Зеленый водород + улавливание углерода для синтеза зеленого природного газа: новый путь для потребления водородной энергии и сокращения выбросов углерода 

·Перепечатано ООО «Сычуаньская химико-технологическая компания Шутай»·

Индустрия «зеленого» водорода, получаемого из энергии ветра и солнца, стремительно развивается, однако высокая стоимость хранения и транспортировки, ограниченные каналы сбыта и риски, связанные с подмешиванием водорода в газораспределительные сети, сдерживают масштабирование отрасли. Синтез зеленого природного газа путем сочетания зеленого водорода с технологиями улавливания углерода позволяет одновременно реализовать утилизацию CO₂ и эффективное потребление зеленого водорода. Данный метод позволяет обойти недостатки безопасности, связанные с прямым использованием водорода, и является высококачественным низкоуглеродным технологическим маршрутом, соответствующим целям «двойного углерода».

01. Технологический контекст: решение двойной проблемы водородной энергетики и источников газа
Новая редакция «Закона об энергетике» 2024 года официально закрепила легальный промышленный статус водородной энергетики. Природный газ широко используется в качестве низкоуглеродного переходного энергоносителя, однако зависимость Китая от импорта достигает 42,3%, что создает риски для стабильности газоснабжения. В то же время подмешивание водорода в существующие газотранспортные сети может привести к водородной хрупкости, коррозии труб, сокращению срока службы сети и повышению риска взрывов, что препятствует его масштабному внедрению.
Метан обладает отличными характеристиками для хранения водорода. Синтез «зеленого» природного газа на основе экологически чистого водорода и уловленного CO₂ позволяет напрямую использовать существующие зрелые газовые сети и терминальное оборудование без необходимости масштабной модернизации. Это не только решает проблему потребления «зеленого» водорода, но и пополняет запасы экологически чистого газа, обеспечивая энергетическую безопасность.

02. Основные традиционные технологии синтеза природного газа
Отечественные традиционные технологии производства искусственного газа хорошо отработаны и делятся на три основные категории, адаптированные для различных промышленных сценариев:
1. Получение природного газа из угля: одностадийный процесс отличается простотой и низкими инвестициями, но низкой стабильностью катализатора и находится лишь на стадии демонстрации; двухстадийная технология является зрелой, пригодной для промышленного масштабирования и на данный момент является основным коммерческим маршрутом газификации угля.
2. Получение природного газа из коксового газа: отходящие газы коксования богаты водородом, из которого можно получать газ путем очистки или гидрирования (метанирования); добавление внешнего источника углерода позволяет максимально утилизировать избыточный водород, обеспечивая высокую эффективность использования ресурсов.
3. Производство биогаза из биомассы: получение газа путем анаэробного сбраживания сельскохозяйственных и лесных отходов, а также навоза животноводческих хозяйств; после очистки он может подаваться в газотранспортную сеть. В Европе данная отрасль технологически развита и обладает выраженными экологическими преимуществами.

03. Три основные технологии производства «зеленого» природного газа
В отличие от традиционного производства газа из ископаемого топлива, метанирование с использованием «зеленого» водорода и улавливания углерода относится к маршрутам получения газа из возобновляемых источников энергии. Этот процесс характеризуется нулевым потреблением ископаемого сырья, обеспечивает эффект снижения углеродного следа и включает три ключевых этапа.
1. Производство «зеленого» водорода путем электролиза за счет энергии ветра и солнца
Щелочной электролиз является основной технологией, адаптированной к колебаниям мощности возобновляемых источников энергии, однако он имеет существенные недостатки. Минимальная нагрузка электролизера ограничена: при низкой нагрузке возникает риск утечки водорода и угроза безопасности, что приводит к вынужденному ограничению выработки электроэнергии ВИЭ. В то же время блуждающие и обратные токи, возникающие при прерывистых пусках и остановках, подвергают оборудование коррозии и снижают эффективность производства водорода.
2. Технология улавливания углерода CCS

Основные технологии включают улавливание до сжигания, сжигание в среде чистого кислорода (oxy-fuel), улавливание после сжигания и прямое улавливание из воздуха (DAC). Химическая абсорбция дымовых газов является наиболее широко используемым методом, однако она характеризуется высоким энергопотреблением и расходом реагентов. Из-за крайне низкой концентрации CO₂ в воздухе стоимость DAC остается высокой; в будущем необходимо опираться на новые абсорбенты для оптимизации и снижения затрат.
3. Реакция метанирования CO₂
Данная реакция является экзотермической, промышленный температурный диапазон составляет 200–500°C. Для снижения энергетического барьера реакции требуются катализаторы на основе Ni, Co или Fe. Существует два механизма реакции: прямое гидрирование и косвенное гидрирование через обратную реакцию сдвига водяного газа. Основной технологической сложностью является баланс температурного контроля: высокие температуры легко приводят к дезактивации катализатора из-за закоксовывания, в то время как при низких температурах эффективность реакции остается низкой.
04. Стоимость и рыночные перспективы
Уровень затрат: На данном этапе производство зеленого природного газа путем сопряжения ветровой и солнечной энергии, зеленого водорода и твердофазного улавливания углерода обходится примерно в 10 141 юань за тонну. Общая себестоимость остается высокой, что в основном обусловлено инвестициями в оборудование и стоимостью зеленой электроэнергии. После итерации технологий потенциал для снижения затрат будет значительным.
Рыночный аспект: В 2023 году потребление природного газа в Китае достигло 394,5 млрд м³, при этом его доля в энергопотреблении продолжает расти. Основными сценариями потребления являются промышленное топливо, городское газоснабжение и пиковое регулирование электроэнергии. Зеленый природный газ может полностью использовать существующую газовую инфраструктуру без необходимости строительства новых объектов. Он способен широко заменять традиционный природный газ и адаптирован для различных сфер, включая промышленность, бытовой сектор, электроэнергетику и одноуглеродную (C1) химию, что открывает широкие рыночные перспективы.
05. Заключение и перспективы отрасли
Технология получения зеленого природного газа эффективно решает проблему «узких мест» в применении зеленого водорода и вопрос выбросов углерода при использовании традиционного природного газа, формируя низкоуглеродный замкнутый цикл, объединяющий производство водорода из возобновляемых источников, утилизацию углерода и использование природного газа. В настоящее время отраслевые барьеры сосредоточены на высокой стоимости зеленого водорода и улавливания углерода, недостаточной стабильности катализаторов метанирования и необходимости повышения адаптивности технологических процессов.
В будущем отрасль сосредоточится на трех основных направлениях оптимизации: снижении совокупной стоимости производства водорода из возобновляемых источников энергии (солнца и ветра), разработке высокоэффективных технологий улавливания углерода с низким энергопотреблением и создании высокоселективных катализаторов метанирования, устойчивых к закоксовыванию. Путем реализации и итерации демонстрационных проектов будет стимулироваться масштабное и коммерческое применение технологий производства «зеленого» природного газа, что поспособствует достижению целей углеродной нейтральности и обеспечению диверсификации национальных источников газа.