Итак, в мировой практике освоено производство водорода следующими основными методами:
- Паровая каталитическая конверсия.
- Паро-кислородная конверсия.
- Углекислотная конверсия.
- Пиролиз метана.
- Плазмохимическая конверсия.
- Газификация угля.
- Электролиз воды.
- Термохимические циклы.
- Конверсия биомассы.
Рассмотрим кратко суть данных методов и сделаем выводы.
1. Паровая каталитическая конверсия
Является приоритетным, поскольку для него характерно наибольшее вовлечение природного газа, как для получения водорода - 68%. А с учетом вовлечения углеводородов при процессах переработки нефти – 84%. Происходит по реакциям:
Рабочая температура в первой ступени порядка 800⁰С и 200-250 ⁰С – во второй. Давление 2-3 МПа.
2. Паро-кислородная конверсия
Представляет собой аналог методу конверсии и протекает в три стадии:
3. Углекислотная конверсия
Как отдельный метод представляет собой одну из стадий метода паровой конверсии:
4. Пиролиз метана
По сути термическая диссоциация метана:
5. Плазмохимическая конверсия углеводородов
Представляет собой аналог метода паровой конверсии, но протекающая при температуре порядка 2900⁰С под воздействием плазмы с целью повышения выхода водорода, когда наряду с окислительным процессом метана параллельно протекает реакция пиролитического разложения метана, что в итоге суммарно дает следующего вида реакции:
Разновидностью этого направления является углекислотный процесс, который основан на плазмохимическом разложении диоксида углерода с последующей стадией получения водорода по аналогии со второй стадией метода конверсии природного газа:
6. Газификация угля
Заключается во взаимодействия с водяным паром:
Необходима последующая очистка водорода. Протекает при температуре от 700 до 1700⁰С, при давлении, как атмосферном, так и до 10 МПа.
7. Электролиз воды
Происходит электрохимическая диссоциация на водород и кислород. В том и заслуга, что помимо водорода образуется еще и кислород. Основные реакции:
Надо сказать, что электролиз воды в перспективе СТАНЕТ ОСНОВНЫМ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ВОДОРОДА И СОСТАВИТ ОСНОВУ БУДУЩЕЙ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ.
В связи с этим смотрите интересные прогнозные данные в моей статье
8. Термохимические циклы
Представляют собой многостадийные процессы с получением водорода. Из-за этого данному методы свойственна очень сложная и громоздкая технологическая схема. Известно большое разнообразие термохимических циклов в области температур порядка 1000-1500 ⁰С. НЕОБХДИМО ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЕ ТЕПЛО ОТ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА! До сих пор метод получения водорода в термохимических циклах не вышел за пределы лабораторий. Пара примеров.
Пример 1.
Пример2.
9. Конверсия биомассы
Представляет собой пиролитическое разложение при ее нагреве без доступа окислителя до температуры 500-800⁰С с получением синтез-газа, из которого необходимо извлечь водород.
Заключение
Известны различные методы получения водорода. Наибольший приоритет имеет метод паровой каталитической конверсии природного газа, в том числе при процессах переработки нефти. Таким образом, производство водорода конверсией углеводородов достигает на уровне 84%. Но все эти способы имеют углеродный след, что противоречит концепции водородной энергетики, а значит они не смогут стать частью водородной экономики будущего.
На этом фоне электролиз воды является перспективным. Хоть доля производства водорода в мире этим способом пока достаточно мала (всего 5%), но прогнозируется существенное увеличение ввода электролизных мощностей, что к 2030г ожидается на уровне до 5 ГВт/год.