород. Результаты исследования опубликованы в The International Journal of Hydrogen Energy, который c 1976 года издается Международной ассоциацией водородной энергетики.
Открытие стало результатом использования генетических методов исследования микроорганизмов, с трудом поддающихся выращиванию в лабораторных условиях. Помимо определения типа бактерии (новый штамм уже упомянутого Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum), анализ позволил выяснить, что это теплолюбивый организм, который активно размножается при температуре 55–60°C в слабощелочной среде с уровнем pH 7,5. Эксперименты также показали, что исходными веществами для бактерии являются сахара: гексозы (глюкоза, галактоза, лактоза, мальтоза, манноза, рафиноза, сахароза, фруктоза, целлобиоза) и пентозы (арабиноза и ксилоза). При этом наибольший выход водорода обеспечивает мальтоза, а чуть меньший – лактоза и целлобиоза. Среди опытных образцов стоков промпредприятий, использованных в ходе исследования, наиболее благоприятной для бактерии средой оказалась творожная сыворотка и отходы кондитерского производства.
«Наши данные показывают, что Thermoanaerobacterim thermosacharolitycum SP-H2 можно считать перспективным штаммом для получения водорода из сточных вод, которому не мешают другие микроорганизмы, живущие в них. Найдя способ увеличить выход конечного продукта, можно научиться производить водородное топливо при помощи биотехнологий в промышленных масштабах», – считает кандидат биологических наук Юрий Литти.
На пути удешевления
Компания Verdagy сообщила об успешном завершении тестирования анионообменной мембраны (Anion Exchange Membrane – AEM) площадью 3,2 тыс. кв. см и мощностью 20 кВт, которая позволила обеспечить производство водорода в течение 1 тыс. часов. Испытания подтвердили предварительные расчёты, согласно которым удельная стоимость выработки водорода с помощью мембраны AEM составляет $3 на 1 кг.
Метод, взятый на вооружение Vergady, выступает альтернативой производству водорода с помощью щелочных электролизёров (Alkaline Water Electrolysis – AWE) и протонообменных мембран (Proton Exchange Membrane Water Electrolysis – PEM). AEM позволяет совместить преимущества этих способов, избежав их недостатков – низкой производственной мощности (как в случае AWE) и использования дорогостоящих платиновых катализаторов (как при производстве водорода на основе PEM).
Специалисты Verdagy будут использовать анионообменные мембраны для коммерческого производства водорода со скоростью 3 кг в час на площадке, введённой в строй в округе Монтерей (Калифорния, США) в августе прошлого года. Проект должен будет способствовать масштабированию новых технологий для получения водорода. По оценке Международного энергетического агентства, в 2020 году суммарная мощность действующих в мире электролизёров достигала 286 МВт: из них 176 МВт приходилось на щелочные электролизёры, 89 МВт – на протонообменные мембраны и лишь 31 МВт – на все прочие типы установок.
Инициатива Verdagy также будет содействовать удешевлению производства «зелёного» водорода, который пока что уступает в конкуренции издержек «серому». По оценке Оксфордского института энергетических исследований (Великобритания), пока удельная стоимость «серого» водорода составляет $1,5–1,8 на 1 кг против $3–6,5 для «зелёного».
Над проблемой удешевления производства работают и исследователи в Израиле. Местная компания H2Pro совместно с марокканским производителем возобновляемой энергии Gaia Energy строят демонстрационную установку по производству «зелёного» водорода мощностью 10–20 МВт. Разработчики рассчитывают, что проект позволит опробовать технологию, в перспективе снижающую издержки на получение 1 кг H2 до $1.
Инновация H2Pro сводится к использованию электролитических реакторов, в которых кислород и водород генерируются на разных стадиях расщепления воды. Это позволяет не только отказаться от использования мембраны, но и производить водород под высоким давлением без применения дорогостоящих компрессоров. При этом термическая (вместо электрохимической) генерация кислорода обеспечивает более высокую энергоэффективность. В результате, удельные расходы на производство «зелёного» водорода должны снизиться до $1 на кг.
Дайджест подготовлен по материалам иностранных СМИ и ассоциации «Глобальная энергия».
Источник: https://peretok.ru/
