Produkcja wodoru – różne metody
Oczekuje się, że wodór będzie odgrywał istotną rolę w transformacji energetycznej przemysłu. Już dzisiaj to paliwo produkuje się w dużych ilościach (około 500 mld m3 na całym świecie), ale jego rola będzie szybko rosła. Wodór może być wytwarzany na różne sposoby. Przedstawiamy najpopularniejsze procesy produkcji wodoru i te, do których może należeć przyszłość.
Obecnie najbardziej wydajnymi źródłami pozyskiwania wodoru są procesy chemiczne, które opierają się na energii pochodzącej od surowców kopalnych. Wraz z coraz większym popytem na to paliwo można oczekiwać, że udoskonalane będą też inne metody pozyskiwania czy wytwarzania wodoru.
Produkcja wodoru poprzez reforming parowy
Reforming parowy jest szeroko stosowanym procesem przemysłowym do produkcji wodoru. W tym procesie węglowodory, głównie gaz ziemny, reagują z parą wodną w temperaturze ok. 850°C i pod ciśnieniem 20–50 barów, tworząc wodór i dwutlenek węgla. Obie substancje są następnie rozdzielane za pomocą separacji adsorpcyjnej.
W procesie tym powstaje również palny gaz resztkowy. Można go wykorzystać do podgrzania materiałów wyjściowych do reakcji. Ponadto podczas reakcji uwalniany jest dwutlenek węgla. Podstawą tego procesu produkcyjnego może być również węgiel. Węgiel jest drobno rozpylany i mieszany z wodą. Mieszanina ta jest poddawana reakcji z tlenem, tworząc gaz zawierający wodór. Za pomocą reformingu parowego można z niego syntetyzować wodór.
Podstawą do przeprowadzenia reformingu parowego są surowce kopalne, dlatego ta metoda wytwarzania wodoru z pewnością nie ma większej przyszłości. Wraz z intensyfikacją wysiłków na rzecz zrównoważonego rozwoju ten rodzaj produkcji wodoru będzie musiał być w coraz większym stopniu zastępowany innymi procesami.
Produkcja wodoru z biomasy
Wodór może być produkowany także z biomasy. Zgazowaniu poddawane są materiały takie, jak trawa, słoma lub odpady biologiczne. Powstała w ten sposób mieszanina gazów można przekształcić w wodór także w procesie reformingu parowego. W procesie tym powstają również gazy resztkowe. Można je stosować np. w turbinie gazowej do wytwarzania energii elektrycznej.
Istnieje również możliwość bezpośredniej produkcji wodoru w sposób biologiczny. W fotosyntezie i fermentacji gaz wytwarzany jest przez algi i mikroorganizmy. Jednak te dwie technologie produkcji wodoru nie są jednak jeszcze na takim poziomie, żeby można było je wykorzystać do produkcji przemysłowych ilości tego gazu.
Produkcja wodoru za pomocą elektrolizy
Proces ten mógłby zastąpić reforming parowy w produkcji wodoru. W procesie elektrolizy wody prąd elektryczny jest wykorzystywany do rozdzielenia wody na wodór i tlen. Wodór przemieszcza się do bieguna naładowanego ujemnie, a tlen do bieguna naładowanego dodatnio. W procesie elektrolizy anoda jest naładowana dodatnio, a katoda ujemnie.
Istnieją dwa rodzaje elektrolizy wody – elektroliza alkaliczna i elektroliza z membraną.
Elektroliza alkaliczna, w której jako elektrolit wykorzystywany jest żrący potaż (roztwór wody i wodorotlenku potasu). Komory anodowa i katodowa są oddzielone porowatą membraną, dzięki czemu wytwarzane gazy się nie mieszają. Ten proces produkcyjny osiąga wydajność do 70%.
W elektrolizie z membraną wymiany protonów (proton exchange membrane – PEM), membrana przewodząca proton służy jako elektrolit. Wydajność tego procesu wynosi ok. 50%.
Jeśli energia elektryczna dla elektrolizerów pochodzi ze źródeł odnawialnych, wówczas produkowany wodór można sklasyfikować jako ekologiczny.
Kolory produkcji wodoru
Oprócz zielonego wodoru istnieją również inne kody kolorystyczne. W produkcji wodoru kolor odgrywa ważną rolę. Sam gaz jest bezbarwny, ale różne metody produkcji są oznaczone różnymi kolorami.
Zielony wodór
Zielony wodór jest produkowany wyłącznie z energii odnawialnej. Zielona energia elektryczna jest wykorzystywana np. do zasilania elektrolizerów. Oprócz elektrolizy można również stosować procesy, takie jak gazyfikacja lub fermentacja biomasy lub reformacja biogazu.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
Wszystkie są neutralne pod względem emisji CO2. Emisje powstają tylko podczas budowy instalacji. Wadą zielonego wodoru jest to, że koszty jego produkcji są nadal stosunkowo wysokie.
Szary wodór
Wodór szary jest produkowany z paliw kopalnych. Jednym z powszechnie stosowanych procesów jest reforming parowy. Jeśli do elektrolizy wykorzystywana jest zwykła energia elektryczna, a nie energia zielona, jest to również określane mianem szarego wodoru.
Dla przykładu, w Niemczech ponad połowa energii elektrycznej jest nadal pozyskiwana ze źródeł nieodnawialnych. Elektrolizery zasilane z konwencjonalnej sieci elektrycznej nie są więc neutralne dla klimatu.
Wodór szary jest obecnie tańszy w produkcji niż wodór zielony i łatwiej dostępny.
Niebieski wodór
O niebieskim wodorze mówimy wtedy, gdy podczas produkcji emitowany jest CO2 (jest on jednak następnie magazynowany lub wykorzystywany). Dwutlenek węgla może być składowany np. pod ziemią. Do niektórych zastosowań w przemyśle potrzebny jest także CO2, więc mógłby być wykorzystywany do tego celu.
Ta metoda produkcji jest czasami nazywana neutralną dla klimatu. Emisje są uwalniane, ale są magazynowane. Długotrwałe skutki przechowywania dwutlenku węgla są jednak nadal nieznane.
Turkusowy wodór
W przypadku turkusowego wodoru metan w procesie termochemicznym jest rozszczepiany na wodór i węgiel stały. Jeśli węgiel pozostanie związany lub zostanie wykorzystany ponownie, a wielkie piece do samego procesu będą zasilane energią odnawialną, to również z czysto matematycznego punktu widzenia jest to proces neutralny dla klimatu. Wydobycie surowca, jakim jest metan, zazwyczaj jednak także powoduje emisję gazów cieplarnianych.
Wodór czerwony, żółty, biały, brązowy
Oprócz 4 powszechnie stosowanych kolorów wodoru w obiegu są również inne oznaczenia.
Jeśli elektrolizery są zasilane energią jądrową, są czasami nazywane czerwonym, różowym lub purpurowym wodorem.
Jeśli wodór jest produkowany z wykorzystaniem mieszanki energetycznej (odnawialnej i kopalnej), możemy mówić o wodorze żółtym. Kolor żółty jest jednak też czasami używany jako kod kolorystyczny dla wodoru, który pochodzi z energii jądrowej.
Istnieje także biały wodór (gaz jest wtedy produktem odpadowym procesów chemicznych) i wodór brązowy (który jest produkowany w procesie gazyfikacji węgla).
Jak wspomniano na początku, wodór ma stać się ważnym nośnikiem energii w procesie transformacji energetycznej i dekarbonizacji przemysłu. Żeby to zapewnić, sama produkcja wodoru musi być także neutralna dla klimatu. Nadal więc badane i rozwijane muszą być ekologiczne procesy produkcyjne. Dzięki temu przede wszystkim zmniejszy się produkcja szarego, czyli najmniej ekologicznego wodoru.
