Промышленный способ получения водорода: Получение водорода в промышленности

Содержание

Переход на водород

Водород и сегодня используют для производства удобрений, повышения качества бензина, улучшения свойств стали, а также в пищевой промышленности для производства маргарина и твердых кондитерских жиров методом гидрогенизации растительных масел. Без него не обходятся все процессы гидроочистки, гидрообессеривания, гидрокрекинга, регенерации катализаторов. Его также широко применяют для охлаждения генераторов на электростанциях.

С тех пор как появилась перспектива перехода на водородную энергетику с углеводородной, потребность в водороде увеличилась на порядки. Сегодня эта перспектива стала реальностью, поскольку примерно десять лет назад была решена одна из основных проблем с его хранением для дальнейшего использования в качестве автомобильного топлива. Вместо тяжелых, дорогих и небезопасных стальных баллонов для сжатого под высоким давлением водорода стали применять легкие композитные емкости из углепластика, которые прекрасно помещаются в легковых автомобилях. Кроме того, стало возможным получать водород прямо по месту употребления. Появление таких технологий зажгло для водородной энергетики зеленый свет.

Около 20 лет назад во всем мире начали появляться автомобили на водороде, и бывшие выставочные центры пилотных моделей превратились в салоны-магазины серийных образцов. Количество автомобилей на водородном топливе сегодня исчисляется тысячами. Их стоимость составляет около $50–60 тыс. Серийные автомобили на водороде есть у Toyota, Hyundai, Honda. Предсерийные образцы тестируют Audi, Mercedes, BMW, Mazda, Ford и ряд других производителей. Все технические препятствия, столько десятилетий казавшиеся непреодолимыми, пройдены за считаные годы, и теперь вопрос только в экономической целесообразности для массового потребителя. В России такой автомобиль приобрел себе житель Красноярска, но в связи с отсутствием заправок в своем городе перевез машину в Москву и получает топливо в одном из научных институтов.

Как получить водород?

Для развития водородной энергетики нужно будет на государственном уровне решить вопрос, в каком виде доставлять водород к месту его получения. Дело в том, что водород содержится в очень многих видах ископаемых топлив.

«Наиболее дешевый водород получается методом паровой конверсии метана,— рассказывает заведующий отделом гетерогенного катализа Института катализа СО РАН Павел Снытников.— Другой способ — из аммиака. Для его транспортировки, как и для природного газа, в нашей стране даже существует трубопровод, так как аммиак сжижается всего при давлении 8,5 атмосферы. Третье решение — перевозка будущего водорода в виде метанола. В Китае метанол используют как автомобильное топливо. Но в России против метанола почему-то предубеждение, по-видимому, в связи с тем, что с давних пор у нас простой народ пил все, что горело, в том числе и метанол, и люди лишались зрения».

А вот получать его лучше всего там же, где будут потреблять, чтобы уйти от проблем транспортировки чистого водорода. Чтобы использовать водород, например, как автомобильное топливо, нужно закачать его в баллоны под давлением 700 атмосфер. Правда, на сжатие нужна дополнительная энергия. Не меньше энергии требуется на сжижение водорода, так что один из подходящих способов его транспортировки — это перевозка в химически связанном состоянии, например в виде метана, из которого водород должен производиться там же, где будет использоваться. То есть до заправки везут метан, а уже на самой заправке устанавливается небольшое производство, например, конвертер метана в водород. Но этот способ не очень хорош для экологии, поскольку на небольших производствах сложно обеспечить качественную очистку выбросов. Зато экономически он себя вполне оправдывает. Опыт Японии, Кореи и ряда других стран показал, что километр пробега на водороде выходит не дороже бензина. 4 кг водорода, закачанного в баллон, хватает примерно на 800 км пути обычного седана.

Получать водород можно практически из любого углеводородного топлива: из бензина, дизельного топлива или пропан-бутановых смесей. В Институте катализа им. Г. К. Борескова СО РАН ведется работа по гранту РНФ по тематике получения водорода из дизельного топлива. Также разрабатываются методы получения водорода даже из органических носителей, например из бор-гидридов. Главные задачи на будущее развитие водородной энергетики — это не только получение водорода, но и его хранение. Жидкий водород можно хранить только при низких температурах, поэтому его использовали только в критически важных областях, например, как ракетное топливо.

Если отвлечься от автомобилей и обратить внимание на энергообеспечение более крупных стационарных объектов, например жилых или промышленных комплексов, то вся идеология водородной энергетики строится на ее связке с другими источниками энергии. Например, с возобновляемыми — гидро-, ветряными, солнечными электростанциями или с крупными атомными электростанциями. Производство такой энергии идет в одном режиме, а тратится потребителями она в другом, поэтому, когда есть излишки энергии, ее можно тратить на получение водорода даже из обычной воды методом электролиза.

Голубая мечта о зеленом водороде

Электролиз — это способ получения водорода из воды, который, к сожалению, требует больших энергозатрат, поэтому он оправдан только в тех случаях, когда вырабатываемую энергию необходимо запасти, пусть даже и с невысоким КПД. Лучше всего использовать для этого источники, где постоянно возникают достаточно большие излишки энергии. Емкости аккумуляторов для ее сохранения не хватает, кроме того, аккумуляторы быстро разряжаются, а полученный методом электролиза водород — это гарантированный запас энергии, можно сказать, воплощение мечты о чистой энергии, так называемом зеленом водороде. К сожалению, пока всего 2% общего объема водорода в мире производится методом электролиза. 75% водорода получают из природного газа и 25% — сжиганием угля. Цены топлива, полученного по этим технологиям, также несопоставимы: $1,7 за 1 кг водорода из природного газа и $5–10 за водород, полученный электролизом. Впрочем, стоимость зависит от источника энергии. Например, от энергии АЭС зеленый водород вдвое дешевле ($3–5), чем от возобновляемых источников энергии.

Основные организации в России, заинтересованные в получении водорода — это компании «Росатом» и «Газпром». Атомные электростанции нуждаются в сохранении избытка энергии в виде водорода и дальнейшего его использования. А добывающая компания хочет перерабатывать природный газ в водород, имея соответствующие установки непосредственно в местах использования, например на автомобильных заправках. Для решения проблемы транспортировки водорода можно переводить его в спирты — метанол, диметиловый эфир, чтобы получать из них водород, что называется, «по требованию» для дальнейшего использования на энергоустановках. Это химия получения водородсодержащих компонентов, и она достаточно хорошо освоена.

Как перестать сжигать топливо

Вообще, заявления о том, что водород — это экологически чистое топливо, не совсем справедливы. Из школьного курса химии мы помним, что после сжигания водорода получается вода. Но горит-то он в воздухе, где высокое содержание азота, и в результате реакции кислорода и азота при высоких температурах мы получаем те же токсичные оксиды азота, что и при сжигании бензина, только в меньшем объеме. Собственно, водород здесь ни при чем: любое высокотемпературное горение вызывает в воздухе реакцию взаимодействия кислорода и азота с образованием оксидов. По этой причине получать электричество с помощью сжигания любого топлива — это не самый экологичный способ. А тем более углеводородного, которое сгорает с выделением выбросов углекислого газа в атмосферу. Чтобы решить проблемы с выбросами в атмосферу, нужно прекратить сжигать топливо и снизить градус его потребления до комнатной температуры. В этом могут помочь топливные элементы.

Применение водорода в топливных элементах является самым экологичным. Разные топливные элементы используют водород при разных температурах и могут быть более или менее привередливы к его чистоте. Низкотемпературные топливные элементы работают на чистом водороде, а высокотемпературные вполне удовлетворяются синтез-газом. Топливный элемент — это электрохимическое устройство, которое преобразует химическую энергию водорода в электрическую (процесс, обратный электролизу) с достаточно высоким КПД. Институт катализа СО РАН сотрудничает с российскими производителями топливных элементов — ГК «ИнЭнерджи» и Институтом проблем химической физики РАН, где были разработаны и созданы сверхлегкие топливные элементы для беспилотных летательных аппаратов. В настоящее время там ведутся разработки более крупных топливных элементов для автомобильных передвижных платформ. Рынок топливных элементов еще только формируется, поскольку область их применения постоянно растет. Появляются новые возможности в разработке — осваивается новый экономический сектор. Вопросы могут быть самые разные — например, обеспечение дальних трасс или камер видеонаблюдения источниками связи или возможность установки автономных вышек сотовой связи. Источники водородной энергии всегда работают как тандем «топливный элемент на водороде плюс аккумулятор». Аккумулятор способен сглаживать пиковые нагрузки, а топливный элемент обеспечивает длительную выработку электроэнергии.

Сегодня в мире на топливных элементах работают тысячи небольших энергоустановок. В США, Японии и некоторых странах Европы они уже около 30 лет снабжают водородной энергией небольшие частные поселки, большие и удаленные от города супермаркеты или промышленные объекты. В отличие от дизель-генераторов это намного более бесшумные системы, так что их широко используют как запасные источники энергии в случае сбоев в работе основного источника энергообеспечения.

Сколько стоит чистый воздух

В качестве грантового финансирования на развитие индустрии водородной энергетики некоторые страны ЕС ежегодно выделяют сотни миллионов евро, США — сотни миллионов долларов. Совокупные вложения Европы и США в эту отрасль исчисляются миллиардами. Сейчас многие компании во всем мире делают попытки использовать источники энергии на топливных элементах в самых разных областях. В ближайшие десятилетия может измениться сама концепция человеческого энергопотребления.

В России развитие топливных элементов исторически связано с космическими программами в середине ХХ века. Щелочные топливные элементы использовались во многих космических проектах, где требовались автономные энергоустановки.

В 2020 году правительство России утвердило энергетическую стратегию Российской Федерации на период до 2035 года и ключевые меры развития водородной энергетики. В этом же году был создан консорциум по водородной энергетике, куда вошли ведущие научные институты: Томский политехнический университет, Институт катализа СО РАН, Институт проблем химической физики РАН, Институт нефтехимического синтеза РАН, Самарский государственный политехнический университет и Сахалинский государственный университет. В программе развития водородной энергетики РФ намечено создание водородных кластеров и пилотных проектов по производству и экспорту водорода. Планируется развитие первых коммерческих проектов производства водорода. Сегодня в РФ появляются отдельные пилотные проекты с использованием водородной энергетики, но до массового внедрения пока не дошло: скорее производители демонстрируют свою готовность к реализации подобных проектов в случае выделения финансирования со стороны, например, госкорпораций. Так, в конце 2019 года в Санкт-Петербурге был запущен трамвай на водородном топливе, а ОАО «Газпром» и ОАО «РЖД» в качестве пилотного проекта обсуждают возможность запуска поезда на Сахалине на топливных водородных элементах.



Что такое Водородное топливо — Техническая Библиотека Neftegaz.RU

Lh3 является самым экологически чистым видом моторного топлива, поэтому его перспективы очевидны

Водородное топливо

В Австралии на бурых углях в штате Виктория отрабатывается технология технология газификации угля с последующим выделением водорода, вернее удаления серы, ртути и двуокиси углерода (СО2).

В Норвегии — Nel Hydrogen отрабатывает технологию использования ВИЭ для высокотемпературного электролиза для разделения воды на водород и кислород, который будет выбрасываться в атмосферу.

Kawasaki Heavy Industries разрабатывает морской танкер — водородовоз для транспортировки жидкого водорода ( LH2).

Водород

Водород (H) является самым распространенным элементом на Земле, но в обычных условиях он не встречается ни в виде водорода H, ни в виде газообразного водорода (H2). 

Благодаря своим характеристикам он легко вступает в реакцию с другими органическими соединениями с образованием, например, воды (H2O). 

Во время этой реакции образования воды из водорода и воздуха выделяется энергия, которую можно использовать в качестве электричества. 

Чтобы сделать эту реакцию полезной для промышленного производства электроэнергии, необходимо произвести водород, например из воды путем разделения атомов на кислород и водород посредством электролиза. 

Есть другие технологии:

  • использование газов, оставшихся от химических процессов, например метана, угля, нефти и биомассы. 
Для производства водорода существуют разные способы, которые сильно различаются как с точки зрения экологичности, так и с точки зрения стоимости.
Экологичность — важный критерий производства водорода.
Чем больше оксидов углерода выделяется при производстве водорода, тем менее экологичным он будет считаться.
Для простоты каждый «сорт» произведенного по разным технологиям принято обозначать цветом, хотя правильнее — по углеродному следу.

Реакция взаимодействия водорода с кислородом происходит с выделением тепла. 

Если взять 1 моль H2 (2 г) и 0,5 моль O2 (16 г) при стандартных условиях и возбудить реакцию, то согласно уравнению

Н2 + 0,5 О2= Н2О

после завершения реакции образуется 1 моль H2O (18 г) с выделением энергии 285,8 кДж/моль.

Для сравнения: теплота сгорания ацетилена — 1300 кДж/моль, пропана — 2200 кДж/моль.

1 м³ водорода весит 89,8 г (44,9 моль), поэтому для получения 1 м³ водорода будет затрачено 12832,4 кДж энергии.

1 кВт*ч = 3600 кДж, поэтому получим 3,56 кВт*ч электроэнергии. 

Целесообразность перехода на водородное топливо можно оценить, сравнив имеющийся тариф на 1 кВт*ч электричества и, к примеру, стоимость 1 м³ газа или стоимость другого энергоносителя.

При сжигании водорода получается чистая вода. 
То есть водородное топливо производится без вреда для окружающей среды, в отличие от газа или бензина.

Получение водорода

Для получения водорода используют химические методы, в тч реакции разложения воды электрическим током.
Основной промышленный способ получения водорода — реакция с водой метана, который входит в состав природного газа.
Она проводится при высокой температуре:

СН4 + 2Н20 = CO2 + 4Н2 — 165 кДж

  • 1.Электролиз водных растворов солей:
2NaCl + 2H2O → h3↑ + 2NaOH + Cl2
  • 2.Пропускание паров воды над раскаленным коксом при температуре около 1000°C:
h3O + C ⇄ h3 + CO
  • 3.Из природного газа.
Конверсия с водяным паром: CH4 + H2O ⇄ CO + 3H2 (1000 °C) Каталитическое окисление кислородом: 2CH4 + O2 ⇄ 2CO + 4H2
  • 4. Крекинг и реформинг углеводородов в процессе переработки нефти.
  • 5. Действие разбавленных кислот на металлы. Для проведения такой реакции чаще всего используют цинк и соляную кислоту:
Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2
  • 6.Взаимодействие кальция с водой:
Ca + 2H2O → Ca(OH)2 + H2
  • 7.Гидролиз гидридов:
NaH + H2O → NaOH + H2
  • 8.Действие щелочей на цинк или алюминий:
2Al + 2NaOH + 6H2O → 2Na[Al(OH)4] + 3H2↑ Zn + 2KOH + 2H2O → K2[Zn(OH)4] + h3↑
  • 9 .С помощью электролиза. При электролизе водных растворов щелочей или кислот на катоде происходит выделение водорода, например:
2H3O+ + 2e → H2↑ + 2H2O
  • Биореактор для производства водорода

Физические свойства Газообразный водород может существовать в 2х формах (модификациях) — в виде орто — и пара-водорода.
В молекуле ортоводорода (т. пл. −259,10 °C, т. кип. −252,56 °C) ядерные спины направлены одинаково (параллельны), а у параводорода (т. пл. −259,32 °C, т. кип. −252,89 °C) — противоположно друг другу (антипараллельны).
Разделить аллотропные формы водорода можно адсорбцией на активном угле при температуре жидкого азота.
При очень низких температурах равновесие между ортоводородом и параводородом почти нацело сдвинуто в сторону параводорода.
При 80 К соотношение форм приблизительно 1:1. Десорбированный параводород при нагревании превращается в ортоводород вплоть до образования равновесной при комнатной температуре смеси (орто-пара: 75:25).
Без катализатора превращение происходит медленно, что дает возможность изучить свойства отдельных аллотропных форм.
Молекула водорода двухатомна — Н. При обычных условиях — это газ без цвета, запаха и вкуса.
Водород — самый легкий газ, его плотность во много раз меньше плотности воздуха. Очевидно, что чем меньше масса молекул, тем выше их скорость при одной и той же температуре.
Как самые легкие, молекулы водорода движутся быстрее молекул любого другого газа и тем самым быстрее могут передавать теплоту от одного тела к другому.
Отсюда следует, что водород обладает самой высокой теплопроводностью среди газообразных веществ. Его теплопроводность примерно в 7 раз выше теплопроводности воздуха.

Химические свойства

Молекулы водорода Н довольно прочны, и для того, чтобы водород мог вступить в реакцию, должна быть затрачена большая энергия:

Н2=2Н — 432 кДж

Поэтому при обычных температурах водород реагирует только с очень активными металлами, например с кальцием, образуя гидрид кальция:

Ca + Н2 = СаН2 и с единственным неметаллом — фтором, образуя фтороводород:

F2+H2=2HF

С большинством же металлов и неметаллов водород реагирует при повышенной температуре или при другом воздействии, например при освещении.

Он может «отнимать» кислород от некоторых оксидов, например:

CuO + Н2 = Cu + Н20

Записанное уравнение отражает реакцию восстановления — процесс, в результате которого от соединения отнимается кислород; вещества, отнимающие кислород, называются восстановителями (при этом они сами окисляются).

Реакция восстановления противоположна реакции окисления.

Обе эти реакции всегда протекают одновременно как 1 процесс: при окислении (восстановлении) одного вещества обязательно одновременно происходит восстановление (окисление) другого.

N2 + 3H2 → 2 NH3

С галогенами образует галогеноводороды:

F2 + H2 → 2 HF, реакция протекает со взрывом в темноте и при любой температуре, Cl2 + H2 → 2 HCl, реакция протекает со взрывом, только на свету.

С сажей взаимодействует при сильном нагревании:

C + 2H2 → CH4

Оксиды восстанавливаются до металлов:

CuO + H2 → Cu + H2O Fe2O3 + 3H2 → 2 Fe + 3H2O WO3 + 3H2 → W + 3H2O

Геохимия водорода

Водород — самый распространенный элемент, и все элементы образуются из него в результате термоядерных и ядерных реакций.
На Земле содержание водорода понижено по сравнению с Солнцем.
Свободный водород H2 относительно редко встречается в земных газах, но в виде воды он принимает исключительно важное участие в геохимических процессах.
В состав минералов водород может входить в виде иона аммония, гидроксил-иона и кристаллической воды.
В атмосфере водород непрерывно образуется в результате разложения воды солнечным излучением.
Он мигрирует в верхние слои атмосферы и улетучивается в космос.

Применение кроме энергетики:
  •  для атомно-водородной сварки,
  •  в пищевой промышленности, как пищевая добавка E949- упаковочный газ, для производства маргарина из жидких растительных масел,
  •  химической промышленности — при производстве аммиака, мыла и пластмасс,
  •  в качестве ракетного топлива,

Энергетика

Водороду уделяется такое пристальное внимание не зря.
Подобно батареям, водород в основном используется как форма хранения энергии.
Они оба зависят от первичной энергии, такой как солнечная и ветровая, для зарядки или генерации, и при необходимости могут быть преобразованы в электричество.
Тем не менее, водород превосходит батареи по многим параметрам:
  • более чистый производственный процесс, 
  • нулевое загрязнение после утилизации; более высокая плотность энергии. 
Водород можно производить с помощью воды и электричества, а батареи часто зависят от токсичных материалов, таких как цинк, никель и марганец, которые оказывают неблагоприятное воздействие на окружающую среду при их добыче в открытых карьерах или на морском дне и после их утилизации.
При преобразовании водорода в электричество производится только вода и тепло.
Водород также имеет гораздо более высокую плотность энергии (33 кВт*ч / кг), чем батареи (около 1 кВт*ч / кг), и чем бензин и дизельное топливо (около 12 кВт*ч / кг), что делает его особенно выгодным для транспорта и в качестве мобильного энергоносителя

Пожароопасность и взрывоопасность

Водород при смеси с воздухом образует взрывоопасную смесь — гремучий газ. 
Наибольшую взрывоопасность — при объемном отношении водорода и кислорода 2:1, или водорода и воздуха приближенно 2:5, так как в воздухе кислорода содержится примерно 21%.
Водород пожароопасен.

Водородные перспективы

 

Автор: Георгий Гавриленко, член научно – аналитической секции ОО «УкрЯО»

На использование водорода в Европе возлагают большие надежды, насколько они оправданы — вопрос открытый. В свое время в интервью директор института возобновляемой энергетики, член-корреспондент НАН Украины Степан Кудря на вопрос корреспондента, сколько сейчас стоят водородные и иные системы, ответил: «$3000 в комплексе. И таким образом мы решаем проблему энергетики и экологии на 100%». Так ли это? Все ли учтено?

Под проблемами энергетики в целом понимается обеспечение населения и промышленности теплом, электричеством при их должном качестве, бесперебойной поставке, минимальном влиянии на экологию и при разумных ценах. Насколько водородные технологии отвечают перечисленным требованиям и что требуется для их внедрения в нынешних условиях Украины и пойдет речь.

Основные физические свойства водорода, определяющие его производство и потребление:

  1. Теплотворная способность водорода — 120.9 МДж/кг (10840 КДж/м3), природного газа в среднем — 37300 КДж/м3.
  2. Плотность водорода 0.0897 кг/м3, природного газа в среднем — 0.765 кг/м3.
  3. Взрывоопасная концентрация водорода в смеси с воздухом сохраняется в интервале от 4% до 75%, природного газа — в среднем от 4.4% до 17%.
  4. Водород обладает повышенной текучестью.
  5. При горении водорода в кислороде образуется только водяной пар.
  6. При горении водорода в воздухе, кроме водяного пара, образуются оксиды азота NOX, которые относятся к парниковым газам и их выбросы лимитируются.
  7. Хранение водорода осуществляется в герметичных емкостях при избыточном давлении или в сосудах Дюара в жидком состоянии.

Способы получения водорода и затраты на его производство

Основными промышленными способами производства водорода являются конверсия кокса или метана и электролиз воды. Водород, получаемый при конверсии, имеет неудовлетворительное качество, поскольку содержит примеси углерода, серы и иных элементов, которые при сгорании приводят к образованию парниковых газов.

Кроме того, при использовании конверсионного водорода в топливных элементах примеси приводят к их деградации (отравлению). Для использования конверсионного водорода в топливных элементах требуется его дополнительная очистка.

При методе электролиза водород производят из дистиллированной воды в электролизерах. Электролизный водород после осушки отвечает требованиям для использования в топливных элементах. Качество электролизного водорода зависит от качества дистиллированной воды и используемых реагентов.

Теоретически для получения 1 м3 водорода посредством электролиза требуется 3.56 кВт-ч электроэнергии.

Согласно «Нормам технологического проектирования производства водорода методом электролиза воды» НТП 24-94, принятым у наших партнеров из Российской Федерации для получения 1 м3 водорода требуется 4.94-5.76 кВт-ч электроэнергии и 0.8 м3 дистиллированной воды.

При этом, чем больше мощность электролизера, тем больше потребность в электроэнергии. Это объясняется возрастанием потерь в связи с увеличением расходов на охлаждение, осушку и очистку.

Таким образом, для производства 1 м3 водорода используется 20 736 кДж электроэнергии, которые превращаются в 10 840 кДж химической энергии в виде теплотворности 1 м3 водорода.

Отсюда следует, что коэффициент полезного действия при производстве водорода электролизным способом составляет 52.3%.

Большую часть стоимости в производстве водорода электролизным способом составляют расходы электроэнергии, которые являются энергозатратной частью.

Согласно законопроекту Украины о «зеленом» тарифе (№36580), тариф на электроэнергию в Украине, выработанную на солнечных и ветровых электростанциях, до 31.12.24 г. не может быть дороже 9 евроцентов за 1 кВт-ч (2.97 грн), а с 1.01.25 г. не может быть дороже 8 евроцентов за один кВт-ч (2.64 грн). Эти цены согласно законопроекту будут действовать до 2030 г.

Если исходить из того, что для производства водорода будет использоваться электроэнергия возобновляемых источников, то энергозатратная часть стоимости водорода составит 15.2 грн/м3 (без НДС). Для сравнения, в настоящее время отпускная цена природного газа составляет около 7 грн/м3.

Это только энергозатратная часть стоимости водорода. Полная стоимость включает стоимость химобессоленной воды, амортизационные отчисления, транспортировку, эксплуатационные затраты (стоимость реагентов, зарплата, запасные части, ремонт, техническое обслуживание и пр.) и станет как минимум в два раза дороже, то есть может достигнуть 30 грн/м3.

Хранение и транспортировка водорода

Водород как энергоноситель, равно как и электрический ток, и природный газ, обладает общим недостатком — его производство и потребление должны быть сбалансированы. В электроэнергетике это требование обеспечивается регулированием энергосети, снижением или увеличением электрогенерации и наличием резерва, который вводится в работу по необходимости.

Что касается природного газа, то в состав ГТС входят подземные хранилища газа, которые играют роль компенсаторов. При снижении потребления, часть газа из газотранспортной системы может направляться в газохранилища, при возрастании потребления газ отбирается из газохранилищ.

В свою очередь, что касается водорода, то в связи с его повышенной текучестью, хранение в подземных газохранилищах проблематично. Аккумулирующим способом хранения водорода является хранение в сжиженном состоянии. Технология сжижения водорода аналогична технологии сжижения метана, который составляет основу природного газа. Практика сжижения природного газа показывает, что стоимость сжиженного газа в перерасчете на 1 м3 повышает его стоимость на 25%. Таким образом, энергозатратная часть стоимости водорода повышается с 15.2 грн/м3 до 19 грн/м3 (без учета НДС).

Транспортировка сжиженного водорода может осуществляться только специальным транспортом, оборудованным сосудами Дюара, но при этом потеря водорода в сутки составляет около 1% от его массы, что ведет к его удорожанию. Транспортировка сжиженного водорода по трубопроводам в связи с особенностями его физических свойств невозможна.

Согласно некоторым публикациям, предполагается использование действующей газотранспортной системы (ГТС) для транспортировки водорода посредством подмешивания его в природный газ. Предполагается, что оптимальное содержание водорода в такой смеси составит 20%.

Смешивание приведет к тому, что, во-первых, плотность смеси уменьшается до 0.63кг/м3, а во-вторых, теплотворность смеси снижается до 32 000 кДж/м3. За счет подмешивания более дорогого компонента стоимость 1 м3 газовой смеси возрастет по сравнению со стоимостью природного газа с 7 грн/м3 до 9.4 грн/м3.

Кроме того, снижение калорийности газовой смеси потребует увеличения ее расхода на 16%, что приведет к дополнительным расходам энергии на транспортировку и удорожанию.

Украинскому потребителю придется оплачивать каждый кубический метр смеси на 34% дороже по сравнению со стоимостью природного газа. Это добавка к стоимости только за счет энергозатратной части, а фактически стоимость смеси будет гораздо выше.

Что касается технической стороны транспортировки, то снижение плотности газовой смеси скажется на работе компрессорных установок ГТС. Допустимо ли снижение плотности — ответ за специалистами.

Самый сложный технический вопрос использования смеси — текучесть водорода. Дело даже не столь в герметичности сварных и разъемных соединений, как в том, что в составе ГТС, в газовых потребительских сетях используются запорная арматуры и счетчики. Запорная арматура изготовлена согласно соответствующему стандарту для природного газа и допускает протечки (абсолютно плотной арматуры не бывает). Допустимая герметичность арматуры для природного газа не может соответствовать требованиям по герметичности для водорода. Потребуется модернизация ГТС, потребительских сетей с заменой запорной и предохранительной арматуры, что скажется на удорожании газовой смеси.

С изменением плотности газовой смеси потребуется замена счетчиков или их модернизация у всех потребителей, включая население. С использованием водорода возрастают требования по пожарной и взрывобезопасности.

В настоящее время в СМИ достаточно часто появляются сообщения о взрывах газа в жилых домах. Наличие водорода в газовой смеси потребует дополнительного оснащения промышленных зданий, сооружений, жилых строений, в которых будет использоваться газовая смесь, специальной аппаратурой контроля и сигнализации, модернизации систем вентиляции с целью увеличения кратности воздухообмена.

Основное назначение украинской действующей ГТС сейчас состоит в транспортировке природного газа из РФ в ЕС. Украинская сторона связана обязательствами по объему и качеству перекачиваемого природного газа. В случае использования ГТС для перекачивания водорода возможны два сценария.

РФ после ввода в эксплуатацию газопровода «Северный поток-2» (СП-2) откажется от услуг украинской ГТС, а перекачивание водорода украинского производства станет нерентабельным из-за его недостаточного количества и невозможным по техническим причинам.

Кроме того, имеется заявление главы Оператора ГТС Украины Сергея Макогона от 6.03.21 г., в котором сказано, что после ввода в работу «СП-2», ГТС Украины будет модернизирована под внутренние потребности. С. Макогон ни словом не обмолвился о транспортировке водорода с использованием ГТС, и понятно почему.

Подмешивание водорода потребует стабильного поддержания параметров газовой смеси в трубопроводах, что технически трудноосуществимо.

Второй сценарий — РФ не согласует подмешивание водорода украинского производства в природный газ, подаваемый из РФ в ЕС, поскольку РФ несет ответственность за качество поставляемого природного газа, а добавление водорода в природный газ уменьшает теплотворную способность смеси по сравнению с чистым природным газом. Кроме того, РФ может не согласиться с подмешиванием водорода по политическим мотивам, что, скорее всего, и случится.

Второй способ хранения водорода — в емкостях под давлением. Этот способ позволяет хранить ограниченное количество продукта. Например, полная емкость стандартного пропанового баллона составляет 0.065 м3. Вес пропана в баллоне — 21.2 кг. Давление в баллоне равно 1.6 Мпа. Полный вес заправленного баллона — 43.2 кг.

Теплотворная способность пропана — 48 МДж/кг. Энергоемкость одного стандартного баллона, заполненного пропаном, равна 1017.6 МДж. Если пропановый баллон заполнить водородом при давлении 150 кгс/см2, то в баллон вмещается 0.8 кг водорода. Энергоемкость пропанового баллона, заполненного водородом, равна 97 МДж, то есть в 10 раз меньше энергоемкости баллона, заполненного пропаном.

Использование водорода

Практика использования водорода как энергоносителя обширна и представляет собой в основном две формы: генерацию тепловой энергии при его сгорании в атмосфере кислорода или воздуха во всякого рода устройствах и генерацию электрической энергии в топливных элементах.

Кроме того, водород может использоваться в металлургическом производстве и других отраслях экономики. Вызывает интерес использование водорода в топливных элементах, как перспектива, по заявлению сторонников «зеленой» энергетики, перевода транспорта на водородное топливо взамен углеводородного.

Топливный элемент представляет собой электрохимическое устройство, подобное гальваническому элементу (аккумулятору), но отличается от аккумулятора тем, что для электрохимической реакции в него подаются вещества из вне. Другими словами, в комплекте с топливными элементами должны быть баллоны с водородом.

Для получения электроэнергии от топливного элемента в него необходимо постоянно подавать водород и воздух (кислород) с определенным расходом при определенных параметрах от внешних источников.

Коэффициент полезного действия водородного топливного элемента согласно разным источникам составляет около 60%. Если водород генерируется в электролизерах, то как уже было сказано выше, коэффициент полезного действия электролизера составляет около 57%, а с учетом коэффициента полезного действия топливного элемента потребитель получает энергию с общим коэффициентом полезного действия 34.2%. Потери электроэнергии при генерации водорода и потери при обратном превращении водорода в электроэнергию оплачивает потребитель.

Основная проблема использования водорода в топливных элементах состоит в организации хранения его запаса. Предположим, что объем топливного бака автомобиля равен 40 л, в котором помещается 30 кг бензина. Энергоемкость бака с бензином составляет 1308 МДж из расчета, что теплотворность бензина равна 43.6 МДж/кг.

Коэффициент полезного действия бензинового двигателя внутреннего сгорания составляет в среднем 24%. Это значит, что в полезную работу превращается 314 МДж. Стоимость заправки бака бензином объемом 40 л по нынешним ценам составляет около 1100 грн.

Представим, что этот же автомобиль оборудован водородными топливными элементами. Поскольку коэффициент полезного действия топливного элемента равен 60%, то запас водорода должен составлять 313:0.6 = 523 МДж. Исходя из того, что теплотворность водорода равна 120.9 МДж/кг, то количество водорода в баке должно быть не менее 523:120.9 = 4.33 кг. Если хранить водород в баке при давлении 200 кгс/см2, то емкость бака должна быть не менее 0.26 м3, что эквивалентно 4 стандартным пропановым баллонам емкостью 0.065 м3 каждый.

Стоимость заправки 4 баллонов водородом в сумме 4.33 кг составит около 926 грн. Это только энергозатратная часть стоимости водорода, а с учетом остальных составляющих стоимость возрастет минимум в два раза, что станет значительно дороже заправки бензином.

С повышением давления толщина стенок баллона увеличивается, по оценочным расчетам вес одного баллона объемом 0.065 м3, рассчитанного на давление 200 кгс/см2, будет не менее 40 кг.

Суммарный вес баллонов с водородом составит не менее 160 кг плюс вес установки топливных элементов. Согласно публикациям СМИ, модульная установка водородных топливных элементов фирмы «Тойота» мощностью 60-80 кВт весит 240 кг, что сравнимо с весом аккумуляторных батарей электромобиля.

Однако автомобиль с аккумуляторными батареями значительно безопасней автомобиля с топливными водородными элементами, и соответственно дешевле.

Кроме того, топливные элементы по своим свойствам лимитированы по скорости изменения мощности, то есть не допускают форсажа. Это обстоятельство требует установки на автомобиль с топливными элементами аккумуляторных батарей для работы в пиковых режимах.

Возникает вопрос — не проще ли использовать транспортные средства с электрическими накопителями энергии?

Другим основным направлением использования водорода является сжигание с целью получения тепловой энергии в быту, в коммунальных системах отопления, в технологических процессах производства с использованием тепловой энергии. В данном случае проблемы состоят не в использовании, а в транспортировке, о чем было сказано выше.

Кроме того, при сжигании водорода, в связи с более высокими температурами горения по сравнению с природным газом, образуются оксиды азота (NОX) в большем количестве, чем при сжигании природного газа, жидкого или твердого топлива. Оксиды азота относятся к парниковым газам, выбросы которых ограничиваются.

Использование водорода в автомобилях с двигателями внутреннего сгорания не перспективно в связи с тем, что эра двигателей внутреннего сгорания заканчивается. В некоторых европейских странах уже принято решение о прекращении через определенное время производства автомобилей с двигателями внутреннего сгорания.

И напоследок

Использование водородных технологий на основе применения «зеленого» водорода в Украине в искусственно созданных условиях экономически невыгодно и может быть чревато экономическими и политическими последствиями (как случилось с ВИЭ) в связи с тем, что, во-первых, стоимость «зеленого» водорода слишком высока. Продукция, произведенная с использованием «зеленого» водорода, поставит экономику Украины в разряд неконкурентных. Ключ к коммерческой реализации водородной энергетики определяется стоимостью электроэнергии для производства «зеленого» водорода. Стоимость электроэнергии ВИЭ в Украине до 2030 г. не позволяет что-либо предпринимать в коммерческом внедрении водородных технологий. Именно в связи с высокой стоимостью водорода известный мировой авторитет в области инноваций и инвестиций Илон Маск относительно водородных технологий неоднократно высказывался отрицательно, говоря, что это «тупиковая», «умопомрачительная» идея..

Во-вторых, снижение калорийности газовой смеси в связи с подмешиванием водорода потребует увеличения расходов и возможно модернизации устройств генерации тепловой энергии, пропускной способности устройств транспортировки.

В-третьих, повышенная текучесть водорода потребует замены запорной и предохранительной арматуры на системах газоснабжения.

В-четвертых, снижение плотности газовой смеси в связи с подмешиванием водорода потребует замены или модернизации счетчиков у промышленных и бытовых потребителей..

В-пятых, более широкий интервал взрывоопасности водорода по сравнению с природным газом потребует принятия дополнительных мер по взрывобезопасности, включая оснащение приборами контроля утечек, а также модернизации систем вентиляции.

В-шестых, основным источником выбросов парниковых газов в Украине не является энергетика. В настоящее время более половины электроэнергии вырабатывается на установках без выбросов парниковых газов (АЭС, ГЭС, ВЭС, СЭС). Выбросы СО2 при тепловой генерации в 55 млрд кВтч в год не превышают 50 млн т, в то время как общий объем выбросов СО2 в Украине оценивается в 170 млн т в год.

В-седьмых, придется решать с РФ конфликтную проблему изменения свойств перекачиваемой среды в ГТС.

Итого резюмируем, что вышеизложенные задачи относят водородную энергетику в разряд высоких и ответственных технологий. Для их решения потребуется разработка и применение отраслевых стандартов, нормативных актов, регламентирующих эту деятельность. Последствия некорректных решений для экономики, бюджета и населения Украины могут стать разорительнее в разы по сравнению с ситуацией в результате принятых законов по «зеленым» тарифам.

Об авторе

Георгий ГАВРИЛЕНКО, энергетик

Родился: 2 июня 1940 г. в Одессе.

Образование: Одесский технологический институт им. М.В. Ломоносова, 1964-1969 гг. Теплофизический факультет. Инженер-теплоэнергетик, специальность — атомные энергетические установки

Опыт работы: 1973-1974 гг. «Атомэнергоэкспорт», работа на АЭС «Норд» в ГДР. Специалист по обращению с жидкими радиоактивными отходами. Оказание технической поддержки специалистам заказчика на этапе ввода и эксплуатации блока №1; 1976-1980 гг. — «Атомэнергоэкспорт», работа на АЭС «Ловииза» в Финляндии. Руководитель пусконаладочной бригады по наладке систем и оборудования ядерного острова. Ввод в эксплуатацию блоков №№1,2 АЭС «Ловииза» в Финляндии; 1980-1982 гг. — Нововоронежская АЭС, дежурный мастер реакторного цеха. Старший инженер-оператор, начальник смены блока, начальник смены АЭС, участие в пусках блоков №№3,4,5; 1982-2003 гг. — Запорожская АЭС. Начальник производственно-технического отдела, главный инженер пусконаладочного подразделения по вводу в эксплуатацию блоков №№1-6, пуск 6-ти блоков ЗАЭС. Начальник лаборатории надежности; 2003-2008 гг. — «Атомтехэнерго». Руководитель пусконаладочной организации (SUT — start-up team) на площадке АЭС «Тяньвань» в Китае. Руководство работами по вводу блоков №№1, 2 в эксплуатацию, организация разработки предложений по устранению выявленных несоответствий; 2008-2014 гг. ЗАО «Атомстройэкспорт». Главный инженер Управления строительства на площадке АЭС «Кудамкулам» в Индии. Оказание технической помощи заказчику в сооружении и вводе в эксплуатации блоков №№1,2; с 2014 г. — пенсионер.

Посилання на оригінальну публікацію: e-b.com.ua/vodorodnye-perspektivy-409

 

Способы получения водорода – Статьи – Aйр Техник в Москве

Водород широко используют в самых различных отраслях промышленности: в синтезе хлорводорода, аммиака (аммиак далее используется для производства азотных удобрений), в анилинокрасочном производстве, при восстановлении из руд цветных металлов. В пищевой промышленности его применяют для получения заменителей животных жиров (маргаринов). В связи с вышеперечисленным актуальным вопросом является получение водорода в промышленных условиях.

19.04.2017

Практически ни один технологический процесс в области производства и последующего использования водорода не обходится без использования компрессорного или насосного оборудования. Дожимные компрессоры входят как в состав воздухоразделительных установок криогенного типа, так и в мембранные и адсорбционные установки для получения водорода. Производство, разделение, перекачивание, наполнение – это оборудование необходимо на всех стадиях работы с водородом.


В 2013 г. объем производства водорода в России приблизился к 4,5 млн тонн (свыше 53 млрд м 3 ), или 8% от общемирового объема. Водород не является товарным продуктом: после производства большая часть водорода используется на месте производства.

В промышленных масштабах водород получают и выделяют различными способами, которые можно разделить на химические, электрохимические, физические.

Химические методы

Основной объем водорода получают на химических и нефтехимических предприятиях посредством каталитической конверсии природного газа и метана.

В этом случае крупнейшими рынками являются обогащение природного топлива, например, крекинг в водородной среде и производство аммиака, преимущественно для рынка удобрений. Конверсионные установки входят в состав комплексов по производству аммиака и метанола.

Получение водорода из природного газа

Основа – конверсия метана (основной компонент природного газа, СН4) с водяным паром. В итоге получается обратимая смесь, которая называется синтез-газом. Условия протекания процесса: никелевый катализатор и 1000°С

Процесс проходит поэтапно: на первой стадии применяется паровой риформинг метана горячим паром.

Затем происходит конверсия оксида углерода:

СH 4 + H 2 O→CO + 3H 2

Пропускание паров поды над раскаленным коксом (Т = 1000 °С):

H2O + C = H2 ↑+ CO,

Реакция обратима!

Смесь (Н2, СО и Н2О) называется водяным газом.

А на 2-ой стадии водяной газ пропускают над оксидом железа (III) при температуре около 450°С:

СО + Н2О = СО2 + Н2↑,

Часто эту реакцию называют реакцией сдвига.

Глубокое охлаждение коксового газа

При процессе коксования каменного угля получают три фракции: твердую – кокс, жидкую – каменноугольную смолу — и газообразную, содержащую, помимо углеводородов, молекулярный водород (около 60%).

Эту фракцию подвергают сверхглубокому охлаждению после того, как обработают специальным веществом, что дает возможность отделить от примесей водород.

Электрохимические методы

Также можно получить водород из воды путем электролиза, но эта операция в промышленных масштабах более дорогостояща по сравнению с производством водорода из природного газа.

Компактные электролизеры применяются на предприятиях пищевой и стекольной промышленности, металлургии, ТЭЦ, АЭС и других объектах.

2 О →O 2 + 2H 2

Суммарный объем производства электролизного водорода в России не превышает 10%.

Физические методы

Физические методы – извлечение водорода из смеси газов — применяются на НПЗ и некоторых химических комбинатах. В зависимости от требований к чистоте и объему извлекаемого водорода, на практике применяют один из трех методов газоразделения:

— Короткоцикловая адсорбция.

— Мембранные технологии.

— Криогенная очистка.

Доля водорода, получаемого физическими методами на российских предприятиях, оценивается в 5-6%.

Получение водорода электролизом воды | Публикации

Получение чистого водорода путем электролиза воды — самая очевидная и эффективная технология, и один из наиболее перспективных способов получения альтернативного топлива. Водород добывают из любого водного раствора, а при сгорании он превращается обратно в воду.

По сравнению с прочими методами получения водорода, электролиз воды отличается целым рядом преимуществ. Во-первых, в ход идет доступное сырье — деминерализованная вода и электроэнергия. Во-вторых, во время производства отсутствуют загрязняющие выбросы. В-третьих, процесс целиком автоматизирован. Наконец, на выходе получается достаточно чистый (99,99%) продукт. Из всех методов электролиза наиболее перспективным считают высокотемпературный электролиз (себестоимость водорода от 2,35 до 4,8 $/кг). Его следует иметь на технологическом вооружении, поскольку при определенных экономических условиях он может быть использован в крупнопромышленном масштабе.

Электролизом воды называется физико-химический процесс, при котором под действием постоянного электрического тока дистиллированная вода разлагается на кислород и водород. В результате разделения на части молекул воды, водорода по объему получается вдвое больше, чем кислорода. Эффективность электролиза такова, что из 500 мл воды получается около кубометра обоих газов с затратами около 4 квт/ч электрической энергии.

Технологический ток для протекания процесса электролиза воды для получения водорода и кислорода получается, как правило, при помощи промышленного выпрямителя с необходимыми рабочими параметрами, Обычно это напряжение до 90В и силой тока до 1500 А. Подходящим агрегатом является Пульсар СМАРТ.

На электронном дисплее выпрямителя Пульсар СМАРТ или в специальном ПО для компьютера можно контролировать все стадии процесса производства, что позволяет оператору следить за параметрами, и круглосуточно журналировать протекание технологического процесса. Полностью автоматическая работа, включающая непрерывный мониторинг всех параметров для безаварийного функционирования без надзора оператора. Все параметры, касающиеся напряжения и силы тока постоянно измеряются и контролируются микропроцессором выпрямителя. Более того, все контролируемые параметры фиксируются устройством, которое в случае сбоя или отклонения может автоматически остановить процесс и сигнализирует об этом при помощи световой колонны.

Выпрямители тока серии Пульсар СМАРТ разработаны в соответствии с самыми высокими требованиями промышленной эффективности и международными стандартами. При этом технологическое программное обеспечение допускает гибкую адаптацию к требованиям Заказчика, и постоянно совершенствуется.

Применение водорода как топлива и накопителя энергии

Мировая энергетика в последнее время вышла на принципиально новый уровень социально-экономического развития, когда важным становится вопрос не «чем топить?», а «как топить?». Промышленность предлагает много самых разных вариантов энергоресурсов от угля до энергии приливов и отливов. При этом свой выбор человечество делает уже не в пользу самых дешевых и доступных источников, как это было еще лет тридцать назад, а в пользу наиболее экологически чистых и энергоэффективных. Ведущие мировые игроки, такие как Евросоюз, Япония, США, Китай, Россия сейчас активно создают условия для инвестиций в разработку новых энергетических технологий. Одним из наиболее перспективных вариантов может стать повсеместное широкое применение водорода как топлива и накопителя энергии.

Первый элемент 

Водород, первый элемент таблицы Менделеева, кажется, был специально порожден создателем, чтобы стать идеальным топливом. Он самый распространенный элемент во всей Вселенной. Его теплота сгорания достигает 120 МДж/кг. А у метана (следующего энергоресурса по данному показателю) она втрое меньше – 56 МДж/кг. При использовании водорода образуется чистая вода без вредных выбросов в атмосферу, что полностью соответствует мировой экологической повестке. Этот газ давно используется в нефтеперерабатывающей и химической промышленности, поэтому опыт работы с ним человечество уже накопило. Согласно данным МЭА, всего в мире производится примерно 69 млн тонн водорода в год, а также 48 млн тонн ежегодно получается в качестве подобного продукта. Из них 63% используется в химической промышленности, 31% – в нефтепереработке, 6% – в обработке и менее 1% – в качестве топлива для автомобилей, грузовиков и ракет. Именно космическая отрасль первая оценила возможности водорода в качестве топлива. В 80-ые годы жидкий водород активно использовался как ракетное топливо для Space Shuttle и «Бурана». Мало того, в СССР был даже создан первый самолет на базе ТУ-154 с двигателем на водородном топливе. 

Но только в последнее десятилетие на фоне активного внедрения промышленно-развитыми странами экологических программ по снижению выбросов CO2 в атмосферу и подписания Парижского соглашения по климату водород стали рассматривать как реальную альтернативу углеводородному топливу. Все больше государств приходит к выводу о необходимости постепенного перевода энергетики на метано-водородную основу. 

Как отметил Нобелевский лауреат премии мира, председатель Международного комитета премии «Глобальная энергия» Рае Квон Чунг, «водород является оптимальным решением для декарбонизации мировой экономики и достижения цели нулевых выбросов к 2050 году». 

«Многие страны, включая США, Германию, Японию и даже Корею, активно занимаются водородной экономикой и уже производят водородные автомобили. Переход от метано-водородного топлива к водороду станет практическим подходом, который может стимулировать развертывание водородной инфраструктуры. Инновации для массового производства водорода по конкурентоспособной цене будут иметь решающее значение для перехода к водородной экономике. Опробование и оптимизация различных технологий, включая пиролиз метана и плазмохимические методы получения водорода из природного газа, станут важным шагом в продвижении к глубокой декарбонизации для достижения цели, поставленной в Парижском климатическом соглашении», – заявил Рае Квон Чунг «Глобальной энергии».

Водородный мир

Наиболее активно внедряет водородные технологии Япония, сильно зависимая от импорта углеводородов. В стране еще в 2014 году была принята дорожная карта по построению «общества, базирующегося на водороде». Согласно программе, использование водорода должно вырасти с 200 тонн в 2018 году до 10 млн тонн в 2050 году. Уже сейчас японский автопарк насчитывает около 2,5 тысяч машин с водородным двигателем. Одновременно активно прорабатываются планы по закупкам Японией водорода из Австралии. Правда, этот газ будет получен за счет нефтепереработки. 

Китай летом 2019 году выпустил «Белую книгу» о китайской водородной энергетике и топливных элементах, согласно которой к 2050 г. водород будет составлять 10 % от энергопотребления страны, или 60 млн тонн в год. Уже к 2030 году автопарк КНР должен вырасти до 2 млн машин на водородных топливных элементах.

Шанхай собирается построить в районе Цзядин «Водородную энергетическую гавань» мирового класса с целью создания надежной производственной цепочки для водородного транспорта. На базе водородной энергетической гавани сформируется промышленный кластер площадью 2,15 кв. км и с объемом выручки 7,23 млрд долларов в год.

В Европе в 2017 году была запущена Объединенная технологическая инициатива по топливным элементам и водороду (Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking). Она призывает к активному использованию водорода в рамках «энергетического перехода» и инвестированию в водородные проекты на общую сумму 1,8 млрд евро в ближайшие пять лет. Две провинции Нидерландов, Гронинген и Дренте,  планируют совместно создать на своих территориях «Водородную долину» – проект, основанный на использовании водорода, получаемого из воды с помощью возобновляемых источников энергии. Он включает 33 конкретных проекта, среди которых – строительство подземного водородного хранилища в соляных пещерах в Зюйдвендинге, создание сети водородных заправочных станций, добавление водорода и синтез-газа в существующие газопроводы. В проекте будут участвовать Shell, Nuon, Engie, BioMCN (производитель биометанола), Gasunie и другие компании. 

В Великобритании начинается пилотный проект, в рамках которого водород будет добавляться в трубопроводный газ, используемый для отопления. Сначала этот эксперимент затронет 130 домов. В случае успеха он будет расширен. 

На другом конце света – в Чили  – в 2017 году компания Enel Green Power запустила первую в мире стопроцентно чистую коммерческую микросеть электроэнергии на водороде. Работу сети обеспечивает комплекс гибридных накопителей, состоящих из солнечной электростанции, а также системы водородных и литиевых батарей.

Серый, голубой, зеленый

Несмотря на обширную географию и разношерстность данных проектов, все они упираются необходимость промышленного производства водорода, поскольку в чистом виде в природе этот газ не встречается. Большинство этих проектов являются энергозатратными и далеко не все из них позволяют избежать «углеродного следа», что приводит к сохранению большого объема выбросов в атмосферу.

Самым популярным на текущий момент является метод производства водорода за счет паровой конверсии метана. При этом метан может быть выделен из природного газа или синтезирован из угля. Этот процесс относится к одному из самых дешевых по себестоимости получаемого водорода – примерно 1-2 доллара за килограмм газа. Однако он приводит к выбросам углекислого  газа в атмосферу. Эмиссия CO2 при паровой конверсии метана достигает 10 кг на один килограмм водорода. Поэтому этот способ производства водорода часто в литературе именуют «серым».

В последнее время эту технологию пытаются усовершенствовать за счет строительства установок по улавливанию и хранению углекислого газа, что превращает проекты из «серых» в «голубые». Однако это приводит к увеличению капитальных затрат по ним до 80% и росту примерно в полтора раза стоимости получаемого водорода. На текущий момент в мире реализуется три проекта с интеграцией установок по улавливанию углекислого газа в проекты по производству водорода – это Port Arthur в США, Quest в Канаде и Tomakomai в Японии. Кроме того, в Австралии был подготовлен проект японской компании Kawasaki по производству водорода из синтетического газа, который в свою очередь получается в процессе газификации бурого угля. Водород будет на специальных танкерах доставляться в Японию.  Образовавшийся CO2 будет улавливаться и закачиваться в пласт. Невысокая цена австралийского угля и простота его добычи позволяет сделать данный проект рентабельным.

Существует еще один способ получения водорода путем электролиза воды. Данная технология позволяет получать водород с минимальным углеродным следом, однако она требует и больших энергетических затрат. Этот способ производства водорода часто совмещают с проектами на возобновляемых источниках энергии, такой водород  называют «зеленым». По данным МЭА, в течение последних 10 лет в среднем в мире вводили в эксплуатацию около 10 МВт электролизеров ежегодно. В 2018 году введено уже 20 МВт, а до конца 2020 года ожидается ввод еще 100 МВт.

Но у этого метода есть несколько существенных недостатков. Во-первых, выделяемый таким образом водород является очень дорогим. Он более чем в три раза дороже водорода, произведенного путем конверсии метана. Кроме того, метод электролиза водорода требует больших затрат воды. Так, расширение применения этой технологии, по данным МЭА, может потребовать до 617 млн кубометров чистой воды в год. Такие объемы могут позволить себе далеко не все регионы мира.

Кроме того, существует вариант использования водорода в смеси с метаном. Это позволяет снизить выбросы парниковых газов на 8-15 % по сравнению с использованием чистого метана. Подобный подход уже применяется в ряде европейских стран.

«Введение водорода в метан повышает скорость и температуру горения метано-водородной смеси. Это приводит к повышению КПД энергоустановок и двигателей внутреннего сгорания. В результате уменьшается как выброс в атмосферу канцерогенов, так и выброс парниковых газов (CO2)», – пояснил «Глобальной энергии» главный научный сотрудник Объединенного института высоких температур РАН Николай Баранов.

Исследования, проведенные европейскими производителями оборудования, показывают, что некоторые виды современных промышленных газовых турбин уже способны сжигать топливную смесь, содержащую до 50 – 60 % водорода. Правда, в Европе до сих пор нет единых нормативов, регулирующих предельные уровни водорода в газотранспортных системах, что затрудняет массовое применение такого подхода.

Поэтому весь научный мир продолжает искать способы удешевления производства водорода наравне с возможностями широкомасштабного использования подобных технологий.

Российский след против углеродного

Российский газовый концерн «Газпром» предложил миру свое видение развития производства водорода, который имеет ряд значительных преимуществ. Он основан на применении пиролиза и плазмохимического метода, что позволяет разлагать метан на водород и твердый углерод. Последний является ценным материалом для промышленного и строительного секторов, электротехники и электроники. В отличие от газообразной двуокиси углерода твердый углерод легко хранится, он нетоксичен. Выделение твердого углерода в рамках производства водорода позволит не только снизить вредные выбросы, но и получать дополнительный доход.  

Пиролиз метана и плазмохимические методы получения водорода из природного газа не имеют прямых выбросов СО2. Эти методы предполагают использование  метана, но с учетом, что углеродный след поставок российского газа минимален, то предложенный способ производства водорода смело можно называть «зеленым».  Тем более, что он предполагает более низкие затраты на энергию по сравнению с электролизом воды.

По словам руководителя «Центра водородных энергетических технологий» Литовского энергетического института Дарюса Мильчуса, у производства водорода с помощью пиролиза есть еще одно значимое преимущество – получаемый газ по цене сопоставим с водородом, производимым при паровой конверсии.  

«Производство водорода без выбросов СО2 из метана могло бы стать ценным решением для достижения климатических целей ЕС на 2030 и 2050 годы при более низких затратах, поскольку себестоимость производства водорода с использованием технологий пиролиза может быть аналогична цене водорода, получаемого в результате парового риформинга в сочетании с секвестрацией СО2. Оно также может быть почти в 3 раза выгоднее по сравнению с технологиями электролиза воды», – сказал он «Глобальной энергии». 

«Кроме того, в качестве побочного продукта реакции можно было бы производить высококачественный и дорогостоящий технический углерод для применения в различных областях (резиновая промышленность, пластмассы, строительство жилья и т.д.). Это, очевидно, даст новые возможности на рынке. Наконец, производство водорода без выбросов СО2 из метана поможет сохранить рабочие места в нефтегазовой промышленности, одновременно создавая новые рабочие места, связанные с производством водорода на месте по мере необходимости», – добавил Мильчус.

«Масштабное внедрение этой технологии позволит производить «зеленый» водород в больших количествах, следовательно, себестоимость водорода за литр или килограмм будет снижена и станет конкурентоспособной по сравнению с водородом, получаемым через паровой риформинг метана. Водород можно дополнительно смешивать с природным газом, образуя так называемый Hythane, эта газовая смесь обладает улучшенными энергетическими характеристиками по сравнению с чистым природным газом», – заявил «Глобальной энергии» адъюнкт-директор программы “Новые технологии для энергетики” Комиссии по альтернативным источникам энергии и атомной энергии Франции Этьен Бойер.

«Если такие процессы, продвигаемые “Газпромом”, позволят достичь высокой чистоты, то он сможет открыть новые рынки сбыта. В качестве примера в области мобильности можно привести развертывание крупной системы водородных топливных элементов, способных приводить в движение поезда в неэлектрифицированном районе (вместо использования дизельных тепловозов). Равно как и грузовые корабли, которые в настоящее время используют низкокачественное топливо для своих тепловых двигателей», – добавил Бойер.

Впрочем, отмечают эксперты, как всякий новый метод, технология пиролиза при производстве водорода требует некоторых технических доработок. По словам Мильчуса, необходимо провести дополнительные исследования по поиску нового высокоэффективного катализатора для одноступенчатых реакций разложения метана.

Бойер отмечает, что данный метод требует оптимизации затрат на энергоресурсы и изучение возможностей по привлечению к его реализации атомных электростанций или возобновляемых источников энергии. «Пиролиз или плазмохимический процесс являются энергоемкими, так как они протекают при высокой или очень высокой температуре (т.е. плазме). Кроме того, технология плазменной химии имеет довольно низкий коэффициент преобразования. Таким образом, важным и ключевым условием является наличие низкоуглеродного источника энергии для работы пиролиза и плазменной технологии: атомная энергия или возобновляемые источники энергии», – сказал он.

Эти задачи могут быть решены за счет внедрения комплексных водородных проектов, начиная от развитой системы газопроводов и строительства электростанций до расширения применения водорода в мировой экономике. 

Как отметил декан инженерного факультета Имперского колледжа Лондона Найджел Брэндон, «водородное топливо может сыграть важную роль в переходе к системе с нулевым выбросом углекислого газа наряду с низкоуглеродной электроэнергией, особенно для секторов с высокими выбросами, таких как промышленность, химическая промышленность и транспортные перевозки на больших расстояниях». Так что масштабное внедрение водородных технологий вряд ли заставит себя ждать.

Ученые Политеха создают новые технологии получения водорода

13 Мая 2021

Генерация проходит на основе пиролиза природного газа в расплавах металлов

Специалисты кафедры «Газопереработка, водородные и специальные технологии» (ГВСТ) и научно-исследовательского центра «Фундаментальные проблемы теплофизики и механики» (НИЦ ФПТиМ) провели теоретические и экспериментальные исследования гидродинамики, теплообмена и диффузии при пиролизе метана (природный газ) в слое расплавленного олова.

При нагревании метана до высоких температур (более 1000 °C) происходит его разложение (пиролиз) на водород и наночастицы углерода, обладающие уникальными физико-химическими свойствами. Среди существующих способов разложения метана наиболее энергоэффективным является его нагрев путем пропускания через слой расплавленного металла, осуществляемого в реакторах. Данный способ экологичен, так как не производит выбросов в атмосферу углекислого газа.

– Реакторы представляют вертикально-цилиндрические конструкции, заполненные расплавленным металлом, в нижней части которых находится сопло для подачи метана, – поясняет директор НИЦ ФПТиМ Игорь Кудинов. – При проектировании реактора необходимо обратить особое внимание на его высоту и объём, чтобы метан, проходя через слой расплавленного металла, нагревался до температуры пиролиза и полностью разлагался. При этом следует определять концентрацию и скорость движения метана, а также температуру и давление смеси метана с оловом по всей высоте реактора. То есть необходимо решать задачу взаимосвязанного тепломассопереноса.

Кроме этого, сотрудники кафедры «ГВСТ» выполнили экспериментальное исследование пиролиза метана через слой расплавленного олова на специально изготовленном экспериментальном стенде.

– Во время проведения эксперимента на поверхности олова образовывалось большое количество сажи, которую невозможно было удалить из тигеля реактора вместе с отводимым из установки газом, — отмечает завкафедрой «ГВСТ» Андрей Пименов. – Мы разработали специальное устройство, которое позволит контролировать уровень расплавленного металла в реакторе и будет непрерывно удалять твердые углеродные частицы.

Научно-исследовательская работа выполнялась в рамках гранта «Разработка научных основ технологии и конструирования оборудования генерации водорода для производства метано-водородной смеси и нужд водородной энергетики» Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям научно-технического комплекса России на 2014 – 2020 гг.».

Методы производства водорода в масштабе

Низкоуглеродистый водород может сыграть значительную роль в борьбе с изменением климата и плохим качеством воздуха. В этом политическом брифинге рассматривается, как можно производить водород в полезных масштабах для питания транспортных средств, отопления домов и обеспечения промышленных процессов.

Рассмотрены четыре группы технологий производства водорода:

  1. Термохимические пути получения водорода
    В этих методах обычно используется тепло и ископаемое топливо.Паровая конверсия метана является доминирующей коммерческой технологией и в настоящее время производит водород в больших масштабах, но в настоящее время не является низкоуглеродным. Поэтому улавливание углерода имеет важное значение в этом процессе. Разработки инновационных технологий также могут помочь, и в настоящее время ведутся исследования. Альтернативные термические методы создания водорода указывают на потенциал газификации биомассы. Другие методы на низком уровне технологической готовности включают отделение водорода от углеводородов с помощью микроволн.
  2. Электролитические пути получения водорода
    Электролитическое производство водорода, также известное как электролиз, расщепляет воду на водород и кислород с использованием электричества в электролизной ячейке.Электролиз производит чистый водород, который идеально подходит для низкотемпературных топливных элементов, например, в электромобилях. Коммерческие электролизеры присутствуют на рынке и используются уже много лет. Дальнейшие технологические разработки позволят электролизерам нового поколения быть коммерчески конкурентоспособными при масштабном использовании с постоянно меняющимися возобновляемыми источниками энергии.
  3. Биологические пути к водороду
    Биологические пути обычно включают преобразование биомассы в водород и другие ценные конечные продукты с использованием микробных процессов.Такие методы, как анаэробное сбраживание, теперь доступны в лабораторных и небольших экспериментальных масштабах. Эта технология может иметь дополнительное или большее влияние и ценность как способ производства ценных химикатов в рамках концепции биопереработки.
  4. От солнечной энергии к топливу Пути к водороду
    Сообщалось о ряде экспериментальных методов, наиболее развитой из которых является «солнечная энергия для топлива» — набор технологий, которые обычно разделяют воду на водород и кислород с использованием солнечной энергии.Эти методы имеют много общего с процессом фотосинтеза и часто называются процессами «искусственного фотосинтеза». Исследование многообещающее, хотя мнения о его максимальной полезности разделились. Конкуренция за космос всегда будет ограничивать использование солнечной энергии только топливом.

В брифинге делается вывод, что паровой риформинг метана и электролиз являются наиболее вероятными технологиями, которые будут использоваться для производства низкоуглеродного водорода в больших объемах в ближайшей или среднесрочной перспективе, при условии, что проблемы высоких уровней улавливания углерода (для парового риформинга метана ) и снижение затрат и возобновляемые источники энергии (для электролиза) могут быть преодолены.

Новый метод производства водорода показывает энергоэффективный путь к производству топлива

Индийские исследователи разработали инновационный способ производства водорода, который увеличивает его производство в три раза и снижает потребность в энергии, что может проложить путь к экологически чистому водороду топливо по более низкой цене, сообщило DST в среду. В качестве топлива водород играет решающую роль в изменении парадигмы в сторону зеленой и устойчивой экономики.Помимо того, что теплотворная способность почти в три раза выше по сравнению с невозобновляемыми источниками энергии, такими как уголь и бензин, при сжигании водорода для высвобождения энергии образуется вода и, таким образом, полностью не загрязняет окружающую среду.

Из-за чрезвычайно низкого содержания молекулярного водорода в земной атмосфере, пробой воды под действием электрического поля является привлекательным путем для производства водорода.

Однако такой электролиз требует больших затрат энергии и связан с низкой скоростью производства водорода.Использование дорогих катализаторов на основе платины и иридия также препятствует их широкой коммерциализации.


Таким образом, переход к «зеленой водородной экономике» требует подходов, которые снижают затраты на энергию и материалы и одновременно повышают скорость производства водорода, говорится в заявлении.

Группа исследователей из Индийского технологического института в Бомбее во главе с С. Субраманиамом разработала инновационный способ решения всех этих проблем.

Он включает электролиз воды в присутствии внешнего магнитного поля. В этом методе та же система, которая производит один миллилитр газообразного водорода, требует на 19 процентов меньше энергии для производства трех миллилитров водорода за то же время. Это достигается за счет синергетического связывания электрического и магнитного полей в каталитическом центре.

Простой подход также дает возможность модифицировать любой существующий электролизер (который использует электричество для разложения воды на водород и кислород) внешними магнитами без радикального изменения конструкции, что приводит к повышению энергоэффективности производства водорода.

Эта экспериментальная демонстрация производства водорода была опубликована в журнале ACS Sustainable Chemistry and Engineering, говорится в заявлении.

Электрокаталитический материал — нанокубцы из оксида кобальта, которые диспергированы по наноструктурированным углеродным соцветиям на основе твердого углерода — имеет первостепенное значение для достижения этого эффекта и был разработан при поддержке программы Министерства науки и технологий по материалам для хранения энергии. в отделе технологической миссии.Он был использован для магнито-электрокатализа благодаря гранту DST-SERB.

Граница раздела между углеродом и оксидом кобальта является ключом к магнито-электрокатализу.

Это выгодно, так как образует систему, которая не требует постоянного присутствия внешнего магнитного поля и способна поддерживать намагничивание в течение длительных периодов времени; Величина достигнутых улучшений (увеличение плотности тока на 650 процентов, снижение потребляемой энергии на 19 процентов и трехкратное увеличение объемной скорости производства водорода) не имеет себе равных, необходимое прерывистое магнитное поле аналогично тому, что может обеспечить магнит на холодильник. .

Этот способ можно использовать непосредственно в существующих электролизерах без каких-либо изменений в конструкции или режиме работы, и однократного воздействия магнитного поля в течение 10 минут достаточно для достижения высокой скорости производства водорода в течение 45 минут.

«Прерывистое использование внешнего магнитного поля обеспечивает новое направление для достижения энергоэффективного производства водорода. Для этой цели также могут быть исследованы другие катализаторы», — сказал Субраманиам.

«Базовая ячейка электролизера 0.Пропускная способность 5 нм3 / ч (нормальный кубический объем материала в час) может быть немедленно повышена до производительности 1,5 нм3 / ч путем замены катализаторов и подачи магнитного поля », — добавили Джейита Саха и Ранадеб Болл, студенты, получившие финансовую поддержку от DST.

«Учитывая важность водородной экономики, мы стремимся реализовать проект в рабочем режиме и реализовать собственный магнито-электролитический генератор водорода», — сказал Субраманиам.

Новый метод производства водорода показывает энергоэффективный способ производства топлива

Индийские исследователи разработали инновационный способ производства водорода, который увеличивает его производство в три раза и снижает потребность в энергии, что может проложить путь к экологически безопасному водородному топливу. по более низкой цене, сообщило DST в среду.В качестве топлива водород играет решающую роль в изменении парадигмы в сторону зеленой и устойчивой экономики. Помимо того, что теплотворная способность почти в три раза выше по сравнению с невозобновляемыми источниками энергии, такими как уголь и бензин, при сжигании водорода для высвобождения энергии образуется вода и, таким образом, полностью не загрязняет окружающую среду.

Из-за чрезвычайно низкого содержания молекулярного водорода в земной атмосфере, пробой воды под действием электрического поля является привлекательным путем для производства водорода.

Однако такой электролиз требует больших затрат энергии и связан с низкой скоростью производства водорода. Использование дорогих катализаторов на основе платины и иридия также препятствует их широкой коммерциализации.


Таким образом, переход к «зеленой водородной экономике» требует подходов, которые снижают затраты на энергию и материалы и одновременно повышают скорость производства водорода, говорится в заявлении.

Группа исследователей из Индийского технологического института в Бомбее во главе с С. Субраманиамом разработала инновационный способ решения всех этих проблем.

Он включает электролиз воды в присутствии внешнего магнитного поля. В этом методе та же система, которая производит один миллилитр газообразного водорода, требует на 19 процентов меньше энергии для производства трех миллилитров водорода за то же время. Это достигается за счет синергетического связывания электрического и магнитного полей в каталитическом центре.

Простой подход также дает возможность модифицировать любой существующий электролизер (который использует электричество для разложения воды на водород и кислород) внешними магнитами без радикального изменения конструкции, что приводит к повышению энергоэффективности производства водорода.

Эта экспериментальная демонстрация производства водорода была опубликована в журнале ACS Sustainable Chemistry and Engineering, говорится в заявлении.

Электрокаталитический материал — нанокубцы из оксида кобальта, которые диспергированы по наноструктурированным углеродным соцветиям на основе твердого углерода — имеет первостепенное значение для достижения этого эффекта и был разработан при поддержке программы Министерства науки и технологий по материалам для хранения энергии. в отделе технологической миссии.Он был использован для магнито-электрокатализа благодаря гранту DST-SERB.

Граница раздела между углеродом и оксидом кобальта является ключом к магнито-электрокатализу.

Это выгодно, так как образует систему, которая не требует постоянного присутствия внешнего магнитного поля и способна поддерживать намагничивание в течение длительных периодов времени; Величина достигнутых улучшений (увеличение плотности тока на 650 процентов, снижение потребляемой энергии на 19 процентов и трехкратное увеличение объемной скорости производства водорода) не имеет себе равных, необходимое прерывистое магнитное поле аналогично тому, что может обеспечить магнит на холодильник. .

Этот способ можно использовать непосредственно в существующих электролизерах без каких-либо изменений в конструкции или режиме работы, и однократного воздействия магнитного поля в течение 10 минут достаточно для достижения высокой скорости производства водорода в течение 45 минут.

«Прерывистое использование внешнего магнитного поля обеспечивает новое направление для достижения энергоэффективного производства водорода. Для этой цели также могут быть исследованы другие катализаторы», — сказал Субраманиам.

«Базовая ячейка электролизера 0.Пропускная способность 5 нм3 / ч (нормальный кубический объем материала в час) может быть немедленно повышена до производительности 1,5 нм3 / ч путем замены катализаторов и подачи магнитного поля », — добавили Джейита Саха и Ранадеб Болл, студенты, получившие финансовую поддержку от DST.

«Учитывая важность водородной экономики, мы стремимся реализовать проект в рабочем режиме и реализовать собственный магнито-электролитический генератор водорода», — сказал Субраманиам.

Производство промышленного водорода из возобновляемых источников энергии — Анализ

Однако цена — не единственное соображение.Чтобы быть конкурентоспособными, электролизеры должны иметь относительно высокие коэффициенты использования, то есть они должны работать несколько тысяч часов в год.

Но при правильных условиях производство промышленного водорода таким способом может иметь серьезные последствия для устойчивости одной отрасли, в частности — сельского хозяйства. Около половины промышленного водорода используется в производстве аммиака. Только на производство аммиака ежегодно приходится около 360 миллионов тонн выбросов CO2, или около 1% от общих выбросов в мире.К 2050 году мы ожидаем, что потребление аммиака увеличится примерно на 60%.

Места, которые соответствуют этим двум условиям — низким ценам и высокому коэффициенту использования — можно найти в солнечных, ветреных регионах с правильным сочетанием солнечных электростанций и ветряных электростанций. Предварительный анализ, основанный на обширных геопространственных данных о ветре и солнце, выявил ряд крупных областей с этой комбинацией.

Некоторые районы с лучшими ресурсами, в Китае и США, далеки от центров спроса на удобрения, но электричество и аммиак можно транспортировать.Другие места, такие как Западная Австралия, Западная Сахара, Африканский Рог или Патагония, также могут быть очень далеки от спроса, но они предлагают большие малонаселенные районы и имеют доступ к океанам. В этом случае заводы по производству аммиака, вероятно, будут расположены непосредственно рядом с электролизерами.

В недалеком будущем аммиак можно будет использовать сам по себе в качестве безуглеродного топлива или в качестве энергоносителя для удобного хранения и транспортировки энергии. Водород также можно использовать в качестве технологического агента в сталеплавильном производстве без выбросов CO2.

Рынок экологически безопасных технологий производства водорода может расширяться только в мире, стремящемся смягчить последствия изменения климата. SMR с CCS остается экономичным вариантом. Однако, поскольку многие страны рассматривают вопрос о том, как производить синтетический метан или другие углеводороды из возобновляемого водорода — в точности обратное SMR — производство аммиака с водородом на основе возобновляемых источников энергии является самым простым первым шагом.

Побочный продукт водорода — обзор

4.1 Промышленное извлечение водорода

На химическую промышленность приходится почти 10% мирового спроса на энергию и 7% выбросов парниковых газов [14], включая процессы, в которых водород является побочным продуктом.Ряд исследований был направлен на количественное определение количества остаточного промышленного водорода, доступного во всем мире. В рамках проекта ЕС «Roads2HyCom» [15] среди прочих результатов была получена карта, показывающая места производства водорода в Европе, с разбивкой источников водорода на три категории: категория «коммерсант», поставляющая водород другим промышленным потребителям, в то время как категория «зависимая» сохраняется. водород на месте для собственного использования. Только «побочный продукт» водорода больше не используется в процессе или на месте и может быть использован для других приложений, таких как когенерация на основе FC.

В частности, электрохимические процессы, такие как промышленное производство каустической соды и хлора, производят водород как отходы, которые можно транспортировать для внешнего использования или помогать поддерживать внутреннее потребление энергии. Этот побочный продукт обычно достаточно чистый и хорошо подходит для применений FC, а масштабы этих промышленных предприятий обычно очень велики, что приводит к большим объемам водорода. Извлечение водорода из электрохимического процесса зависит от установки: оно достигает около 90% (обычно в качестве сырья для близлежащих производств или сжигается для производства пара) в Европе, в то время как оставшаяся часть сбрасывается, но эта доля заметно снижается в других странах, таких как Китай. .В этой связи возможность использования избыточного водорода для выработки электроэнергии и тепла, потребляемых локально на химическом предприятии, является идеальным кандидатом в высокоэффективной и чистой технологии PEM FC. Внедрение такой технологии могло бы способствовать экономии энергии и глобальному сокращению выбросов для экономики предприятия и экологических целей.

В процессах производства хлора и каустической соды используется электрический ток, пропускаемый через рассол (раствор соли — хлорида натрия, NaCl — в воде).Рассол диссоциирует и рекомбинирует в результате реакций электролиза на газообразный хлор, растворенную каустическую соду и водород. Общая реакция, протекающая в хлорщелочном процессе, следующая:

(18,11) 2NaCl + 2h3O → Cl2 + 2h3 + 2NaOH

Хлор, каустическая сода и водород всегда производятся в фиксированном соотношении, образуя большое количество каустика (1,1 т NaOH / т Cl ) и водорода (28,5 кг / т Cl или 315 Нм 3 / т Cl ).В настоящее время электролиз в основном осуществляется внутри мембранных ячеек (технология, которая заменила прежние ртутные диафрагменные ячейки благодаря превосходной экологической совместимости, поэтому использование ртути не поощряется или прекращается законодательством в нескольких странах), хотя альтернативные технологии также существуют. (включая ODC-кислородный деполяризованный катод или ODC-процесс, который отличается меньшим потреблением электроэнергии по цене более высокой сложности, требует подачи кислорода и не генерирует побочный водород).Пример интеграции системы FC в хлорно-щелочную установку показан на рис. 18,6–18,8.

Рисунок 18.6. Пример 100- и 300-сантиметровых стеков PEM 2 с металлическими биполярными пластинами для автомобильных и мобильных приложений (слева) и стека PEM с воздушным охлаждением мощностью 3,3 кВт для систем бесперебойного питания (ИБП) вне помещений (справа).

Изображение любезно предоставлено ZBT GmbH (тел .: Н. ван дер Шут).

Рисунок 18.7. Пример пакета SOFC с поддерживаемой анодом структурой и несколькими ячейками на слой

Предоставлено SolidPower SpA.

Рисунок 18.8. Интеграция системы топливных элементов в хлорно-щелочную установку для регенерации водорода и когенерации.

В то время как значительное количество хлорщелочных заводов используют собственное производство электроэнергии с помощью обычных ТЭЦ, работающих на природном газе, только несколько проектов касаются использования побочного водорода, образующегося в хлорно-щелочной промышленности, для выработки электроэнергии или ТЭЦ. Некоторые демонстрации проводились на хлорно-щелочных заводах, например, в Делфзейле (Нидерланды), где с 2007 года на заводе AzkoNobel испытывалась электростанция PEM e мощностью 70 кВт, а также в Лилло (Бельгия), где Электростанция PEM e PEM мощностью 1 МВт была построена на площадке Solvay компаниями MTSA и Nedstack (Нидерланды) и эксплуатировалась в период с 2011 по 2015 год.

Более крупная установка мощностью 2 МВт el PEM FC была позже установлена ​​в рамках европейского проекта DEMCOPEM-2MW [16], координируемого Nouryon (Нидерланды), на территории Ynnovate Sanzheng Fine Chemicals Co. Ltd. в Инкоу (Китай). ). Проект продемонстрировал масштабирование технологии PEM FC, интегрированное в репрезентативном масштабе (которое в настоящее время также является крупнейшей в мире установкой PEM) на реальном предприятии по производству хлора. Проект был нацелен на высокую эффективность системы (не менее 50% электрической и до 85% общей, включая доступное тепло) и срок службы, с использованием специальных производственных процессов мембранно-электродной сборки (MEA) в Johnson Matthey (Великобритания) с изготовлением пакетов PEM компании Nedstack Fuel Cell Technology (Нидерланды).Завод, спроектированный и построенный MTSA (Нидерланды), был запущен в 2016 году и наработал более 11000 часов, утилизируя более 870 тонн водорода и вырабатывая электроэнергию и тепло, с окончательным предотвращением выбросов парниковых газов более 15 ктонн CO 2 [5].

Исходя из наличия водорода на более чем 180 хлорных заводах, предполагается, что потенциал такого применения будет выше 1000 МВт. el , установленный в Китае, который в настоящее время является крупнейшим производителем хлора в мире (всего 25 Мт / год в 2016 г. , около 42% мирового производства [5]).

PEM FC также прошли оценку на предмет интеграции с другими производственными процессами. В рамках проекта, разработанного VTT в Финляндии, PEM мощностью 50 кВт был установлен и испытан в течение более 4400 часов на заводе по производству хлората натрия (хлорат натрия представляет собой белый кристаллический порошок, который преимущественно используется для отбеливания бумаги; его производство зависит от энергии -интенсивный процесс электролиза, который отличается от хлорщелочного процесса, но при этом выделяется побочный продукт водорода). Другим примером промышленного процесса, делающего водород доступным в качестве побочного продукта, является крекинг этилена, например, на заводе Dow (Yara Sluiskil, Нидерланды) [17], который экспортирует чистый водород для других промышленных процессов.Интеграция PEM FC в нефтеперерабатывающий завод оценивалась в Японии [18].

Водород в качестве побочного продукта — интересный и дешевый источник водорода, необходимый для развертывания водородных приложений; однако чистота и надежность подачи водорода обычно является одним из узких мест этого применения, возможно, требуя сложных и дорогостоящих участков очистки или снижая общую доступность установки.

Производство водорода — обзор

III.C Обработка топлива

Бензин и другие возможные углеродсодержащие топлива (кроме метанола) не обладают адекватной электрохимической реактивностью для непосредственного использования в топливных элементах PEM.Каталитико-химический реактор необходим для преобразования этого топлива в топливные газы, богатые водородом, которые обеспечивают водород для анодной реакции топливного элемента. Такие «топливные процессоры» были разработаны для стационарных электрогенераторов на топливных элементах, работающих на различных видах топлива, включая природный газ и широкий спектр углеводородов.

Хотя те же каталитически-химические процессы могут использоваться для транспортных приложений, топливные процессоры для двигателей автомобильных топливных элементов, в частности, должны отвечать дополнительным, очень сложным требованиям, которые включают быстрый запуск, способность динамически удовлетворять потребность батареи PEM в водороде, которая напрямую зависит от мощности двигателя на топливных элементах и ​​эффективности работы в широком диапазоне степеней преобразования топлива.Кроме того, конверсия топлива должна быть практически полной во всем диапазоне нагрузок, и уровень монооксида углерода в обработанном топливе, поступающем в батарею, должен быть очень низким, чтобы избежать отравления катализаторов из анодного сплава платины. Наконец, выбросы загрязняющих веществ должны быть близки к нулю, если электрические двигатели на топливных элементах должны выполнять свои экологические обязательства.

Переработчики автомобильного топлива должны не только обеспечивать все эти возможности, но и быть очень компактными и недорогими. Ни один из различных реакторов для обработки топлива, используемых в нефтехимической, химической и смежных отраслях промышленности, не может удовлетворить эту комбинацию требований.Проектирование, проектирование и дешевое производство топливных процессоров являются одними из самых сложных задач при разработке практичных и конкурентоспособных по стоимости электродвигателей на топливных элементах.

Для производства топливных газов, богатых водородом, углеводородное и спиртовое топливо может реагировать с ограниченным количеством кислорода в реакторе частичного окисления или, альтернативно, с водой в установке парового риформинга в соответствии со следующими реакциями:

(a)

Частичное окисление

2h4COH + O2 (воздух) → 3h3 + CO + CO2 + h3O + тепло (+ азот) (для метанола) h4C (Ch3) 6Ch4 + 712O2 (воздух) → 6h3 + 4CO + 4CO2 + 3h30 + тепло (+ азот) (для октанса)

(октан используется здесь для обозначения бензина, смеси углеводородов со средней химической формулой, аналогичной октановой формуле)
(b)

Паровой риформинг

2h4COH + h3O ( пар) + тепло → 5h3 + CO + CO2 (для метанола) h4C (Ch3) 6Ch4 + 12h3O (пар) + тепло → 21h3 + 4CO + 4CO2 (для октана)

Третий подход к стадии первичной конверсии топлива — совместить частичное окисление с паровым риформингом (например, в разных частях первичного реактора) в таких пропорциях, чтобы тепло, выделяемое в номинальном Процессы окисления приблизительно уравновешивают и обеспечивают тепло, необходимое для парового риформинга («автотермическая» обработка топлива) метанола или бензина, соответственно.

Паровой риформинг — это предпочтительный процесс конверсии топлива, если отработанное тепло достаточно высокой температуры доступно от батареи топливных элементов, например, от высокотемпературных топливных элементов или даже технологии фосфорной кислоты с промежуточной температурой. Если для топливных элементов PEM выбран паровой риформинг, тепло, необходимое для запуска реакции риформинга топлива, должно обеспечиваться за счет сжигания некоторого количества топлива и / или остаточного водорода в «хвостовом газе», покидающем батарею. Ключевой задачей для автомобильного риформинга является обеспечение быстрого холодного пуска, поскольку тепло должно подводиться к установке риформинга извне.Эта проблема не столь серьезна для метанола, который может быть подвергнут каталитическому риформингу с водяным паром при температуре около 300 ° C, по сравнению с 700 ° C или более, необходимыми для бензина и других углеводородов. Таким образом, паровой риформинг метанола, правильно спроектированный и термически интегрированный с источниками отходящего тепла, является привлекательным выбором из-за его высокой эффективности.

Частичное окисление может осуществляться в каталитических или термических реакторах (сжигании). Конструкция теплового реактора относительно проста, и соотношение воздух-топливо легко регулируется, чтобы избежать нежелательного осаждения твердого углерода на поверхности катализатора или стенок реактора.Однако частичное окисление является экзотермическим, и выделяемое тепло происходит за счет меньшего образования водорода и более низкой эффективности риформинга. Кроме того, азот из воздуха (единственный практический источник технологического кислорода) еще больше разбавляет водород, что затрудняет достижение желаемой высокой степени использования водорода в батарее топливных элементов. Таким образом, частичное окисление само по себе не обеспечивает высокую эффективность, необходимую для процессоров автомобильного топлива.

Некоторая часть тепла, выделяющегося при частичном окислении, может использоваться для генерирования пара, который затем добавляется к входящему топливу, чтобы изменить общие условия реактора в сторону автотермических реагирующих композиций для различных видов топлива.Тесное сочетание экзотермических и эндотермических процессов уменьшает или устраняет значительную часть теплопередачи от реактора или к нему, тем самым сводя к минимуму потери эффективности и сокращая время запуска топливного процессора. Соотношениями воздух-топливо и пар-топливо можно легко и быстро управлять в широком диапазоне, что дает хороший контроль над химическим составом реактора и выходом водорода. В результате получается относительно простой и эффективный блок первичной обработки.

Преобразование монооксида углерода в топливном газе, обогащенном водородом, требуется, потому что все реакции первичной обработки топлива производят значительные количества этого газа.CO несовместим со батареями топливных элементов PEM, потому что даже небольшие количества этого газа сильно адсорбируются на катализаторах из платинового сплава и дезактивируют («отравляют») топливные аноды. Остальная часть проходит через дымовую трубу в неизменном виде с сопутствующей потерей теплотворной способности, поскольку концентрации CO в исходном газе первичного реактора являются значительными, см. Уравнения. (а) и (б). Для восстановления теплотворной способности CO в виде водорода выходной поток первичного процессора реагирует с дополнительным паром во вторичном блоке, реакторе конверсии водяного газа , согласно CO + H 2 O (пар) ⇒ H 2 + CO 2 .Эта реакция может снизить содержание CO в потоке газа, обогащенного водородом, примерно до 1% (10 000 частей на миллион), что все еще намного превышает допустимый предел 10–100 частей на миллион типичного анодного катализатора. Даже если используется реакция сдвига второй ступени при более низкой температуре, уровни CO в топливном газе все еще слишком высоки для совместимости с батареей.

Для достижения необходимого дополнительного снижения содержания CO в 100-1000 раз поток газа обрабатывают еще в одной технологической установке, например, в реакторе предпочтительного окисления («PROX») , в котором CO окисляется с помощью добавленный воздух согласно: CO + 1/2 O 2 ⇒ CO 2 , а не водороду, присутствующему в гораздо более высокой концентрации.В качестве альтернативы поток обработанного топлива можно пропустить через реактор метанирования , который удаляет CO в соответствии с: CO + 3 H 2 ⇒ CH 4 + H 2 O, при этом метан проходит через батарею топливных элементов в неизменном виде. Поскольку некоторое количество водорода и, следовательно, общая эффективность обработки топлива теряется в обоих вариантах, очень важно достичь минимальной практической концентрации CO в реакции конверсии водяного газа и максимально возможной устойчивости анодов топливных элементов в батарее к CO.

Сложность многоблочного топливного процессора подтверждается блок-схемой процесса на рис. 5, которая включает в себя другие функции, необходимые для работы топливного процессора, такие как испарение топлива, подача воздуха, каталитическое сжигание хвостового газа анода и различное тепло. обменники. На рис. 5 не показаны, но также важны компоненты и системы, необходимые для управления потоком технологических газов. Все эти компоненты процессора и функциональные подсистемы необходимо разместить в очень ограниченном пространстве и обеспечить с низкими затратами, которые могут быть выделены для процессоров автомобильного топлива.

РИСУНОК 5. Блок-схема топливного процессора.

Производство водорода: как образуется водород

На Земле водород Самый простой и легкий атом, самый распространенный элемент во Вселенной. обычно встречается в соединениях с другими элементами. Наиболее распространены углерод, с которым он образует метан (Ch5). Основной компонент залежей природного газа и газовых шапок нефтяных месторождений. Метан вырабатывается естественным путем на свалках … , и кислород, с которым он образует воду (h3O). Как производится чистый водород? Чтобы получить чистый водород для промышленного применения, его необходимо отделить от химических элементов, с которыми он связан.

Водород можно производить путем электролиза с использованием электроэнергии из возобновляемых источников

Технологии производства водорода

Сегодня 95% водорода производится либо из древесины, либо из ископаемых видов топлива, таких как природный газ и нефть. В настоящее время используются три типа производственного процесса:

  • Наиболее распространенным процессом производства водорода является риформинг природного газа, который иногда называют паровым риформингом метана, потому что он использует высокотемпературный пар. Под воздействием пара и тепла В современной статистической термодинамике тепло относится к передаче теплового возбуждения частиц, составляющих материю… атомы углерода (C) метана (Ch5) разделяются. После двух последовательных реакций они реформируются отдельно с образованием водорода (h3) и двуокиси углерода (двуокиси углерода (co₂). Наряду с водяным паром двуокись углерода является основным парниковым газом (ПГ) в атмосфере Земли … ). Следовательно, для этой операции требуется природный газ.
  • Другой процесс — древесный уголь Уголь — это углерод, полученный пиролизом древесины в отсутствие кислорода … газификация1. Древесный уголь состоит в основном из углерода и воды.Сжигаемый в реакторе при очень высокой температуре от 1200 до 1500 ° C, древесный уголь выделяет газ, который разделяется и преобразуется с образованием водорода (h3) и монооксида углерода Монооксид углерода представляет собой оксид углерода с химической формулой CO. частичное окисление углеродсодержащих соединений … (CO).
  • Водород также можно производить с помощью электричества. Форма энергии, возникающая в результате движения заряженных частиц (электронов) по проводнику … , путем электролиза воды.Электрический ток используется для разделения воды (h3O) на кислород (O2) и водород (h3). Этот метод не так рентабелен, как использование ископаемого топлива. Водород, произведенный путем парового риформинга метана, стоит около 1,5 евро за килограмм на заводе (без учета затрат на распределение), что в три раза превышает стоимость природного газа. Водород, производимый с помощью электролиза, в настоящее время примерно в четыре раза дороже, даже без учета затрат на электроэнергию.

Только 1% водорода, производимого во Франции, получают с помощью электролизной технологии.Но по мере появления новых способов использования водородной энергии, требующих более чистого водорода, горизонты этой технологии расширяются. Исследования и разработки направлены на снижение производственных затрат, особенно за счет использования высокотемпературного (или парового) электролиза при температуре от 700 до 800 ° C.

Производство «чистого» водорода

Для того, чтобы этот новый энергоноситель стал синонимом вторичной энергии (см. Определение). «зеленый» означает, что он выделяет мало парниковых газов (ghg). Газ с физическими свойствами, которые вызывают нагревание атмосферы Земли.Есть ряд естественных парниковых газов … — производство водорода должно быть максимально чистым.

Реформинг производит мало парниковых газов в сочетании с процессами улавливания и хранения углерода; однако это значительно увеличивает затраты.

Сегодня 95% водорода производится из ископаемого топлива

Газификация — еще один вариант, поскольку он охватывает всю твердую биомассу. В энергетическом секторе биомасса определяется как все органическое вещество растительного или животного происхождения… Путь: многие виды органических веществ могут сжигаться для производства биогаза Продукт метанирования (анаэробного сбраживания) органических отходов … . Хотя древесина (в виде древесного угля) является основным используемым сырьем, растительные отходы, такие как солома, также подходят. Поскольку источники биомассы можно пересаживать, углеродный след (также известный как инвентаризация парниковых газов) товара или услуги измеряет влияние деятельности человека на окружающую среду … низкий.

Электролиз также производит чистый водород, когда используется «зеленая» электроэнергия.Но чтобы преодолеть проблему конкурентоспособности, необходимо круглогодично получать большие объемы недорогой электроэнергии. Прототипы изучаются, особенно в Германии, для использования периодических всплесков производства от энергии ветра и солнца. Но пока стоимость электролиза по-прежнему непомерно высока.

Изучаются и другие процессы производства водорода

2

Источники:

(1) Этэзис

(2) Французская комиссия по альтернативным источникам энергии и атомной энергии

.
Опубликовано в категории: Разное

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.