Оценка углеродного следа производства водорода

Водород — самый легкий и самый распространенный элемент во Вселенной. Его можно использовать в качестве источника энергии, и он является важным сырьем для многих нефтехимических процессов.

Когда водород сжигается, он образует воду. Таким образом, водород может быть использован в качестве источника низкоуглеродного топлива. Водород можно сжигать непосредственно, или он может быть использован в топливном элементе для производства электроэнергии.

Поскольку при сжигании водорода образуется минимальное количество загрязняющих веществ, многие рассматривают его в качестве основного компонента более чистого энергетического будущего. Президент Джордж Буш-младший в своем послании 2003 года заострил внимание на потенциале «водородной экономики». В попытки реализовать это видение были вложены миллиарды долларов.

Производство водорода

Более 95% мирового водорода производится с помощью процесса паровой конверсии метана (SMR). В этой реакции природный газ взаимодействует с паром при повышенной температуре с образованием монооксида углерода и водорода. Последующая реакция — реакция сдвига водяного газа — затем реагирует дополнительный пар с монооксидом углерода для получения дополнительного водорода и углекислого газа.

Реакция риформинга с метаном:

CH4  + H2O ⇌ CO + 3H2

Реакция водогазового сдвига (WGS):

CO + H2O ⇌ CO2  + H2

«Грязный секрет» водорода заключается в том, что он производится в основном из ископаемых видов топлива. Таким образом, действительно ли водород «чист» зависит от способа его получения.

Водород также может быть получен электролизом воды, но это, как правило, более затратный подход, чем маршрут SMR. Когда электричество используется для производства водорода, термодинамика диктует, что вы всегда будете производить меньше энергии, чем потребляете.

Другими словами, затраты энергии на электроэнергию будут больше, чем выработка энергии водорода. Тем не менее, если имеется дешевый источник электроэнергии — например, избыток электроэнергии в сети в определенное время суток — это может быть экономичным для производства водорода таким образом. 

В любом случае, хотя сам водород по существу не загрязняет окружающую среду при сжигании (могут образовываться некоторые оксиды азота или NOx), с ним связан углеродный след. Итак, давайте рассмотрим углеродный след водорода, когда он производится с помощью общего процесса SMR.

Способ парометанового риформинга (SMR)

Современная установка SMR состоит из четырех систем: десульфурации, риформинга, высокотемпературного сдвига (HTS) и поглощения перепада давления (PSA). Эти системы отражают удаление серы, реакцию риформинга, реакцию WGS и очистку водорода.

Стадия десульфуризации состоит из пропускания природного газа через катализатор. Эти системы, как правило, пассивны, и хотя с ними связаны некоторые незначительные выбросы углерода, они незначительны по сравнению с остальной частью системы.

Природный газ, поступающий в SMR, разделяется перед десульфурацией, при этом небольшое количество потока смешивается с отходящим газом PSA и сжигается для обеспечения высоких температур, необходимых для реакции.

Основная часть природного газа десульфурируется, смешивается с паром, а затем реагирует в риформере. Реакция риформинга обычно протекает на никелевом катализаторе при повышенных давлениях и температурах.

Горячий газ, выходящий из SMR, охлаждается, что одновременно генерирует пар в процессе. Затем к охлажденному газу в сменном реакторе добавляют пар, чтобы преобразовать монооксид углерода в углекислый газ и больше водорода.

Наконец, водород очищается в блоке PSA. Это включает в себя этап наддува, который заставляет примеси связываться с адсорбентом, в то время как водород проходит через него. Когда адсорбент насыщен, давление понижено для того чтобы извлечь примеси, которые можно после этого рециркулировать как газ топлива.

Углеродный след парового риформинга метана

Углеродный след производства водорода с помощью SMR можно разделить на две части.

Во-первых, как показывают реакции SMR и WGS, 100% углерода в поступающем метане в конечном счете преобразуется в CO2. В процессе получения одной молекулы COполучают четыре молекулы водорода (H2), причем пар вносит дополнительный водород.

Таким образом, на 1 миллион стандартных кубических футов (SCF) водорода, полученного из метана, будет произведено 250 000 SCF CO2. В одной метрической тонне содержится 19 253 SCF углекислого газа, поэтому 1 миллион SCF водорода будет производить 13 метрических тонн углекислого газа. Это будет, безусловно, самая большая часть углеродного следа, связанного с процессом SMR.

Вторая часть — это углеродный след, связанный с отдельными технологическими единицами. Пар должен вырабатываться, реактор должен нагреваться и т.д. Но пар также создается при охлаждении выходного газа SMR, что помогает компенсировать углеродную нагрузку.

Rомпания Praxair, один из крупнейших мировых производителей водорода, разрушил углеродный след, связанный с отдельными технологическими этапами. Преобразование их данных в метрические тонны углекислого газа, выделяемого этими технологическими единицами на миллион SCF производимого водорода даёт такие результаты:

  • Сжигание для риформинга энергии — 3,7 метрических тонны
  • Сжигание пара — 2,5 метрических тонны
  • Мощность на сепарацию и сжатие — 0,1 метрических тонны

Добавляя это к углекислому газу, полученному в результате реакций с природным газом, общая сумма становится 19,3 метрических тонн углекислого газа, произведенного на миллион SCF водорода. Однако в документе Praxair отмечается, что это теоретический минимум. Из-за потерь тепла и неэффективности, фактическое количество на практике в большой водородной установке составляет 21,9 метрических тонн.

Это преобразует до 9,3 килограмма CO2, произведенного в кг продукции водорода. Один килограмм водорода является энергетическим эквивалентом одного галлона бензина,который производит 9,1 кг COпри сжигании.

Об углеродных следах часто сообщают с точки зрения энергии. Например, электростанции обычно сообщают об углеродных следах в пересчете на киловатт-часы (кВтч). Один миллион SCF водорода содержит 79 100 киловатт-часов энергии.

В результате образуется 0,28 кг выбросов углекислого газа, связанных с одним киловатт-часом производства водорода.

Конечно, это всего лишь углеродный след производства водорода. Чтобы использовать водород в качестве источника энергии, его все еще необходимо сжимать, транспортировать и либо сжигать, либо преобразовывать в электричество в топливном элементе. Сами топливные элементы также должны быть построены, и есть выбросы углерода, связанные с этими строительными процессами.

Для перспективного использования Управление энергетической информации перечисляет углеродный след производства электроэнергии из угля и природного газа как 1,0 кг/кВт*ч и 0,42 кг/кВт*ч, соответственно.  Но это для фактического преобразования в мощность, а не только в содержание энергии в топливе.

По принципу «яблоко от яблони» это зависит от нескольких факторов, но вполне вероятно, что конверсия водорода в энергию будет иметь углеродный след больший, чем у энергии, вырабатываемой на природном газе, но меньше, чем у энергии, вырабатываемой на угле. Однако теоретически существует возможность улавливать выбросы углерода, образующиеся в процессе SMR.

Кроме того, можно производить водород по низкоуглеродным маршрутам, которые исторически были менее экономичными. 

Елизавета Коробкова

Редактор ЭНЕРГОСМИ.РУ