Producția de hidrogen

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 22 octombrie 2019; verificările necesită 20 de modificări .

Producția industrială de hidrogen  este o parte integrantă a energiei hidrogenului , prima verigă în ciclul de viață al consumului de hidrogen . Hidrogenul practic nu se găsește în forma sa pură pe Pământ și trebuie extras din alți compuși folosind diferite metode chimice .

Metode de producție

În prezent, există multe metode de producere industrială a hidrogenului: au fost dezvoltate tehnologii pentru producerea hidrogenului din deșeuri , etanol, zgură metalurgică [1] , biomasă [2] și alte tehnologii.
Astfel de metode includ :

De asemenea, în cazuri rare, se folosește reacția aluminiului și o soluție alcalină .
O varietate de metode de producere a hidrogenului este unul dintre principalele avantaje ale energiei hidrogenului, deoarece crește securitatea energetică și reduce dependența de anumite tipuri de materii prime.

Producția de hidrogen din combustibili fosili este considerată în prezent cea mai viabilă din punct de vedere economic, iar în prezent cel mai accesibil și mai ieftin proces este reformarea cu abur (conform previziunilor, acesta va fi utilizat în etapa inițială a tranziției la o economie pe hidrogen pentru a simplifica depășirea „puiului". și oul”, când din - din cauza lipsei de infrastructură, nu există cerere de mașini cu hidrogen , iar din cauza lipsei de mașini cu hidrogen, infrastructura nu se construiește. Pe termen lung, însă, o tranziție la energie regenerabilă surse este necesară , deoarece unul dintre obiectivele principale ale introducerii energiei cu hidrogen este reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră ; astfel de surse pot fi energia eoliană sau energia solară , permițând electroliza apei). Este posibilă reducerea nivelului de emisii de carbon în sectoarele industriale datorită hidrogenului obținut prin tehnologii cu emisii scăzute de carbon, pentru aceasta fiind posibilă utilizarea tehnologiilor de captare și stocare a dioxidului de carbon, precum și electroliza apei, „folosind în primul rând energia de instalații nucleare, hidro, eoliene și solare. energie."
Gradația de culoare a hidrogenului depinde de metoda de producere a acestuia și de amprenta de carbon, adică de cantitatea de emisii nocive [3] :

Costul hidrogenului „verde” este de aproximativ 10 dolari pe kg (ceea ce este „absolut neprofitabil”, potrivit șefei Fondului Național de Securitate Energetică); Hidrogenul „albastru” și „galben” sunt de câteva ori mai ieftin decât „verde” - de la 2 dolari pe kilogram.

Producția de hidrogen poate fi concentrată în instalații mari centralizate, ceea ce reduce costul de producție, dar necesită costuri suplimentare pentru livrarea hidrogenului către benzinăriile cu hidrogen . O altă opțiune este producția la scară mică direct la stațiile de alimentare cu hidrogen special echipate.


In decembrie[ când? ] 2013(?) Institutul German Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) a finalizat construcția unei instalații pilot pentru producerea de hidrogen din apă în concentratoare solare ; puterea centralei 100 kW [5] .
În 2019, în Germania a început construcția celei mai mari fabrici din lume pentru producerea a 1300 de tone de hidrogen anual prin electroliză [6] .

Producția de hidrogen din diverse surse de materie primă

Începând cu 2019, 75 de milioane de tone de hidrogen sunt consumate în lume, în principal în rafinarea petrolului și producția de amoniac . Dintre acestea, mai mult de 3/4 sunt produse din gaze naturale , pentru care se consumă peste 205 miliarde m 3 de gaz. [7] Aproape orice altceva este făcut din cărbune. Aproximativ 0,1% (~100 mii de tone) este produs prin electroliză. În timpul producției de hidrogen, ~830 milioane de tone de CO 2 intră în atmosferă . Costul hidrogenului din gaze naturale este estimat la 1,5-3 dolari pe 1 kg.

Din metan

Reformare cu abur cu abur la 1000 °C:

Hidrogenul poate fi obținut în puritate diferită: 95-98% sau extra pur. În funcție de utilizarea ulterioară, hidrogenul se obține sub diferite presiuni: de la 1,0 la 4,2 MPa. Materia primă (fracțiuni de gaz natural sau petrol ușor) este încălzită la 350–400°C într-un cuptor convectiv sau schimbător de căldură și intră în aparatul de desulfurare. Gazul transformat din cuptor este răcit în cuptorul de recuperare, unde se produce abur cu parametrii necesari. După etapele de conversie a CO la temperatură înaltă și la temperatură joasă, gazul este alimentat la adsorbția CO 2 și apoi la metanarea oxizilor reziduali. Rezultatul este hidrogen cu o puritate de 95-98,5% care conține 1-5% metan și urme de CO și CO2 .

În cazul în care este necesar să se obțină hidrogen foarte pur, unitatea este completată cu o secțiune pentru separarea prin adsorbție a gazului transformat. Spre deosebire de schema anterioară, conversia CO aici este într-o singură etapă. Amestecul gazos care conţine H2 , CO2 , CH4 , H20 şi o cantitate mică de CO este răcit pentru a îndepărta apa şi trimis la aparate de adsorbţie umplute cu zeoliţi . Toate impuritățile sunt adsorbite într-o singură etapă la temperatura ambiantă. Rezultatul este hidrogen cu o puritate de 99,99%. Presiunea hidrogenului rezultat este de 1,5-2,0 MPa.

Este posibilă și oxidarea catalitică cu oxigen :

Din cărbune

Trecerea vaporilor de apă peste cărbune încins la o temperatură de aproximativ 1000 ° C:

Cel mai vechi mod de a produce hidrogen. Costul procesului este de 2 USD-2,5 USD per kilogram de hidrogen. În viitor, prețul poate fi redus la 1,50 USD, inclusiv transportul și depozitarea.

Electroliza

Electroliza soluțiilor apoase de săruri:

Electroliza soluțiilor apoase de hidroxizi ai metalelor active (în principal hidroxid de potasiu ) [8]

În plus, există o tehnologie industrială pentru electroliza apei pure din punct de vedere chimic, fără utilizarea niciunui aditiv. De fapt, dispozitivul este o pilă de combustie reversibilă cu o membrană polimerică solidă [8] .

Din biomasă

Hidrogenul din biomasă este produs printr-o metodă termochimică sau biochimică . În metoda termochimică, biomasa este încălzită fără acces la oxigen la o temperatură de 500°-800° (pentru deșeurile de lemn), care este mult mai mică decât temperatura procesului de gazeificare a cărbunelui. Procesul eliberează H2 , CO şi CH4 .

Costul procesului este de 5-7 USD per kilogram de hidrogen. În viitor, este posibilă o scădere la 1,0 USD-3,0 USD.

Într -un proces biochimic , hidrogenul este produs de diferite bacterii , cum ar fi Rodobacter speriodes .

Este posibil să se utilizeze diverse enzime pentru a accelera producția de hidrogen din polizaharide ( amidon , celuloză ) conținute în biomasă. Procesul are loc la o temperatură de 30° Celsius la presiune normală. Costul procesului este de aproximativ 2 USD per kg.

De trei ori mai multă energie poate fi obținută din lanțul de celule de combustie zahăr -hidrogen-hidrogen [9] decât din lanțul zahăr- etanol - motoare cu combustie internă .

Din coșul de gunoi

Sunt dezvoltate diferite tehnologii noi de producere a hidrogenului. De exemplu, în octombrie 2006, London Hydrogen Partnership a publicat un studiu  (link indisponibil) privind posibilitatea producerii hidrogenului din deșeurile municipale și comerciale . Potrivit studiului, 141 de tone de hidrogen pot fi produse zilnic în Londra atât prin piroliză, cât și prin digestia anaerobă a gunoiului . Din deșeurile municipale pot fi produse 68 de tone de hidrogen.

141 de tone de hidrogen sunt suficiente pentru a rula 13.750 de autobuze cu motoare cu ardere internă care funcționează pe hidrogen. Peste 8.000 de autobuze sunt în funcțiune în prezent în Londra.

Reacția chimică a apei cu metalele

În 2007, Universitatea Purdue (SUA) a dezvoltat o metodă de producere a hidrogenului din apă folosind un aliaj de aluminiu.

Un aliaj de aluminiu și galiu este format în pelete. Peleții se pun într-un rezervor cu apă. Hidrogenul este produs ca rezultat al unei reacții chimice. Galiul previne formarea unei pelicule de oxid pe suprafața aluminiului, care încetinește procesul de oxidare a aluminiului. Ca rezultat al reacției, se creează hidrogen și oxid de aluminiu.

Dintr-o liră (≈453 g) de aluminiu, se pot obține mai mult de 2 kWh de energie din arderea hidrogenului și mai mult de 2 kWh de energie termică în timpul reacției aluminiului cu apa. În viitor, atunci când se utilizează electricitate din reactoarele nucleare de generația a 4-a, costul hidrogenului produs în timpul reacției va fi echivalent cu prețul benzinei de 3 USD per galon (≈3,8 litri).

O mașină cu motor cu combustie internă de dimensiuni medii cu 350 de lire sterline (158 kg) de aluminiu la bord poate parcurge 350 de mile (560 km). În viitor, costul unei astfel de călătorii va fi de 63 USD (0,11 USD/km), inclusiv costul recuperării oxidului de aluminiu la o centrală nucleară de a 4-a generație. [zece]

Folosind alge

Oamenii de știință de la Universitatea din California din Berkeley (UC Berkeley) au descoperit în 1999 [11] că, dacă algele nu au oxigen și sulf, procesele lor de fotosinteză slăbesc brusc și începe producția rapidă de hidrogen.

Hidrogenul poate fi produs de un grup de alge verzi precum Chlamydomonas reinhardtii . Algele pot produce hidrogen din apa de mare sau din canalizare.

Sisteme de producere a hidrogenului la domiciliu

În loc de a construi stații de alimentare cu hidrogen, hidrogenul poate fi produs în instalațiile menajere din gaze naturale sau prin electroliza apei. Honda își testează instalația casnică numită Honda Home Power Station . Uzina casnică produce hidrogen din gaze naturale. O parte din hidrogen este folosită în celulele de combustie pentru a produce căldură și electricitate pentru casă. Restul hidrogenului este folosit pentru alimentarea mașinii.

Compania britanică ITM Power Plc a dezvoltat și testat în 2007 un electrolizor de uz casnic pentru producerea de hidrogen. Hidrogenul este produs noaptea, ceea ce va atenua vârfurile consumului de energie electrică. Un electrolizor de 10 kW produce hidrogen din apă și îl stochează la o presiune de 75 bar. Hidrogenul produs este suficient pentru o rulare de 40 km a unui Ford Focus cu dublu combustibil (hidrogen/benzină). Compania intenţionează să înceapă producţia de electrolizoare de uz casnic la începutul anului 2008 . ITM Power a atins deja costul electrolizoarelor de 164 USD pe 1kW.

Principalii producători de hidrogen

Vezi și

Note

  1. ↑ http://www.financialexpress.com/news/tata-steel-develops-hydrogen-production-tech-granted-pct/370776/0
  2. ↑ http://www.fuelcellsworks.com/Supppage9358.html Arhivat 9 ianuarie 2009 la Wayback Machine  (link descendent din 13.05.2013 [3451 de zile] - istoric )
  3. ↑ O alternativă la gaz și cărbune a fost găsită în Rusia Copie de arhivă din 16 mai 2021 la Wayback Machine // Lenta.ru , 15 aprilie 2021
  4. ↑ Siemens a pus în funcțiune una dintre cele mai mari fabrici de hidrogen verde din Germania KP.RU, 19 septembrie 2022 | pe site-ul Siemens
  5. ↑ http://www.fuelcellsworks.com/Supppage9397.html  (link descendent)  (link descendent din 13-05-2013 [3451 zile])
  6. ↑ Deutsche Welle 17.09.2018 Trenul cu hidrogen Inza Wrede - descoperire tehnologică europeană cu rezerve Arhivat 25 august 2019 la Wayback Machine
  7. ↑ Recensământul cu HIDROGEN, Revista Gazprom, septembrie 2019, p. 42 . Preluat la 22 octombrie 2019. Arhivat din original la 22 octombrie 2019.
  8. ↑ 1 2 Da Rosa, Aldo Vieira. Fundamentele proceselor de energie regenerabilă . - Amsterdam: Elsevier Academic Press, 2005. - p. 370. - xvii, 689 pagini p. — ISBN 0120885107 .
  9. ↑ Noua tehnologie zahăr-hidrogen promite independența combustibilului pentru transport | Știri Virginia Tech | Virginia Tech . Consultat la 28 decembrie 2007. Arhivat din original la 30 decembrie 2007.
  10. ↑ nanoHUB.org - Subiecte: Aliaje bogate în aluminiu: un material de stocare a energiei pentru împărțirea apei pentru a produce hidrogen gaz la cerere . Data accesului: 24 decembrie 2007. Arhivat din original la 28 august 2008.
  11. ↑ Producția de hidrogen folosind organisme fotosintetice oxigenate care conțin hidrogenază  . Preluat la 17 octombrie 2019. Arhivat din original la 17 octombrie 2019.

Link -uri