Получение метана из углерода и водорода: Получение метана из углерода

Ученые визуализировали получение синтетического метана

Химики из Федеральной политехнической школы Лозанны разработали новый реактор и метод анализа, который позволил им впервые наблюдать за синтезом метана из углекислого газа и водорода в реальном времени. Статья об открытии была опубликована в журнале ACS Catalysis.

Инфракрасная термография используется для неинвазивного определения температуры объектов с довольно высокой точностью. С помощью одного изображения, сделанного с помощью ИК-камеры, можно получить такое же количество информации, как от сотен термопар одновременно. Кроме того, современные ИК-камеры позволяют делать снимки с частотой до 50 Гц, что позволяет наблюдать за явлениями в динамике.

Теперь ученые из Федеральной политехнической школы Лозанны создали реактор, наблюдения в котором с использованием инфракрасной термографии позволяют визуализировать динамику поверхностных реакций и соотносить ее с другими методами быстрого анализа.

Ученые применили свой метод к реакциям между диоксидом углерода и водородом, происходящим на поверхности катализаторов. Одна из них — реакция Сабатье, которая может быть использована для получения синтетического метана из возобновляемых источников энергии путем соединения CO₂ из атмосферы и H₂, полученного расщеплением воды.

Сама реакция включает взаимодействие угарного газа (CO) с водородом. Для использования в качестве реагента углекислого газа необходимо сначала восстановить его тем же H₂. Процесс самой реакции для активации относительно инертного CO проводят в присутствии твердого катализатора. Обычного в качестве него выступает рутений с оксидом алюминия.

Но предела совершенству нет, и исследователи стремятся разработать более эффективные соединения для катализа этих реакций. В новой работе ученые впервые показали, как работают катализаторы этих реакций и как они реагируют на изменения состава исходной реакционной смеси. Результаты работы могут привести к оптимизации конструкций реактора и катализаторов, что позволит повысить производительность процесса получения метана и других промышленно важных веществ.

Роль российского природного газа в развитии водородной энергетики

Олег АКСЮТИН
Заместитель председателя правления – начальник департамента № 623 ПАО «Газпром», член-корреспондент РАН, д. т. н.
e-mail: [email protected]

Александр ИШКОВ
Заместитель начальника департамента – начальник управления ПАО «Газпром», профессор кафедры ЮНЕСКО «Зеленая химия для устойчивого развития» РХТУ им. Д.И. Менделеева, д. х. н.
e-mail: [email protected]

Константин РОМАНОВ
Ответственный секретарь координационного комитета «Газпром» по вопросам рационального природопользования, начальник отдела ПАО «Газпром», к. э. н.
e-mail: [email protected]

Роман ТЕТЕРЕВЛЕВ
Заместитель начальника
отдела ПАО «Газпром»
e-mail: [email protected]

Аннотация. В условиях набирающего силу тренда на декарбонизацию мировой экономики возможность энергетического применения водорода связана с отсутствием прямых выбросов в атмосферу загрязняющих веществ и диоксида углерода. В статье рассмотрены преимущества развития водородной энергетики на основе природного газа, включая перспективные технологии (термокаталитический, плазменный пиролиз метана), и оптимальные решения по экспорту энергоносителя.
Ключевые слова: водородная энергетика, пиролиз метана, углеродный след, углерод, метано-водородная смесь.

Abstract. Under over-growing trend of decarbonization of the world economy, the possibility of hydrogen energy is linked to absence of direct toxic and greenhouse gases emissions. The article considers the advantages of developing hydrogen energy based on natural gas, including perspective technologies (thermos-catalytic pyrolysis, plasma pyrolysis), and optimal solutions for energy supplies.

Keywords: hydrogen energy, methane pyrolysis, carbon footprint, carbon black, methane-hydrogen mixture.

Мировой спрос на водород: настоящее и будущее

Сегодня спрос на водород в чистом виде составляет около 70 млн тонн в год. Основным сырьем его производства является природный газ, который используется в процессе паровой конверсии метана (steam methane reforming – SMR) – основного способа получения водорода в мире на нефтеперерабатывающих заводах, при производстве аммиака и метанола. Вклад природного газа в мировое производство водорода оценивается в 205 млрд кубометров в год [1].
На текущий момент более 95 % мирового потребления водорода приходится на традиционные отрасли, в основном самостоятельно обеспечивающие потребности в этом газе за счет его производства на специализированных установках непосредственно в месте потребления. Таким образом, несмотря на рост спроса на водород в мире, глобального рынка этого продукта на данный момент не существует. Водород сейчас является сырьем или реагентом в отраслях промышленности, при этом рядом стран мира водород начинает рассматриваться в качестве энергоносителя для решения климатических задач, получения, накопления, хранения и доставки энергии. Следует учитывать, что водород является вторичным энергоносителем, то есть требуется дополнительная энергия для его производства, что всегда будет отражаться на себестоимости (природный газ в отличие от водорода является первичным источником энергии).

К перспективным областям использования водорода относят энергетический комплекс, промышленность, транспортный сектор, а также бытовое применение в жилищно-­коммунальном хозяйстве [2].
Будущий рынок водорода оценивается в очень широких пределах. По разным оценкам, к 2050 году доля водорода в мировом энергетическом балансе может составить от 7 % (IRENA) до 24 % (Bloomberg NEF) при реализации различных сценариев декарбонизации мировой экономики. Необходимо отметить, что целесообразность использования водородных энергоносителей в той или иной области определяется условиями каждой отдельной национальной экономики.

Водородная стратегия Европейского союза

8 июля 2020 года Европейская комиссия опубликовала Стратегию в области водорода (Building a hydrogen economy for a climate-­neutral Europe) [3]. В этот же день было официально объявлено о начале работы Альянса по развитию «чистого» водорода (Сlean Hydrogen Alliance). В Стратегии впервые приводится подробная классификация различных видов этого газа в зависимости от источника происхождения и способа производства (рис.  1).

Рис. 1. Классификация водорода в Европейском союзе

В ЕС установлены исключительно кратко- и среднесрочные показатели для возобновляемого водорода:

–  на первом этапе (2020–2024 гг.) – производство 1 млн т возобновляемого водорода и установка электролизеров общей мощностью не менее 6 ГВт;
–  на втором этапе (2025–2030 гг.) – производство 10 млн т возобновляемого водорода и установка мощностей по его производству в объеме не менее 40 ГВт.
При этом ожидается, что доля водородного топлива (все виды) в энергобалансе ЕС вырастет с текущих менее 2 % до 13–14 % к 2050 году [3].
В соответствии с немецкой водородной стратегией спрос на водород в среднесрочной перспективе (до 2030 года) удвоится до 90–110 ТВт·ч Н2. Существующие и перспективные мощности возобновляемой энергетики Германии будут способны обеспечить производство порядка 14 ТВт·ч Н2 (примерно 0,4 млн т) «зеленого» водорода электролизом воды. Оставшуюся часть спроса на водород (76–96 ТВт·ч Н2) предполагается покрыть за счет использования других низкоуглеродных технологий производства водорода, в том числе из природного газа, или импорта.
Драйвером развития германского водородного сектора выступает металлургическая отрасль с объемом спроса на водород 10 ТВт·ч Н2 в 2030 году и 80 ТВт·ч Н2 в 2050 году [4]. В январе 2021 года компания thyssenkrupp Steel Europe объявила об успешном окончании этапа предпроектной работы по техническому обоснованию возможности обеспечения одной из сталелитейных установок в г. Дуйсбург низкоуглеродным водородом, получаемым из природного газа с использованием технологии улавливания и захоронения СО2. При этом хранить СО2 предполагается с использованием мощностей проектов Northern Light (Норвегия) и Porthos (Нидерланды). По информации thyssenkrupp Steel Europe полная производственно-­сбытовая цепочка может быть организована к 2027 году. Согласно экономическим расчетам, полученным в ходе предпроектного исследования, цена на «голубой» водород составит около 2,1 евро/кг (58 евро/МВт·ч) при прогнозируемой в долгосрочной перспективе цене на природный газ 23 евро/МВт·ч [5].

Особенности развития водородной энергетики в России

В июне 2020 года направление «Водородная энергетика» впервые было включено в состав Энергетической стратегии Российской Федерации на период до 2035 года. Стратегия включает положения в области производства, транспортировки и хранения водорода, нормативно-­правовой базы, интенсификации международного сотрудничества. Согласно данному документу, Россия планирует экспортировать к 2024 году 0,2 млн тонн водорода, а к 2035 году – 2 млн тонн водорода, при этом целевые показатели для внутреннего рынка не предусмотрены [6].

Промышленное хранение водорода
Источник: etanker.com

В экономических условиях России основными областями развития внутреннего рынка энергетического водорода будут являться премиальный транспорт, а также реальный сектор экономики, поставляющий продукцию на экспорт и заинтересованный в сокращении ее «углеродного следа». Вместе с тем представляется целесообразным сформировать направления всестороннего, но локального применения водородной энергетики. Так, в регионах могут быть созданы отдельные небольшие водородные энергосистемы в виде водородных кластеров или автономных энергосистем. По мировому опыту такие системы имеют скорее демонстрационно-­репутационный характер, поэтому не смогут сформировать полноценный рынок водородных энергоносителей в России в просматриваемой перспективе, однако они могут стимулировать создание отечественного водородного энергетического оборудования, водородных технологий и решений для поставок на экспорт, а также технологическую базу.

Примером такого подхода может являться создание технопарков с обеспечением возможности свободной реализации водородных инновационных проектов и отработки товарно-­логистических цепочек.
Кроме того, в целях апробации и комплексного внедрения водородных технологий целесообразно создание опытных полигонов, например, в областях:
–  применения нативных источников холода в производстве и транспорте водорода;
–  получения водорода из природного газа с улавливанием и захоронением (использованием) углерода в виде углекислого газа;
–  получения водорода из природного газа с улавливанием углерода в твердой форме;
–  производства аммиака из низкоуглеродного водорода с ограниченными прямыми выбросами углекислого газа для транспортировки водорода, в том числе на азиатский рынок;
–  хранения и транспортировки водорода в химически связанном виде.
В качестве основных критериев для создания водородных кластеров, автономных энергосистем, полигонов являются наличие сырьевой базы, геологических формаций (в случае захоронения СО2), а также близость к потенциальным рынкам сбыта.
Для развития технологий производства водорода из природного газа представляется возможным создание технологических экспериментально-­демонстрационных комплексов на базе существующих научных организаций и объединений, на котором в дальнейшем будет проводиться экспериментально-­демонстрационная отработка и развитие технологий и технологических установок, разрабатываемых или планируемых к разработке в рамках НИОКР.
Таким образом, учитывая, что в России до конца не исчерпан потенциал природного газа для низкоуглеродного развития национальной экономики, водородная энергетика в кратко- и среднесрочной перспективе будет сфокусирована на экспортном направлении и реализации ряда пилотных проектов в соответствии с Планом мероприятий «Развитие водородной энергетики в Российской Федерации до 2024 года».

Экспортно-­ориентированное производство водорода

Для формирования экспортно-­ориентированного производства водорода из природного газа требуется анализ емкости и ценовых параметров целевых рынков потребления водорода (спроса на водород) и, что очень важно, способов транспортировки водородной продукции.

По азиатскому направлению целесообразно рассмотрение возможностей поставок водорода в различном виде на экспорт авто-, морским и железнодорожным транспортом, для чего необходимо создание соответствующей законодательной базы (в части налогообложения и таможенного регулирования), а также развитие технологий транспортировки. В частности, особый интерес представляет возможность производства водорода на территории Дальнего Востока России методом парового риформинга метана с обеспечением улавливания и захоронения диоксида углерода и последующим экспортом Н2 в страны-­потребители (Япония, Южная Корея, Китай). Соответственно, в рамках двустороннего сотрудничества с азиатскими партнерами в краткосрочной перспективе целесообразно развивать обмен технологиями транспортировки водорода, а также улавливания, хранения и использования СО2. В средне- и долгосрочной перспективе возможна проработка поставок водорода на экспорт при условии коммерческого спроса на него в странах – потенциальных импортерах.
Если рассматривать европейский рынок, то перспективными являются исследования оптимальных маршрутов транспортировки водорода. В основе таких решений может лежать использование различных жидких и твердых органических и неорганических соединений для транспортировки водорода в химически и/или физически обратимо связанном состоянии на экспорт. Транспортировка водорода в жидком состоянии требует применения сложного технологического оборудования для сжижения водорода до температуры –253 °C (для сравнения СПГ: –161,5 °C), систем регазификации, а также специальных сосудов для его транспортировки, что повлияет на стоимость водорода и его конкурентоспособность на зарубежных рынках. Возможным вариантом является поставка водорода в необратимо связанном состоянии, например, в виде аммиака, метанола, этанола и др.
Технология транспортировки водорода в виде метано-­водородной смеси по существующей системе газопроводов обусловлена рисками технического, юридического и регуляторного характера.
Во-первых, добавление водорода в существующую газотранспортную сеть приведет к изменению состава, качества и цены экспортируемого газа, что будет являться нарушением экспортных контрактных обязательств, а также потребует отдельной специальной сертификации магистрального газопровода.
Во-вторых, открытыми остаются вопросы целостности технологического оборудования вследствие насыщения металла водородом (водородное охрупчивание), обеспечения промышленной безопасности и возможных потерь из-за сверхвысокой проницаемости водорода. Применяемое при транспортировке оборудование имеет ограничения по качеству и составу газа, связанные с обеспечением безопасности работ и сохранению долгосрочной работоспособности единой системы газоснабжения. Для гарантии безопасной транспортировки метано-­водородной смеси по магистральному газопроводу требуется проведение полномасштабных натурных циклических испытаний в условиях, приближенных к реальной перекачке, что в настоящее время не реализовано.
В-третьих, отсутствуют единое нормативно-­техническое регулирование трубопроводной транспортировки метано-­водородных смесей как в России, так и в европейских странах. В настоящее время правила смешивания водорода и природного газа в европейской сети регулируются нормативными актами каждого государства-­члена ЕС с учетом технических особенностей местной инфраструктуры. Для отдельных видов газового оборудования и газовых сетей европейские стандарты допускают достаточно широкий диапазон концентраций водорода в природном газе (от 0,02 до 10 % об.), однако единые требования по допустимому содержанию водорода в газотранспортной сети, также как единые технические регламенты, отсутствуют, что не позволяет осуществлять экспортные поставки метано-­водородных смесей по трубопроводам без разработки и принятия указанного регулирования на уровне ЕС, а также его гармонизации с российским законодательством (рис. 2) [7].

Рис. 2. Законодательно установленные пределы допустимой концентрации водорода (% об.) в газовых сетях ЕС

Экономическая несостоятельность транспортировки водорода в виде метано-­водородной смеси по «Северному потоку» отмечена зарубежными аналитиками IHS Markit. Результаты анализа показывают, что использование существующей экспортной газопроводной инфраструктуры и производство низкоуглеродного водорода из российского природного газа в ЕС (1,1–1,5 долл. США/кг h3) – наиболее экономически эффективно в сравнении с транспортировкой водорода из России по газопроводу (1,9–2,1 долл. США/кг h3) [8].
Учитывая развитую единую систему газоснабжения и реализацию новых международных газотранспортных проектов, в том числе в ЕС, производство водорода или метано-­водородного топлива из природного газа рядом с крупными зарубежными потребителями, например, сталелитейными промышленными предприятиями, электрогенерирующими объектами и др. – самое оптимальное решение.
Реализация данной концепции в рамках Зеленого курса ЕС (с акцентом на водородную энергетику) открывает дополнительные возможности для российской газовой отрасли. Если краткосрочный потенциал природного газа для низкоуглеродного развития ЕС заключается в быстром сокращении выбросов СО2 при замещении угольной генерации, то долгосрочный – в возможности производства из метана водорода без выбросов CO2. Это будет иметь жизненно важное значение для ЕС при реализации эффективной политики по декарбонизации экономики, поскольку ряд европейских экспертных мнений показывает, что «зеленый» водород будет значительно дороже, чем водород с низкими или нулевыми выбросами диоксида углерода, произведенный из природного газа, до 2050 года и, вероятно, дальше. Это связано с тем, что электролиз воды – очень энергоемкий процесс, требующий от 48 до 78 кВт∙ч дорогой возобновляемой электрической энергии на 1 кг полученного водорода [9] (в разы больше, чем энергопотребление процессов получения водорода из природного газа).
В соответствии с оценкой IHS Markit дополнительный спрос на природный газ в Европе как сырье для производства водорода может составить 80 млн т н. э. (или 84 млрд кубометров) к 2050 году.
Пиролиз метана – процесс получения водорода
без выбросов СО2
Один килограмм водорода, получаемого с помощью парового риформинга природного газа, сопровождается образованием порядка 9 кг СО2экв. («well-to-gate» охват) [3]. Однако предлагаемый ЕС целевой показатель углеродоемкости процессов получения водорода (в соответствии с инициативой CertifHy) составляет половину от этого значения. Следовательно, продолжение использования обычного парового риформинга метана потребует масштабного применения технологий улавливания, использования и захоронения диоксида углерода (CCUS), что несомненно отразится на себестоимости получаемого водорода, так как инвестиции в создание дополнительной производственной структуры возрастают в среднем на 16 % [9].
Существующий технологический задел, имеющийся в мире, способен обеспечить низкоуглеродное производство водорода из природного газа методом пиролиза. Пиролиз метана – это процесс разложения природного газа (органического сырья). Пиролиз метана является альтернативным подходом к получению водорода из природного газа без образования CO2 в ходе реакции: Ch5 → C↓ + 2h3↑.
При пиролизе метана образуется водород, который может быть использован в энергетике, транспортном секторе, в промышленных / химических процессах и т. д. для снижения выбросов загрязняющих веществ и парниковых газов, а также углерод в твердой форме.
Пиролиз метана относится к целому ряду процессов (по аналогии с конверсией метана), которые могут быть разделены на несколько больших классов – термический пиролиз, каталитический пиролиз, плазменный пиролиз, а также отдельно может быть выделен пиролиз в жидких средах, например, расплавах металлов.
В настоящее время пиролизом метана на промышленном уровне получают, например, технический углерод, с побочным образованием водородсодержащего газа. Процессы целенаправленного получения низкоуглеродного водорода пиролизом метана – предмет научных исследований. В то время, как компании BASF, Thyssenkrupp и Linde сосредоточились на процессе термического пиролиза, американская компания Monolith занимается плазменным пиролизом. Другой подход применяют IASS и KIT – использование жидкого металла в качестве теплоносителя. Напротив, австралийский процесс HAZER® компании Hazer Group основан на каталитическом пиролизе метана. Степень готовности технологий находится в интервале TRL4–7 [10].
Для термического разложения метана необходимы высокие температуры (выше 1000 °C). Использование катализатора помогает увеличить скорость реакции и, таким образом, снижает температуру, требуемую для конверсии природного газа. Технологической особенностью такого процесса является периодическое восстановление катализатора, что сопровождается выбросами диоксида углерода и, таким образом, повышается «углеродный след» получения водорода. Поиск дешевых катализаторов для исключения этапа восстановления – актуальное направление исследований, результаты которых уже существуют. Примером такого катализатора служит железная руда (The Hazer Process). Потребность процесса в тепловой и электрической энергии может частично покрываться за счет получаемого водорода.
Плазменный пиролиз – это способ разложения метана в плазме (например, сверхвысокочастотного разряда). В этом случае в качестве источника энергии используется электроэнергия (сетевая или возобновляемая) и, соответственно, процесс не сопровождается «прямыми» выбросами диоксида углерода.
Существенным преимуществом пиролиза метана является меньший удельный расход электроэнергии (оценивается менее 20 кВт·ч на килограмм водорода) в сравнении, например, с электролизом воды (от 48 до 78 кВт∙ч) [9].

«Углеродный след» получения водорода в ЕС

В технологиях пиролиза метана не образуются «прямые» выбросы диоксида углерода (рис. 3), а «косвенные» выбросы зависят от «углеродного следа» поставок природного газа и электроэнергии (сетевой или возобновляемой), используемых в процессе.
При этом технологически обусловленные минимальные фугитивные выбросы метана при добыче и транспортировке природного газа, могут быть потенциально компенсированы с помощью специальных мер (например, лесовосстановления), а использование возобновляемого электричества позволит значительно снизить «углеродный след» получения водорода методом пиролиза метана.

Рис. 3. «Прямые» выбросы СО2 и затраты энергии на процессы производства водорода

Производство оборудования, транспортировка, а также эксплуатация и восстановление катализаторов играют второстепенную роль.
По экспертной оценке, выполненной Техническим университетом Мюнхена (TUM), пиролиз метана демонстрирует «углеродный след» в диапазоне 2,1–5,2 кг CO2экв. на 1 кг полученного водорода с учетом усредненного для ЕС «углеродного следа» поставок природного газа (рис. 4).

Рис. 4. «Углеродный след» производства водорода (на примере ЕС)

При использовании сетевого электричества в качестве источника энергии пиролиз метана имеет преимущества в части «углеродного следа» по сравнению с электролизом воды из-за низкого потребления электрической энергии. При этом удельные выбросы углекислого газа при электролизе воды и плазменном пиролизе с использованием возобновляемого электричества (фотовольтаики) сопоставимы.
В зависимости от способов (сжиженный природный газ, трубопроводный газ) и маршрутов «углеродный след» поставок природного газа в ЕС может достигать значения 25 г СО2экв. /МДжLHV. Для российских трубопроводных проектов «Северный поток», «Северный поток‑2», «Турецкий поток» «углеродный след» поставок газа оценивается в пределах 6,3–7,3 г СО2экв. /МДжLHV – это одни из самых минимальных значений для возможных маршрутов поставок природного газа до границы с ЕС [11].

Рис. 5. «Углеродный след» крупномасштабного производства
низкоуглеродного водорода из российского природного газа

С учетом транспортировки газа по новым российским газопроводам и использования возобновляемых источников энергии (ветра и солнца) «углеродный след» получения водорода, например, плазменным пиролизом метана, в районе точки выхода газопровода «Северный поток» оценивается всего в 1,2–1,6 кг СО2экв. на 1 кг водорода 2.
Таким образом, водород, получаемый пиролизом метана, по критерию углеродоемкости соответствует низкоуглеродному водороду согласно опубликованной водородной стратегии ЕС, а также проектным параметрам для устойчивых инвестиций [12] и является одним из эффективных решений для достижения краткосрочных и долгосрочных климатических целей ЕС.

Побочный углерод в твердой форме – ценный продукт

При пиролизе метана технологический процесс обеспечивает производство углерода в твердой форме – так называемого технического углерода. На один килограмм водорода, как правило, образуется около 3‑х килограммов углерода, при этом существует возможность получения ценных продуктов, например, синтетического графита, графена, фуллеренов, углеродных нанотрубок, использование которых имеет перспективы в электротехнике, электронике, строительстве, машиностроении и др. В отличие от диоксида углерода в газообразной форме, твердый углерод легко хранить. Отдельным перспективным направлением углеродных материалов выступает адсорбционное хранение газов. Таким образом, производство твердого углерода позволяет не только снизить прямые выбросы диоксида углерода, но и создать новые рыночные возможности [10].
Если водород, производимый сегодня в мире, получать пиролизом метана, то образование твердого углерода составило бы порядка 200 миллионов тонн в год. При этом были бы исключены «прямые» выбросы диоксида углерода при производстве водорода, а сокращение выбросов парниковых газов с учетом «углеродного следа» составило бы 700–900 миллионов тонн СО2экв в год . Кроме того, использование углеродного материала вместо традиционного угля позволило бы предотвратить выбросы парниковых газов угольной отрасли при добыче и транспортировке. Указанные преимущества могут оказаться актуальными для сталелитейной промышленности. По данным [14], три тонны твердого углерода, получаемого в качестве побочного продукта при пиролизе метана, могут заместить 3,7 тонны коксующегося угля. Другие доступные рынки углерода в мире и приблизительные их объемы представлены на рис. 6.

Рис. 6. Рынок углерода в мире

Прогнозируемый темп роста рынка графена оценивается в 38,7 % в год. Ожидается, что к 2027 году мировой рынок графена достигнет 1,08 млрд долларов США [15].
Пиролиз метана имеет преимущества с экономической точки зрения. При оценочных затратах на производство 1 килограмма водорода 1,36–1,79 $ (в зависимости от типа процесса) с учетом коммерческой реализации углерода, пиролиз метана конкурирует с электролизом (4,61–14,87 $ / кг h3) и паровым риформингом (1,03–2,16 $ / кг h3) [16]. Водород, производимый пиролизом метана, отличается наименьшей стоимостью среди низкоуглеродного и возобновляемого водорода и может стать важной частью будущей «циркулярной экономики» ЕС.

Вызовы водородной экономики

В истории человечества уже были случаи, когда химические вещества (соединения), которые выбрасывались в атмосферу в результате хозяйственной деятельности, в будущем приводили к неожиданным экологическим проблемам.
Транспортный сектор и местное загрязнение воздуха, производство галокарбонов (например, хлорфторуглерода) и глобальное разрушение озонового слоя – серьезность этих проблем стала понятна только после того, как были внедрены промышленные технологии. Учитывая растущий интерес к водородной экономике, сейчас самое время корректно оценить ее экологические последствия, для предотвращения возможных экологических проблем.
Атмосфера Земли содержит в общей сложности ~175 тераграмм водорода (175 млн тонн) или 0,5 ppm, который влияет на глобальную химию атмосферы – поглощает один радикал OH и высвобождает один радикал HO2 (плюс водяной пар). Учитывая, что радикал OH является первичным поглотителем метана, сокращение его (радикала ОН) содержания в атмосфере будет способствовать увеличению содержания в атмосфере метана [17]. Таким образом, водород является косвенным парниковым газом.
По оценкам [17], учитывая время жизни водорода в атмосфере равное ~2 годам, утечки водорода в размере ~100 млн тонн в год увеличат содержание его в атмосфере на ~200 млн тонн, что, в свою очередь, будет способствовать увеличению глобального среднего содержания метана в атмосфере на 4 %. Такое повышение концентрации метана в атмосфере соответствует климатическому воздействию, вызванному выбросами CO2 современной авиацией.
Еще одним экологическим вызовом водородной экономики является возможное нарушение круговорота воды и снижение устойчивости биосферы. При масштабном применении электролиза воды для производства возобновляемого водорода потребуются огромные объемы специально подготовленной воды. По данным IRENA [18] для обеспечения декарбонизации глобальное потребление возобновляемого водорода должно быть на уровне 160 млн тонн к 2050 году, что потребует 7500 ТВт∙ч электрической энергии и около 3 миллиардов тонн воды . Использование воды в процессах электролиза в одних регионах (производителях водорода) и выбросы воды (водяного пара) при использовании этого водорода в других (потребителях водорода), может негативным образом отразиться на экологической обстановке этих регионов.

Заключение

В свете вышеприведенных фактов при развитии водородной энергетики важно соблюдать принцип технологической нейтральности, исходить не из геополитических предпочтений и модных трендов, а из экономической целесообразности. Внедрение дискриминационных механизмов, направленных против водорода, получаемого из природного газа в соответствии с требованиями углеродоемкости процессов, может привести к экономически неэффективной политике декарбонизации экономики, а также увеличению выбросов парниковых газов.
Необходимо в первоочередном порядке качественно и в полной мере оценить возможные риски перехода к водородной экономике в целях недопущения в будущем негативных экологических последствий, снижения уровня жизни населения, угроз здоровью.
При трансформации энергетических моделей необходимо учитывать, что в настоящее время в большинстве случаев не исчерпан потенциал природного газа для устойчивого, в том числе низкоуглеродного развития экономики.

Использованные источники

1. IEA. The Future of Hydrogen. Report prepared by the IEA for the G20, Japan. – URL: https://www.iea.org/reports/the-future-of-hydrogen
2. Аксютин О.Е. и др. Метан, водород, углерод: новые рынки, новые возможности. Нефтегазовая вертикаль, №1-2/2021.
3. European Commission. Communication from the Commission to the European Parliament, the Council, the European economic and social committee and the committee of the regions. A hydrogen strategy for a climate-neutral Europe. Brussels, 8.7.2020. COM(2020) 301 final. – URL: https://ec.europa.eu/energy/sites/ener/files/hydrogen_strategy.pdf
4. Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi). Die Nationale Wasserstoffstrategie. – URL: https://www.bmwi.de/Redaktion/DE/Publikationen/Energie/die-nationale-wasserstoffstrategie. html
5. Информационные бюллетени по материалам представительства ПАО «Газпром» в Королевстве Бельгия в г. Брюсселе.
6. Энергетическая стратегия Российской Федерации на период до 2035 года.
7. European Clean Hydrogen Monitor 2020, Hydrogen Europe.
8. Energy Briefing «Gas, Power, Renewables and Energy Futures». Session VI: Europe`s Emerging Hydrogen Ambitions: What does it mean for Russia, IHS Markit.
9. Hydrogen and hydrogen-derived fuels through methane decomposition of natural gas – GHG emissions and costs. Sebastian Timmerberg, Martin Kaltschmitt, Matthias Finkbeiner. Energy Conversion and Management: X 7 (2020) 100043.
10. Ishkov A., Romanov K., Teterevlev R., Kuhn M. Cost-effective and clean ways of producing hydrogen from natural gas. International Gas Union. International Gas, 10-2020, Industry expected to rebound in 2021.
11. Life Cycle Emissions of Natural Gas Transported via TurkStream. Final Report. © thinkstep, a Sphera Company.
12. Guidehouse. Hydrogen generation in Europe: overview of costs and key benefits. – URL: https://op.europa.eu/en/publication-detail/-/publication/7e4afa7d-d077-11ea-adf7-01aa75ed71a1/language-en?WT.mc_id=Searchresult&WT.ria_c=37085&WT.ria_f=3608&WT.ria_ev=search
13. Life Cycle Assessment and Water Footprint of Hydrogen Production Methods: From Conventional to Emerging Technologies. Andi Mehmeti, Athanasios Angelis-Dimakis, George Arampatzis, Stephen J. McPhail, Sergio Ulgiati. Environments 2018, 5, 24; doi:10.3390/environments5020024.
14. Hydrogen production using methane: Techno-economics of decarbonizing fuels and chemicals. Brett Parkinson, Mojgan Tabatabaei, David C. Upham, Benjamin Ballinger, Chris Greig, Simon Smart, Eric McFarland. International Journal of Hydrogen Energy. Volume 43, Issue 5, 1 February 2018, Pages 2540-2555.
15. URL: https://www.grandviewresearch.com/press-release/global-graphene-market
16. Parkinson B., Balcombe P., Speirs J. F., Hawkes A. D., Hellgardt K. Levelized cost of CO2 mitigation from hydrogen production routes. Energy & Environmental Science 12 (2019), Nr. 1, S. 19–40 – Überprüfungsdatum 2019-08-22.
17. An Environmental Experiment with h3? Michael J. Prather. www.sciencemag.org SCIENCE VOL 302.
18. IRENA (2020), Global Renewables Outlook: Energy transformation 2050.

Экологичность водорода поставили под сомнение: Госэкономика: Экономика: Lenta.ru

«Чистый» водород — один из главных конкурентов «неэкологичных» видов топлива. С его помощью власти многих стран планируют добиться сокращения вредных выбросов в атмосферу. Однако недавнее исследование поставило под сомнение его экологичность, сообщает MarketWatch.

Ученые из Корнелльского и Стэнфордского университетов утверждают, что называть водород топливом с нулевым уровнем выбросов неправильно. Считается, что водород, извлекаемый из природного газа, имеет более низкую эмиссию углерода, чем большинство ископаемых видов топлива. Это вещество называют «голубым» водородом (blue hydrogen). Однако в процессе его добычи также выделяется углекислый газ и метан.

Материалы по теме:

В своей работе исследователи измерили эмиссию углерода и метана, который утекает из оборудования при добыче природного газа. Они обнаружили, что при получении «голубого» водорода общий выброс парниковых газов на 20 процентов больше, чем при обычном сжигании природного газа или угля для производства энергии, и на 60 процентов больше, чем при сжигании дизельного топлива. Ученые также отметили, что эмиссия метана у «голубого» водорода даже выше, чем у так называемого серого водорода. Последний выделяется при добыче ископаемого топлива и широко используется в промышленности, считаясь вредным для экологии.

Однако экологическая организация Clean Air Task Force утверждает, что приводимые показатели выброса метана завышены. Согласно данным самого авторитетного исследования на данный момент, которое опубликовал журнал Science, уровень выброса метана в этом процессе составляет около 2,3 процента, в то время как в совместном исследовании Корнелльского и Стэнфордского университетов указана показатель в 3,5 процента.

Водородные программы для поддержки экологии развернули во многих странах мира. Например, в США президент Джо Байден при поддержке Конгресса активно поддерживает «голубой» водород как новый источник энергии в «декарбонизированном» будущем. В этом году президент объявил о своих планах достичь углеродной нейтральности в США к 2050 году. Власти России также проявили интерес к производству водорода: в стране утвердили концепцию развития водородной энергетики, которая пройдет в три этапа.

Углекислый газ — источник чистой энергии?

AFP

Углекислый газ считается одной из основных причин глобального потепления. Но мало кто догадывается, что его можно использовать еще и для производства энергии. Две швейцарских фирмы взялись разработать соответствующие технологии.

Этот контент был опубликован 11 апреля 2014 года — 11:00 11 апреля 2014 года — 11:00

Скотт Каппер (Scott Capper), swissinfo. ch

Доступно на 8 других языках

Углекислый газ в настоящее время является газом с самой плохой репутацией, хотя без него Земля давно бы превратилась в космический холодильник, растеряв все свое тепло. Однако то, что миллионы лет назад способствовало появлению и развитию жизни, сегодня угрожает поставить на этой жизни крест.

Речь идет о техногенной углекислоте, которая является парниковым газом и грозит катастрофическим повышением средней температуры на планете. Однако ничто в природе нельзя назвать однозначно вредным или полезным. Это касается и углекислоты. Невероятно, но факт: углекислый газ или двуокись углерода можно использовать для производства энергии, не отягощая при этом атмосферу вредными выбросами, а, напротив, очищая наш воздух от ненужных примесей.

«DAC» против «CCS»

Технология «Прямого захвата и очистки воздуха» («Direct air capture» — «DAC») подразумевает выделение CO2 напрямую из атмосферного воздуха. Другим основным технологическим вариантом поглощения СО2 является технология «CCS» на основе фильтров, с помощью которых происходит поглощение и хранения углекислого газа. Обычно такие фильтры применяются в трубах, отводящих дым в атмосферу.

Проблемой технологии «DAC» является экономический фактор, который нужно снизить для того, чтобы эта технология могла конкурировать с «CCS». По данным некоторых исследований, стоимость «DAC» пока почти в десять раз выше. Эта технология все еще остается в значительной степени экспериментальной и до полномасштабного промышленного применения ей далеко, хотя и метод «CCS» пока широкого распространения не нашел.

Кроме «Climeworks» над совершенствованием технологии «DAC» трудится еще ряд компаний, в том числе такие, как «Carbon Engineering», «Global Thermostat», «Coaway and Terraleaf». Многие из этих фирм являются старт-апами. В этом же направлении работают сейчас ученые из Колумбийского университета, Технологического института Джорджии и Университета Южной Калифорнии.

End of insertion

Две швейцарских компании в настоящее время разрабатывают технологии, которые позволят в будущем использовать СО2 для получения дешевой и чистой энергии. Один из этих научных проектов, финансируемый из частных источников, намерен, упрощенно говоря, очищать воздух от CO2 при помощи своего рода гигантского пылесоса. Другой проект, финансируемый из общественных бюджетов, разрабатывает технологию получения из углекислоты метана при помощи минералов цеолитной группы.

Первым проектом в течение последних пяти лет занимается расположенная в Цюрихе компания «Climeworks», являющаяся венчурным проектом Высшей технической школы Цюриха. Эта компания намерена разработать технологию, которая позволяла бы на постоянной основе извлекать атмосферный CO2, который затем можно было бы использовать для производства синтетического топлива или применять для других целей.

Эта компания собирается аккумулировать углекислый газ путем пропускания воздуха через специально обработанный целлюлозный фильтр, расположенной внутри своего рода большого пылесоса. После того, как этот фильтр до предела насыщается углекислотой, он нагревается при помощи энергии, полученной на основе биогаза или из другого возобновляемого источника энергии, за счет чего ученые получают в свое распоряжение исключительно «чистый» углекислый газ.

«Мы стремимся, если говорить на научном жаргоне, декарбонизировать транспортный сектор, на долю которого приходится самый большой процент общих выбросов СО2», — говорит Кристоф Гебальд (Christoph Gebald), один из основателей компании «Climeworks».

Партнерство с «Ауди»

По данным Межправительственной группы экспертов ООН по изменению климата, антропогенное (техногенное) изменение климата на 3,5% обусловлено воздействием на атмосферу авиации. А всего на сектор мирового транспорта приходятся 13% от общей «вины» за глобальное потепление.

Сейчас в мире идет гонка научных и технологических проектов, с помощью которых можно было бы снизить вредное воздействие транспорта на атмосферу. Компания «Climeworks», например, разработала технологию «прямого захвата и очистки воздуха» («Direct air capture» — «DAC»), при помощи которой, фильтруя около двух миллионов кубических метров воздуха в год, можно получать до одной тонны углекислого газа.

Результат первых тестов был настолько интересным, что свое внимание на данную технологию обратил немецкий автогигант «Audi». С точки зрения концерна такая технология могла бы стать ключевым элементом создания транспортных средств, работающих на синтетическом топливе.

Технология «Прямого захвата и очистки воздуха» («Direct air capture» — «DAC») Climeworks

«То, что им нужно, это устойчивый источник углекислого газа», — отмечает К. Гебальд, — «Он может быть либо биогенным, либо атмосферным». Однако, как считает молодой предприниматель, биогенные источники углекислоты, работающие на основе сжигания или разложения биоматериала, не могут в достаточной степени удовлетворить потребности компании «Ауди».

Поэтому принято решение построить в ближайшем будущем тестовую установку на основе технологии «прямого захвата и очистки воздуха», которая должна выявить производственный потенциал данного способа добычи углекислоты. И если этот потенциал окажется достаточно большим, то эту технологию концерн «Audi» может использовать для массового производства синтетического топлива. Кроме того, возможно, ее можно будет применять и в других сферах.

Empa

Многое зависит от того, насколько успешно будет в будущем развиваться компания «Climeworks». Перспективы вырисовываются неплохие. Фирма уже сейчас является одним из 11-ти финалистов конкурса «Virgin Earth Challenge», состязания с призовым фондом в 25 млн. долларов. Цель конкурса — выявить технологии, которые могут обеспечить «разработку экологически устойчивого и экономически рентабельного метода удаления парниковых газов из земной атмосферы».

Проблемы и задачи

Извлечение и накопление углекислого газа является лишь одним из ряда шагов в процессе производства синтетического топлива. В теории еще одним источником энергии может стать метан, добывать который относительно просто, в частности, на основе смеси водорода с диоксидом углерода.

Данная смесь получает импульс от внешнего — в идеале возобновляемого — источника энергии, в результате чего запускается реакция, названная по имени французского химика и нобелевского лауреата Поля Сабатье́ (Paul Sabatier, 1854 — 1941), открывшего её в начале 20 века. Итогом реакции становится метан плюс вода в качестве побочного продукта.

Основная проблема заключается в том, чтобы сделать данный процесс экономически рентабельным. Не менее сложна и процедура отделения молекул воды от молекул метана. Добавление катализатора, элемента, который ускоряет процесс, могло бы помочь преодолеть некоторые сложности. Однако данный подход таит в себе риск выделения угарного газа (СО) и получения совершенно недостаточных итоговых объемов метана.

Решением этих и иных проблем занимаются недалеко от Цюриха ученые швейцарского федерального «Научного Института проблем контроля и сопротивления материалов» («Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt» — «EMPA»). Они разработали метод абсорбирования углекислоты с последующим превращением ее в микропористые минералы группы цеолитов.

«Обогащенные никелем цеолиты способны абсорбировать получаемую в результате реакции Сабатье воду. Хорошо то, что угарный газ почти не выделяется, при этом в результате мы получаем как раз искомый метан», — рассказывает Андреас Боргшульте (Andreas Borgschulte), ученый и руководитель проекта. Технология эта пока далека от совершенства.

«Основной вопрос сейчас заключается в поиске методов, при помощи которых данный процесс будет работать и при низких температурах. Проблема состоит также в том, что объем воды, который цеолит способен абсорбировать, пока ограничен, а поэтому нам приходится искать способы „сушки“ этих минералов, их „регенерации“. Так что мы продолжаем наши эксперименты», — поясняет ученый.

Главные сложности впереди

По словам Андреаса Боргшульте, здесь возникают не только химические, но и технические сложности, например, следует определить, какой должна быть конструкция реактора, внутри которого будет проходить реакция Сабатье, и как следует организовать отвод и накопление значительных объемов метана и энергии, не говоря уже о вопросах финансирования.

Еще одна проблема заключается в том, чтобы свести к нулю негативное воздействие данной технологии на атмосферу, а это значит, что требуемая для ее функционирования углекислота должна добываться на основе переработки биомассы, а не в результате сжигания минерального топлива.

«Цены на газ сейчас очень низкие, так что нам пока трудно с ним конкурировать», — замечает Боргшульте. «Синтетический газ все еще дороже естественного в пять раз». Накладные расходы являются проблемой и для фирмы «Climeworks». По данным цюрихской Высшей технической школы (ЕТН) добывание CO2 из воздуха стоит сейчас до 600 франков за тонну, но эта фирма надеется в ближайшие годы сократить расходы до 100 франков за тонну, что сделает процесс более или менее рентабельным.

Разрабатываемая компанией «Climeworks» технология как раз и двигается именно в этом направлении. Она исходит из того, что тепловая энергия, необходимая в рамках данного метода для абсорбирования углекислого газа, эквивалентна температуре, не превышающей 100 градусов Цельсия, тогда как другие технологии и системы требуют куда больше энергии, эквивалентной температуре в 300 градусов.

Впрочем, все эти технологии, даже будучи «доведенными до ума» и нашедшими самое широкое применение, все равно проблему глобального потепления решить не смогут. «Эти технологии — не панацея и не палочка-выручалочка. Они должны быть важной, но только частью глобальной средне- и долгосрочной программы действий по предотвращению потепления. Разработка такой программы, на мой взгляд, куда важнее», — указывает К. Гебальд.

Неоднозначная углекислота

Углекислый газ (СО2) играет важную роль в формировании климата и определении температуры на земной поверхности. Этот газ является неотъемлемой частью так называемого «геохимического цикла углерода» — комплекса процессов, в ходе которых происходит перенос углерода между различными геохимическими резервуарами. В истории Земли углеродный цикл менялся весьма значительно, причем имели место как медленные постепенные изменения, так и резкие катастрофические события. Важнейшую роль в круговороте углерода играют живые организмы. В различных формах углерод присутствует во всех оболочках Земли.

Геохимический цикл углерода всегда происходит через атмосферу и гидросферу. Тем самым, даже самые глубинные процессы могут влиять на окружающую среду и биосферу. Сегодня, однако, велики опасения, что из-за поступления техногенной углекислоты в атмосферу, в результате чего ее доля в ней увеличилась на 31% по сравнению с доиндустриальной эпохой, может наступить катастрофическое глобальное потепление. Углекислый газ является не единственным парниковым газом. Метан и оксид азота так же создают парниковый эффект, а вот угарный газ такого влияния не оказывает.

Цеолиты — большая группа близких по составу и свойствам минералов, водные алюмосиликаты кальция и натрия из подкласса каркасных силикатов, со стеклянным или перламутровым блеском, известных своей способностью отдавать и вновь поглощать воду в зависимости от температуры и влажности. Другим важным свойством цеолитов является способность к ионному обмену — они способны селективно выделять и вновь впитывать различные вещества, а также обменивать катионы. Наиболее распространённые представители группы цеолитов — натролит, шабазит, гейландит, стильбит (десмин), морденит, томсонит, ломонтит.

Статья в этом материале

Ключевые слова:

Эта статья была автоматически перенесена со старого сайта на новый. Если вы увидели ошибки или искажения, не сочтите за труд, сообщите по адресу [email protected] Приносим извинения за доставленные неудобства.

Водород вместо нефти, газа и угля — новый тренд в Европе | Экономика в Германии и мире: новости и аналитика | DW

В Европе явно назревает водородный бум. Во всяком случае, в разных странах к нему начинают активно готовиться. В последнее время в СМИ появляется все больше сообщений о пилотных проектах с водородом — и все чаще мелькает химическое обозначение этого газа: h3.

Кто претендует на титул «водородная держава №1»

Так, в Германии сооружается крупнейшая в мире установка по его производству методом электролиза и стартует эксперимент по частичному замещению водородом природного газа в отоплении жилья. Над этим же, над заменой метана на h3 в газопроводной сети, работают и в Великобритании. В Нидерландах и Бельгии собираются протестировать речное судно на водородном топливе и создать для него систему заправки. 

Себастьян Курц обещает превратить Австрию в мирового лидера в области водородных технологий

В Австрии три ведущих концерна готовят сразу несколько совместных пилотных проектов, в том числе по использованию водорода вместо угля при производстве стали, а бывший и, вероятно, будущий канцлер, консерватор Себастьян Курц в ходе избирательной кампании выдвигает лозунг превращения своей страны в «водородную державу №1». На эту же роль претендует и Франция. Да и Германия вполне сможет побороться за такой титул.  

Пригородные электрички на водороде: лидирует ФРГ 

Ведь два пока единственных в мире водородных поезда Coradia iLint эксплуатируются именно в Германии. Более того, они уже успешно отработали свои первые 100 тысяч километров. Это произошло в июле, спустя десять месяцев после начала регулярной перевозки пассажиров по стокилометровому маршруту между городами Бремерхафен, Куксхафен, Букстехуде и Бремерфёрде.  

До конца 2021 года на этой не электрифицированной железнодорожной линии на северо-западе страны в федеральной земле Нижняя Саксония собираются полностью отказаться от дизельных локомотивов, заменив их на 14 поездов, вырабатывающих электроэнергию в топливных элементах в ходе химической реакции между водородом и кислородом. Вместо выхлопов получается вода.

Пригородная водородная электричка Coradia iLint эксплуатируется в Германии с сентября 2018 года

Такие же водородные электрички решили использовать и в федеральной земле Гессен. В мае выпускающий их французский концерн Alstom получил заказ объемом в 500 млн евро на 27 поездов, которые с 2022 года планируется использовать для пригородного сообщения с горным массивом Таунус к северо-западу от Франкфурта-на-Майне.

В результате ФРГ станет бесспорным мировым лидером в области водородного железнодорожного транспорта. Тем более, что интерес к инновационным поездам Alstom проявляют и другие федеральные земли. С некоторыми из них, сообщил глава германского филиала концерна Йорг Никутта (Jörg Nikutta) агентству dpa, он ведет сейчас «активные переговоры».   

Эксперименты с водородом в газовой сети

Немцев и в целом европейцев водород привлекает, прежде всего, из экологических соображений. При использовании h3 в атмосферу не выделяется углекислый газ CO2, самый большой виновник в парниковом эффекте и глобальном потеплении, так что более широкое внедрение водородных технологий поможет странам ЕС выполнить обязательства, взятые на себя в рамках Парижского соглашения по климату (Германия, к примеру, их пока не выполняет).

Но есть и экономический интерес. Он связан с тем, что использование такого возобновляемого источника энергии, как водород, снижает потребность в ископаемых энергоносителях, чаще всего импортируемых (в том числе из России). Например, в нефти и нефтепродуктах, на которых работают, скажем, дизельные локомотивы в том же Таунусе на не электрифицированных маршрутах.   

Впрочем, немецкая компания Avacon, начинающая пилотный проект по примешиванию к природному газу до 20 процентов водорода, в своих заявлениях говорит исключительно о защите климата. Эксперимент призван доказать, что к используемому для отопления газу можно добавлять не до 10 процентов h3, как предписывают действующие нормы, а в два раза больше. В результате сократится выброс CO2, поскольку будет сжигаться меньше углеводородного топлива.

Масштабы эксперимента скромные: он проводится в одном из районов городка Гентхин в восточногерманской земле Саксония-Анхальт. Выбрали это место потому, что имеющаяся здесь газовая инфраструктура по своим техническим характеристикам наиболее типична для всей сети компании Avacon. «Поскольку зеленый газ будет играть все более важную роль, мы хотим переоснастить свою газораспределительную сеть так, чтобы она была приспособлена к приему как можно более высокой доли водорода», — поясняет стратегическую цель эксперимента член правления Avacon Штефан Тенге (Stephan Tenge).   

Power to Gas: возобновляемая энергия, электролиз, «зеленый водород«

Под «зеленым газом» он подразумевает «зеленый водород»: так принято называть тот h3, который образуется наряду с кислородом O2 при электролизе обычной воды. Процесс этот технически весьма простой, но очень энергоемкий. Однако если использовать для него излишки электроэнергии, вырабатываемой из возобновляемых источников — ветер и солнце, то получается безвредное для климата топливо, произведенное без выбросов в атмосферу CO2.

НПЗ Shell в Весселинге: здесь будет крупнейшая в мире установка P2G по производству водорода

Собственно, начавшееся уже несколько лет назад распространение в Европе этой технологии, получившей название Power to Gas (P2G), и лежит в основе растущего европейского интереса к водороду. Так, в конце июня британо-нидерландский концерн Shell при финансовой поддержке Евросоюза (ЕС предоставил 10 из 16 млн евро) начал в Германии на территории своего нефтеперерабатывающего завода в Весселинге под Кёльном строительство крупнейшей в мире установки по производству водорода методом электролиза. До сих пор его получают здесь из природного газа.

После ввода в эксплуатацию во второй половине 2020 года мощность установки, сообщает Shell, составит ежегодно 1300 тонн водорода, который будет использоваться главным образом в производственных процессах на самом НПЗ. Но часть пойдет на то, чтобы превратить территорию между Кёльном и Бонном в модельный регион по внедрению h3, в том числе как топлива для автобусов, грузовых и легковых автомобилей, возможно — для судов, ведь Рейн в непосредственной близости.      

Будет ли Великобритания отапливаться водородом?

Тем временем в третьем по размерам британском городе Лидсе энергетическая компания Northern Gas Networks готовит пилотный проект под многозначительным названием h31, который схож с тем, что проводится в немецком Гентхине, но значительно превосходит его по масштабам. Конечная цель: во всем городе полностью перевести отопление с природного газа, метана, на водород. Морские ветропарки для его производства методом электролиза имеются.

А соответствующие нагревающие воду бойлеры вот уже три года разрабатывает в английском городе Вустере филиал немецкой фирмы Bosch Termotechnik. Его глава Карл Арнцен (Carl Arntzen) рассказал газете Die Welt, что правительство Великобритании до самого последнего времени собиралось снижать значительные выбросы CO2 путем перевода отопительных систем по всей стране с газа на электричество, однако в этом году министерство экономики очень заинтересовалось водородной идеей.

Перед Northern Gas Networks и другими британскими газовыми компаниями это открывает перспективу перепрофилировать и тем самым сохранить имеющуюся газораспределительную систему, которая в случае электрификации отопления оказалась бы ненужной.

Водородные автомобили: высоки ли их шансы? 

Пока британское правительство только присматривается к водороду, лидер австрийских консерваторов Себастьян Курц идеей его широкого внедрения уже настолько увлекся, что сделал ее одним из своих предвыборных лозунгов. Его шансы выиграть в сентябре парламентские выборы и вновь возглавить правительство весьма высоки. И тогда, надо полагать, различные водородные проекты могут рассчитывать на активную поддержку Вены.

А конкретные проекты уже есть, поскольку три ведущие промышленные компании страны — энергетическая Verbund AG, нефтегазовая OMV и металлургическая Voestalpine — решили совместно форсировать внедрение в Австрии водородных технологий. Первый совместный проект стоимостью 18 млн евро (12 млн из них предоставил ЕС) будет реализован в Линце уже к концу 2019 года: там речь идет о замене угля на водород при производстве стали. А НПЗ Schwechat близ Вены планирует для собственных нужд наладить производство h3 методом электролиза — как Shell близ Кёльна.

Увлечение водородом обрело в Европе уже такие масштабы, что консалтинговая компания Boston Consulting Group (BCG) сочла нужным предупредить об опасности завышенных ожиданий и ошибочных инвестиций. Наилучшие перспективы «зеленый водород» имеет в промышленности, а также на грузовом, воздушном и водном транспорте, рассказал газете Handelsblatt Франк Клозе (Frank Klose), соавтор только что опубликованного исследования BCG.

А вот у легковых машин на водороде шансы на успех (пока, во всяком случае) представляются минимальными, хотя японская компания Toyota и собирается расширять их выпуск. На 1 января 2019 года в Германии, к примеру, было зарегистрировано всего-то 392 автомобиля, работающего на h3. У электромобилей, не говоря уже о гибридах, перспективы явно лучше. 

______________

Подписывайтесь на наши каналы о России, Германии и Европе в | Twitter | Facebook | YouTube | Telegram 

Смотрите также:

• Технологии хранения энергии из возобновляемых источников

  Электростанция из аккумуляторов

  Как хранить в промышленных масштабах излишки электроэнергии, выработанной ветрогенераторами и солнечными панелями? Соединить как можно больше аккумуляторов! В Германии эту технологию с 2014 года отрабатывают в институте общества Фраунгофера в Магдебурге (фото). По соседству, в Шверине, тогда же заработала крупнейшая в Европе коммерческая аккумуляторная электростанция фирмы WEMAG мощностью 10 МВт.

• Технологии хранения энергии из возобновляемых источников

  Большие батареи на маленьком острове

  Крупнейшие аккумуляторные электростанции действуют в США и странах Азии. А на карибском острове Синт-Эстатиус (Нидерландские Антилы) с помощью этой технологии резко снизили завоз топлива для дизельных электрогенераторов. Днем местных жителей, их около 4 тысяч, электричеством с 2016 года снабжает солнечная электростанция, а вечером и ночью — ее аккумуляторы, установленные фирмой из ФРГ.

• Технологии хранения энергии из возобновляемых источников

  Главное — хорошие насосы

  Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) — старейшая и хорошо отработанная технология хранения электроэнергии. Когда она в избытке, электронасосы перекачивают воду из нижнего водоема в верхний. Когда она нужна, вода сбрасывается вниз и приводит в действие гидрогенератор. Однако далеко не везде можно найти подходящий водоем и нужный перепад высот. В Хердеке в Рурской области условия подходящие.

• Технологии хранения энергии из возобновляемых источников

  Место хранения — норвежские фьорды

  Оптимальные природные условия для ГАЭС — в норвежских фьордах. Поэтому по такому кабелю с 2020 года подводная высоковольтная линия электропередачи NordLink длиной в 623 километра и мощностью в 1400 МВт будет перебрасывать излишки электроэнергии из ветропарков Северной Германии, где совершенно плоский рельеф, на скалистое побережье Норвегии. И там они будут храниться до востребования.

• Технологии хранения энергии из возобновляемых источников

  Электроэнергия превращается в газ

  Избытки электроэнергии можно хранить в виде газа. Методом электролиза из обычной воды выделяется водород, который с помощью СО2 превращается в метан. Его закачивают в газохранилища или на месте используют для заправки автомобилей. Идея технологии Power-to-Gas родилась в 2008 году в ФРГ, сейчас здесь около 30 опытно-промышленных установок. На снимке — пилотный проект в Рапперсвиле (Швейцария).

• Технологии хранения энергии из возобновляемых источников

  Водород в сжиженном виде

  Идея Power-to-Gas дала толчок разработкам в разных направлениях. Зачем, к примеру, превращать в метан полученный благодаря электролизу водород? Он и сам по себе отличное топливо! Но как транспортировать этот быстро воспламеняющийся газ? Ученые университета Эрлангена-Нюрнберга и фирма Hydrogenious Technologies разработали технологию его безопасной перевозки в цистернах с органической жидкостью.

• Технологии хранения энергии из возобновляемых источников

  В чем тут соль?

  Соль тут в тех круглых резервуарах, которые установлены посреди солнечной электростанции на краю Сахары близ города Уарзазат в Марокко. Хранящаяся в них расплавленная соль выступает в роли аккумуляторной системы. Днем ее нагревают, а ночью используют накопленное тепло для производства водяного пара, подаваемого в турбину для производства электричества.

• Технологии хранения энергии из возобновляемых источников

  Каверна в роли подземной батарейки

  На северо-западе Германии много каверн — пещер в соляных пластах. Одну из них энергетическая компания EWE и ученые университета Йены превратили в полигон для испытания технологии хранения электроэнергии в соляном растворе, обогащенном особыми полимерами, которые значительно повышают эффективность химических процессов. По сути дела, речь идет о попытке создать гигантскую подземную батарейку.

• Технологии хранения энергии из возобновляемых источников

  Крупнейший «кипятильник» Европы

  Человечество давно уже использует тепло для производства электроэнергии. Возобновляемая энергетика поставила задачу, наоборот, превращать электричество, в том числе и избыточное, в тепло (Power-to-Heat). Строительство в Берлине крупнейшего «кипятильника» Европы мощностью 120 МВт для отопления 30 тысяч домашних хозяйств компания Vattenfall намерена завершить к концу 2019 года.

• Технологии хранения энергии из возобновляемых источников

  Накопители энергии на четырех колесах

  Когда по дорогам мира будут бегать миллионы электромобилей с мощными аккумуляторными батареями, они превратятся в еще один крупный накопитель энергии из возобновляемых источников. Этому поспособствуют умные сети энергоснабжения (Smart grid): они будут стимулировать подзарядку по низким ценам в моменты избытка электричества. (На фото — заправка для электромобилей в Китае).

  Автор: Андрей Гурков

Самарские ученые разрабатывают экологичную технологию получения водорода / Интерфакс

«При нагревании метана до высоких температур (более 1000 °C) происходит его разложение на водород и наночастицы углерода, обладающие уникальными физико-химическими свойствами. Среди существующих способов разложения метана наиболее энергоэффективным является его нагрев путем пропускания через слой расплавленного металла, осуществляемого в реакторах. Данный способ экологичен, так как не производит выбросов в атмосферу углекислого газа», — говорится в сообщении.

Отмечается, что специалисты кафедры «Газопереработка, водородные и специальные технологии» и научно-исследовательского центра «Фундаментальные проблемы теплофизики и механики» провели теоретические и экспериментальные исследования гидродинамики, теплообмена и диффузии при разложении природного газа в слое расплавленного олова.

«Реакторы представляют вертикально-цилиндрические конструкции, заполненные расплавленным металлом, в нижней части которых находится сопло для подачи метана. При проектировании реактора необходимо обратить особое внимание на его высоту и объём, чтобы метан, проходя через слой расплавленного металла, нагревался до температуры пиролиза и полностью разлагался. При этом следует определять концентрацию и скорость движения метана, а также температуру и давление смеси метана с оловом по всей высоте реактора. То есть необходимо решать задачу взаимосвязанного тепломассопереноса»,- цитирует пресс-служба директора научного центра Игоря Кудинова.

Кроме этого, ученые выполнили экспериментальное исследование пиролиза метана через слой расплавленного олова на специально изготовленном экспериментальном стенде.

«Во время проведения эксперимента на поверхности олова образовывалось большое количество сажи, которую невозможно было удалить из тигеля реактора вместе с отводимым из установки газом. Мы разработали специальное устройство, которое позволит контролировать уровень расплавленного металла в реакторе и будет непрерывно удалять твердые углеродные частицы», — говорит заведующий кафедрой «Газопереработка, водородные и специальные технологии» Андрей Пименов.

Научно-исследовательская работа выполнялась в рамках гранта «Разработка научных основ технологии и конструирования оборудования генерации водорода для производства метано-водородной смеси и нужд водородной энергетики» федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям научно-технического комплекса России на 2014 — 2020 гг. «.

Результаты исследований опубликованы в журнале International Journal of Hydrogen Energy.

Читайте «Интерфакс-Образование» в «Facebook», «ВКонтакте», «Яндекс.Дзен» и «Twitter»

«Голубой» водород может быть хуже газа и угля

В последнее время много говорят о «голубом» водороде как альтернативном источнике энергии, который может спасти планету от парниковых газов. Правительство России 9 августа утвердило концепцию развития водородной энергетики. Но американские ученые из Корнельского и Стэнфордского университетов подсчитали, что производство «голубого» водорода может нанести больший вред климату, чем сжигание ископаемых видов топлива.

Согласно новому исследованию, опубликованному в издании Energy Science & Engineering, выбросы парниковых газов при производстве «голубого» водорода более чем на 20% больше, чем при сжигании природного газа или угля для производства тепла и примерно на 60% больше, чем при сжигании дизельного топлива для обогрева.

Авторы нового исследования – экологи Роберт Ховарт (Robert Howarth) из Корнельского университета и Марк Якобсон (Mark Z. Jacobson) из Стэнфордского университета.

Поясним, водородная энергетика основана на сжигании водорода для получения тепловой и электрической энергии. Водород для этого нужно каким-то способом произвести. В зависимости от способа производства это топливо и маркируют цветами.

Так «зеленым» называют водород, который можно получить в ходе электролиза (разложения) воды. Он считается самым чистым, но и самым дорогим, поскольку для его производства нужно много электроэнергии, которую тоже надо ещё как-то получить. Объективно самыми чистыми источниками энергии являются вода, ветер, Солнце и атом.

«Серым» и «голубым» считается водород, который производят из природного газа путем его паровой конверсии – сложного химического процесса. При паровой конверсии метана в водород получается два конечных продукта: чистый водород и двуокись углерода (углекислый газ). Последний является парниковым газом.

Напомним, что парниковыми называют газы, которые, оказываясь в атмосфере, создают своего рода плёнку, от которой инфракрасные лучи отражаются к поверхности Земли, а не в космос. Инфракрасное излучение приводит к нагреву всего, что находится под атмосферой. Получается, что газы образуют своего рода парник размером с планету.

Если углекислый газ при паровой конверсии выходит прямо в атмосферу, полученный при этом водород называют «серым». Если углекислый газ при паровой конверсии улавливают и не дают попасть в атмосферу, то полученный таким способом водород называют «голубым».

Согласно расчетам американских исследователей, процесс производства «голубого» водорода в промышленных масштабах требует большого количества энергии, то есть сжигания больших объемов природного газа.

«В прошлом не предпринималось никаких усилий для улавливания побочного продукта «серого» водорода – углекислого газа, и выбросы парниковых газов были огромными, – говорит Ховарт. – Сейчас промышленность продвигает «голубой» водород в качестве решения, подход, который по-прежнему использует метан из природного газа, и пытается улавливать побочный углекислый газ. К сожалению, выбросы [при этом] остаются очень большими».

Ховарт отмечает, что метан – мощный парниковый газ. Он более чем в 100 раз сильнее нагревает атмосферу по сравнению с углекислым газом. Ховарт напоминает, что согласно новому докладу Межправительственной группы экспертов ООН по изменению климата, опубликованному также 9 августа, метан составляет большую часть от общего объема парниковых газов, попавших в атмосферу за последнее столетие.

При этом выбросы парниковых газов при производстве «голубого» водорода меньше, чем при производстве «серого» водорода, всего на 9–12%, отмечают в своей статье ученые. Они объясняют этот факт тем, что хотя выбросы углекислого газа при производстве «голубого» водорода ниже, выбросы метана для «голубого» водорода выше, чем для «серого». Потому что метан используется для обеспечения работоспособности системы улавливания углекислого газа. Эта система, прежде всего, требует большого количества энергии. А значит, электростанции должны расходовать больше топлива – того же природного газа, то есть метана.

Производство и использование «голубого» водорода не приносит пользы, утверждают авторы исследования. По их предположению, «голубой» водород можно рассматривать как отвлекающий фактор, который используют, чтобы отсрочить необходимые действия для декарбонизации мировой энергетической экономики, подобно сланцевому газу.

Авторы также обращают внимание на то, что большая часть усилий по использованию водорода для получения энергии с 2017 года исходила от Водородного совета – группы, созданной нефтегазовой отраслью специально для продвижения водорода с особым упором на «голубой».

С промышленной точки зрения переход с природного газа на «голубой» водород можно рассматривать как экономически выгодный, подчеркивают американские экологи. Ведь для выработки того же количества тепла требуется еще больше природного газа, а значит, нефтегазовая отрасль промышленности как инициатор водородной энергетики только увеличит свои доходы.

Ученые делают оговорку, что если бы удалось не только уловить весь углекислый газ при производстве «голубого» водорода, но и найти способ хранить его бесконечно в специальных хранилищах, то о «голубом» водороде можно было бы говорить всерьез. Но пока у мира нет никакого опыта хранения углекислого газа в промышленном масштабе.

Кроме того, большая часть углекислого газа, который в настоящее время улавливается, используется для увеличения нефтеотдачи, а затем выбрасывается обратно в атмосферу, напоминают исследователи.

Тем временем не только российское правительство собирается развивать водородную энергетику. 10 августа Сенат США принял свою версию Закона об инвестициях в инфраструктуру и рабочие места на сумму один триллион долларов, который включает несколько миллиардов долларов на развитие, субсидирование и укрепление водородных технологий и связанной с этим промышленности.

«Политические силы, возможно, еще не догнали науку, – объяснил такие политические решения Ховарт. – Даже прогрессивные политики могут не понимать, за что они голосуют. «Голубой» водород звучит красиво, звучит современно и звучит как путь к нашему энергетическому будущему. Но это не так».

Ученые также предлагают сделать упор не на «голубой», а на «зеленый» водород.

Тема водородной энергетики уже не раз поднималась в наших публикациях. Ранее мы писали, что «Роснефть» планирует удвоить производство водорода в 2023 году. Также мы рассказывали, что была создана новая технология получения водорода из воды. А еще мы рассказывали, что Россия может стать мировым лидером по производству водорода.

Больше интересных новостей науки вы найдёте в разделе «Наука» на медиаплатформе «Смотрим».

Новый процесс экологически чистой энергии преобразует метан в водород с нулевым выбросом углекислого газа

Как говорится, две ошибки не делают правду. Но могут ли два права компенсировать неправильное?

Может, если правильными вещами являются водород и углерод — два ресурса, наполненных энергией, — а неправильными являются двуокись углерода (CO ₂ ), печально известный парниковый газ.

Исследователи из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL) и Университета Западной Вирджинии (WVU) в сотрудничестве с отраслевыми партнерами Southern California Gas Company (SoCalGas) и C4-MCP разработали процесс, который превращает метан — основной компонент природного газа — в в водород при нулевом выбросе CO ₂ .Этот процесс также создает твердые частицы углерода для производственных целей.

Водород можно использовать в топливных элементах для транспорта, включая грузовые автомобили, и крупномасштабного хранения энергии, в то время как высококачественные углеродные продукты подходят для широкого спектра производственных применений, таких как электроника, медицинские устройства, аэрокосмические композитные материалы и строительные системы. Коммерческая продажа углеродных продуктов компенсирует затраты на производство водорода, что является критическим фактором для промышленности.

«Водородное топливо будет необходимым компонентом для достижения углеродной нейтральности, поэтому мы должны найти способы его экологически чистого и экономичного производства», — сказал Рон Кент, менеджер по развитию технологий низкоуглеродных ресурсов в SoCalGas.Компания выступила спонсором исследования вместе с C4-MCP, LLC и Управлением технологий водорода и топливных элементов Министерства энергетики США (DOE) в рамках Управления по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии. «Хотя этот новый метод все еще находится на ранних стадиях, результаты лабораторных испытаний выглядят очень многообещающими», — сказал Кент.

Новый подход «голубого водорода» — чистый водород из природного газа вместо возобновляемых ресурсов — может помочь Калифорнии достичь своей цели по сокращению выбросов парниковых газов на 40 процентов по сравнению с уровнем 1990 года. В рамках этой цели штат стремится к 2030 году заменить пять миллионов стандартных транспортных средств, работающих на газе, автомобилями с низким или нулевым уровнем выбросов. Эти цели также помогут штату выполнить санитарно-гигиенические требования к качеству воздуха, установленные в федеральном Законе о чистом воздухе. .

В сотрудничестве с промышленностью исследователи из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории и Университета Западной Вирджинии разработали процесс преобразования метана в водород без выделения углекислого газа. Процесс также создает кристаллический углеродный продукт для производственных применений.(Подборка Шеннона Колсона | Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория)

Выращивание углерода из никеля

На протяжении десятилетий ученые и инженеры PNNL проводили исследования с использованием катализаторов для снижения выбросов CO ₂ в результате промышленных процессов и транспорта. Бывший инженер-исследователь PNNL Джон Ху, ныне почетный профессор Колледжа инженерии и минеральных ресурсов Statler в WVU, был одним из этих инженеров.

Ху экспериментировал с катализаторами и процессами, которые могли чисто преобразовывать метан — основной компонент природного газа — как в водород, так и в углерод в процессе, известном как пиролиз.Во время пиролиза газ или жидкость циркулируют над твердым каталитическим материалом под высоким давлением и температурой внутри закрытого сосуда. Последующая химическая реакция превращает основные свойства материала в другие ценные виды топлива и продукты.

Продолжая свои исследования в WVU, Ху обнаружил состав катализатора на основе никеля, который оставался прикрепленным к своей структуре носителя при выращивании углеродных нанокристаллов. Это заякоривание может обеспечить восстановление чистых углеродных нанотрубок (УНТ) и нановолокон, а также регенерацию катализатора.

«Чистота и кристалличность углеродных продуктов, изготовленных из природного газа, очень важны», — сказал Ху. «Углеродные продукты не обязательно продаются только на существующих рынках. Они могут быть дополнительно модернизированы, чтобы выйти на ряд рынков, где углеродные продукты в настоящее время производятся из нефти».

Результаты

Ху, опубликованные в 2017 году в журнале Catalysis Science and Technology , привлекли внимание PNNL и промышленности и легли в основу национального проекта лаборатория-университет-промышленность благодаря финансированию h3@ Управления энергоэффективности и возобновляемых источников энергии Министерства энергетики США. Масштабная инициатива по использованию чистого водорода в экономике.

Испытание катализатора

Первым шагом группы было проведение расширенных испытаний катализаторов и тщательная характеристика полученных углеродных продуктов. Роб Дагл, инженер-химик, который работал с Ху над прошлыми исследовательскими проектами, руководил тестированием и анализом в PNNL, где находится Институт комплексного катализа. Команда также воспользовалась научным опытом и возможностями Лаборатории молекулярных наук об окружающей среде (EMSL), научного пользовательского центра Министерства энергетики, расположенного в кампусе PNNL.

Методы атомной визуализации и анализа позволили исследователям определить состав и стабильность биметаллического катализатора (зеленый цвет) при производстве углеродных нанотрубок (красный цвет). (Изображение Хуана Руиса | Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория)

Исследователи обнаружили, что контролировать механизм роста УНТ очень сложно. Для достижения желаемого типа роста требовались усовершенствования катализатора. Столкнувшись с трудностями, команда не сдалась, а удвоила ставки.

Благодаря систематическим испытаниям частиц никеля разного размера в сочетании с другими металлами появилась четкая картина.Добавление второго металла изменило механизм роста углерода и дополнительно повысило стабильность катализатора.

«Ключом был размер и структура частиц никеля», — сказал Дагле. «Мы количественно определили, что стабильность катализатора увеличивается с размером частиц. Кроме того, если никель слишком мал, другие типы углерода образуют и полностью покрывают катализатор, блокируя активность вместо того, чтобы превращаться в эти красивые длинные кристаллические нанотрубки».

Изображения и анализ с помощью сканирующего электронного микроскопа EMSL подтвердили структуру частиц и дисперсию металла на поверхности катализатора. Другой прибор EMSL, трансмиссионный электронный микроскоп, проверил внутреннюю структуру и текстуру свежих катализаторов, отработанных катализаторов и углеродных продуктов.

Затем исследователи разработали и продемонстрировали метод термокаталитического разложения (TCD) для отделения и повторного синтеза катализатора для процесса замкнутого цикла. Исследование группы «Чувствительность к структуре и ее влияние на оборот метана и селективность образования попутного углерода при термокаталитическом разложении метана на катализаторах на носителе Ni» появилось в Applied Catalysis A в декабре 2020 года.

В процессе TCD используется новый биметаллический катализатор для производства водорода. Твердый углерод, который накапливается на катализаторе, промывается и отделяется для коммерческого использования, в то время как металлические прекурсоры ресинтезируются и возвращаются обратно в реактор. Замкнутый цикл обеспечивает непрерывную замену катализатора при нулевом выбросе углекислого газа. (GIF Майка Перкинса | Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория)

По номерам

Процесс TCD начинается с пропускания газообразного метана через запатентованный биметаллический катализатор внутри корпуса реактора, работающего при температуре приблизительно 600 ^o C.Химическая реакция производит водород, поскольку твердый углерод накапливается на катализаторе. После этого кислотная промывка отделяет углеродные продукты от предшественников металлического катализатора. Затем прекурсоры повторно синтезируют, используя часть углеродного продукта в качестве носителя катализатора. На последнем этапе рециркулированный катализатор снова поступает в реактор, завершая цикл непрерывной замены катализатора. Высокоценные углеродные продукты, полученные в процессе промывки, остаются отдельными для промышленного использования.

Испытания

PNNL показали, что в течение пяти циклов TCD, каждый из которых длился три часа, биметаллический катализатор сохранял реакционную способность и селективность в отношении производства как водорода, так и ценных твердых углеродных побочных продуктов.

В ходе пяти циклов процесса TCD, каждый из которых длился три часа, биметаллический катализатор сохранял реакционную способность и селективность в отношении производства как водорода, так и ценных твердых углеродных побочных продуктов. (Рисунок Майка Перкинса | Тихоокеанская Северо-Западная национальная лаборатория)

Тем временем C4-MCP оценила рыночные возможности для побочных продуктов кристаллического углерода, которые обладают привлекательными свойствами, такими как электропроводность, высокая прочность на растяжение и высокая термическая и химическая стабильность.Компания прогнозирует, что мировой рынок углеродных нанотрубок вырастет примерно с 3,5 млрд долларов в 2016 году до 8,7 млрд долларов к 2022 году с устойчивыми темпами роста более 17 процентов в год.

«В прошлом CNT сталкивались с трудностями при внедрении на рынок, в первую очередь из-за цены», — сказал Уилл Кейн, главный исполнительный директор C4-MPC. «Однако УНТ, произведенные с помощью TCD, должны снизить преобладающую рыночную цену более чем на 75 процентов, что способствует гораздо более быстрому прототипированию и принятию клиентами.

Основываясь на производительности процесса и предполагаемом диапазоне цен на углерод в диапазоне от 0,7 до 1,2 долл. США за кг, технико-экономические аналитики PNNL прогнозируют чистую себестоимость производства водорода в размере 2,0 долл. США за кг на уровне 40 000–140 000 тонн в год при условии успешного масштабирования технологии.

Кроме того, при обычном паровом риформинге метана обычно выделяется около 11 г CO ₂ на 1 г водорода. Для пиролиза метана PNNL прогнозирует снижение выбросов углекислого газа на 85 процентов и более в зависимости от того, как нагревается процесс — например, сжигание некоторого количества произведенного водорода приведет к нулевым выбросам.

Второй этап: переход к реактору с псевдоожиженным слоем

Сегодня пиролиз метана остается в основном на стадии исследований, потому что газ не очень реакционноспособен; это затрудняет пиролиз — на самом деле, самый сложный, по словам Дагла. Преобразование требует высоких рабочих температур и, следовательно, большого количества энергии.

Существующие подходы к пиролизу метана относительно неэффективны при производстве водорода и дают углеродные продукты низкого качества. Единственной известной коммерческой технологией пиролиза метана в Северной Америке является демонстрационная установка в Халламе, штат Небраска.

Следующий этап проекта TCD будет сосредоточен на расширении процесса для пилотной демонстрации в реакторе с псевдоожиженным слоем. В отличие от катализатора, прикрепленного к неподвижному слою, псевдоожиженный слой «пузырится», позволяя непрерывно снимать отработанный катализатор и углеродные продукты. Затем отработанный катализатор можно переместить в другую установку для повторного синтеза перед повторным запуском цикла.

«Это довольно грязно — много чего происходит — но псевдоожиженный слой позволяет нам иметь такое разделение и транспортировку.Это ключевой шаг, и это то, что мы должны увеличить», — сказал Дагле.

PNNL и WVU также оценят корректировку рабочих температур для повышения производительности за цикл, а также способы повышения стабильности катализатора в течение большего количества циклов перед заменой. C4-MCP будет искать новые рыночные возможности, которые станут возможными благодаря уникальным кристаллическим свойствам побочных продуктов углерода.

«Это довольно грязно — много чего происходит — но псевдоожиженный слой позволяет нам иметь такое разделение и транспортировку.Это ключевой шаг, и это то, что мы должны увеличить». — Роб Дагл, инженер-химик PNNL

Успешное масштабирование технологии в сочетании с компенсацией затрат за счет продажи попутных углеродных продуктов позволяет транспортным средствам на топливных элементах сократить разрыв в затратах по сравнению с обычным бензином и дизельным топливом. Эта технология может помочь проложить путь к еще одному праву: безуглеродным системам микросетей, которые приближают Калифорнию к ее амбициозным целям по сокращению выбросов.

Ссылка: Сюй М., Дж.А. Лопес-Руис, Л. Коварик, М.Э. Боуден, С.Д. Дэвидсон, Р.С. Вебер, И. Ван, Дж. Ху и Р. Дэгл. 2021. «Чувствительность к структуре и ее влияние на оборот метана и селективность образования попутного углерода при термокаталитическом разложении метана на никелевых катализаторах на носителе». Прикладной катализ A: Общие 611. PNNL-SA-158733. doi:10.1016/j.apcata.2020.117967

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности.Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

---

Настройка браузера на прием файлов cookie

Существует множество причин, по которым файл cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее распространенные причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки браузера, чтобы принять файлы cookie, или спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались.Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файл cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Попробуйте другой браузер, если вы подозреваете это.
• Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы это исправить, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

---

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Предоставить доступ без файлов cookie потребует от сайта создания нового сеанса для каждой посещаемой вами страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

---

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в файле cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только та информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, если вы не решите ввести его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступ к остальной части вашего компьютера, и только сайт, создавший файл cookie, может его прочитать.

Оценка углеродного следа производства водорода

Когда-нибудь появится смысл заправлять автомобили водородом.

Альянс dpa/picture через Getty Images

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

При сгорании водорода образуется вода. Следовательно, водород можно использовать в качестве низкоуглеродного источника топлива. Водород можно сжигать напрямую или использовать в топливных элементах для производства электроэнергии.

Поскольку водород при сгорании производит минимальное количество загрязняющих веществ, многие считают его основным компонентом более чистой энергетики будущего.Президент Джордж Буш рекламировал потенциал «водородной экономики» в своем обращении к Конгрессу США в 2003 году. Миллиарды долларов были вложены в попытку реализовать это видение.

Производство водорода

Но сначала нужно произвести водород. Более 95% мирового водорода производится с использованием процесса паровой конверсии метана (SMR). В этой реакции природный газ взаимодействует с водяным паром при повышенной температуре с образованием монооксида углерода и водорода.Последующая реакция — реакция конверсии водяного газа — затем вступает в реакцию дополнительного количества пара с монооксидом углерода с образованием дополнительного количества водорода и диоксида углерода.

Реакция риформинга с метаном как:

CH ₄  + H ₂ O ⇌ CO + 3 H ₂

Реакция конверсии водяного газа (WGS):

CO + H ₂ O ⇌ CO ₂  + H ₂

«Грязный секрет» водорода заключается в том, что он производится в основном из ископаемого топлива. Таким образом, действительно ли водород является «чистым», зависит от способа его производства.

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

Другими словами, энергозатраты на электричество будут больше, чем энерговыделения водорода. Тем не менее, если доступен дешевый источник электроэнергии — например, избыточная электроэнергия в сети в определенное время дня — производство водорода таким образом может быть экономически выгодным.Это будет темой будущей статьи.

В любом случае, несмотря на то, что водород сам по себе практически не загрязняет окружающую среду при сжигании (могут образовываться некоторые оксиды азота или NOx), с ним связан углеродный след. Итак, давайте рассмотрим углеродный след водорода при его производстве с помощью обычного процесса SMR.

Процесс паровой конверсии метана (SMR)

Современная установка SMR состоит из четырех систем: десульфурации, риформинга, высокотемпературной конверсии (HTS) и абсорбции при переменном давлении (PSA).Эти системы отражают удаление серы, реакцию риформинга, реакцию WGS и очистку водорода.

Стадия десульфурации состоит в пропускании 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 и затем подвергается реакции в установке риформинга. Реакция риформинга обычно протекает на катализаторе на основе никеля при повышенных давлениях и температурах.

Горячий газ, выходящий из SMR, охлаждается, при этом одновременно образуется пар. Затем к охлажденному газу в реакторе конверсии добавляется пар для превращения монооксида углерода в диоксид углерода и дополнительное количество водорода.

Наконец, водород очищается в блоке PSA.Это включает стадию повышения давления, которая заставляет примеси связываться с адсорбентом, в то время как водород проходит через него. Когда адсорбент насыщается, давление падает для удаления примесей, которые затем можно рециркулировать в виде топливного газа.

Углеродный след паровой конверсии метана

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

Во-первых, как показывают реакции SMR и WGS, 100% углерода в поступающем метане в конечном итоге превращается в CO ₂ .В процессе производства одной молекулы CO ₂ образуются четыре молекулы водорода (H ₂ ), причем дополнительный водород вносит пар.

Таким образом, на 1 миллион стандартных кубических футов (SCF) водорода, полученного из метана, будет произведено 250 000 SCF CO ₂  . В одной метрической тонне содержится 19 253 стандартных кубических футов углекислого газа, поэтому из 1 миллиона стандартных кубических футов водорода будет произведено 13 метрических тонн углекислого газа. Это будет самый большой углеродный след, связанный с процессом SMR.

Вторая часть представляет собой углеродный след, связанный с отдельными технологическими установками. Необходимо вырабатывать пар, нагревать реактор и т. д. Но пар также образуется при охлаждении отходящего газа SMR, что помогает компенсировать углеродную нагрузку.

Праксэйр ЛИН , один из крупнейших в мире производителей водорода, провел 90 214 анализ 90 145  углеродного следа, связанного с отдельными технологическими этапами. Я преобразовал их данные в метрические тонны углекислого газа, выбрасываемого этими технологическими установками, на миллион стандартных кубических футов произведенного водорода.

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

Если добавить это к двуокиси углерода, полученной в результате реакций с природным газом, общее количество составит 19,3 метрических тонны двуокиси углерода, произведенной на миллион стандартных кубических футов водорода. Однако в документе Praxair отмечается, что это теоретический минимум. Из-за тепловых потерь и неэффективности фактическое количество на большой водородной установке составляет 21.9 метрических тонн.

Это преобразуется в 9,3 килограмма (кг) CO ₂  , произведенного на килограмм производства водорода. Один килограмм водорода является энергетическим эквивалентом одного галлона бензина, при сгорании которого образуется 9,1 кг CO ₂  .

Углеродный след часто указывается в виде энергии. Например, электростанции обычно сообщают об углеродном следе в киловатт-часах (кВтч). Один миллион SCF водорода содержит 79 100 киловатт-часов энергии.

Преобразуется в 0.28 кг выбросов углекислого газа связаны с одним киловатт-часом производства водорода.

Конечно, это всего лишь углеродный след производства водорода. Чтобы использовать водород для производства 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 с этими процессами строительства связаны выбросы углерода.

На перспективу Управление энергетической информации оценивает углеродный след производства электроэнергии из угля и природного газа как 1.0 кг/кВтч и 0,42 кг/кВтч соответственно. Но это касается фактического преобразования в мощность, а не только содержания энергии в топливе.

В пересчете на яблоки это зависит от нескольких факторов, но вполне вероятно, что преобразование водорода в энергию будет иметь больший углеродный след, чем у энергии, работающей на природном газе, но меньше, чем у энергии, работающей на угле. . Однако теоретически возможно улавливать выбросы углерода, образующиеся в процессе SMR.

Также возможно производить водород низкоуглеродными способами, которые исторически были менее экономичными.Это будет темой будущей статьи.

Ученый TIFR разрабатывает новый способ производства метана из углекислого газа

Преобразование углекислого газа, вызывающего глобальное потепление, в полезное топливо уже некоторое время привлекает внимание ученых. Другие ученые и технологи ломают голову над тем, как хранить водород, хороший энергоноситель. Способ убить обоих зайцев одним выстрелом состоит в том, чтобы заставить углекислый газ реагировать с водородом, чтобы получить метан, топливо.

Ученые Института фундаментальных исследований Тата (TIFR) открыли более простой и дешевый способ преобразования CO2 в метан.

Ученые обычно используют наночастицы металлов в качестве катализаторов этого процесса. Но в TIFR использовался «дефектный кремнезем» — диоксид кремния с несколькими удаленными атомами кислорода — вместо более дорогих металлических наночастиц.

«Процесс включает пропускание CO2 и водорода при атмосферном давлении через слой дефектного кремнезема, температура которого достигает 400°C», — рассказал Вивек Полшеттивар из TIFR, разработавший процесс. БизнесЛайн .

«Дефектный кремнезем» имеет «дыры» на месте атомов кислорода. Эти отверстия заполняются атомами водорода, образуя гидрид кремния. Для этого разрываются молекулы водорода, существующие в природе парами (отсюда h3). Таким образом, каждый атом водорода отчаянно пытается соединиться с чем-то; кроме того, дефектный кремнезем мучительно ищет что-то, чтобы заполнить брешь, где раньше были атомы кислорода. Получается счастливый брак.

Но этот брак недолговечен, потому что двуокись углерода ныряет, чтобы разрушить брак.Углерод в CO2 и водород в гидриде кремния покидают своих супругов и объединяются, чтобы стать метаном. Остатки, кремний и кислород, повторно женятся, образуя диоксид кремния — исходный катализатор.

Этот процесс, лишенный технических деталей, «готовит» метан с использованием двуокиси углерода, водорода и кремнезема.

Улучшенный катализатор

Полшеттивар говорит, что он считает кремнезем гораздо лучшим катализатором, чем металлические наночастицы, которые не очень стабильны. В этом процессе впервые используется катализатор, не содержащий металлов и лигандов.В настоящее время процесс требует нагрева до 400 °C, но «мы пытаемся разработать процесс «комнатной температуры» с использованием солнечного света», — сказал он.

Этот процесс имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с другими. «Дефектный кремнезем» выполняет две функции — разрывает молекулы водорода на два отдельных атома элемента и «активирует» углекислый газ, т. е. увеличивает его способность реагировать. «Металлические наночастицы не требовались, и только места дефектов действовали как каталитические участки для активации углекислого газа и диссоциации водорода, и их совместное действие превращало CO2 в метан», — говорится в заявлении TIFR.

Кроме того, они обнаружили, что чем больше катализатора (дефектного кремнезема) рециркулировалось, тем выше было производство метана. Производство метана удвоилось после восьми циклов регенерации.

«Преобразование CO2 в метан с использованием возобновляемого водорода имеет большой потенциал для решения этих двух проблем, связанных с чрезмерным уровнем CO2 и временным несоответствием между производством и спросом на возобновляемую электроэнергию, а также хранением водорода», — говорится в сообщении TIFR.

Значительный прогресс

Хотя еще слишком рано объявлять процесс кандидатом на Нобелевскую премию, он, похоже, является своего рода прорывом.Научная литература изобилует различными методами превращения углекислого газа в метан, но все они связаны с редкими металлами или малоэффективны.

В феврале Ясуси Секине из Университета Васэда разработал процесс, в котором использовались наночастицы, называемые оксидом церия, и редкий инертный металл, называемый рутением, в качестве катализатора. Процесс требовал электрического поля.

Год назад группа исследователей из Парижского университета Дидро во Франции и Национального университета Кордовы в Аргентине открыла процесс реакции, который можно использовать для преобразования углекислого газа в метан. Тем не менее, исследователи признают, что этот процесс крайне неэффективен, поскольку получаемый продукт на самом деле на 82% состоит из угарного газа. Он также очень медленный, производя всего 12 граммов метана в час. Таким образом, процесс TIFR

представляет собой значительный прогресс в науке.

Производство водорода из природного газа и биометана с улавливанием и хранением углерода. Техноэкологический анализ

В этом исследовании представлена ​​комплексная технико-экологическая оценка производства водорода из природного газа и биометана в сочетании с улавливанием и хранением CO ₂ (CCS).Мы включили паровой риформинг метана (SMR) и автотермический риформинг (ATR) для производства синтез-газа. CO ₂ улавливается из синтез-газа с помощью нового процесса вакуумной короткоцикловой адсорбции (VPSA), который сочетает очистку водорода и разделение CO ₂ в одном цикле. Для сравнения мы включили случаи с традиционной технологией на основе аминов. Мы расширили стандартную атрибутивную оценку жизненного цикла (LCA) в соответствии со стандартами ISO с подробным углеродным балансом процесса производства биогаза ( через разложение) и его побочных продуктов.Результаты показывают, что характеристики парниковых газов (ПГ) в течение жизненного цикла технологий улавливания VPSA и CO ₂ на основе аминов очень схожи в результате сопоставимого энергопотребления. Конфигурация с самой высокой общезаводской степенью улавливания СО ₂ (улавливается почти 100% произведенного СО ₂ ) – автотермический риформинг с двухступенчатой ​​водогазовой конверсией и ВПСА СО ₂ улавливание – потому что последний имеет изначально высокую степень улавливания CO ₂ 98% или более для исследуемого синтез-газа.В зависимости от конфигурации добавление CCS к производству водорода на основе риформинга природного газа снижает его потенциал глобального потепления в течение жизненного цикла на 45–85 процентов, в то время как другие воздействия на окружающую среду в течение жизненного цикла немного увеличиваются. Это ставит водород на основе природного газа в один ряд с водородом на основе возобновляемой электроэнергии в отношении воздействия на изменение климата. Когда биометан используется вместо природного газа, наше исследование показывает потенциал чистых отрицательных выбросов парниковых газов, т. е. чистое удаление CO ₂ в течение жизненного цикла производства водорода на основе биоотходов.В особом случае, когда дигестат биогаза используется в качестве сельскохозяйственного удобрения и когда значительное количество углерода в дигестате остается в почве, водород на основе биоотходов достигает чистых отрицательных выбросов парниковых газов в течение жизненного цикла даже без применения УХУ. . Добавление CCS к производству водорода на основе биометана приводит к чистым отрицательным выбросам во всех исследованных случаях.

Эта статья находится в открытом доступе

Подождите, пока мы загрузим ваш контент. .. Что-то пошло не так. Попробуй снова?

Голубой водород на 20 % хуже по выбросам парниковых газов, чем природный газ при отоплении: исследование

Особенности

Более высокие выбросы метана от производства синего h3

Выбросы CO2 всего на 12% меньше, чем у серого h3

Ставит под сомнение климатическую жизнеспособность синего цвета h3

Сжигание низкоуглеродистого водорода для отопления значительно вреднее для окружающей среды, чем использование природного газа или дизельного топлива, говорится в научном исследовании, опубликованном в августе 2019 года.12 нашел.

Не зарегистрирован?

Получайте ежедневные оповещения по электронной почте, заметки подписчиков и персонализируйте свой опыт.

Зарегистрироваться

Выбросы парниковых газов в течение всего жизненного цикла при сжигании голубого водорода для отопления были более чем на 20% выше, чем при использовании обычного природного газа, говорится в отчете исследователей из Корнельского и Стэнфордского университетов.

Производство голубого водорода путем парового риформинга метана природного газа с улавливанием и хранением углерода также приводит к более высоким выбросам неорганизованного метана, чем обычный «серый» водород из ископаемого топлива, из-за увеличения использования природного газа в процессе улавливания углерода, говорится в исследовании, опубликованном в Энергетическая наука и инженерия найдены.

Даже при использовании CCS выбросы CO2 от газообразного водорода всего на 12% ниже, чем от серого водорода, говорится в отчете. Выбросы парниковых газов при сжигании голубого водорода были на 60% выше, чем при сжигании дизельного топлива для получения тепла.

«Голубой водород действительно не играет никакой роли в безуглеродном будущем», — говорят авторы отчета. «Мы полагаем, что голубой водород лучше всего рассматривать как отвлечение, что может отсрочить принятие необходимых мер по настоящей декарбонизации мировой энергетической экономики.»

В отчете — первом рецензируемом исследовании выбросов жизненного цикла при производстве голубого водорода — предполагалось, что коэффициент улавливания CO2 для производства голубого водорода составляет 85%, и отмечается, что в 2021 году в коммерческой эксплуатации находились только два объекта по производству голубого водорода.

Компания Equinor, разрабатывающая один из первых в мире крупномасштабных проектов по производству голубого водорода на заводе h3H Saltend в Великобритании, сообщила на своем веб-сайте, что ее технология автотермического риформинга должна производить водород с эффективностью 80% при минимальной эффективности улавливания углерода 95%. .

Компания отказалась комментировать отчет перед его публикацией. BP, которая также разрабатывает крупный проект по голубому водороду в Великобритании в Teesside, не ответила на запрос о комментариях.

В долгосрочном прогнозе по водороду S&P Global Platts Analytics предполагается, что к 2050 году смешивание H3 в газовой сети достигнет 6,6%, что потенциально сократит выбросы CO2 для домашнего отопления на 21%.

В статье Корнелла и Стэнфорда говорится, что роль водорода в отоплении может быть чрезвычайно ограничена с точки зрения климата.

Водород широко используется в качестве промышленного сырья в химических процессах и нефтепереработке. Подавляющее большинство водорода, производимого во всем мире, производится из ископаемого топлива без сокращения выбросов CO2.

Водородная промышленность стремится обезуглерожить свои операции, в то время как правительства, политики и лидеры отрасли рассматривают низкоуглеродный и возобновляемый водород, получаемый в результате электролиза воды, как ключ к переходу к энергетике, с приложениями от транспорта к отоплению и запас энергии.

Дорогие ставки

«Политики всего мира, от Великобритании и Канады до Австралии и Японии, делают дорогостоящие ставки на голубой водород как на ведущее решение в переходе к энергии», — соавтор исследования и профессор экологии и биологии окружающей среды Корнельского университета. Об этом говорится в заявлении Роберта Ховарта.

«Это предупредительный сигнал для правительств о том, что единственный «чистый» водород, в который они должны инвестировать государственные средства, — это экологически чистый водород, полученный из энергии ветра и солнца», — сказал он.

Многие нефтегазовые компании рекламируют голубой водород в качестве переходного топлива на пути к нулевым выбросам, которое можно смешивать в распределительных сетях с природным газом.

В исследовании предполагалось, что уровень выбросов метана из природного газа составляет 3,5%, что соответствует 20-летнему потенциалу глобального потепления. Даже при более низком уровне выбросов метана, равном 1,54%, выбросы парниковых газов от голубого водорода все равно были выше, чем от сжигания природного газа, и на 18-25% меньше, чем от серого водорода.

Метан является более сильным парниковым газом, чем CO2, но со временем он распадается в атмосфере с периодом полураспада около 12 лет.

В исследовании также предполагалось, что улавливаемый углерод будет храниться неограниченное время, что, как отмечается в отчете, является «оптимистичным и недоказанным».

Силовой синий h3

Энергия, необходимая для производства тепла и давления, необходимых для производства водорода из метана, значительна и почти полностью поступает из природного газа, говорится в документе. По его словам, источник энергии, по-видимому, будет таким же, как и для голубого водорода.

В исследовании отмечается, что выбросы голубого водорода можно сократить, если использовать для этого процесса возобновляемую электроэнергию.Тем не менее, летучие выбросы метана от природного газа останутся, и они значительны, добавил он, при этом общие выбросы парниковых газов по-прежнему составляют почти половину выбросов от сжигания природного газа.

В отчете говорится, что возобновляемую электроэнергию лучше использовать для производства зеленого водорода путем электролиза.

Кроме того, косвенные выбросы при производстве, переработке и транспортировке природного газа, используемого для производства водорода, составляют около 7,5% прямых выбросов CO2 от природного газа, говорится в сообщении.

Производство голубого водорода в настоящее время намного дешевле, чем электролиз, но ожидается, что затраты на зеленый водород быстро снизятся с внедрением более возобновляемых источников энергии и более дешевых электролизеров по мере увеличения масштабов производства.

S&P Global Platts оценило стоимость производства возобновляемого водорода с помощью щелочного электролиза в Европе в 6,02 евро/кг (7,1 доллара США/кг) 10 августа (Нидерланды, включая капвложения). Производство электролиза PEM оценивалось в 7,40 евро/кг.

Производство голубого водорода путем паровой конверсии метана (включая углерод, УХУ и капитальные затраты) составило 3 евро.28 евро/кг, а водород из неиссякаемого ископаемого топлива оценивался в 2,98 евро/кг.

«Зеленый метан» из искусственного фотосинтеза может перерабатывать CO2

Изображение, полученное с помощью электронного микроскопа, показывает полупроводниковые нанопроволоки. Они доставляют электроны металлическим наночастицам, которые превращают углекислый газ и воду в метан. Изображение предоставлено: Баовэнь Чжоу

ANN ARBOR — новый подход к искусственному фотосинтезу использует солнечный свет для превращения углекислого газа в метан, что может помочь сделать устройства, работающие на природном газе, углеродно-нейтральными.

Метан является основным компонентом природного газа. Фотосинтез — это процесс, посредством которого зеленые растения используют солнечный свет для производства пищи из углекислого газа и воды, выделяя в качестве побочного продукта кислород. Искусственный фотосинтез часто направлен на производство углеводородного топлива, аналогичного природному газу или бензину, из тех же исходных материалов.

Метод получения метана стал возможен благодаря новому катализатору, разработанному в результате сотрудничества Мичиганского университета, Университета Макгилла и Университета Макмастера. Статья о результатах опубликована в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Зетиан Ми

Катализатор, работающий от солнечной энергии, сделан из множества материалов и работает в конфигурации, которая может производиться серийно. Исследователи считают, что через 5-10 лет он сможет перерабатывать углекислый газ из дымовых труб в экологически чистое топливо.

«Тридцать процентов энергии в США поступает из природного газа», — сказал Зетиан Ми, профессор электротехники и информатики Университета штата Массачусетс, который руководил работой вместе с Джуном Сонгом, профессором материаловедения в Университете Макгилла.«Если мы сможем генерировать зеленый метан, это большое дело».

Главным достижением является то, что команда использовала относительно большие электрические токи с устройством, которое должно быть возможным для массового производства. Он также особенно хорошо направляет это электричество на образование метана, при этом половина доступных электронов направляется на реакции производства метана, а не на побочные продукты, такие как водород или монооксид углерода.

«Предыдущие устройства искусственного фотосинтеза часто работали с небольшой долей максимальной плотности тока кремниевого устройства, тогда как здесь мы работаем с 80 или 90 процентами теоретического максимума, используя готовые для промышленности материалы и катализаторы, богатые землей», — сказал Баовэнь Чжоу, научный сотрудник группы Ми, работающий над этим проектом.

Превращение углекислого газа в метан — очень сложный процесс. Углерод должен быть получен из CO2, что требует много энергии, потому что углекислый газ является одной из самых стабильных молекул. Точно так же необходимо расщепить h3O, чтобы присоединить водород к углероду. Каждому углероду нужно четыре атома водорода, чтобы стать метаном, что создает сложный восьмиэлектронный танец (каждая связь углерод-водород имеет два электрона, а связей четыре).

Конструкция катализатора имеет решающее значение для успеха реакции.

«Вопрос на миллион долларов заключается в том, как быстро ориентироваться в огромном пространстве материалов, чтобы определить оптимальный рецепт», — сказал Сун.

Теоретическая и вычислительная работа его команды определила ключевой компонент катализатора: наночастицы меди и железа. Медь и железо удерживаются за молекулы своими атомами углерода и кислорода, выигрывая время для того, чтобы водород совершил прыжок от фрагментов молекулы воды к атому углерода.

Устройство представляет собой своего рода солнечную панель, усыпанную наночастицами меди и железа.Он может использовать солнечную энергию или электрический ток для расщепления углекислого газа и воды.

«Тридцать процентов энергии в США поступает из природного газа, если мы сможем производить зеленый метан, это большое дело».
Зетиан Ми

Базовый слой представляет собой кремниевую пластину, мало чем отличающуюся от тех, что уже используются в солнечных панелях. Эта пластина покрыта нанопроволоками, каждая 300 нанометров (0,0003 миллиметра) в высоту и около 30 нанометров в ширину, сделанными из полупроводникового нитрида галлия.

Расположение создает большую площадь поверхности, на которой могут происходить реакции. Испещренные наночастицами нанопроволоки покрыты тонкой пленкой воды.

Устройство может быть спроектировано для работы только от солнечной энергии, или производство метана может быть усилено дополнительным электричеством. В качестве альтернативы, работая от электричества, устройство потенциально может работать в темноте.

На практике панель искусственного фотосинтеза должна быть подключена к источнику концентрированного углекислого газа, например, к углекислому газу, уловленному из промышленных дымовых труб.Устройство также может быть сконфигурировано для производства синтетического природного газа (синтетического газа) или муравьиной кислоты, распространенного консерванта в кормах для животных.

Исследование финансируется организацией Emissions Reduction Alberta and Natural Sciences, Советом по инженерным исследованиям Канады и Программой Blue Sky Инженерного колледжа UM.