Приложения на зеления водород в индустриални процеси

• Станало е обичайно черната металургия и химическата индустрия да се причисляват към трудно поддаващите се на декарбонизация сектори заради технологичните им енергийни потребности и емисиите
  
  
• Поради поевтиняващото му производство и обещанието за допълнително намаляване на разходите, зеленият водород се превръща в общо решение за декарбонизация на предизвикателните технологични процеси
  
  
• Въпреки огромния му потенциал обаче, трябва са има предвид, че производството, транспортирането и преобразуването им изискват енергия, както и значителни инвестиции

Енергийно интензивните индустриални сектори, произвеждащи основни материали като желязо, стомана и химикали, генерират голям дял емисии на парникови газове. Само секторите на черната металургия и химическата индустрия емитират около 8 и 5% съответно от 36,9 Gt глобални емисии на парникови газове, свързани с енергия и производство, през 2017 г.

Емисиите от тези енергийно интензивни отрасли нарастват непрекъснато с увеличаващото се в световен мащаб търсене на суровини. Обръщането на тази тенденция и привеждането на траекторията на промишлените емисии в съответствие с целите за ограничаване на климатичната криза е спешна и предизвикателна задача.
Тези индустриални сектори са неразделна част от нашето общество. Обвързаните с тях политики и социални институции еволюират заедно с тях, често целейки да ги поддържат конкурентоспособни на глобалния пазар. В резултат тези отрасли стават високоефективни, но производствените им системи са зависими от изкопаемите горива, което води до блокиране на въглеродните емисии.

В черната металургия например 40% от използваните през 2019 г. 21 EJ са получени от въглища, 33% - от газообразни горива, и 20% - от електроенергия. В допълнение потребностите от основни материали се очаква да продължат да нарастват заради икономическия ръст и инфраструктурните нужди за едно бъдеще без емисии на парникови газове.

Станало е обичайно черната металургия и химическата индустрия да се причисляват към трудно поддаващите се на декарбонизация сектори заради технологичните им енергийни потребности и емисиите. Пред ограничаването на емисиите от тези отрасли стоят множество предизвикателства, включително и настоящият модел на употребата на материали (с ограничено възстановяване след употреба), фактът, че термодинамичната ефективност на основни процеси е увеличена максимално, без да е повишена ефективността по отношение на парниковите газове, и малката технологична зрялост на електрическите алтернативи.

Поради поевтиняващото му производство и обещанието за допълнително намаляване на разходите, зеленият водород се превръща в общо решение за декарбонизация на предизвикателните технологични процеси. Преходът от изкопаеми горива обаче е постепенен процес, за който ще са необходими различни политики и мерки.

От техническа гледна точка водородът може да се използва в редица различни индустриални сектори. Въпреки огромния му потенциал обаче, трябва са има предвид, че производството, транспортирането и преобразуването им изискват енергия, както и значителни инвестиции. В резултат на това, използването само на водород може да се окаже, че не е в съответствие с изискванията на един декарбонизиран свят, където енергопотреблението и пускането на нови мощности в експлоатация ще трябва да се управляват внимателно. Производството на зелен водород по-специално изисква определено количество възобновяема енергия, която може да бъде използвана и за други крайни цели. Безразборното потребление на водород може да доведе до забавяне на енергийния преход. Затова е необходимо създаването на политики, които да проритизират приложенията на зеления водород, като се отчетат различни фактори – глобални, специфични за определени държави или за конкретни региони. Сред глобалните фактори например са технологичната готовност за решения за декарбонизация и потенциалният мащаб на потребностите от водород на местно ниво.

Актуално състояние

Понастоящем снабдяването с водород за индустриални приложения може да се раздели в три категории: произвеждан от потребителя водород за вътрешни нужди – най-често срещаният случай за големи консуматори на водород; водород, генериран от външен източник и доставян до големи консуматори; водород под формата на страничен продукт – произвежда се в друг процес, където той не е целевият продукт, и може да се използва за вътрешни нужди или да се продаде на други консуматори.

В Европа най-често се прилага вариантът, при който водородът се произвежда за покриване на собствени потребности, като този вид водород държи около две трети от общото производство на водород.

Към момента водородът се използва в петролните рафинерии за отстраняването на примеси и повишаването на качеството на тежки нефтени фракции, като суровина за химическото производство (амоняк и метанол) и като редуктор в черната металургия. През 2020 г. търсенето на водород възлиза на 87,1 Mt.

Химическа индустрия

В химическата индустрия водородът се използва за производство на амоняк, метанол и други химикали. Тъй като водородът вече е съществен елемент от тези химикали, интегрирането на зелен водород изисква малка модификация, състояща се в смяна на процеса на получаването на водорода – преминаване от реформинг на изкопаеми горива или газификация към електролиза на вода.

Амонякът се получава от водород и азот и е вторият по обем най-широко произвеждан химикал, като през 2020 г. глобалното производство възлиза на над 183 Mt. Производителите на торове използват повече от 85% от произвеждания амоняк, което превръща селското стопанство в най-значимия консуматор на химикала.

Увеличаването на населението се очаква да повиши търсенето на торове, което ще доведе и до покачване на потребностите на амоняк до почти 600 Mt до 2050 г, около 55% от които могат да бъдат произведени със зелен водород.
Заводите за производство на амоняк обикновено използват водород от парен реформинг на метан. Този процес сам по себе си е свързан с 90% от емисиите на въглероден диоксид при производството на амоняк.

Зеленият водород е решението за цялостна декарбонизация на производството на амоняк. Тъй като са налице енергийни потребности, свързани с останалите процеси от производството, те също трябва да бъдат захранвани с възобновяема енергия, за да се постигнат нулеви емисии на въглероден диоксид от производството на амоняк.

Метанолът е универсална молекула, използвана за синтезирането на по-тежки алкохоли, бензин и много други сложни химикали. Над 60% от произведения в глобален мащаб метанол през 2019 г. е използван за синтез на химикали. Той може да се използва в двигателите с вътрешно горене като алтернатива на конвенционалните горива – или самостоятелно, или да бъде преобразуван до други химикали, които могат да бъдат смесени с бензин. През 2019 г. 31% от произведения в света метанол са използвани като гориво. Конвенционалното производство на метанол включва преобразуване на газообразно гориво или въглища в синтезгаз, смес от водород и въглероден оксид, последвано от конверсия до метанол.

През 2019 г. световното производство на метанол достига около 98 Mt, като в рамките на едно десетилетие обемът се е увеличил над два пъти. На практика цялото необходимо количество въглерод се получава от изкопаеми горива, а по-малко от 0,2 Mt – от биомаса. Прогнозите са, че потреблението на метанол ще нарасне в един свят без емисии на парникови газове – производството може да достигне 401 Mt на година до 2050 г., от които близо 73% могат да бъдат произведени със зелен водород.

Зеленият водород може да бъде използван за замяна на въглищата и газообразното гориво при производството на метанол. За да бъде наистина “зелен” процесът обаче, въглеродът трябва да се набавя по устойчив начин от биоенергия с улавяне и съхранение на въглероден диоксид или да бъде улавян директно от атмосферата.

Стоманодобивна индустрия

През 2020 г. стоманопроизводството възлиза на 1,878 млрд. тона, като Китай държи повече от половината от глобалното производство. Благодарение на широката си гама от приложения и универсалността си стоманата е в основата на редица индустрии. През 2019 г. 52% от стоманата са използвани в сгради и инфраструктура, а 17% - в транспортни приложения.

Днес тя се произвежда основно по два метода – в доменни пещи за получаване на първична стомана (от желязна руда) и в електродъгови пещи за получаване на вторична стомана (от скрап).

Производството в доменни пещи е водещият метод, с дял от 71% от глобалната продукция на стомана, основно в Азия. Този метод е по-енергоемък – за производството на 1 тон сурова стомана се консумират средно около 21,4 GJ енергия.
В електродъговите пещи стоманеният скрап се претопява с помощта на топлината от електрическата дъга и добавки, които регулират химичния състав на стоманата.

Този производствен метод се използва за 24% от стоманодобива, но наличността на рециклирана стомана ограничава пазарния му дял.
При липсата на стоманен скрап за захранване на електродъговите пещи може да се използва пряка редукция на желязна руда. Това е група от процеси за производство на желязо от желязна руда, обикновено с помощта на синтезгаз. Тук за производството на стомана не е необходима доменна пещ. Методът е по-енергийноефективен – за тон стомана се изразходват 17,1 GJ енергия. Той се прилага за производството на 5% от стоманата днес, като през 2020 г, за целта са консумирани 4,3 Mt водород.

При производството на стомана в доменни пещи се отделят повече емисии на въглероден диоксид – 1,7 – 2,2 тона въглероден диоксид на тон стомана. Повечето от емисиите се генерират от процесите в доменната пещ и получаването на кокс, който се използва като източник на топлина и редуциращ агент за желязото. В доменната пещ като редуциращ агент може да се използва водород, което ще намали необходимото количество кокс. Водородът обаче не може напълно да замени кокса. В действителност впръскването на зелен водород в доменната пещ може да намали емисиите с около 21%. Следователно, за да се сведат емисиите на въглероден диоксид до нула, ще е необходимо прилагането на технологии за улавяне и съхранение на въглероден диоксид. Това обаче е свързано със значителна несигурност по отношение на разходите, приложимостта и достоверността на въглеродното компенсиране – тъй като улавянето на въглероден диоксид ще е частично, производителите ще трябва да закупуват компенсации, за да се сведат въглеродните емисии до нула.

Макар различни производители в цял свят да обмислят използването на водород в процеса на пряка редукция на желязна руда в електродъгови пещи, все още няма данни за прилагане на технологии за улавяне и съхранение на въглероден диоксид в стоманодобива. Единствената такава инсталация в стоманодобивния сектор улавя димните газове от завод, прилагащ пряка редукция на желязна руда в електродъгови пещи, в Обединените арабски емирства, след което въглеродният диоксид се влага в намиращите се в близост нефтени находища. Капацитетът за улавяне е 0,8 Mt въглероден диоксид годишно. Пилотни и демонстрационни проекти за улавяне и съхранение на въглероден диоксид в стоманодобивния сектор се реализират в Белгия, Франция, Япония и Швеция, като общият капацитет възлиза на 0,022 Mt въглероден диоксид годишно.

Понастоящем потреблението на зелен водород в стоманодобива е ограничено до демонстрационни проекти. Подобно на случая с химическата индустрия, използването на водород би било в достатъчен мащаб, за да се оправдае разполагането в непосредствена близост на електролизери и стоманодобивни заводи, за да се елиминира необходимостта от инфраструктура за транспортиране на водорода.