 |  | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
 УДК А621.039 Экологические проблемы получения «зеленого» водорода
Александрова А.А., магистрант, Сердюк А.И., профессор Донбасская национальная академия строительства и архитектуры, Россия
Охарактеризованы четыре способа получения водорода, как экологически чистого топлива: электролиз воды, паровая конверсия метана, газификация угля и пиролиз углеродсодержащих органических отходов. «Зеленый» водород дает лишь первый способ. Пиролизом можно получать водород из любых органических отходов.
Успехи в развитии водородных технологий продемонстрировали, что использование водорода приводит к качественно новым показателям в работе энергетических систем, в том числе и автотранспорта [1]. Водород – один из многих элементов, которые в чистом виде практически не встречаются в природе, но активно используются в промышленности и в быту, несмотря на его высокую пожароопасность [2]. Чаще всего в водороде нуждается пищевая и химическая промышленность – его используют в изготовлении пластмасс, аммиака, метанола и мыла (схема 1).
Рисунок 1 - Промышленные продукты, синтезированные с участием водорода
В быту водород могут использовать для обогрева помещений, как заменитель природного газа, а также как компонент биотоплива. Благо, наука не стоит на месте, и сейчас доступны несколько новых способов получения водорода. В том числе, они могут использоваться и на малых мощностях. Отличие в процессах будет заключаться только в химическом и физическом воздействии на исходное сырьё. Существует множество различных методов добычи водорода – как теоретических, так и освоенных в промышленных масштабах. Рассмотрим самые распространенные способы производства водорода. 1. Электролиз воды. Самый древний вид добычи водород – электролиз воды. Это второй по распространённости метод добычи водорода, обеспечивающий достаточно высокую чистоту конечного продукта. Сопутствующим «бонусом» в этом технологическом процессе становится кислород, не менее важный элемент (схема 2).
Рисунок2 – Получение водорода электролизом воды
Для такого способа производства требуются значительные расходы электроэнергии и запасы воды. Тем не менее, он совсем не требователен к качеству воды – для электролиза можно использовать промышленную, дождевую или даже сточную воду. Если же электроэнергию получают из возобновляемых источников (солнечные фотоэлементы, ветряки, гидроэлектростанции и др.), то такой водород можно считать «зеленым». 2. Паровая конверсия метана и природного газа; CH4 + 2 H2O = 4 H2 + CO2 В сумме этот процесс можно записать выше приведенным уравнением: Смесь полученных газов охлаждают и промывают водой под давлением. При этом СО2 растворяется, а малорастворимый в воде водород идет на промышленные нужды. 3. Газификация угля: над раскаленным добела углем до 1000оС пропускают водяной пар и получают водород и оксид углерода. На настоящий момент наиболее экономически выгодным считается производство водорода из ископаемого сырья и в данный момент наиболее доступным и дешёвым процессом является паровая конверсия метана. Согласно прогнозам, она будет использоваться в начальной стадии перехода к водородной экономике для упрощения преодоления проблемы «курицы и яйца», когда из-за отсутствия инфраструктуры нет спроса на водородные автомобили, а из-за отсутствия водородных автомобилей не строится инфраструктура. Выше приведенные два метода (второй и третий) в настоящее время дают 95 % синтезированного в мире водорода, который перед использованием в качестве топлива очищают от примесей, отравляющих катализатор. Но, в качестве побочного продукта выделяется диоксид углерода, то есть, это невозобновляемые источники энергии, дающие парниковый газ в атмосферу не ниже, чем при прямом сжигании природного газа и каменного угля. То есть такой водород нельзя назвать «зеленым». 4. Пиролиз Последняя из наиболее распространённых методик – пиролиз. Иными словами – разложение органики при помощи термической обработки. «Топливом» для этого могут служить отходы сельского и коммунального хозяйств и пищевых производств:
При переработке всех этих биоотходов при помощи специальных бактерий образуется синтез-газ, в основном состоящий из метана и двуокиси углерода. Продуктом переработки метана является водород (таблица 1).
Таблица 1 – Влияние температуры на процесс пиролиза органических отходов (Тн = 1950 К; τн = 1,5 мс; Р = 3,5 МПа)
При Тн< 900 К увеличивается сажеобразование в камере предварительного нагрева Такой способ производства набирает всё большую популярность ввиду того, что, помимо водорода, из биомассы добываются этилен и ацетилен. Также ценным сырьём являются и сами биоотходы, которые широко используются в сельском хозяйстве для производства удобрений. В настоящее время производство водорода распространено на таких методах как электролиз воды, за счет электричества, поступающего из возобновляемых источников энергии («зеленый» водород) и «грязных» методах, таких как газификация угля или ископаемого топлива. Последние по-прежнему остаются самыми популярными во всем мире, так как они также являются самыми дешевыми. Однако, во время этих процессов выделяется углекислый газ, и чтобы сделать производство водорода действительно чистым необходимо будет добавить установки по улавливанию диоксида углерода - операция, которая значительно увеличит затраты. Но дешевых крупномасштабных и необратимых методов поглощения углекислого газа не существует. Интересное решение предлагает калифорнийская компания SGH2 производить «зеленый» водород из отходов, которые в противном случае лежали бы на свалке[3,4]. По сравнению с технологиями паровой конверсии метана или природного газа выбросы диоксида углерода могут быть сокращены в два-три раза. В процессе [3,5]. используются плазменные резаки, которые достигают температуры от 3500 до 4000°C. Это тепло с добавлением обогащенного кислородом газа катализирует полную молекулярную диссоциацию всех углеводородов любого топлива, вводимого в систему. А когда он начинает остывать, он образует очень высококачественный биосинтезирующий газ, богатый водородом, который не содержит смол, сажи и тяжелых металлов. Затем синтез-газ проходит через систему поглотителя колебаний давления, который производит экологичный, «зеленый» водород, необходимый для использования в транспортных средствах с топливными элементами PEM. Технология газификации Solena Plasma Enhanced Gasification (SPEG) позволяет извлечь весь углерод из отходов, удаляет все частицы и кислые газы и не производит никаких токсинов или загрязняющих веществ. Конечным результатом является водород высокой чистоты и небольшое количество биогенного диоксида углерода, который не способствует выбросам нового количества парниковых газов. Эта технология способна перерабатывать широкий спектр отходов, включая бумагу, старые шины, ткани, пластмассы, а также твердые коммунальные отходы, с которыми она может работать без образования токсичных побочных продуктов.
Библиографический список 1. Александрова, А.А Проблемы экологической безопасности водородной энергетики для автотранспорта/ А.А. Александрова, А.И. Сердюк. – Текст: непосредственный //Вестник Луганский государственный университет имени Владимира Даля . – Луганск:2023. - № 1 (67). – С.9-13. 2. Александрова, А.А.Проблемы пожарной безопасности при использовании водорода в качестве автомобильного топлива / А.А. Александрова, А.И. Сердюк. – Текст: непосредственный // Научный журнал. Пожарная и техносферная безопасность: проблемы и пути совершенствования: – Донецк: ГБОУ ВО «АГЗ МЧС ДНР». – 2022. – вып. 2(12). С.27-31. 3. Шпильрайн, Э.Э. Проблемы и перспективы возобновляемой энергии в России / Материалы Пятого Международного Форума «Высокие технологии 21 века», 2017 URL: https://www.rosteplo.ru/Tech_stat/stat_shablon.php?id=446 4. Реутов, Б.Ф. Развитие НИОКР в области водородной энергетики в России / Б.Ф. Реутов. – Текст непосредственный // Энергия: экономика, техника, экология. - 2006. - № 11. - С. 2-8. - ISSN 0233-3619 5. Козлов, С.И. Водородная энергетика: современное состояние, проблемы, перспективы / С. И. Козлов, В. Н. Фатеев ; под ред. Е. П. Велихова ; Открытое АО "Газпром", О-во с ограниченной ответственностью "Газпром ВНИИГАЗ". - Москва : Газпром ВНИИГАЗ, 2009. - 518 с. : ил., табл.; 24 см.; ISBN 978-5-89754-062-4.
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
 |  | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
