Производство водорода

Промышленное производство водорода — получение водорода из других веществ с помощью химических методов.

Водород используется в химической, нефтехимической и пищевой промышленности, а также является топливом в водородной энергетике и водородном транспорте^[1].

Ограниченное количество природного водорода не позводяет его использовать в производственных и транспортных целях.

В настоящее время существует множество методов промышленного производства водорода.

Исторически используется цветовая градация методов производства водорода в

зависимости от способа его выработки и углеродного следа, то есть количества вредных выбросов^[2].

По состоянию на 2025 год основными методами производства водорода являются:

Это наиболее распространенный способ получения метана^[3].

Основной химической реакцией является паровая конверсия (риформинг) метана и природного газа с водяным паром при 1000 °C:

${\displaystyle {\mathsf {CH_{4}+H_{2}O\ \rightleftarrows {}\ CO+3H_{2}}}}$

Водород можно получать разной чистоты: 95-98 % или особо чистый. В зависимости от дальнейшего использования водород получают под различным давлением: от 1,0 до 4,2 МПа. Сырье (природный газ или легкие нефтяные фракции) подогревается до 350—400° в конвективной печи или теплообменнике и поступает в аппарат десульфирования. Конвертированный газ из печи охлаждается в печи-утилизаторе, где вырабатывается пар требуемых параметров. После ступеней высокотемпературной и низкотемпературной конверсии СО газ поступает на адсорбцию СО₂ и затем на метанирование остаточных оксидов. В результате получается водород 95-98,5%-й чистоты с содержанием в нем 1-5 % метана и следов СО и СО₂.

В том случае, если требуется получать особо чистый водород, установка дополняется секцией адсорбционного разделения конвертированного газа. В отличие от предыдущей схемы конверсия СО здесь одноступенчатая. Газовая смесь, содержащая H₂, CO₂, CH₄, H₂O и небольшое количество СО, охлаждается для удаления воды и направляется в адсорбционные аппараты, заполненные цеолитами. Все примеси адсорбируются в одну ступень при температуре окружающей среды. В результате получают водород со степенью чистоты 99,99 %. Давление получаемого водорода составляет 1,5-2,0 МПа.

Также возможно каталитическое окисление кислородом:

${\displaystyle {\mathsf {2CH_{4}+O_{2}\rightleftarrows {}\ 2CO+4H_{2}}}}$

При производстве «серого» водорода вредные выбросы идут в атмосферу.

Голубой водород производится таким же методом, как и "серый водород", но образующийся углекислый газ улавливается и хранится, что дает сокращение выбросов углерода примерно в 2 раза^[4].

Этот метод является вторым по объемам производства методом получения водорода в промышленных масштабах. В нем используется пропускание паров воды над раскалённым углем при температуре около 1000 °C:

${\displaystyle {\mathsf {H_{2}O+C\ \rightleftarrows {}\ CO\uparrow +H_{2}\uparrow }}}$

Старейший способ получения водорода. Себестоимость процесса - 2-2,5 $ за килограмм водорода. В будущем возможно снижение цены до 1,50 $, включая доставку и хранение.

При использовании энергии из возобновляемых источников, производство методом электролиза воды считается самым чистым^[5].

Электролиз водных растворов солей:

${\displaystyle {\mathsf {2NaCl+2H_{2}O\ {\xrightarrow {}}\ 2NaOH+Cl_{2}\uparrow +H_{2}\uparrow }}}$

Электролиз водных растворов гидроксидов активных металлов (преимущественно, гидроксида калия)^[6]

${\displaystyle {\ce {2H2O ->[4e^{-}] 2H2 ^ + O2 ^}}}$

Кроме того, существует промышленная технология электролиза химически чистой воды, без применения каких-либо добавок. Фактически, устройство представляет собой обратимый топливный элемент с твёрдой полимерной мембраной^[6].

Высокотемпературный электролиз водных паров^[7] требует значительно меньше электроэнергии. При температуре 2500 градусов Цельсия электролиз воды может происходить без внешнего подвода тока. Катализаторы еще сильнее облегчают процесс, снижают начальную температуру запуска реакции.

Водород, производимый с помощью электрической энергии с АЭС, принятно классифицировать "оранжевым" или "красным"^[8][4].

Водород из биомассы получается термохимическим или биохимическим способом. Как и в случае энергии из возобновляемых источников, данный вид производства водорода принято классифицировать как "зеленый"^[9]. При термохимическом методе биомассу нагревают без доступа кислорода до температуры 500°-800° (для отходов древесины), что намного ниже температуры процесса газификации угля. В результате процесса выделяется H₂, CO и CH₄.

Себестоимость процесса - 5-7 $ за килограмм водорода. В будущем возможно снижение до 1,0-3,0 $.

В биохимическом процессе водород вырабатывают различные бактерии, например, Rodobacter speriodes.

Возможно применение различных энзимов для ускорения производства водорода из полисахаридов (крахмал, целлюлоза), содержащихся в биомассе. Процесс проходит при температуре 30° Цельсия при нормальном давлении. Себестоимость процесса - около 2 $ за кг.

Из цепочки сахар-водород-водородный топливный элемент можно получить^[10] в три раза больше энергии, чем из цепочки сахар-этанол-двигатель внутреннего сгорания.

Вместо строительства водородных заправочных станций водород можно производить в бытовых установках из природного газа или электролизом воды. На рынке продается небольшое количество технических решений, позволяющих это делать^[11][12].

Международное энергетическое агентство ведет реестр проектов по производство водорода^[13].

В 2023 году к крупнейшим производителям водорода относились компании^[14][15]:

• Air Liquide
• Linde AG
• Praxair
• ONH Systems^[16]
• Air Products

Среди крупнейших производителей "зеленого водорода" в 2025 году выделяли Linde AG, SINOPEC, Shell, Air Liquide и другие компании^[17].

Также отраслевые эксперты выделяют компании, специализирующиеся на хранении водорода^[18][18].

• Хранение водорода
• Доставка водорода
• Водородная заправочная станция
• Водородный транспорт
• Солнечный коллектор
• Фотоводород

• Обзор рынка водорода в России // marketing-services.ru, июнь 2011
• "Hydrogen Production Processes" // Department of Energy
• Hydrogen Production: Natural Gas Reforming // Department of Energy]
• https://web.archive.org/web/20130305093655/http://www.nrel.gov/hydrogen/proj_production_delivery.html
• https://web.archive.org/web/20160304111204/https://www.iea.org/publications/freepublications/publication/hydrogen.pdf
• Hydrogen Basics - Production // University of Central Florida
• Микробная установка вырабатывает водород из дешёвого сырья // Membrana  (недоступная ссылка с 22-08-2015 [3809 дней])