Производство водорода

Промышленное производство водорода— неотъемлемая частьводородной энергетики, первое звено в жизненном цикле употребленияводорода. Водород практически не встречается на Земле в чистом виде и должен извлекаться из других соединений с помощью различныххимическихметодов.
В настоящее время существует множество методовпромышленногопроизводства водорода:
разрабатывались технологии производства водорода измусора, этанола, металлургическогошлака,биомассыи другие технологии.К подобным способам относятся:
Также в редких случаях используется реакцияалюминияищелочногораствора.Разнообразие способов получения водорода является одним из главных преимуществ водородной энергетики, так как повышает энергетическую безопасность и снижает зависимость от отдельных видов сырья.
На настоящий момент наиболее экономически выгодным считается производство водорода изископаемого сырьяи в данный момент наиболее доступным и дешёвым процессом является паровая конверсия (согласно прогнозам, она будет использоваться в начальной стадии перехода к водородной экономике для упрощения преодоления проблемы «курицы и яйца», когда из-за отсутствия инфраструктуры нет спроса наводородные автомобили, а из-за отсутствия водородных автомобилей не строится инфраструктура. 
В долгосрочной перспективе, однако, необходим переход навозобновляемые источники энергии, так как одной из главных целей внедрения водородной энергетики является снижения выбросапарниковых газов; такими источниками может бытьэнергия ветраилисолнечная энергия, позволяющая проводить электролиз воды). 
Снизить уровень выбросов углерода в производственных отраслях можно за счет водорода, полученного с использованием низкоуглеродных технологий, для этого можно применять технологии улавливания и хранения углекислого газа, а также электролиза воды, «в первую очередь с помощью энергии объектов атомной, гидро-, ветряной и солнечной энергетики».Цветовая градация водорода зависит от способа его выработки и углеродного следа, то есть количества вредных выбросов:
Себестоимость«зеленого» водорода - около 10долларовза кг (что «абсолютно нерентабельно», по мнению главы Фонда национальной энергетической безопасности); «голубой» и «желтый» водород в несколько раз дешевле «зеленого» — от 2 долларов за килограмм.
Производство водорода может быть сосредоточено на централизованных крупных предприятиях, что понижает себестоимость производства, но требует дополнительных расходов на доставку водорода кводородным автозаправочным станциям. Другим вариантом является маломасштабное производство непосредственно на специально оборудованных водородных автозаправочных станциях.
В декабре2013(?) германский институт Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) завершил строительство пилотной установки по производству водорода из воды всолнечных концентраторах; мощность установки - 100 кВт.В 2019 г. в Германии началось строительство крупнейшей в мире установки по производству 1300 тонн водорода ежегодно методом электролиза.
На 2019 год в мире потребляется 75 млн тонн водорода, в основном в нефтепереработке и производствеаммиака. Из них более 3/4 производится изприродного газа, для чего расходуется более 205 млрд мгаза. Почти все остальное получают из угля. Около 0,1 % (~100 тыс. тонн) вырабатывается электролизом. При производстве водорода в атмосферу поступает ~830 млн тонн CO2. Себестоимость водорода из природного газа оценивается в 1,5-3 доллара за 1 кг.
Пароваяконверсияс водяным паром при 1000 °C:
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 СО2и 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 возможнокаталитическоеокисление кислородом:
Пропускание паров воды над раскалённымуглемпри температуре около 1000 °C:
Старейший способ получения водорода. Себестоимость процесса - 2-2,5 $ закилограммводорода. В будущем возможно снижение цены до 1,50 $, включая доставку и хранение.
Электролизводныхрастворов солей:
Электролизводныхрастворовгидроксидовактивных металлов (преимущественно,гидроксида калия)
Кроме того, существует промышленная технология электролиза химически чистой воды, без применения каких-либо добавок. Фактически, устройство представляет собой обратимыйтопливный элементствёрдой полимерной мембраной.
Высокотемпературный электролиз водных паровтребует 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 избиомассыполучаетсятермохимическимилибиохимическимспособом. При термохимическом методе биомассу нагревают без доступакислородадо 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 $.
Вбиохимическомпроцессе водород вырабатывают различныебактерии, например,Rodobacter speriodes.
Возможно применение различныхэнзимовдля ускорения производства водорода изполисахаридов(крахмал,целлюлоза), содержащихся в биомассе. Процесс проходит при температуре 30° Цельсия при нормальном давлении. Себестоимость процесса - около 2 $ за кг.
Из цепочкисахар-водород-водородныйтопливный элементможно получитьв три раза больше энергии, чем из цепочки сахар-этанол-двигатель внутреннего сгорания.
Разрабатываются различные новые технологии производства водорода. Например, в октябре2006 годаЛондонское водородное партнёрствоопубликовало исследование(недоступная ссылка)о возможности производства водорода из муниципального и коммерческогомусора. Согласно исследованию, вЛондонеможно ежедневно производить 141 тонну водорода как пиролизом, так ианаэробным сбраживанием мусора. Из муниципального мусора можно производить 68 тонн водорода.
141 тонны водорода достаточно для работы 13 750автобусовс двигателями внутреннего сгорания, работающими на водороде. В Лондоне в настоящее время эксплуатируется более 8000 автобусов.
В 2007 году Университет Purdue (США) разработал метод производства водорода из воды при помощи алюминиевого сплава.
Сплавалюминиясгаллиемформируется в пеллеты. Пеллеты помещают в бак с водой. В результате химической реакции производится водород. Галлий препятствует образованию оксидной пленки на поверхности алюминия, тормозящей процесс окисления алюминия. В результате реакции создаётся водород и оксид алюминия.
Из одногофунта(≈453 г) алюминия можно получать более 2кВт·чэнергии от сжигания водорода и более 2 кВт·ч тепловой энергии во время реакции алюминия с водой. В будущем, при использовании электроэнергии атомных реакторов 4-го поколения, себестоимость водорода, получаемого в ходе реакции, станет эквивалента ценебензина- 3 $ загаллон(≈3,8 л).
Автомобильсреднего размера сдвигателем внутреннего сгоранияс 350 фунтами (158 кг) алюминия на борту может проехать 350 миль (560 км). В будущем стоимость такой поездки составит 63 $ (0,11 $/км), включая стоимость восстановления оксида алюминия на атомной электростанции 4-го поколения.
Учёные калифорнийского университета в Беркли (UC Berkeley)1999 годуобнаружили, что есливодорослямне хватает кислорода и серы, то процессыфотосинтезау них резко ослабевают, и начинается бурная выработка водорода.
Водород может производить группа зелёных водорослей, например,Chlamydomonas reinhardtii. Водоросли могут производить водород из морской воды или канализационных стоков.
Вместо строительства водородных заправочных станций водород можно производить в бытовых установках из природного газа или электролизом воды. Honda испытывает свою бытовую установку под названиемДомашняя энергетическая станция Honda. Установка в бытовых условиях производит водород из природного газа. Часть водорода используется в топливных элементах для производства тепловой и электрической энергии для дома. Оставшаяся часть водорода используется для заправки автомобиля.
Британская компания   ITM Power Plc разработала и испытала в2007г. бытовой электролизёр для производства водорода. Водород производится ночью, что позволит сгладить пики потребления электроэнергии. Электролизер мощностью 10 кВт производит из воды водород, и хранит его под давлением 75 бар. Произведённого водорода достаточно для 40 км пробега битопливного (водород/бензин) Ford Focus. Компания планирует начать производство бытовых электролизеров в начале2008 года. ITM Power уже достигла уровня себестоимости электролизеров 164 $ за 1кВт.