Мы уже живем в водородной экономике: производство стали, охлаждение генераторов и сварочный газ

Хотя обычно водород упоминается только в контексте транспортировки и хранения энергии, на сегодняшний день наиболее полезное применение находится в промышленности, в том числе в химической промышленности, производстве стали, а также метанола и удобрений. Это иллюстрируется тем, что сегодня большая часть производимого сегодня водорода используется для этих промышленных применений, а также для таких применений, как охлаждение турбогенераторов, при этом спрос на водород в этих приложениях быстро растет.

В настоящее время практически весь водород, производимый сегодня, производится из природного газа путем паровой конверсии метана (SMR), при этом потенциально пиролиз метана делает водород, полученный из природного газа, низкоуглеродным источником. Остальная часть водорода получается в результате газификации угля и небольшая часть - в результате электролиза воды. Водород часто производится на месте, особенно на промышленных предприятиях и теплоэлектростанциях. Таким образом, помимо любых усилий по декарбонизации, существует множество способов применения водорода, о которых общественность, по-видимому, обычно не подозревает.

Это приводит нас к несколько противоречивой водородной лестнице.

Некоторые из нас, возможно, уже сталкивались с лестницей чистого водорода, популяризированной Михаэлем Либрайхом. Это похоже на пирамиду чистого водорода в том, что она пытается охватить наиболее важные и наиболее экономичные применения водорода. Например, если выделить основные промышленные применения, мы получим следующее:

Спорная часть этой водородной лестницы связана главным образом с размещением таких категорий, как «Длительное хранение» и «Внедорожники», в серии статей CleanTechnica (часть 1, часть 2), написанной Майклом Барнардом и инженером-химиком Полом. Мартин здесь вдается в некоторые подробности. Что касается долгосрочного хранения энергии с использованием водорода, эту тему мы рассмотрели в предыдущей статье о системах хранения энергии, а также в статье о более практичных технологиях хранения энергии на уровне сети.

Когда мы просто фокусируемся на категориях линий «A» и «B», которые выделены на этом изображении, важно помнить, что эти категории содержат практически все основные формы текущего использования водорода, а также некоторые из них, которые были упомянуты ранее, такие как в качестве охлаждающей жидкости, но не показаны на этом изображении. Однако наибольшее использование водорода на сегодняшний день приходится на производство аммиака (NH3). Аммиак используется в растворителях, бытовых чистящих средствах, в качестве антисептика, хладагента (R717), в скрубберах с оксидом серы (SO2) и оксидом азота (NOx), но, пожалуй, наиболее существенно в производстве удобрений.

Более спорным является применение аммиака в качестве топлива, поскольку при сжигании NH3 в кислородсодержащей атмосфере образуются различные загрязняющие вещества, в том числе N2O (закись азота), как отмечается в недавних исследованиях Хуана Д. Гонсалеса и др. (2017) и С. Машрук и др. (2021). Закись азота, также известная как веселящий газ, является мощным парниковым газом и нейротоксична, поскольку является антагонистом рецептора NMDA. Из-за таких проблем аммиак как топливо вряд ли найдет широкое применение там, где существуют альтернативы.

Среди газообразных охлаждающих жидкостей водород является популярным выбором, поскольку он имеет значительно более высокую теплопроводность по сравнению с другими газами, имеет высокую удельную теплоемкость, низкую плотность и, следовательно, очень низкое трение в приложениях, где это действительно важно, например, в генераторах. Вот почему турбогенераторы обычно охлаждаются газообразным водородом, при этом нагретый газ перед рециркуляцией проходит через газоводяной теплообменник. Техническое обслуживание этих турбогенераторов с водородным охлаждением также приводит к одной из наиболее интересных особенностей водорода: его способности сгорать в воздухе при концентрации водорода от 4% до 74%.

В сочетании с температурой самовоспламенения водорода 571 °C это делает необходимым предотвращение утечки воздуха в генератор и наоборот. Прежде чем проводить какое-либо техническое обслуживание турбогенератора, необходимо удалить водород, что делает его компромиссом между повышенной эффективностью и простотой обслуживания. И, как отмечалось ранее, на большинстве электростанций есть электролизер для выработки замещающего водорода, когда это необходимо.