«Зеленеющая энергетика»: российские экологи улучшили метод добычи водорода из метана
Почему именно метан?
Фото: сгенерировано в нейросети
Говорить о зеленой энергетике легко и приятно, но часто использование водорода можно сравнить с научной фантастикой, а на практике оно нецелесообразно. При сгорании водород дает в три раза больше теплоты, чем бензин. Этим фактом оперируют, подчеркивая целесообразность водорода как топлива. Но если бы водородные двигатели были лучше бензиновых с экономической точки зрения, то последние мы бы видели лишь в музеях. Водород необходим в целом ряде отраслей не только как топливо или источник энергии («начинка» для топливной ячейки). Треть всего потребляемого в мире водорода нужна в нефтепереработке, чуть больше четверти — для получения аммиака, еще по 11 % и 3 % приходится на получение метанола и разных марок стали.
Использование водорода в качестве так называемого энергоносителя (грубо говоря, в качестве топлива) часто описывается по одной и той же схеме — с помощью электричества из воды получают водород и кислород. Большинство из нас помнит это по школьному учебнику физики — если в воду окунуть провода, соединенные с аккумуляторными клеммами «+» и «-», то они начнут пузыриться. Так H2O разлагается на водород и кислород.
Затем водород используют в топливной ячейке и получают электричество. В ней происходит обратная электролизу реакция, которую иногда называют «холодным горением» водорода. В такой батарее водород и кислород содержатся в отдельных емкостях, подаются на специальную мембрану. В момент образования молекулы воды из атомов водорода и кислорода мембрана «забирает» выделившуюся энергию.
Грубый анализ схемы с точки зрения коэффициента полезного действия (КПД) показывает, что она далека от совершенства. Лучшие электролизеры достигают показателя КПД 83 %, КПД топливных ячеек — 60 %. КПД цепочки «энергозатраты на электролиз — получение, хранение, и перемещение водорода — использование водорода в топливной ячейке» будет почти 50 %. Скептики отмечают, что в техпаспортах оборудования практически любой производитель указывает наилучшие значения, а то, что такой показатель не достижим для всех диапазонов мощностей, обычно пишут мелким шрифтом. Потому в среднем КПД цепочки достигает 42 %. Если прибавить потери на сжатие и хранение водорода, затратную транспортировку взрывоопасного вещества, то КПД выйдет около 35 %. Две трети энергии теряются, и это оптимистическая оценка. Приблизительно такие цифры приводит ведущий разработчик, производитель и подрядчик в области разделения и компримирования (перекачка под высоким давлением или сжижение для хранения в баллонах) газов в СНГ и Восточной Европе НПК «Грасис». Всего 2 % водорода, получаемого в мире, приходится на электролиз. В каком-то смысле это редкость. Эти 2 % не используются в энергетике, а лишь в каких-либо технологиях, где этого газа нужно совсем немного. Или же в удаленных местах, где проще установить электролизер, чем связываться со сложной логистикой. А остальные 98 %? Из них 76 % — добыча газа из метана, а 23 % — из угля. Добыча из угля – более «грязный» способ, если сравнивать с разложением метана.
Многие эксперты обращают внимание на потребление энергии для того или иного вида добычи водорода (и не только). Электролиз водорода «жрет» в пять раз больше электроэнергии, чем пиролиз метана. Потому иногда этот метод даже называют самым грязным — к нулевым выбросам углекислого и угарного газов непосредственно от самого процесса нужно прибавить все негативные эффекты от выработки затраченного электричества. Утопические «зеленые» мечты о полях, «засеянных» сияющими солнечными батареями, разбиваются о суровую реальность — электроэнергия на рынке стоит денег, за этой энергией тянется углеродный след. Как правило, чем он выше, тем дешевле электроэнергия. Самое дешевое электричество получают при сжигании углеводородов. Но всё же экологически «кристально чистый» водород получается, когда в цепочке электролиза задействована энергия, полученная из возобновляемых источников энергии, гидроэлектростанций или атомных электростанций.
Огонь, «губка» и медные трубы
Если подсчитать КПД водорода, получаемого из природного сырья, то экономически описанная выше схема становится куда привлекательнее.
Что такое пиролиз? Водород с низким углеродным следом можно получить из природного газа (его основной компонент — метан CH4, а остальные составляющие можно считать примесями), если разложить его на составляющие и разделить их. Для этого газ нужно нагреть до температуры около 1000 ℃. Процедура опасная, требует специальных условий, так как метан загорается при температуре +537,8 ℃. Но без участия кислорода газ не сможет ни загореться, ни тем более взорваться. Химическая формула превращения предельно простая: CH4 разлагается на две молекулы H2 и дает углерод С, находящийся в твердой фазе. Поскольку реакция происходит без участия кислорода, то получается углерод в твердом виде, а не углекислый газ CO2 или угарный газ CO.
Упрощенно установку пиролиза можно описать так: это емкость с метаном, на выходе из которой с помощью специального клапана можно регулировать поток газа. Газ пропускают через трубку, которая нагревается горелкой до высоких температур. Трубка соединена с блоком отделения неразложившихся газообразных углеводородов от водорода. Водород после этого блока поступает в баллоны или другие емкости для хранения, а «остатки» природного газа проходят через систему еще раз.
Проведя множество экспериментов по улучшению этого процесса, учёные-экологи РУДН попробовали поместить в нагреваемую трубку «губку» из железа. Губчатое железо — вещество, которое можно получить из железной руды. Это простое железо, но в необычной форме. В данном случае важны лишь два его свойства — дешевизна и очень высокая пористость. Простая поролоновая мочалка дает упрощенное представление о губчатом железе.
Первые результаты предвосхитили учёных — если пропустить газ через раскаленную трубку с «губкой», количество метана, которое распалось сразу же (без повторного круга по системе через блок не разложившегося газа), ощутимо растёт. «Губка» выполняет роль катализатора — ускоряет реакцию. Варьируя скорость подачи вещества и диапазон температур, специалисты добились показателя эффективности реакции 85 %. Это на 81 % выше, чем аналогичная реакция без катализатора.
Ученые исследовали губку после экспериментов и увидели, что её поверхность покрыта углеродом. Катализатор будто «помогает» углероду отделиться от водорода и притягивает его в свои кристаллические решётки. Анализ показал, что часть железа соединилась с ним и образовала карбид Fe3C (цементит). Это вещество с экологической точки зрения безопасно. Оно на 6,67 % состоит из углерода, так что рассчитать максимальную полезную емкость губчатого катализатора не составляет труда.
Теперь специалисты изучат, как поведёт себя губчатое железо при длительных реакциях, и будут разрабатывать либо способ удаления углерода из рабочей зоны реактора, либо метод отделения образовавшегося углерода от катализатора. Возможно, сменные кассеты с «губкой» смогут решить этот вопрос.
Так как для разложения газа нужна высокая температура, а это чаще всего работа пропановой горелки, то ускорение реакции находится в прямой взаимосвязи с экологичностью процесса. В дальнейшем усовершенствовании метода принимают участие не только ученые-экологи из РУДН, но и коллеги из Объединенного Института Высоких температур РАН, университета Graphic Era (Индия), Университета науки и технологий МИСИС и Лукойл-инжиниринг. Получение водорода из метана вряд ли отойдет на второй план в этом веке, потому вопросы эффективности его добычи интересуют ученых всего мира.
