Зеленая энергия - популярно об экологии, химии, технологиях

  • Увеличить размер шрифта
  • Размер шрифта по умолчанию
  • Уменьшить размер шрифта
Home Популярная экология Водород как энергоноситель с высокими экологическими свойствами - Промышленные способы получения водорода

Водород как энергоноситель с высокими экологическими свойствами - Промышленные способы получения водорода

Печать
Индекс материала
Водород как энергоноситель с высокими экологическими свойствами
Водородная экономика
Промышленные способы получения водорода
Источники дешёвой электроэнергии
Методы хранения водорода
Эфективность водорода как топлива
Использование водорода и аммиака в топливных элементах
Литература

По мнению геологов, в атмосферу Земли непрерывно выделяется огромное количество газообразного водорода без всякого антропогенного вмешательства.

Запасы водорода, связанного в органическом веществе и в воде, практически неисчерпаемы [Понамарёв-Степной]. Разрыв этих связей позволяет производить водород и затем использовать его как топливо.

В настоящее время в мире большая часть производимого в промышленном масштабе водорода получается в процессе паровой конверсии метана (ПКМ). [Понамарёв-Степной] Полученный таким путем водород используется как реагент для очистки нефти и как компонент азотных удобрений, а также для ракетной техники.

Чтобы отделить водород от углеродной основы в метане, требуются пар и тепловая энергия при температурах 750 — 850°С, что и происходит в химических паровых реформерах на каталитических поверхностях. Первый шаг реакции расщепляет метан и водяной пар на водород и монооксид углерода (синтез-газ). Вслед за этим "реакция сдвига" превращает монооксид углерода и воду в диоксид углерода и водород. Эта реакция происходит при температурах 200 — 250°С. Для осуществления эндотермического процесса ПКМ сжигается около половины исходного газа.

Неполным окислением метана и его гомологов можно получить водород и окись углерода. При взаимодействии с водяным паром СО может быть превращена в СО2 и водород. После очистки конвертированного газа от двуокиси углерода получается водород. В качестве исходного сырья, содержащего метан, могут служить природный газ, попутные газы нефтедобычи, газы нефтехимической переработки, коксовый газ и др.

Водород и окись углерода получают из углеводородных газов путем их неполного окисления водяным паром, двуокисью углерода, кислородом. Неполное окисление метана протекает по следующим основным реакциям:

CH4 + H2O = CO + 3H2 – 206,33 кДж (-49,3 ккал) (1)

CH4 + H2O = 2CO + 2H2 – 248,1 кДж (-59,3 ккал) (2)

CH4 + H2O = CO + 2H2 – 34,73 кДж (-8,3 ккал) (3)

 

Окись углерода, входящая в состав различных газов, может быть переработана в водород и двуокись углерода при помощи водяного пара по реакции:

CO + H2O = CO2 + H2 + 40,91 кДж (9,8 ккал) (4)

Этот процесс проводится при повышенных температурах в присутствии катализаторов.

Результаты расчета равновесного состава газа показывают, что достаточно полное превращение метана (остаточное содержание СН4 не более 0,5%) при стехиометрическом расходе водяного пара может быть достигнуто только при температуре выше 1200 °К. Увеличение расхода водяного пара сверх стехиометрического количества позволяет сдвинуть равновесие реакции (1) вправо, что широко используется в практических условиях.

Окисление метана при избытке водяного пара может происходить по реакции

CH4 + 2H2O = CO2 + 4H2 – 165,3 кДж (-39,5 ккал) (5)

которую можно рассматривать как суммарный процесс протекания двух последовательных реакций (4) и (1).

Для достижения максимальных выходов водорода при конверсии метана водяным паром представляет интерес полная конверсия метана по реакции (5) с непосредственным получением в одну стадию водорода и двуокиси углерода. Однако такой одностадийный процесс термодинамически невыгоден, так как при пониженных температурах конверсии в продуктах реакции остается довольно значительное количество метана, а при повышенных температурах газ будет содержать большое количество окиси углерода. Следовательно, эндотермический процесс по реакции (1) термодинамически выгодно вести при высоких температурах, а реакцию (5)—при низких температурах. Поэтому на практике процесс получения водорода путем конверсии метана водяным паром проводят в две раздельные стадии. Сначала при относительно высоких температурах конвертируют метан до окиси углерода и водорода, затем полученную окись углерода при более низких температурах превращают в СО2 и водород.

Применение избытка водяного пара по сравнению со стехиометрическим позволяет не только увеличить степень конверсии метана, но и предотвратить выделение элементарного углерода. Выделяющийся на катализаторе углерод в этом случае конвертируется водяным паром или двуокисью углерода в окись углерода и водород.

Исходя из экономических соображений, связанных с использованием энергии сжатия природного газа, а также для уменьшения размеров аппаратуры и увеличения скорости процесса конверсию метана целесообразно проводить при повышенных давлениях (15—30 ат): Это позволяет достигать любой степени превращения метана при несколько более высоких температурах, чем под атмосферным давлением.

В случае конверсии гомологов метана расход водяного пара возрастает с увеличением числа атомов углерода в исходном углеводороде.

В практических условиях конверсию метана и его гомологов проводят при значительном избытке водяного пара, достигающем 2—2,5-кратного количества сверх стехиометрического. С повышением температуры относительный расход водяного пара может быть уменьшен вследствие смещения равновесия реакции в благоприятную сторону и увеличения скорости процесса.

При нагревании гомологов метана и непредельных углеводородов с водяным паром выделение углерода начинается в условиях более низких температур, чем для метана.[Атрощенко]

Недостаток такого метода получения водорода заключается в том, что он загрязнён СО2 и требует дополнительной очистки. Но даже после этого такой водород содержит остаточные количества диоксида углерода.

А самое главное, в процессе производства Н2 таким способом образуется углекислый газ, который попадая в атмосферу, вносит вклад в её загрязнение и увеличивая «парниковый эффект».

По-видимому, в ближайшем будущем методы получения водорода с использованием углеродного сырья будут основными. Однако сырьевые и экологические ограничения процесса паровой конверсии метана стимулируют разработку процессов производства водорода из воды. Разработаны многочисленные процессы по разложению воды на составные элементы.

Среди способов получения водорода из воды наибольший интерес в контексте атомно-водородной энергетики представляют электролиз, термохимические и термоэлектрохимические циклы.

 

Прямой термолиз воды

При нагревании свыше 2500°С вода разлагается на водород и кислород. Проблема здесь состоит в том, чтобы предотвратить рекомбинацию водорода и кислорода.

Термохимические и термоэлектрохимические циклы. Как известно, для прямого термического разложения воды на водород и кислород требуется высокая температура на уровне 2500°С. Столь высокую температуру можно получить, например, с помощью концентраторов солнечной энергии. Однако воду можно термически разложить и при более низкой температуре, используя последовательность химических реакций, которые выполняют следующие функции: связывание воды, отщепление водорода и кислорода, регенерация реагентов. Термохимический процесс получения водорода с КПД до 50% использует последовательность химических реакций (например, серно-кислотно-йодный процесс) и требует подвода тепла при температуре около 1000°С. Источником тепла при термохимическом разложении воды служит высокотемпе­ратурный реактор. На отдельных стадиях процессов такого типа наряду с термичес­ким воздействием для отщепления водорода может использоваться электричество (электролиз, плазма).

Изучено много комбинаций химических реакций, в которых вода расщепляется на водород и кислород в замкнутом цикле с поглощением тепла и электричества. Такой цикл может быть построен и на базе ПКМ. При паровой конверсии метана около половины водорода производится из воды. Довести в этом цикле долю водорода, получаемого расщеплением воды, до 100%, можно путём электрохимического или плазменного восстановления метана из метанола с возвращением его в голову процесса. Выбор оптимального процесса разложения воды определяется рядом критериев, среди которых важнейшими являются следующие: эффективность цикла, термодинамические и кинетические характеристики отдельных реакций, доступность и стоимость реагентов, совместимость реагентов и конструкционных материалов, безопасность процесса, экологические соображения и, в конечном счёте, экономические показатели.

Американские исследователи Ричард Дайвер и Джим Миллер из Sandia National Laboratories придумали ещё один способ получения водорода - без электролизной обработки воды. Новый генератор водорода состоит из колец противоположного вращения, скомпонованных из активных элементов – нанокомпозитного ферритного состава с двуокисью циркония.

После подачи водяного пара эти кольца отбирают из него кислород путём химической реакции, а освобождённый водород откачивается в специальные баллоны. Затем за счёт тепловой обработки колец освобождается кислород. Однако говорить об экономической целесообразности внедрения этого метода так же ещё рано, как и многих других, хотя этими проблемами, в том числе в рамках Мировой ассоциации водородной энергетики, созданной ещё в 1974 году, занимаются много лет.

 

Электролитическое разложение воды (электролиз).

Электролитический водород является наиболее доступным, но дорогим продуктом. В мире электролитически производится лишь 4% водорода. [R.Kathari] Для разложения чистой воды при комнатных условиях требуется напряжение 1,24 вольта. Величина напряжения зависит от температуры и давления, от свойств электролита и других эле­ментов электролизера. В промышленных и опытно-промышленных установках реализован КПД электролизера по энергии -70 — 75%, в том числе для электролиза под давлением.[Атрощенко] Паровой электролиз — это разновидность обычного электролиза. Часть энергии, необходимой для расщепления воды, в этом случае вкладывается в виде высокотемпературного тепла в нагрев пара (до 900°С), делая процесс более эффективным.

Вследствие потерь напряжения, а также ввиду того, что выход водорода по току менее 100%, практический расход электроэнергии будет насколько выше. Обычно расход электроэнергии составляет 5,0 – 5,9 кВт·ч/м3 водорода, что соответствует выходу по энергии 50 –60%.

В 1888 г. Л. Л. Лачинов предложил проводить электролиз воды под давлением. В последующем было установлено, что это позволяет повышать температуру электролиза, благодаря чему увеличивается электропроводность электролита и снижается перенапряжение. Если при 80°С напряжение составляет 2,07 В и расход электроэнергии равен 4,97 кВт·ч/м3 Н2, то в случае электролиза под давлением при 120°С напряжение снижается до 1,8 в, а расход электроэнергии до 4,44 кВт·ч/м3 водорода (15,98 МДж). Полученные при этом газы выходят из ванны под высоким давлением.

В некоторых современных электролизерах воды достигнуты практические показатели 4,1– 4,2 кВт·ч на м3 Н2 [Фатеев] — и это много, так как в первом приближении стоимость водорода на 75–80 % определяется стоимостью электроэнергии, затраченной на его получение. Необходимо оговориться, что при определенных условиях в составе некоей системы, в которой значительную роль играет организация распределения энергии и передачи ее на расстояния, может наступить момент, когда система распределения энергии с помощью водорода оказывается более выгодной, чем система с участием электроэнергии. [Понамарёв2]
Исследовательские подразделения GE Global Research (США) предприняли попытку снизить стоимость электролизёров, выполнив их корпуса из пластмассы, стойкой к щелочной среде электролита, а массу металла, применённого в электродах, снизить за счёт напыления из катализатора на основе никеля. После чего цена производства водорода была снижена. Однако недостаточно для конкурентоспособности.

В мире лучшими из промышленных водно-щелочных электролизеров считаются канадские, изготавливаемые корпорацией «Stuart Energy». Они стабильно в течение длительного, ресурса обеспечивают удельный расход менее 5 кВт·ч/м3 H2 [Понамарёв-Степной], что делает их (при низкой стоимости потребляемой электроэнергии и мировых ценах на метан) конкурентоспособными с получением водорода конверсией природного газа с применением короткоцикловой адсорбции. Кроме того, эти электролизеры позволяют изменять нагрузку в пределах от 3% до 100%, в то время как изменение нагрузки на электролизерах типа ФВ-500, приводит к существенному сокращению срока их работы.

 



 

Интересно знать

Департамент энергетики США отобрал 37 исследовательских проектов в области хранения энергии, энергии биомассы, захвата диоксида углерода и ряда других направлений. Среди них - новые металловоздушные батареи на основе ионных жидкостей с плотностью энергии превышающей в 6-20 раз плотность энергии обычных литиевых аккумуляторов, а так же проект по получению бензина непосредственно из солнечного света и CO2 используя симбиоз двух микроорганизмов.

купить масло mobil купить масло mobil купить интернет магазин автомасел
 
наконечник тяги кермової купить запчасть 5W0419811 Skoda Audi Volkswagen Seat
 
биткоин миксер
 
download song sites