Produkcja niebieskiego wodoru w odpowiedzi na zapotrzebowanie przemysłu

W miarę jak zmiany klimatyczne oraz globalne cele redukcji emisji dwutlenku węgla napędzają rozwój energetyki wodorowej, pojawia się wiele metod jego wytwarzania, z których każda ma swoje unikalne zalety i wyzwania. Choć wodór zielony – produkowany wyłącznie z odnawialnych źródeł energii – stanowi wzór zrównoważonej przyszłości, jego obecne ograniczenia ekonomiczne, technologiczne i związane ze skalowalnością sprawiają, że konieczne jest znaczące wsparcie innymi „kolorami” wodoru, aby utrzymać perspektywy rozwoju tego paliwa.

Obecnie większość światowej produkcji wodoru stanowią wodór szary i niebieski, wytwarzane głównie przy użyciu powszechnie dostępnych procesów reformingu parowego metanu (SMR) lub reformingu autotermicznego (ATR), zazwyczaj z wykorzystaniem gazu ziemnego jako surowca. Choć oba rodzaje bazują na tych samych metodach wytwarzania, produkcja wodoru niebieskiego idzie o krok dalej niż w przypadku wodoru szarego, wychwytując i magazynując emisje dwutlenku węgla powstające wraz z wodorem, aby zapobiec ich uwolnieniu do atmosfery. Z tego powodu uznaje się go za wodór niskoemisyjny.

SMR to dojrzały proces termochemiczny, w którym źródło metanu – na przykład gaz ziemny – reaguje z parą wodną o wysokiej temperaturze pod ciśnieniem od 3 do 25 barów (43,5–363 psi) w obecności katalizatora. Ma on długą historię zastosowań w takich branżach jak rafinacja ropy naftowej, produkcja nawozów czy wytwarzanie metanolu.

W wyniku tej reakcji powstaje gaz syntezowy (syngas) – mieszanina wodoru i tlenku węgla. Następnie zachodzi reakcja konwersji tlenku węgla z parą wodną (water-gas shift, WGS), która przekształca tlenek węgla w dodatkowy wodór, generując przy tym dwutlenek węgla i niewielką ilość tlenku węgla jako produkty uboczne.

ATR to nowsza metoda, szczególnie dobrze dostosowana do produkcji wodoru na dużą skalę. Choć urządzenia potrzebne do przeprowadzenia wymaganych reakcji wymagają większych nakładów inwestycyjnych, metoda ta sprzyja bardziej efektywnemu wychwytywaniu węgla. Wynika to z kontrolowanego dozowania tlenu w jednostce reformera, co ogranicza powstawanie tlenku węgla i pozwala uzyskać czystszy strumień dwutlenku węgla niż w przypadku SMR.

Dodatkowo, ponieważ ATR częściowo utlenia metan tlenem w celu wytworzenia gazu syntezowego, nie wymaga zewnętrznego źródła ciepła. Podobnie jak w przypadku SMR, reakcja konwersji tlenku węgla z parą wodną (WGS) maksymalizuje uzysk wodoru.. Podobnie jak w przypadku SMR, reakcja konwersji tlenku węgla z parą wodną (WGS) maksymalizuje uzysk wodoru.

Wybór między SMR a ATR w produkcji niebieskiego wodoru sprowadza się do kompleksowej oceny wielu czynników, w tym m.in.:

• Pożądanego zakresu produkcji
• Wymaganej czystości wodoru
• Składu dostępnego gazu ziemnego
• Dostępu do kapitału
• Prognozowanych kosztów operacyjnych
• Globalnej lub regionalnej sytuacji gospodarczej

Produkcja niebieskiego wodoru metodą SMR obejmuje trzy kluczowe reakcje oraz opcjonalny czwarty etap.

1. Reforming metanu
W tej podstawowej reakcji metan (CH₄) - zazwyczaj pochodzący z gazu ziemnego - reaguje z parą wodną (H₂O) w wysokiej temperaturze (700–1 100 °C / 1 300–2 000 °F) i pod ciśnieniem (3–25 barów / 43,5–363 psi) w obecności katalizatora na bazie niklu. W jej wyniku powstaje gaz syntezowy (syngas), czyli mieszanina wodoru (H₂) i tlenku węgla (CO). Jest to reakcja endotermiczna, co oznacza, że wymaga doprowadzenia ciepła.

CH₄ + H₂O ⇌ CO + 3H₂ (ΔH = +206 kJ/mol)

2. Reakcja konwersji tlenku węgla z parą wodną (WGS)
Gaz syntezowy poddaje się następnie reakcji WGS, w której tlenek węgla reaguje z parą wodną w obecności katalizatora, zwykle na bazie tlenku żelaza lub miedzi, wytwarzając dodatkowy wodór oraz dwutlenek węgla (CO₂). Jest to reakcja egzotermiczna, a więc uwalnia ciepło.

CO + H₂O ⇌ CO₂ + H₂ (ΔH = -41 kJ/mol)

3. Usuwanie dwutlenku węgla
Na tym etapie mieszanina gazowa składa się głównie z wodoru, dwutlenku węgla oraz niewielkich ilości nieprzereagowanego metanu. Dwutlenek węgla najczęściej usuwa się poprzez obróbkę gazu aminami, polegającą na jego rozpuszczaniu w roztworach aminowych, co pozwala uzyskać oczyszczony strumień wodoru.

CO₂ + roztwór amin ⇌ kompleks amina-CO₂ (reprezentacja uproszczona)

4. Oczyszczanie wodoru (opcjonalne)
W zależności od wymaganej czystości wodoru stosuje się dodatkowe etapy oczyszczania. Najczęściej wykorzystuje się. adsorpcję zmiennociśnieniową (PSA), w której materiały adsorpcyjne selektywnie wychwytują dwutlenek węgla oraz separację membranową, gdzie specjalne membrany przepuszczają wyłącznie cząsteczki wodoru.

Katalizatory są niezbędne w procesie SMR, ponieważ przyspieszają reakcje, jednak z czasem ulegają zużyciu i wymagają regeneracji lub wymiany. Proces endotermicznego reformingu metanu oraz egzotermicznej reakcji WGS wymaga starannego zarządzania ciepłem w celu utrzymania wysokiej efektywności pracy.

Główną zaletą ATR w porównaniu z SMR jest niższa emisja tlenku węgla, a co za tym idzie – wyższa skuteczność wychwytywania dwutlenku węgla, sięgająca 95 % w porównaniu do około 60% w SMR. Produkcja niebieskiego wodoru metodą ATR obejmuje następujące kluczowe etapy.

1. Podgrzewanie i mieszanie surowca
Gaz ziemny - głównie metan - oraz para wodna są wstępnie podgrzewane, a do mieszaniny wprowadza się kontrolowane ilości tlenu (O₂).

2. Spalanie
Część metanu reaguje z dodanym tlenem w silnie egzotermicznej reakcji spalania, wytwarzając ciepło niezbędne do kolejnego etapu reformingu.

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O (ΔH = -890 kJ/mol)

3. Reforming
Ciepło powstałe podczas spalania napędza endotermiczne reakcje reformingu.

Reforming parowy: CH₄ + H₂O ⇌ CO + 3H₂ (ΔH = +206 kJ/mol)
Częściowe utlenianie: 2CH₄ + O₂ ⇌ 2CO + 4H₂ (ΔH = -36 kJ/mol)

4. Reakcja konwersji tlenku węgla z parą wodną (WGS)
Podobnie jak w SMR, tlenek węgla powstały w reakcjach reformingu reaguje z parą wodną w obecności katalizatora, tworząc dodatkowy wodór i dwutlenek węgla:

CO + H₂O ⇌ CO₂ + H₂ (ΔH = -41 kJ/mol)

5. Usuwanie dwutlenku węgla
Podobnie do SMR, dwutlenek węgla usuwa się z mieszaniny gazów, najczęściej przy użyciu technologii oczyszczania gazu aminami, co pozwala uzyskać strumień czystego wodoru.

6. Oczyszczanie wodoru (opcjonalne)
W razie potrzeby stosuje się dodatkowe etapy, takie jak PSA lub separacja membranowa, w celu uzyskania wodoru o wyższej czystości.

SMR jest prostszy i tańszy w realizacji w porównaniu do ATR, ponieważ nie wymaga stałego źródła tlenu. However, Jednak ATR jest samowystarczalny cieplnie dzięki zintegrowanej reakcji spalania, co eliminuje konieczność stosowania zewnętrznego źródła ciepła i czyni go bardziej energooszczędnym.

Dodatkowo ATR zazwyczaj wytwarza wyższy stosunek wodoru do tlenku węgla w gazie syntezowym, co bywa korzystne w niektórych zastosowaniach przemysłowych. Systemy ATR są też z reguły bardziej elastyczne i lepiej też reagują na zmiany zapotrzebowania produkcyjnego. Z tych oraz innych powodów nowe instalacje do produkcji niebieskiego wodoru coraz częściej wykorzystują technologię ATR.

Rozmowa o niebieskim wodorze byłaby niepełna bez omówienia technologii wychwytywania, wykorzystania i składowania dwutlenku węgla (CCUS). Te złożone procesy rozpoczynają się od oddzielenia dwutlenku węgla od innych gazów obecnych w strumieniu spalin, co często opiera się na technologiach absorpcyjnych, np. z wykorzystaniem amin selektywnie wychwytujących węgiel.

Po wychwyceniu dwutlenek węgla jest sprężany i skraplany do stanu nadkrytycznego, co umożliwia jego efektywny transport – zazwyczaj rurociągami – do odpowiednich formacji geologicznych przeznaczonych do .długoterminowego składowania. Potencjalne miejsca magazynowania obejmują wyeksploatowane złoża ropy i gazu, głębokie solankowe warstwy wodonośne oraz kawerny solne.

Mimo że instalacje do wychwytywania i składowania dwutlenku węgla (CCS) oferują sposób na zarządzanie emisjami, istnieją pewne wątpliwości dotyczące ich długoterminowego bezpieczeństwa. Nawet niewielkie wycieki mogłyby potencjalnie wpłynąć na pobliskie ekosystemy i wody gruntowe.

Trwa dyskusja na temat wpływu środowiskowego niebieskiego wodoru w porównaniu z wodorem zielonym, produkowanym przy użyciu energii odnawialnej. Niektórzy uważają, że skupienie się na wodorze niebieskim może opóźnić przejście na energię odnawialną i wodór zielony.

Z perspektywy finansowej koszty związane z CCS mogą sprawiać, że technologia niebieskiego wodoru jest droższa niż w przypadku wodoru szarego. Jednak koszty te stopniowo maleją. Ponadto takie czynniki jak podatki węglowe nakładane na wodór szary, rządowe zachęty dla wodoru niebieskiego czy systemy handlu emisjami mogą uczynić wodór niebieski - a nawet zielony - bardziej opłacalnym ekonomicznie.

Oprócz aspektów środowiskowych i ekonomicznych, powodzenie wdrażania technologii produkcji niebieskiego wodoru opiera się na zaawansowanej sieci aparatury kontrolno-pomiarowej i systemów sterowania, które wspólnie zapewniają niezawodność procesów, ich efektywność oraz bezpieczeństwo. Zarówno SMR, jak i ATR wymagają rozbudowanych zestawów czujników, które nieustannie monitorują parametry procesowe i przekazują dane w czasie rzeczywistym do zaawansowanych systemów sterowania. Pozwala to optymalizować produkcję, minimalizować straty oraz ograniczać ryzyko.

Czujniki temperatury, kluczowe dla utrzymania optymalnych warunków reakcji i zapobiegania degradacji katalizatora, pracują w tandemie z czujnikami ciśnienia, które gwarantują bezpieczne warunki w reaktorach i rurociągach. Przepływomierze umożliwiają precyzyjną kontrolę proporcji reagentów i strumieni produktów, a także dokumentują przepływ gazów i cieczy w całym procesie. Są również niezbędne w punktach przekazania medium pomiędzy stronami.

Analizatory gazów – takie jak analizatory Ramana czy spektroskopia absorpcyjna z wykorzystaniem diod laserowych o strojonym paśmie (TDLAS) – dostarczają informacji o składzie strumienia i innych parametrach w różnych etapach procesu. Pozwalają one operatorom potwierdzać efektywność reakcji, wykrywać problemy na wczesnym etapie oraz kontrolować czystość wodoru.

W miarę rozwoju infrastruktury wodorowej, niebieski wodór pełni istotną funkcję, umożliwiając dalsze badania oraz poprawę efektywności procesów, podczas gdy wodór zielony stopniowo osiąga wymagany poziom rozwoju. Systemy SMR i ATR są powszechnie uznawane za najbardziej opłacalne i technicznie dojrzałe metody produkcji wodoru, stanowiące kompromis między względami ekonomicznymi a środowiskowymi. Postępy w technologii CCUS zwiększają wskaźniki wychwytywania dwutlenku węgla i bezpieczeństwo jego długoterminowego składowania, jednak produkcja wodoru niebieskiego wciąż ma przed sobą długą drogę, zanim realnie przewyższy skalą produkcję wodoru szarego.

W obliczu złożoności ewoluującego obrazu energetycznego świata konieczne jest przyjęcie zrównoważonego podejścia, uwzględniającego różne dostępne warianty wodoru, analizującego kompromisy między nimi i stawiającego na długoterminową zrównoważoność. Oznacza to konieczność wykorzystania wielu „kolorów” wodoru, źródeł energii odnawialnej, zwiększenia elektryfikacji, a także efektywnych sposobów wykorzystania paliw kopalnych – przy równoczesnym wdrażaniu działań ograniczających emisje. Aby wyjść zwycięsko z rewolucji energetycznej, musimy w pełni wykorzystać cały arsenał dostępnych rozwiązań, dobierając je tak, by najlepiej odpowiadały konkretnym zastosowaniom.

W miarę jak zmiany klimatyczne oraz globalne cele redukcji emisji dwutlenku węgla napędzają rozwój energetyki wodorowej, pojawia się wiele metod jego wytwarzania, z których każda ma swoje unikalne zalety i wyzwania. Choć wodór zielony – produkowany wyłącznie z odnawialnych źródeł energii – stanowi wzór zrównoważonej przyszłości, jego obecne ograniczenia ekonomiczne, technologiczne i związane ze skalowalnością sprawiają, że konieczne jest znaczące wsparcie innymi „kolorami” wodoru, aby utrzymać perspektywy rozwoju tego paliwa.

Obecnie większość światowej produkcji wodoru stanowią wodór szary i niebieski, wytwarzane głównie przy użyciu powszechnie dostępnych procesów reformingu parowego metanu (SMR) lub reformingu autotermicznego (ATR), zazwyczaj z wykorzystaniem gazu ziemnego jako surowca. Choć oba rodzaje bazują na tych samych metodach wytwarzania, produkcja wodoru niebieskiego idzie o krok dalej niż w przypadku wodoru szarego, wychwytując i magazynując emisje dwutlenku węgla powstające wraz z wodorem, aby zapobiec ich uwolnieniu do atmosfery. Z tego powodu uznaje się go za wodór niskoemisyjny.