Производство водорода методом электролиза воды: Вода для производства водорода | Экодар

Вода для производства водорода | Экодар

Водород — газ, который используется в различных сферах промышленности. Одним из способов его получения является электролиз. Этот процесс подразумевает пропускание через воду электрического тока, в результате чего молекулы воды разлагаются на водород и кислород.

Для электролиза важна чистота и химический состав воды. Поэтому предприятия химической промышленности должны предварительно фильтровать воду для производства водорода и нормализовать ее химический состав в соответствии с установленными требованиями.

Особенности технологии электролиза

Получение водорода методом электролиза — наиболее экономичная и простая технология. Она требует небольших энергозатрат и позволяет получать большие объемы альтернативного газа. Водород можно добывать из любой воды, но перед этим она должна проходить очистку от посторонних примесей. Электролиз проводится в деминерализованной воде, чтобы исключить влияние растворенных и нерастворенных веществ на процесс.

При пропускании через воду электрического тока молекула воды распадается на два атома — водорода и кислорода. Причем первого получается в 2 раза больше, чем второго (из-за количества атомов). Таким образом, при обработке 0,5 литра воды можно получить около кубометра обоеих газов. Затраты электричества на разложение молекул составят 4 квт/ч.

Электролиз воды для получения водорода имеет такие преимущества:

• Сырье для производства газа всегда доступно. Воду можно получать из скважин, естественных водоемов или водопровода. Но перед этим она должна пройти фильтрацию на установках обратного осмоса или другом подобном оборудовании.
• При производстве водорода не образуется загрязняющих веществ. Под действием электрического тока вода разлагается на водород и кислород. Дополнительных компонентов в жидкости нет, так как перед этим она пропускается через молекулярную мембрану.
• Процесс электролиза полностью автоматизирован. Не нужно привлекать большое количество персонала для поддержания работы электрических установок.

Полученный методом электролиза воды водород можно использовать в таких сферах:

• Предприятия химической промышленности для получения других соединений органического происхождения;
• На фабриках по производству продуктов питания для гидрогенизации жиров;
• На производстве электронных компонентов для получения кремния в восстановительных химических реакциях;
• На нефтехимическом производстве для улучшения качества топлива и нефтепродуктов;
• На металлургических заводах для восстановления цветных металлов и получения тугоплавких сплавов;
• В качестве хладагента в охладительных установках электрогенераторов;
• Для получения горючего газа при сваривании металлов;
• Для изготовления ракетного топлива.

Преимущества использования обратного осмоса

Для комплексной очистки воды от различных примесей и дальнейшего ее применения можно использовать установки обратного осмоса. Эти фильтры отличаются тем, что позволяют удалить из жидкости до 99,9% загрязнений. Таким образом можно упростить, ускорить и удешевить процесс водоподготовки на производстве.

Технически установка обратного осмоса представляет собой мембрану, через которую под определенным давлением просачивается вода. Мембрана имеет сетчатую структуру. Но размер ячеек настолько мал, что через них могут просочиться только молекулы воды. Остальные компоненты остаются и сбрасываются в канализацию.

Для создания обратноосмотического давления используются специальные насосы, которые являются частью промышленной установки водоочистки.

Обратный осмос может удалить из воды такие загрязнения:

• Любые микроскопические вещества, которые находятся в воде в коллоидном состоянии. Более крупные частицы обычно очищаются до подачи в обратный осмос с помощью седиментных фильтров. В противном случае ресурс мембраны быстро исчерпается.
• Любые растворенные вещества. Обратный осмос может умягчить воду и удалить из нее двухвалентное железо, марганец. Таким образом никакие вещества не будут мешать протеканию электролиза и выделению водорода с кислородом из воды.

Обратный осмос может иметь высокую производительность. Специалисты компании Экодар выполняют необходимые расчеты и собирают установки водоочистки, которые позволяют получать большие объемы воды для крупных предприятий.

Установки для очистки воды от компании Экодар

Производственное предприятие Экодар предлагает установки для очистки воды различного назначения и производительности. В каталоге на сайте можно найти устройства для индивидуального применения, для использования на общественных и производственных объектах.

Компания предлагает различные виды установок обратного осмоса. Они отличаются друг от друга производительностью, наличием дополнительных аксессуаров для комфортного использования, сферой применения.

Примеры доступных для заказа устройств:

• Осмос 400 – готовое к использованию решение для водоподготовки. Состоит из фильтра обратного осмоса и дополнительных модулей, обеспечивающих его работу. Оборудование имеет компактные размеры и легко интегрируются в систему водопровода. Производительность составляет до 1500 литров в сутки (400 галлонов). Подходит для производства водорода в небольших количествах.
• Осмос 800S — это фильтр обратного осмоса, собранный на компактной раме. Для подключения достаточно врезать систему в водопровод. Картридж предварительной фильтрации и угольный уже входят в комплект. Эту установку можно использовать для очистки воды с целью получения водорода. Одна из особенностей модели с индексом S — наличие накопительного бака, в котором хранится запас очищенной воды. Производительность модели — 3000 литров или 800 галлонов в сутки.
• Промышленная установка обратного осмоса — оборудование с высокой производительностью, длительным сроком службы и надежностью. С помощью промышленной системы можно максимально очистить воду от примесей в непрерывном режиме.

Для получения консультаций и оформления заказа обратитесь к менеджерам отдела по работе с клиентами.

Перейти в каталог

Водородная жажда

25 августа 2021 в 16:33

Одна из ключевых трудностей на пути развития водородной энергетики – недостаток чистой воды. Как ранее писал «Переток», для производства одной тонны водорода методом электролиза требуется девять тонн очищенной или 18 тонн обычной природной воды. Впрочем, по сравнению с другими секторами экономики, водопотребление в водородной энергетике не так уж велико. Эксперт Международного агентства по возобновляемым источникам энергии (IRENA) Хериб Бланко провёл исследование и выяснил, сколько воды понадобится для всех электролитических установок к 2050 году и каких энергетических затрат это потребует.

Водород как удобный для хранения и обладающий достаточной плотностью энергоноситель позволяет декарбонизировать самые энергоёмкие сферы экономики, в том числе металлургию, что успешно показал опыт шведских сталелитейщиков. Одним из наиболее перспективных с точки зрения снижения нагрузки на окружающую среду считается так называемый «зелёный» водород, получаемый методом электролиза – разделением воды на кислород и водород при помощи электричества от ВИЭ. При всех технических трудностях, многие эксперты смотрят на перспективы этого метода с оптимизмом, учитывая стабильное снижение стоимости энергии от ВИЭ в последние годы. Однако есть и другая проблема – хватит ли на Земле чистой воды для масштабного развертывания водородной энергетики и не перечеркнут ли затраты на водоочистку все преимущества водорода как энергоносителя?

Сколько воды нужно для электролиза

Как отмечает Хериб Бланко в своей статье на портале Energy Post, электролиз требует минимум 9 кг воды на килограмм водорода, или, если брать в расчёт процесс деминерализации (а для электролиза годится только деминерализованная вода), от 18 до 24 кг воды на 1 кг готового топлива. При другом популярном способе производства водорода, так называемом паровом риформинге метана (steam reforming of methane – SRM), воды расходуется меньше – 4,5 кг, однако SRM-установки требовательны с точки зрения охлаждения, на которое также требуется вода – от 6,4 до 32,2 кг на 1 кг водорода дополнительно.

Ещё один компонент, который необходимо учитывать – потребление воды при производстве возобновляемой энергии или природного газа, необходимых для выработки водорода. Водопотребление для фотоэлектрических панелей может варьироваться между 50 и 400 литрами на 1 МВт*ч (2,4–19 кг воды на 1 кг водорода). Для ветровых установок показатели кратно меньше – от 5 до 45 литров на 1 МВт*ч (0,2–2,1 кг воды на 1 кг водорода). Водная ёмкость производства природного газа составляет 1,14 кг. Итого, общее потребление воды для производства водорода с помощью солнечных панелей и ветровых установок в среднем может составлять 32 кг и 22 кг воды на килограмм водорода соответственно.

Г-н Бланко отмечает, что как и с выбросами СО₂, чтобы снизить водный след (количество воды, прямо или косвенно используемой человеком, группой людей или в рамках какого-либо процесса) от промышленного электролиза, нужно использовать ВИЭ. Даже при частичном использовании ископаемого топлива для производства электроэнергии из водорода потребление воды существенно выше, чем в процессе электролиза. К примеру, расход воды для производства электричества из водорода с использованием природного газа может доходить до 2,5 тыс. литров на 1 МВт*ч. При этом расход воды при производстве водорода с использованием солнечных панелей и ветра, очевидно, будет снижаться со временем из-за повышения эффективности процесса.

Потребление воды при производстве водорода с использованием разных энергоносителей

Водородный спрос на H₂O в 2050 году превысит водопотребление Италии­­­­­­­­

«Если взять за точку отсчёта потребление воды на душу населения, и принять за среднее значение 400 куб. м воды на человека в год, производство водорода к 2050 году потребует столько же воды, сколько нужно населению средней европейской страны с 62 миллионами жителей», – следует из расчётов Statista, на которые ссылается Energy Post. За основу расчёта был взят усреднённый расход воды для пиковых стран: Люксембурга (75 куб. м на человека в год) и США (1,2 тыс. куб. м). Для наглядности: сейчас население Италии составляет 60,2 млн человек, Франции – 69 млн.
­­­­­­­
Согласно данным доклада «Перспективы мирового энергетического перехода» (World Energy Transitions Outlook), подготовленного экспертами IRENA, спрос на водород к 2050 году составит около 74 Эксаджоулей (10¹⁸ Дж), две трети из которых будут приходиться на водород, произведённый с помощью ВИЭ. Сегодня же эта цифра не превышает 8,4 Эксаджоулей.

Если все потребности в водороде в 2050 году будут удовлетворены посредством электролиза, потребление воды при этом составил около 25 млрд куб. м. Для сравнения: в агросекторе текущее водопотребление составляет 2 800 млрд куб. м, в промышленности – 800 млрд, в городском хозяйстве – 470 млрд. Текущий объём производства водорода методом риформинга природного газа и газификации угля требует 1,5 млрд куб. м воды.

Водопотребление по секторам экономики

Цена вопроса: сколько денег и энергии нужно на подготовку воды для электролиза

Аппараты для электролиза требуют специально подготовленной воды высокого качества, в ином случае они быстро выйдут из строя. Многие элементы электролитической установки, в том числе мембрана, диафрагма и катализаторы для щёлочи, чувствительны к неблагоприятному воздействию содержащихся в воде примесей – железа, хрома, меди и других.

На подготовку воды приходится сравнительно небольшая доля в затратах энергии и стоимости. Самая дорогая и энергоёмкая процедура – опреснение. Наиболее распространенная технология для этого – обратный осмос, на который приходится 70% всех опреснительных установок в мире. Стоимость опреснительной установки мощностью 1 куб. м в сутки составляет около $2 тыс., при этом стоимость подготовки воды методом обратного осмоса составляет приблизительно $1 на кубометр и меньше, в зависимости от цены на электричество в том или ином регионе. Транспортировка может добавить к этой сумме ещё $1–2 доллара на кубометр. Даже при таких условиях доля подготовки воды в стоимости производства водорода не превысит $0,05 на 1 кг водорода. Для сравнения: стоимость возобновляемого водорода сегодня может составлять $2–3 на 1 кг при использовании ВИЭ и $4–5 – при традиционных энергоресурсах. Иными словами, на подготовку воды придётся менее 2% общей стоимости электролиза. Использование морской воды для этих нужд увеличивает долю водоподготовки в стоимости в 2,5–5 раз.

Количество энергии, необходимое для электролиза, также сравнительно невелико в общем объёме энергии, потребляемой электролитической установкой. Современные установки обратного осмоса требуют около 3 кВт*ч на 1 куб. м. Дистилляционные установки расходуют больше – от 40 до 80 кВт*ч на 1 куб. м. При самом консервативном (энергоёмком) сценарии, с использование дистилляторов количество энергии, необходимое для подготовки воды, составит около 0,7 кВт*ч на 1 кг водорода. В относительных числах доля водоподготовки в общих энергозатратах при электролизе не превысит 1%.

Определённую проблему представляет утилизация рассола, остающегося после опреснения морской воды. Безусловно, чтобы снизить воздействие на экосистему, его необходимо подвергнуть дополнительной переработке, что может повысить стоимость опресненной воды ещё на $0,6–2,4 на 1 куб. м. Кроме того, более строгие требования к качеству воды для электролиза по сравнению с питьевой водой могут привести к удорожанию очистки, но при этом её доля всё равно будет сравнительно небольшой.

Доля опреснения воды в общей стоимости водорода и энергозатратности его производства

«Итак, водный след – это параметр с очень высокой локальной спецификой, зависящий от доступности, уровня потребления и загрязнения воды в том или ином регионе. Следует учитывать необходимость баланса с экосистемой и воздействие долгосрочных климатических трендов. Однако, наличие достаточного количества воды очевидно не станет значимым барьером для масштабирования водородной энергетики», – заключает Хериб Бланко.

«Голубой» водород: проблема, а не решение?

Между тем, скепсис касаемо перспектив водородной энергетики звучит всё отчетливее. В середине августа в издании Energy Science & Engineering было опубликовано исследование профессора экологии и экологической биологии Корнуэльского университета Роберта Хорвата и его коллеги из Стэнфорда Марка Джейкобсона. Учёные утверждают, что производство водорода из природного газа более вредно с точки зрения выбросов СО₂, чем просто сжигание природного газа.

«Использование «голубого» водорода (произведённого методом риформинга метана –ред.) крайне трудно оправдать с точки зрения снижения воздействия на климат», – пишут исследователи. Авторы указывают, что в процессе производства этого топлива содержится три потенциальных источника выбросов парниковых газов. Во-первых, не весь объём СО₂, остающийся в процессе риформинга, можно уловить. Во-вторых, если энергию, необходимую для риформинга и улавливания СО₂ будут получать от сжигания того же природного газа, весь процесс будет неэффективным сточки зрения снижения парниковых выбросов. В-третьих (и в главных), авторы заключают, что при подготовке природного газа в качестве сырья для риформинга в атмосферу будет выброшено огромное количество метана – газа с более сильным парниковым эффектом, чем углерод.

Вывод экспертов, подтверждённый обстоятельными расчётами, идёт вразрез с принятой в прошлом году Евросоюзом Водородной стратегией, подразумевающей развитие производства именно «голубого» водорода, чтобы заместить этим топливом природный газ и использовать его в таких энергоёмких секторах, как грузовой транспорт, производство стали и цемента.

Автор: Григорий Вольф

водородная энергетика вода ВИЭ

Производство водорода: Электролиз | Департамент энергетики

Электролиз — многообещающий вариант безуглеродного производства водорода из возобновляемых и ядерных ресурсов. Электролиз — это процесс использования электричества для расщепления воды на водород и кислород. Эта реакция происходит в устройстве, называемом электролизером. Размер электролизеров может варьироваться от небольшого оборудования размером с прибор, которое хорошо подходит для мелкомасштабного распределенного производства водорода, до крупномасштабных центральных производственных объектов, которые могут быть напрямую связаны с возобновляемыми или другими формами энергии, не выделяющими парниковых газов. производство электроэнергии.

Как это работает?

Как и топливные элементы, электролизеры состоят из анода и катода, разделенных электролитом. Различные электролизеры работают по-разному, в основном из-за разного типа используемого электролита и ионных частиц, которые он проводит.

Электролизеры с мембраной из полимерного электролита

В электролизере с мембраной из полимерного электролита (ПЭМ) электролит представляет собой твердый специальный пластиковый материал.

• Вода реагирует на аноде с образованием кислорода и положительно заряженных ионов водорода (протонов).
• Электроны проходят через внешнюю цепь, а ионы водорода избирательно перемещаются через ФЭУ к катоду.
• На катоде ионы водорода соединяются с электронами из внешней цепи, образуя газообразный водород. Анодная реакция: 2H ₂ O → O ₂ + 4H ⁺ + 4e ^— Катодная реакция: 4H ⁺ + 4e ^— → 2H _{94 2 94}

Щелочные электролизеры

Щелочные электролизеры работают за счет транспорта ионов гидроксида (OH ^—) через электролит от катода к аноду с образованием водорода на стороне катода. Электролизеры, использующие жидкий щелочной раствор гидроксида натрия или калия в качестве электролита, уже много лет имеются в продаже. Новые подходы с использованием твердых щелочных обменных мембран (AEM) в качестве электролита показывают многообещающие результаты в лабораторных масштабах.

Электролизеры твердого оксида

Электролизеры твердого оксида, в которых в качестве электролита используется твердый керамический материал, избирательно проводящий отрицательно заряженные ионы кислорода (O ^2-) при повышенных температурах генерируют водород несколько другим способом.

• Пар на катоде соединяется с электронами из внешней цепи с образованием газообразного водорода и отрицательно заряженных ионов кислорода.
• Ионы кислорода проходят через твердую керамическую мембрану и реагируют на аноде, образуя газообразный кислород и генерируя электроны для внешней цепи.

Твердооксидные электролизеры должны работать при температурах, достаточно высоких для нормального функционирования твердооксидных мембран (около 700–800 °C по сравнению с электролизерами на основе ПОМ, которые работают при 70–90°C и коммерческие щелочные электролизеры, которые обычно работают при температуре ниже 100°C). Усовершенствованные лабораторные твердооксидные электролизеры на основе протонпроводящих керамических электролитов демонстрируют перспективность снижения рабочей температуры до 500–600°C. Твердооксидные электролизеры могут эффективно использовать тепло, доступное при этих повышенных температурах (из различных источников, включая ядерную энергию), для уменьшения количества электроэнергии, необходимой для производства водорода из воды.

Почему рассматривается этот путь?

Электролиз — это ведущий способ производства водорода для достижения цели Hydrogen Energy Earthshot по снижению стоимости чистого водорода на 80% до 1 доллара за 1 килограмм за 1 десятилетие («1 1 1»). Водород, полученный с помощью электролиза, может привести к нулевым выбросам парниковых газов, в зависимости от используемого источника электроэнергии. Источник необходимой электроэнергии, включая его стоимость и эффективность, а также выбросы в результате производства электроэнергии, необходимо учитывать при оценке преимуществ и экономической целесообразности производства водорода с помощью электролиза. Во многих регионах страны сегодняшняя электросеть не идеальна для обеспечения электроэнергией, необходимой для электролиза, из-за выбросов парниковых газов и количества необходимого топлива из-за низкой эффективности процесса производства электроэнергии. Производство водорода с помощью электролиза используется для возобновляемых источников (ветер, солнце, гидро, геотермальная энергия) и ядерной энергии. Эти пути производства водорода приводят к практически нулевым выбросам парниковых газов и загрязняющих веществ; тем не менее, стоимость производства должна быть значительно снижена, чтобы быть конкурентоспособным с более зрелыми способами, основанными на углероде, такими как риформинг природного газа.

Потенциал для синергии с производством энергии из возобновляемых источников
Производство водорода посредством электролиза может предложить возможности для синергии с динамической и прерывистой выработкой энергии, что характерно для некоторых технологий возобновляемых источников энергии. Например, хотя стоимость энергии ветра продолжает снижаться, присущая ветру изменчивость является препятствием для эффективного использования энергии ветра. Водородное топливо и производство электроэнергии могут быть интегрированы в ветряную электростанцию, что позволит гибко переключать производство, чтобы наилучшим образом соответствовать доступности ресурсов с эксплуатационными потребностями системы и рыночными факторами. Кроме того, во времена избыточного производства электроэнергии ветряными электростанциями вместо того, чтобы сокращать электроэнергию, как это обычно делается, можно использовать эту избыточную электроэнергию для производства водорода путем электролиза.

Важно отметить…

• Электроэнергия в настоящее время не является идеальным источником электроэнергии для электролиза, поскольку большая часть электроэнергии вырабатывается с использованием технологий, которые приводят к выбросам парниковых газов и являются энергоемкими. Выработка электроэнергии с использованием технологий возобновляемой или ядерной энергии, либо отдельно от сети, либо в качестве растущей части сети, является возможным вариантом преодоления этих ограничений для производства водорода с помощью электролиза.
• Министерство энергетики США и другие организации продолжают усилия по снижению стоимости производства электроэнергии на основе возобновляемых источников и развитию более эффективного производства электроэнергии на основе ископаемого топлива с улавливанием, утилизацией и хранением углерода. Производство электроэнергии на основе ветра, например, быстро растет в Соединенных Штатах и ​​во всем мире.

Исследования сосредоточены на преодолении проблем

• Достижение целевого показателя стоимости чистого водорода Hydrogen Shot в размере 1 доллара США за кг H ₂ к 2030 г. (и промежуточная цель в размере 2 долл. США/кг H ₂ к 2025 г.) за счет лучшего понимания компромиссов между производительностью, стоимостью и долговечностью электролизных систем при прогнозируемых будущих динамических режимах работы с использованием CO ₂ — без электричества .
• Снижение капитальных затрат электролизера и баланса системы.
• Повышение энергоэффективности преобразования электроэнергии в водород в широком диапазоне условий эксплуатации.
• Углубление понимания процессов деградации элементов и батарей электролизера и разработка стратегий смягчения последствий для увеличения срока службы.

Крупномасштабное производство водорода электролизом воды: технико-экономическая и экологическая оценка

Крупномасштабное производство водорода

с помощью электролиза воды : технико-экономическая и экологическая оценка†

Том Терлоу, * ^аб христианин Бауэр, * ^и Рассел МакКенна ^CD и Марко Маццотти ^б

Принадлежности автора

* Соответствующие авторы

^и Группа оценки технологий, Лаборатория анализа энергетических систем, Институт Пауля Шеррера, 5232 Villigen PSI, Швейцария
Электронная почта: tom. [email protected], [email protected]

^б Институт энергетики и технологических процессов, ETH Zürich, Zürich 8092, Швейцария

^в Кафедра анализа энергетических систем, факультет машиностроения и технологического проектирования, ETH Zürich, Цюрих 8092, Швейцария

^д Лаборатория анализа энергетических систем, 5232 Villigen PSI, Швейцария

Аннотация

rsc.org/schema/rscart38″> Можно производить низкоуглеродистый (зеленый) водород с помощью электролиза воды с использованием фотоэлектрической, ветровой, гидроэнергии или электричества из обезуглероженной сети. В этой работе количественно оцениваются текущие и будущие затраты, а также воздействие на окружающую среду крупномасштабных систем производства водорода на географических островах, которые демонстрируют высокий потенциал возобновляемых источников энергии и могут выступать в качестве центров экспорта водорода. Рассматриваются различные конфигурации производства водорода с учетом ежедневной производительности водорода 10 тонн, затрат на производство водорода, выбросов парниковых газов в течение жизненного цикла, использования материалов и преобразования земли. Результаты показывают, что затраты на производство электролитического водорода составляют 3,7 евро за кг H 9 .0143 ₂ доступны уже сегодня, и что вероятно снижение до 2 евро за кг H ₂ в 2040 году, что приведет к паритету затрат с водородом из риформинга природного газа даже при применении «исторических» цен на природный газ. Недавний скачок цен на природный газ показывает, что паритет стоимости между зеленым и серым водородом может быть достигнут уже сегодня. Производство водорода с помощью электролиза воды с низкими затратами и низким уровнем выбросов парниковых газов в настоящее время возможно только в очень определенных местах. Гибридные конфигурации с использованием различных вариантов электроснабжения демонстрируют наилучшие экономические показатели в сочетании с низкой нагрузкой на окружающую среду. Автономные системы производства водорода особенно эффективны для производства низкоуглеродного водорода, хотя производство компонентов системы большего размера может привести к значительным экологическим нагрузкам и инвестициям. Некоторые материалы (особенно иридий) и доступность земли могут быть ограничивающими факторами при расширении производства зеленого водорода с помощью электролизеров с мембраной из полимерного электролита (ПЭМ). Это означает, что лица, принимающие решения, должны учитывать аспекты, помимо затрат и выбросов парниковых газов, при проектировании крупномасштабных систем производства водорода, чтобы избежать рисков, связанных, например, с поставкой дефицитных материалов.