СРАВНЕНИЕ ЭЛЕКТРОЛИЗА ВОДЫ И ПАРОВОЙ КОНВЕРСИИ МЕТАНА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА

COMPARISON OF WATER ELECTROLYSIS AND STEAM CONVERSION OF METHANE TO PRODUCE HYDROGEN

Azat Khamitov

student, Kazan State Power Engineering University

Russia, Kazan

Lilia Sirotkina

scientific supervisor, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Kazan State Power Engineering University,

Russia, Kazan

АННОТАЦИЯ

В статье проводится сравнительный анализ двух основных методов производства водорода — электролиза воды и паровой конверсии метана (ПКМ). Рассмотрены технологические особенности процессов, их энергоэффективность, экономическая целесообразность и экологическое воздействие. Электролиз, особенно при использовании возобновляемых источников энергии, позиционируется как ключевая технология для декарбонизации, обеспечивая «зеленый» водород с нулевыми прямыми выбросами. В статье подчеркивается, что выбор метода зависит от доступности ресурсов (газ, ВИЭ), экологических стандартов и долгосрочных целей энергоперехода. Перспективы развития связываются с гибридными решениями, снижением затрат на электролизеры и глобальным расширением «зеленой» энергетики.

ABSTRACT

The article provides a comparative analysis of two main methods of hydrogen production - water electrolysis and methane vapor conversion (PCM). The technological features of the processes, their energy efficiency, economic feasibility and environmental impact are considered. Electrolysis, especially when using renewable energy sources, is positioned as a key technology for decarbonization, providing "green" hydrogen with zero direct emissions. The article emphasizes that the choice of method depends on the availability of resources (gas, RES), environmental standards and long-term goals of energy transition. Development prospects are associated with hybrid solutions, reducing the cost of electrolyzers and the global expansion of "green" energy.

Ключевые слова: электролиз воды, паровая конверсия метана, производство водорода, экономическая эффективность, экологическое воздействие, возобновляемая энергия.

Keywords: water electrolysis, steam conversion of methane, hydrogen production, economic efficiency, environmental impact, renewable energy.

Водород, как экологически чистый энергоноситель, занимает центральное место в глобальных стратегиях декарбонизации. Его использование в топливных элементах, промышленных процессах и энергосистемах обещает снижение зависимости от ископаемого топлива. Однако ключевой вопрос заключается в том, как производить водород наиболее эффективно, экономично и с минимальным воздействием на окружающую среду. Два основных метода — электролиз воды и паровая конверсия метана — представляют собой разные подходы к решению этой задачи. Их сравнение требует анализа технологических особенностей, экономических аспектов, экологических последствий и перспектив развития.

Электролиз воды основан на расщеплении молекулы воды на водород и кислород под действием электрического тока. Процесс происходит в электролизере, где анод и катод разделены мембраной. При подаче напряжения вода разлагается: на катоде выделяется водород, на аноде — кислород. Современные технологии электролиза делятся на три типа: щелочные, протонообменные (PEM) и твердооксидные (SOEC). Щелочные электролизеры, использующие раствор гидроксида калия, отличаются надежностью и низкой стоимостью материалов, но требуют больших установок и медленно реагируют на изменения нагрузки. PEM-электролизеры, работающие с полимерной мембраной, более компактны, эффективны при переменных нагрузках, но зависят от дорогих катализаторов на основе платины. Твердооксидные системы, функционирующие при высоких температурах, демонстрируют высокий КПД, однако их коммерциализация пока ограничена из-за сложности эксплуатации. Главное преимущество электролиза — чистота получаемого водорода (до 99,999%), что критично для применений в электронике и топливных элементах [1]. Кроме того, если электричество поступает из возобновляемых источников (солнечных, ветровых), процесс становится углеродно-нейтральным. Однако высокие затраты на электроэнергию и оборудование, а также относительно низкая эффективность (60–70%) остаются барьерами для массового внедрения.

Паровая конверсия метана (ПКМ) — доминирующий сегодня метод производства водорода, обеспечивающий около 95% мирового объема. В основе процесса лежит реакция метана с водяным паром при температурах 700–1000°C в присутствии никелевого катализатора. В результате образуются водород, монооксид и диоксид углерода. Дополнительная стадия конверсии CO с водой увеличивает выход H₂, но не устраняет выбросы CO₂. Технология хорошо отработана, отличается высокой эффективностью (70–85%) и низкой себестоимостью (1–3 доллара за кг водорода). Однако зависимость от природного газа, подверженного ценовым колебаниям, и значительные выбросы парниковых газов (до 10 кг CO₂ на кг H₂) делают ПКМ неприемлемой для «зеленой» экономики. Попытки интегрировать улавливание и хранение углерода (CCS) частично решают проблему эмиссии, но увеличивают затраты и энергопотребление, снижая общую эффективность [2].

Сравнивая эти методы, важно оценить их по ключевым критериям: экономика, экология, энергоэффективность и потенциал масштабирования.

Экономическая составляющая сегодня явно в пользу паровой конверсии. Низкая стоимость природного газа и отработанная инфраструктура делают ПКМ наиболее доступным вариантом. Электролиз, напротив, требует значительных капиталовложений: стоимость PEM-электролизеров достигает 1400–1800 долларов за кВт, а себестоимость водорода — 5–10 долларов за кг. Однако прогнозируемое снижение цен на ВИЭ и электролизное оборудование (благодаря массовому производству и технологическим инновациям) может изменить баланс. Например, в регионах с дешевой солнечной энергией (Ближний Восток, Австралия) проекты электролиза уже становятся конкурентоспособными.

Экологический аспект разделяет методы на «чистые» и «грязные». ПКМ, даже с CCS, остается источником выбросов, хотя и сокращенных на 50–90%. Утечки метана при добыче и транспортировке газа усугубляют углеродный след. Электролиз, питаемый от ВИЭ, не производит прямых выбросов, но экологичность зависит от «чистоты» энергосистемы. Например, в странах, где электроэнергия вырабатывается на угле, углеродный след электролиза может превысить показатели ПКМ. Кроме того, производство электролизеров связано с использованием редких металлов и токсичных материалов, что требует решений по утилизации и рециклингу [3].

Энергоэффективность — область, где паровая конверсия пока лидирует. Высокий КПД (до 85%) объясняется оптимальным использованием тепловой энергии, выделяемой в реакциях. Электролизеры, особенно PEM и щелочные, теряют часть энергии при преобразовании электричества в химическую (КПД 60–70%). Однако твердооксидные электролизеры, работающие при высоких температурах, могут достигать эффективности 80–90%, особенно при интеграции с промышленными источниками тепла (например, атомными электростанциями) [4].

Масштабирование и гибкость — параметры, где электролиз имеет преимущество. Модульные установки позволяют размещать производство водорода близко к точкам потребления или источникам ВИЭ, сокращая логистические издержки. Паровая конверсия привязана к газовой инфраструктуре и крупным заводам, что ограничивает гибкость. Кроме того, электролиз лучше адаптируется к прерывистой генерации солнечной и ветровой энергии, так как может быстро менять режимы работы.

Перспективы технологий связаны с глобальными трендами декарбонизации. Паровая конверсия метана, вероятно, сохранит роль в краткосрочной перспективе благодаря развитию CCS и «голубому» водороду. Однако долгосрочный переход к «зеленому» водороду зависит от снижения стоимости электролиза и роста доли ВИЭ в энергобалансе. Страны ЕС, Япония и Южная Корея уже анонсировали стратегии с акцентом на электролиз, поддерживая проекты Gigafactory по производству электролизеров. Параллельно ведутся исследования в области фотоэлектрохимического расщепления воды и биоводорода, что может дополнить существующие методы [5].

В заключение, выбор между электролизом воды и паровой конверсией метана зависит от контекста. Для регионов с дешевым газом и развитой инфраструктурой ПКМ остается оптимальным решением. В условиях доступности возобновляемой энергии и строгих экологических стандартов электролиз становится предпочтительным. Синергия технологий, включая гибридные системы и комбинирование «голубого» и «зеленого» водорода, может стать мостом к устойчивой энергетике. Однако успех этого перехода требует не только технологических инноваций, но и политической воли, инвестиций в НИОКР, а также международной кооперации для создания глобального рынка водорода.

Список литературы:

1. Бушуев В. В., Горшкова А. А. Водород: мода или новый этап мировой энергетики? Энергетическая политика. 2021;3(157):5.
2. Новак А. Водород: энергия «чистого» будущего. Энергетическая политика. 2021;4(158):6-11. DOI: 10.46920/2409-5516_2021_4158_6
3. Петров И. В., Уткин И. И., Джайянт В. Б. Предложения по декарбонизации угольной промышленности и устойчивому развитию обособленных регионов на основе подземной газификации углей. Уголь. 2022;9(1158):41-46. DOI: 10.18796/0041-5790-2022-9-41-47
4. Телегина Е., Сергеев С. «Голубой» водород как долгосрочная экспортная стратегия РФ. Энергетическая политика. 2022;9(175):42-55. DOI: 10.46920/2409-5516_2022_9175_42
5. Ишков А. Г., Аксютин О. Е., Романов К. В., Тетеревлев Р. В. Роль российского природного газа в развитии водородной энергетики. Энергетическая политика. 2021;(3):6-19.