Zastosowanie CCS/U dla produkcji niebieskiego wodoru

Te dwa gazy są następnie rozdzielane. CO₂ jest często emitowany do atmosfery, gdzie przyczynia się do efektu cieplarnianego, a wodór może być wykorzystywany w wielu gałęziach przemysłu, przy czym jego wykorzystanie w postaci paliwa uwalnia do atmosfery jedynie parę wodną.

Wodór otrzymany w opisany powyżej sposób jest nazywany wodorem szarym. Taki proces produkcji wodoru nie jest odpowiednią ścieżką do osiągnięcia zerowej emisji netto z wykorzystaniem wodoru.

Tymczasem zielony wodór jest wytwarzany przy użyciu elektryczności o zerowej emisji dwutlenku węgla – takiej jak ta wytwarzana przez turbiny wiatrowe lub panele słoneczne – w procesie elektrolizy wody, z której powstaje wodór i tlen. Proces ten jest neutralny pod względem emisji dwutlenku węgla, ale ekologiczny wodór jest bardzo drogi i oczekuje się, że taki pozostanie przynajmniej do 2030 roku.

Alternatywą dla bezemisyjnego „zielonego” wodoru może być wodór „niebieski”. Trzeba zaznaczyć jednak, że rozwiązanie to może być stosowane tylko jako przejściowe podczas transformacji energetycznej dążącej do neutralności klimatycznej.

Niebieski wodór jest klasyfikowany jako paliwo niskoemisyjne do wytwarzania i magazynowania energii elektrycznej, zasilania samochodów, ciężarówek i pociągów oraz ogrzewania budynków.

Wodór „niebieski” zwany często niskoemisyjnym to wodór otrzymywany z paliw kopalnych, lecz emisja CO2 podczas jego produkcji jest w znaczny sposób ograniczona. Przyjmuje się, że „niebieski” (niskoemisyjny) wodór charakteryzuje się emisją CO2 o 60% niższą niż ta generowana z reformingu parowego metanu (SMR). Oznacza to, że aby wodór mógł być kwalifikowany jako „niebieski” to emisja dwutlenku węgla na każdy kilogram wytwarzanego wodoru nie może przekroczyć 4,4 kgCO2/kgH2. Klasyfikację wodoru przedstawiono na Rys. 1

Rys. 1. Klasyfikacja rodzajów wodoru [1].

Niebieski wodór jest wytwarzany przy użyciu tego samego procesu reformingu, który jest używany do tworzenia szarego wodoru, ale CO₂, który normalnie byłby uwalniany do atmosfery, jest wychwytywany. Trzeba liczyć się z dodatkowymi kosztami infrastruktury do wychwytywania CO2, ale przynajmniej umożliwia to produkcję na dużą skalę wodoru obarczonego jedynie niską emisją, przy niższych kosztach niż wodór ekologiczny. Uproszczony schemat procesu otrzymywania niebieskiego wodoru przedstawia Rys. 2.

Rys. 2. Schemat produkcji niebieskiego wodoru z wykorzystaniem reformingu parowego metanu.

System wychwytywania CO2 z instalacji, które spalają paliwa kopalne, jest systemem dobrze poznanym i obecnie wykorzystywanym w wielu zastosowaniach przemysłowych. Technologia ta jest jak dotąd uważana za najbardziej obiecującą pod kątem przyszłych zastosowań w energetyce na dużą skalę ze względu na łatwość implementacji [2]–[4].

Ze względu na metodę stosowaną do usuwania CO2 ze strumieni gazowych, technologie usuwania CO2 ze spalin można podzielić na absorpcyjne (absorpcja fizyczna i chemiczna), membranowe, kriogeniczne, adsorpcyjne oraz biologiczne (Rys. 3.). Wybór technologii separacji w znaczący sposób zależy od właściwości gazu: temperatury, ciśnienia, stężenia CO2 oraz wielkości strumienia.

Rys. 3. Podział metod wychwytywania CO2 ze spalin (post-combustion).

Najbardziej rozpowszechnionymi metodami separacji CO2 na skalę przemysłową są procesy absorpcji fizycznej i chemicznej. Od lat wykorzystywane są one w przemyśle petrochemicznym do oddzielania składników kwaśnych, w tym ditlenku węgla z mieszanin gazowych. Pozostałe metody usuwania CO2, takie jak adsorpcja, separacja membranowa i kriogeniczna są oferowane na znacznie mniejszą skalę. Proces chemicznej absorpcji, z wykorzystaniem reaktywnego roztworu absorbentu, jest uważany za najbardziej odpowiednią i dojrzałą technologicznie metodę usuwania CO2 ze spalin pochodzących z konwencjonalnych źródeł energii. Jako reaktywne absorbenty wykorzystuje się wodne roztwory alkanoloamin, które stosowane są komercyjnie od ponad 80 lat. Wodne roztwory alkanoloamin są szeroko stosowane do usuwania kwaśnych gazów (CO2 i H2S) z mieszanin gazowych [5]. Monoetanoloamina (MEA), dietanoloamina (DEA) i N-metylodietanoloamina (MDEA) są dobrze znane i stosowane w przemyśle od lat.

Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla od ponad dekady realizuje projekty, które nastawione są na ograniczenie emisji CO2 w różnych gałęziach przemysłu. W sposób praktyczny zdobyliśmy wiedzę w dziedzinie samego wychwytu CO2, ale również jego zastosowania jako substratu w przemyśle chemicznym oraz jako składnika do otrzymywania syntetycznych paliw, zarówno ciekłych jak i gazowych. Jesteśmy gotowi wspierać inicjatywy ukierunkowane na produkcję niebieskiego wodoru, który w realny sposób może przyczynić się do redukcji emisji CO2 do atmosfery.

Literatura:

[1] „CertifHy-definition-outcome-and-scope-LCA-analysis.pdf”. Dostęp: 8 marzec 2022. [Online]. Dostępne na: https://www.hinicio.com/file/2017/01/CertifHy-definition-outcome-and-scope-LCA-analysis.pdf

[2] P. Feron, Absorption-Based Post-Combustion Capture of Carbon Dioxide. Woodhead Publishing, 2016.

[3] L. Więcław-Solny, „The development of flue gases CO2 capture process Rozwój technologii usuwania CO2 ze spalin bloków węglowych”, CHEMICAL REVIEW, t. 1, nr 1, s. 228–233, sty. 2017, doi: 10.15199/62.2017.1.27.

[4] L. Więcław-Solny, A. Tatarczuk, M. Stec, i A. Krótki, „Advanced CO2 Capture Pilot Plant at Tauron’s coal-fired Power Plant: Initial Results and Further Opportunities”, Energy Procedia, t. 63, s. 6318–6322, 2014, doi: 10.1016/j.egypro.2014.11.664.

[5] A. L. Kohl, Gas Purification, Fifth Edition, 5 edition. Houston, Tex: Gulf Professional Publishing, 1997.