Зелен водород

Производство от възобновяеми енергийни източници

Декарбонизацията на световната икономика е една от най-важните задачи на днешния ден. Ключът към решаването на този проблем е постоянното увеличаване на дела на възобновяемите енергийни източници и тяхното интегриране в индустрията, енергетиката и транспорта. Глобалното намаляване на емисиите на въглероден диоксид и ограничаването на климатичните промени, е възможно с производството на „зелен” водород от вятър и слънце.

В статията ще разкажем за физичните свойства и предимства на водорода, за принципа на водната електролиза, за стратегията на ЕС за използване на „зеления” водород, за протоннообменната и високотемпературна електролизи, за водещите западно-европейски производители на водородни електролизатори.

Текст: списание Енергия

Ролята на възобновяемите енергийни източници става все по-важна в целия свят. Те са гръбнакът на устойчивата енергетика без въглероден диоксид и следователно ключова технология за постигане на декарбонизация до 2100г. Техният дял в световното производство на енергия непрекъснато нараства. За постигането на почти пълна декарбонизация на енергийния отрасъл, е необходимо комбиниране на възобновяемата вятърна и слънчева енергия с нисковъглеродни горива. Зеленият водород се явява потенциално нисковъглеродно гориво, което може да замести изкопаемите въглеводородни енергийни източници - нефт и природен газ.  

Физични свойства и предимства на водорода

Водородът е най-разпространения химичен елемент във Вселената - приблизително 90% от всички атоми са водород, който няма цвят, мирис и вкус и е напълно безвреден. Проблемът е, че чистият водород не се среща в това състояние свободно в природата, а изисква енергия, за да се произведе, тоест водородните атоми трябва да бъдат отделени от тези на другите елементи, с които имат връзка-например от вода, или от изкопаеми горива. Начинът на това отделяне определя устойчивостта на водородната енергия. Водородът е около 14,5 пъти по-лек от въздуха и е изключително запалим и неустойчив в околната среда газ. Достатъчно е само смесването му с кислород от въздуха и малко повече влажност за да се самовъзпламени дори от статично електричество. Почти всички видове изкопаеми горива съдържат водород, в свързана форма под формата на въглеводороди или други водородни съединения.

Понастоящем само малко количество водород се използва в енергийния отрасъл, въпреки че използването на водород се счита за една от най-обещаващите технологии в широкомащабната интеграция на възобновяемите енергийни източници. В допълнение, възобновяемата енергия също трябва да бъде налична, когато слънчевата и вятърната енергия са недостатъчни. Това изисква натрупване на енергия, включително за дълги периоди от време. Водородът има съществено значение, като източник и среда за съхранение на енергия, за разлика от батериите, които не могат да съхраняват големи количества електричество за продължителни периоди от време, Например, той може да се произвежда в моменти, когато търсенето на енергия е ниско, а условията за производството на електроенергия от възобновяеми източници (вятър) са налични. Друг пример с огромен потенциал за съхранение са газовите мрежи за различни приложения, при условие че те отговарят на всички технологични изисквания.

Смесването му с природен газ (при концентрация 5-10%), се оказва безопасна за пренасянето му чрез инфраструктурата на синьото гориво. В противен случай за транспортирането му той или трябва да се охлади до -253°C, за да се втечни, или да се компресира до 700bar, за да може да се достави като компресиран газ. От друга страна водородът се разглежда и като енергоносител. Той е три пъти по енергокалоричен на единица тегло при атмосферно налягане, от традиционните горива-бензин или дизел. Високата калоричност на водорода е 39, 4kWh/kg, а ниската-33, 3kWh/kg.Той много бързо гори при температура 500°C, подобна на тази на природния газ-537°C, като продукт от изгарянето е само вода. Водородът, използван в горивните клетки, се превръща по електрохимичен начин в електрическа енергия. Например, чрез приложението му в т.нар. водородни горивни клетки (fuel cell), се достига 60% енергоефективност (35-40% при съвременните двигатели на колите). Следователно, за извършването на дадена работа е необходимо значително по-малко количество от екологичното гориво-„зелен водород”. Най-хубавото е, че той може да се произвежда навсякъде, където има вода и електричество чрез електролиза.

Принцип на водната електролиза

Водната електролиза се състои от два електрода или две плочи (обикновено изработени от някакъв инертен метал, като платина или иридий), които са потопени във вода и се захранват от източник с постоянен ток. Водородът ще се появи на катода(където електроните влизат във водата), а кислородът ще се появи на анода. При идеалната ефективност на Фарадей, количеството генериран водород е два пъти по-голямо от кислорода, но и двете са пропорционални на общия електрически заряд, пропускан през разтвора. Електролизата на чиста вода изисква излишна енергия под формата на пренапрежение за преодоляване на различни бариери за активиране.

Без излишна енергия, електролизата на чиста вода се случва много бавно или изобщо не се случва. Това отчасти се дължи на ограничената самойонизация на водата. Чистата вода има електрическа проводимост около една милионна от тази на морската вода. В много електролизни клетки може също да липсват необходимите електрокатализатори от платина и иридий. Ефективността на електролизата се подобрява чрез добавяне на електролит (сол, киселина или основа) и използване на електрокатализатори. В сегашно време, електролизният процес за производство на „зелен” водород е особено актуален и вече намира промишлено приложение в Западна Европа-Великобритания, Норвегия, Германия, Дания, Холандия.

 

Стратегия на ЕС за използване на зеления водород

ЕС се придържа към гледната точка, че крайната амбициозна цел е да се получи възобновяем (renewable hydrogen) или зелен водород произведен чрез електролиза на базата на възобновяеми енергийни източници - слънце и вятър. В краткосрочен и средносрочен план обаче са необходими други форми на водород от нисковъглеродни процеси, за да се постигне бързо намаляване на емисиите и да се подпомогне развитието на жизнеспособен пазар.

Този плавен преход изисква следния поетапен подход. От 2020 до 2024г. ЕС ще подкрепя инсталирането на 6GW възобновяеми водородни електролизатори в страните членки, както и производството до един милион тона възобновяем водород. От 2025 до 2030г. водородът трябва да стане неразделна част от интегрирана енергийна система на ЕС с използване най-малко на 40GW електролизатори за водород от възобновяеми енергийни източници и производството на десет милиона тона такъв водород в страните членки. От 2030 до 2050г. технологиите за използване на водород от възобновяеми източници следва да достигнат зрялост и да бъдат внедрени в широк мащаб във всички трудни за декарбонизация отрасли.

Протоннообменна електролиза  

Водородът може да се произвежда по различни начини. В момента повече от 95% от водорода в света се произвежда от въглеводороди, като вредният въглероден диоксид е страничен продукт. Сега най-често водород се получава от въглеводороди чрез паров реформинг на природен газ (каталитична конверсия на въглеводороди в присъствието на водна пара), при който природният газ се смесва с водна пара при температура 700-1000°C по време на контролирано горене в присъствие на катализатор, за да се получи водород и въглероден оксид. Този метод е известен още, като паров реформинг на метан-steam methane reforming-SMR. Реформирането на газова пара е най-популярния и най-евтиния метод за производство на водород. Другите методи за производството на водород са газификация на въглища и електролиза на вода.

Електролизата на вода е по-съвременна и екологична технология за производство на водород, без емисии на въглероден диоксид. При нея с помощта на електрически ток, водата се разделя на отделни компоненти-водород и кислород. Сега в индустриален мащаб (6MW) за производството на зелен водород се използва процеса на киселинната електролиза с използване на твърди полимерни електролити - Рroton exchange membrane - PEM. Тази протоннообменна мембрана е важна част от електролизната клетка в PEM-електролизатора. Мембрана се явява, като електролит и сепаратор. Тя разделя анода, където се събира кислород, от катода, където се генерира водороден газ, тоест тя е пропусклива само за протоните, и предотвратява смесването на газообразните продукти-водород или кислород.

На предната и задната страна на мембраната има електроди, които са свързани към положителния и отрицателния полюс на електрозахранването. На електродите се подава напрежение, в резултат на което водата се разлага на кислород, водородни йони и свободни електрони. През мембраната преминават само водородни йони. Когато те стигнат другата страна-катода, те се сблъскват със свободните електрони, с които се свързват, образувайки водород. PEM-технологията, е все още сравнително нова, но има огромен потенциал. Тя е идеална за събиране на вятърна и слънчева енергия, която се генерира непостоянно, тъй като може бързо да се включва и изключва, без да е необходимо предварително загряване. Така възобновяемата енергия може да се използва при необходимост.

PEM-електролизаторът, се характеризира със силно динамична реакция (в рамките на милисекунди) достига пълната си мощност от 6MW и може бързо да се справи както с товар, увеличен един път и половина, така и с пада на напрежението от възобновяеми източници. За постигане на тази цел се използват контролери за автоматизация на електролизния процес. По този начин произведения зелен водород е ценен и универсален продукт за промишлена употреба, за мобилни приложения в горивни клетки, и за преобразуване в електричество на по късно време. С технологията на PEM-електролизата, се постигат висока чистота на водородния газ-по-голяма от 99,999%, дори при частично натоварване, висока работна оперативност - подходяща за директно свързване с възобновяеми енергийни източници, висок КПД-по-голям от 70%, висока относителна мощност, ниски разходи за поддръжка и надеждна работа, дълъг експлоатационен срок, екологичност - без отделяне на вредни химически вещества, а само на вода и електричество. За получаването на един килограм водород с PEM - електролиза, са необходими 10 литра деминерализирана вода и средно 50kWh електроенергия, в зависимост от ефективността на електролизатора и начина му на работа.

Високотемпературна електролиза  

Твърдооксидният електролизатор - Solid oxide electrolyzer cell - SOEC, е горивна клетка работеща в регенеративен (обърнат) режим за постигане на електролиза на вода - анодът от режим на генериране на енергия (режим на горивна клетка) се превръща в катод за режим на производство на водород (обратна горивна клетка), и обратно. За целта се използва твърд оксиден или керамичен електролит. SOEC работи при температури на високотемпературна електролиза, обикновено от 500 до 850°C. Тези работни температури са подобни на тези в твърдооксидните горивни клетки-Solid oxide fuel cell-SOFC. Чистата реакция извършваща се в електролизатора води до получаването на водород и кислород.

Електролизата на вода при 25°C, изисква 285, 83kJ топлинна енергия на един мол, като реакцията става все по-ендотермична с повишаване на температурата. Потребността от енергия обаче може да бъде намалена поради омичното нагряване на електролизната клетка, която може да се използва в процеса на разделяне на водата при високи температури. Оказва се възможно и добавяне на топлина от геотермални източници и "concentrating solar thermal collectors" - концентриращи слънчеви топлинни колектори. Те концентрират слънчевата светлина с огледала или лещи, до температура от 300°C. Елементите на твърдооксидния електролизатор са водороден електрод (катод) - от итриев циркониев диоксид легиран с никел, кислороден електрод (анод) - от лантан - стронциев манганат, твърд оксиден електролит - от плътен йонен проводник, съставен от циркониев диоксид, легиран с итрий. Цирконийът се използва поради своята висока якост, висока точка на топене-приблизително 2700°C и отлична устойчивост на корозия.

Общата функция на електролизатора е да разделя водата (във вид на пара) на чисти водород и кислород. Пара се подава към порестия катод. Когато се приложи напрежение, парата се премества към границата катод-електролит, и се редуцира до образуване чист водород и кислородни йони. След това водородният газ отново дифундира нагоре през катода и се събира на повърхността му като водородно гориво, докато кислородните йони преминават през плътния електролит. Електролитът трябва да е достатъчно плътен, така че парата и газообразният водород да не могат да дифундират и да водят до рекомбинация на водород и кислород. На границата между електролита и анода кислородните йони се окисляват, образувайки чист кислороден газ, който се събира на повърхността на анода. SOEC-модулите, могат да работят в три различни режима - термонеутрален, ендотермичен и екзотермичен.

В екзотермичния режим температурата в комина на електролизатора се повишава по време на работа поради натрупване на топлина, която се използва за предварително загряване на входящия газ. Следователно не е необходим външен източник на топлина и потреблението на електроенергия се увеличава. В ендотермичния режим се наблюдава увеличаване на потреблението на топлинна енергия и намаляване на потреблението на електроенергия и производството на водород, тъй като средната плътност на тока също намалява. Третият режим е термонеутрален, при който отделената топлина поради необратими загуби е равна на топлината, необходима за реакцията. Тъй като има известна загуба, е необходим външен източник на топлина. Този режим консумира повече енергия от ендотермичния режим.

Водещи западно-европейски производители на водородни електролизатори

ITM Power е британски производител на мембранни PEM - електролизатори, с полимерен електролит за производство на водород чрез електрохимично разделяне на водата на водород и кислород. Новият завод открит в началото на 2021година в Шефилд - Великобритания, е с производствен капацитет 350MW електролизатори годишно. Предвижда се завода да се разширява в зависимост от заявяването на поръчките до 700MW и след това до 1GW. В продуктовата листа на завода интерес преставлява продукта HgasXMW. Той е голяма електролизаторна система, изградена на базата на модул от три ITM Power stack- 3-блока високоефективни PEM-електролизатори за производство на водород под налягане с висока чистота и производителност - 36kg/h. Всеки 3-клетъчен модул е ​​изграден върху рамка, подходяща за употреба в помещение и има мощност от 2MW в началото на експлоатацията си.

Броят на модулите от 2MW в системата е мащабируем в съответствие с изискванията на заявителя за количеството на произведения водород или изпозваната мощност. Например, 6MW електролизаторна система, ще се състои от три модула по 2MW. Всеки 2MW модул може да работи независимо, осигурявайки по-голяма гъвкавост при управление на натоварването и поддръжкaта. 2MW модули са оборудвани заедно с важните подсистеми, необходими за работа. Има варианти за обработка на входящата вода и изходящия водород в зависимост от специфичните изисквания на заявителя. Норвежката NEL Hydrogen Electrolyser AS, е световен лидер в технологията на алкалните и PEM-електролизтори.

Компанията е изградила напълно автоматизиран електролизаторен завод в Херойе-Норвегия. Завършена е пробната експлоатация на първата производствена линия с мощност от 500MW на електролизатори годишно. Очаква се търговското производство на електролизаторите да започне до септември на 2021 година. В бъдеще капацитетът на завода може да бъде разширен до 2 GW годишно. С този мащаб от 500MW, според изчисленията на NEL, ще се намалят капиталовите разходи за електролиза до нивото на капиталовите разходи на SMR (паров реформинг на метан). До сега компанията е инсталирала 3500 електролизатора по целия свят. Интерес представляват произвежданите РЕМ-електролизатори, от серията М.

Тази серия осигурява бързо време за реакция и гъвкавост на производството, което я прави идеална за производство на водород от възобновяеми енергийни източници. С минимални изисквания за поддръжка и разположение, електролизаторите от серията M могат да произвеждат от 2000 до 5000Nm3/h водород с чистота 99,9995%. С мащабирана модулна конструкция, която може да бъде контейнерирана, тези електролизни системи предлагат решения, които са подходящи за различни индустриални приложения, зареждане с гориво и възобновяеми енергийни източници. Немската компания Siemens е производител на иновативните РЕМ-електролизатори, известни с търговската марка SILYZER, използващи вятърна и слънчева енергия за генериране на водород. Това прави продуктите SILYZER, двойно по полезни и двойно по чисти, като решение.

SILYZER 300 е най-новия и най-мощния електролизатор на компанията. Неговият производствен капацитет е 100-2000kg/h водород и КПД-75%. Модулната конструкция на SILYZER 300 позволява уникални свойства на мащабируемост, за да минимизира инвестиционните разходи за големи промишлени електролизни инсталации.  Датската компания Haldor Topsoe е световен лидер в областта на водородните технологии, катализатори и услуги за производство на водород, както и база на традиционните методи за получаване на водород от природен газ-SMR, така и на екологично чистия. Компанията притежава патентована технология за високотемпературна електролиза в твърд оксиден електролизатор (SOEC). Компанията е решила да инвестира в нов завод с обща мощност от 500MW на електролизтори годишно, като се предвижда капацитетът му да бъде увеличен десетократно, до 5GW годишно.

Строителството на завода ще започне през 2022 година и трябва да приключи през 2023. От компанията отбелязват, че КПД на нейните патентовани електролизатори надвишава 90%, като производителността на водород при електролиза на водата е с една трета по-висока от тази на стандартните РЕМ-аналози. В SOEC-електролизаторите, ще се използват керамични елементи, за разделянето на водните молекули на водород и кислород, докато те работят при температури над 700˚C. В тях няма да се използват редки метали или минерали, което прави производството евтино. Компанията очаква новото производство да отговори на бързо нарастващото търсене на екологични електролизни водородни инсталации, базирани на възобновяема електроенергия.