Способы получения водорода в промышленности: Как получают водород в промышленности: способы выделения

Как получают водород в промышленности: способы выделения

Водород считается одним из наиболее ценных видов сырья для синтеза аммиака и производства полимеров и нефтехимии. Он используется для получения твердых жиров из масел растительного происхождения. Из-за высокой химической активности вещество в чистом виде практически не встречается в природе. Основные источники для получения водорода в промышленности — метан, содержащийся в природном газе, и вода. Специалисты отмечают также перспективность разделения попутных газов коксового производства, которые на большинстве предприятий сжигаются.

Способы выделения водорода из соединений

Самые распространенные способы получения водорода в промышленности:

• паровая конверсия метана и его гомологов;
• газификация кокса;
• электролитическое разложение воды.

Особенности работы оборудования для получения водорода

Метановый конвертор

Оборудование для получения водорода в промышленности методом паровой конверсии имеет сложную конструкцию и компоновку. В его состав входят парогенератор, компрессорная станция, подогревающая установка, конверторы метана и угарного газа. Система подключена к подающей магистрали и потребителям. Извлечение водорода происходит при температуре до 1000° C под избыточным давлением и в присутствии катализатора. Перед этим сырье подогревается, очищается от серосодержащих примесей и перемешивается с водяным паром.

Восстановление водорода происходит в два этапа.

• После первой ступени конверсии продукт содержит до 10% метана, для разложения которого в смесь вводят атмосферный воздух.
• В конце процесса водород очищают от кислорода и оксидов углерода, а избыточное тепло направляют в котел-утилизатор для производства водяного пара.

Процесс полностью замкнут и энергетически независим, но требует применения сложных схем контроля. Несмотря на недостатки, большую часть водорода в промышленности получают как раз этим способом.

Установка газификации кокса

Технология заключается в пропускании перегретого водяного пара через слой кокса, каменного или бурого углей при температуре свыше 1000° C без доступа кислорода.Полученная смесь водорода и окиси углерода обрабатывается водяным паром. Один из наиболее перспективных способов применения продуктов газификации угля — сжигание на тепловых электростанциях, поскольку современные установки отчаются высокой производительностью, сравнительно низкой себестоимостью конечного продукта и способны работать в непрерывном режиме.

Электролизеры

При помощи электролитических установок водород получают как в промышленности, так и для коммерческого использования. На рынке присутствует оборудование разной производительности, а сырьем служит обычная вода. Установка представляет собой сосуд с раствором щелочи или средней соли, в который погружены два электрода. При пропускании постоянного тока на катоде выделяется водород. Вторичный продукт реакции — кислород — также используется для решения технологических задач. Доочистка позволяет получить на выходе технически и химически чистый водород. Электролизер с вспомогательным оборудованием для водоподготовки и осушения размещается на небольшой площади. Многие производители предлагают мобильные моноблочные и контейнерные установки.

Среди всех способов получения водорода в промышленности электролитический считается наиболее экологичным. Единственный его условный недостаток — зависимость от качества сети питания.

Способы получения водорода в промышленности и лаборатории

Получение водорода в промышленности

В промышленности водород получают главным образом из природных и попутных газов, коксового газа и продуктов газификации топлива (водяного и паровоздушного газов), путем неполного окисления углеводородов.

Основным источником водорода в промышленности является конверсия (от лат. “превращение”) углеводородов, главным образом природного газа, парами воды (пароводяная конверсия):

CH₄ + H₂O → CO + 3H₂, 800-900 °C, ΔH₂₉₈⁰ = 206,2 кДж/моль

С последующим каталитическим взаимодействием оксида углерода (II) с парами воды:

CO + H₂O → CO₂ + H₂, 550-600 °C, ΔH₂₉₈⁰ = -41,2 кДж/моль

Катализатором этой реакции служит Fe₂O₃ с активирующими добавками (Cr₂O₃, Al₂O₃, K₂O и др.).

Эндотермичность процесса конверсии метана можно частично восполнить энергией, выделяющейся при неполном его окислении.

2CH₄ + O₂ → 2CO + 4H₂, ΔH₂₉₈⁰ = -71 кДж/моль

Этот процесс называется кислородной конверсией метана. Поэтому в промышленности часто комбинируют все эти три процесса в один. Для этого природный газ смешивается с водяным паром и кислородом:

3CH₄ + O₂ + H₂O → 3CO + 7H₂, 850-900 °C, Ni

или

2CH₄ + O₂ + 2H₂O → 2CO₂ + 6H

2, 850-900 °C, Ni

Диоксид углерода удаляют промывкой газовой смеси водой под давлением и окончательно – поглощением растворами щелочей.

Все описанные выше процессы используются как по отдельности, так и в сочетании друг с другом.

Помимо природного газа для получения водорода путем конверсии используют генераторный (CO + N₂), водяной (CO + H₂) – пароводяная конверсия, попутные газы – пароводяная и (или) кислородная конверсия.

В связи с уменьшением запасов углеводородного сырья большой интерес приобретает метод получения водорода восстановлением водяного пара раскаленным углем:

C + H₂O → CO + H₂, 1000 °C, ΔH₂₉₈⁰ = 131 кДж/моль

При этом образуется генераторный газ. Затраты энергии на его получение можно компенсировать за счет реакции неполного окисления угля:

C + 1/2O₂ → CO, ΔH₂₉₈⁰ = -110,5 кДж/моль

При комбинировании этих процессов получается водяной газ, состоящий в основном из смеси водорода и угарного газа:

3C + H₂O + O₂ → 3CO + H₂

Важным следствием является то, что получаемые генераторный и водяной газы можно использовать для дальнейшего получения водорода методом пароводяной конверсии.

Из газовых смесей с большим содержанием водорода (коксовый газ, газы нефтепереработки) его получают путем глубокого охлаждения смеси, при котором практически все газы кроме водорода сжижаются.

Водород высокой чистоты получают электролизом водных растворов щелочей (NaOH или KOH). Раньше для этого использовалась серная кислота. Однако это нерационально из-за быстрого коррозионного разрушения стальной аппаратуры. Хотя образующаяся в процессе электролиза пероксодисерная кислота H₂S₂O₈ может использоваться для получения пергидроля:

2SO₄^2- – 2ê = S₂O₈

^2-

2H⁺ + 2ê = H₂⁰↑

H₂S₂O₈ + H₂O = H₂SO₅ + H₂SO₄

H₂SO₅ + H₂O = H₂SO₄ + H₂O₂

В случае щелочей концентрация этих растворов выбирается такой, которая отвечает их максимальной электрической проводимости (25% для NaOH и 34% для KOH). Электроды обычно изготавливают из листового никеля. Этот металл не подвергается коррозии в растворах щелочей, даже будучи анодом. В случае надобности получающийся водород очищают от паров воды и следов кислорода. Этим способом целесообразно получать водород в районах с дешевой электроэнергией.

Водород образуется также как побочный продукт в процессе получения хлора и щелочей электролизом водных растворов хлоридов щелочных металлов.

Потенциальные способы получения водорода в промышленности

1. Термолиз воды:

2H₂O → 2H

2 + O₂, 2000 °C, электрическая дуга.

Недостаток – большие расходы энергии.

2. Фотолиз воды:

2H₂O → 2H₂ + O₂, hμ

3. Биохимическое разложение воды под действием бактерий.

4. Химическое разложение воды, восстановление водорода:

H₂O + X = H₂ + XO

2XO → 2X + O₂, t°

Получение водорода в лаборатории

Восстановление металлами и неметаллами различных водородсодержащих соединений: воды, кислот, щелочей. Чаще используется взаимодействие разбавленных кислот (соляной, серной) с цинком, реже с железом. Если реакция выделения водорода проходит очень медленно, к кислоте добавляют несколько капель любого раствора CuCl₂ (к соляной кислоте) или CuSO₄ (к серной кислоте). Медь выделяется на цинке (или железе) и образует с ним гальваническую пару, что ускоряет выделение водорода. Реакции обычно проводят в аппарате Кипа.

Zn + 2HCl = ZnCl

2 + H₂↑

Zn + H₂SO₄ = ZnSO₄ + H₂↑

Fe + 2HCl = FeCl₂ + H₂↑

Fe + H₂SO₄ = FeSO₄ + H₂↑

Цинк обычно содержит примеси мышьяка, сурьмы и др. элементов, поэтому выходящий из аппарата водород немного загрязнен AsH₃ и др. газами. Такой газ взрывоопасен, поэтому перед его использованием водород проверяют на чистоту. Для этого из аппарата Киппа через некоторое время после начала его работы отбирают в пробирку (держа ее вверх дном) пробу газа и подносят отверстие пробирки к пламени горелки. Если при этом водород горит спокойно (без хлопка), то он не содержит примеси воздуха. В противном случае следует еще раз удалить из аппарата часть газа и повторить испытание. Этот процесс повторяют до получения спокойного, слабо светящегося пламени водорода. В противном случае нужно менять цинк (железо) на более чистые.

Для демонстрационных опытов можно использовать такую установку:

Очень чистый водород в лаборатории можно получить электролизом водных растворов щелочей.

Для получения водорода в лаборатории также можно использовать гидрид кальция:

CaH₂ + 2H₂O = Ca(OH)₂ + 2H₂↑

Пропускание паров воды через раскаленную железную трубку:

3Fe + 4H₂O → Fe₃O₄ + 4H₂⁰↑, t°

2Al + 2NaOH + 10H₂O = 2Na[Al(OH)₄·2H₂O] + 3H₂⁰↑

Si + 2NaOH + H₂O = Na₂SiO₃ + 2H₂⁰↑

2Na + 2H₂O = 2NaOH + H₂⁰↑

2Al + 6HCl = 2AlCl₃ + 3H₂⁰↑

И проч.

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.

2Н 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%.

Способы получения водорода. Задачи 785

 

Задача 785. 
Почему в периодической системе элементов водород относят как к I, так и к VII группе?
Решение:
Атом водорода содержит один электрон, его электронная конфигурация имеет вид: 1s². Поэтому атом водорода способен как отдавать, так и присоединять по одному электрону. Таким образом, образом водород проявляет двойственную химическую природу, как окислительную, так и восстановительную способность. В большинстве реакций водород выступает в качестве восстановителя, образуя соединения, в которых степень его окисленности равна +1. в реакциях с активными металлами водород выступает в качестве окислителя, степень окисленности его при этом равна -1. Итак, водород, отдавая электрон, проявляет сходство с металлами I-й группы главной подгруппы периодической системы химических элементов, а, присоединяя электрон, — с неметаллами VII-й группы главной подгруппы. Поэтому водород в периодической системе обычно помещают в главной подгруппе I-й группы и, в тоже время, в скобках, помещают в главной подгруппе VII-й группы.

---

Задача 786. 
Как получают водород в промышленности и в лаборатории? Привести уравнения реакций.
Решение:
а) Получение водорода в промышленности:
1. Получение синтез-газа:
 

_{Ni 800 ^oC}
СН₄ + Н₂О      →          CO + 3H₂

2. Крекинг углеводородов:

С₂Н₆  →  2С + 3Н₂ 

3. Электролиз водного раствора едкого натра или едкого калия. Используют 25% NaOH или 34% КОН. Электроды изготавливают из листового никеля. При этом на катоде выделяется водород, а на аноде – кислород:

Катодный процесс: 2Н₂О + 2 = Н₂ + 2ОН^—;
Анодный процесс: 4ОН^— — 4 = О₂ + 4Н⁺.

4. Вытеснение водорода из воды различными металлами. Метод основан на том, что активные металлы вытесняют водород из воды, например, натрий и кальций разлагают воду при обычных условиях, магний – при нагревании, цинк – при накаливании с водяным паром, железо – при нагревании около 700 ^оC. Чаще всего используют в промышленности для получения водорода так называемый железо-паровой метод:

3Fe + 4H₂O = Fe₂O₄ + 4H₂↑;
Fe + H₂O = FeO + H₂↑.

5. Получение водорода из природного газа. В промышленности по этому методу природный газ смешивают с кислородом и водяным паром при нагревании данной смеси до 800-900⁰ С в присутствии катализатора (пароводяная и кислородная конверсия):

2CH₄ + O₂ + 2H₂O = 2CO₂ + 6H₂.

6. Метод выделения водорода из коксового газа или из газов переработки нефти. Метод основан на глубоко охлаждении газовой смеси, при котором все газы кроме водорода сжижаются – водород остаётся в газовой фазе, которую под давлением собирают в баллоны.

7. Метод получения водорода при получении сажи из природного газа:

CH₄ → C + 2H₂↑

8. Метод получения водорода при пропускании паров воды над раскалённым углем при температуре 10000 ^оC (водяной газ, содержащий до 86% угарного газа и водорода):

C + H₂O = CO + H₂

б) Получение водорода в лабораторных условиях:

1. Метод растворения цинка в холодной соляной кислоте или в разбавленной серной кислоте:

 Zn + 2HCl = ZnCl₂ + H₂↑;
 Zn + H₂SO₄ = ZnSO₄ + H₂↑.

2. Растворение алюминия с сильными щелочами:

2Al + 2NaOH + 10H₂O = 2Na[Al(OH)₄(H₂O)₂] + 3H₂↑ 

3. Электролиз раствора КОН (электроды из листового никеля):

Катодный процесс: 2Н₂О + 2 = Н₂ + 2ОН^—;
Анодный процесс: 4ОН^— — 4 = О₂ + 4Н⁺.

4. Действие порошком алюминия на кипящую воду в присутствии нескольких капель разбавленного перманганата калия:

      _t⁰ 
        2Al + 3H₂O   →    Al₂O₃ + 3H₂↑.

5. В полевых условиях водород получают из смеси (порошок ферросилиция с сухим Са(ОН)₂ и NaOH). При поджигании данной смеси сначала она начинает тлеть, а затем наблюдается выделение водорода:

Si + Ca(OH)₂ + NaOH = Na₂SiO₃ + CaO + 2H₂↑ 

Смесь называется гидрогенит.

---

Задача 787. 
Можно ли для электролитического получения водорода использовать в качестве электролита водные растворы H₂SO₄, K₂,SO₄ KCl, CuSO₄, NaOH? Ответ обосновать.
Решение:
Электродные потенциалы калия, натрия и меди соответственно равны -2,92 В, -2,714 В и +0,337 В, а водородного электрода в кислой в щелочной  и в нейтральной средах соответственно равен 0,00 В, -0,83 В и -0,41 В. При этом на катоде происходит электрохимическое выделение водорода в зависимости от условий среды:

Катодный процесс: 
В кислой среде: 2H⁺ + 2 = Н₂↑; 
В щелочной или нейтральной среде:  2Н₂О + 2₂ = H₂  + 2ОН^—.

Следовательно, при электролизе H₂SO₄ будет разряжаться ионы водорода и  выделяться газообразный водород. 

При электролизе K₂SO₄ и KCl происходит электрохимическое восстановление воды, результатом которого  будет выделение водорода и гидроксид-ионов, потому что электродный потенциал калия (-2,92 В) значительно электроотрицательнее, чем потенциалы -0,41В и -0,83 В. 

При электролизе раствора CuSO₄ будет происходить разряд ионов меди и, при этом на катоде выделится металлическая медь, потому что электродный потенциал меди значительно положительнее, чем потенциал водородного электрода. 

При электролизе NaOH происходит электрохимическое восстановление воды, результатом которого  будет выделение водорода и гидроксид-ионов, потому что электродный потенциал натрия (-2,714 В) значительно электроотрицательнее, чем потенциалы -0,41 В и -0,83 В.

Таким образом, для электрохимического получения водорода можно использовать растворы  H₂SO₄, K₂SO₄ KCl и NaOH.

---

Задача 788. 
Железо-паровой метод получения водорода основан на обратимой реакции:
Fe + 4H₂O = Fe₃O₄ + 4H₂↑. В каких условиях следует осуществлять этот процесс, чтобы реакция протекала до практически полного окисления железа?
Решение:
Уравнение реакции имеет вид:

 3Fe + 4H₂O = Fe₃O₄ + 4H₂↑

Из уравнения реакции следует, что из четырёх молекул парообразной воды образуется четыре молекулы газообразного водорода, т.е. реакция протекает без изменения числа молей газообразных веществ, поэтому равновесие системы не нарушается при изменении давления. В данном случае при удалении продукта реакции водорода из реакционной зоны равновесие системы согласно принципу Ле Шателье сместится вправо, в сторону увеличения образования водорода. Но лучше всего выводить из реакционной системы твёрдый продукт Fe₃O₄, что будет способствовать смещению равновесия вправо, если железную окалину направлять на регенерацию, допустим посредством накаливания окалины в струе паровоздушной смеси и, затем, возвратить образуемое металлическое железо в реакционную зону. Избыток металлического железа будет способствовать ускорению реакции и, следовательно, увеличению продукта реакции. Таким образом, отведение водорода и регенерация железа способствуют протеканию реакции до практически полного окисления металлического железа.

---

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.

Урок 26. Получение водорода и его применение – HIMI4KA

У нас вышел новый курс, где всё объясняется ещё проще. Подробннее по ссылке

В уроке 26 «Получение водорода и его применение» из курса «Химия для чайников» узнаем о получении водорода в лабораториях и в промышленности, а также выясним в каких отраслях промышленности его применяют.

Водород находит широкое применение в технике и лабораторных исследованиях. Мировое промышленное производство водорода из меряется десятками миллионов тонн в год.

Выбор промышленного способа получения простых веществ зависит от того, в какой форме соответствующий элемент находится в природе. Водород находится в природе преимущественно в соединениях с атомами других элементов. Поэтому для его получения необходимо использовать химические методы. Эти же методы применяют для получения водорода и в лабораторной практике.

Получение водорода в лаборатории

В лабораториях водород получают уже известным вам способом, действуя кислотами на металлы: железо, цинк и др. Поместим на дно пробирки три гранулы цинка и прильем небольшой объем соляной кислоты. Там, где кислота соприкасается с цинком (на поверхности гранул), появляются пузырьки бесцветного газа, которые быстро поднимаются к поверхности раствора:

Атомы цинка замещают атомы водорода в молекулах кислоты, в результате чего образуется простое вещество водород Н₂, пузырьки которого выделяются из раствора. Для получения водорода таким способом можно использовать не только хлороводородную кислоту и цинк, но и некоторые другие кислоты и металлы.

Соберем водород методом вытеснения воздуха, располагая пробирку вверх дном (объясните почему), или методом вытеснения воды и проверим его на чистоту. Пробирку с собранным водородом наклоняем к пламени спиртовки. Глухой хлопок свидетельствует о том, что водород чистый; «лающий» громкий звук взрыва говорит о загрязненности его примесью воздуха.

В химических лабораториях для получения относительно небольших объемов водорода обычно применяют способ разложения воды с помощью электрического тока:

Из уравнения процесса разложения следует, что из 2 моль воды образуются 2 моль водорода и 1 моль кислорода. Следовательно, и соотношение объемов этих газов также равно:

Получение водорода в промышленности

Очевидно, что при огромных объемах промышленного производства сырьем для получения водорода должны быть легкодоступные и дешевые вещества. Такими веществами являются природный газ (метан СН₄) и вода. Запасы природного газа очень велики, а воды — практически неограниченны.

Самый дешевый способ получения водорода — разложение метана при нагревании:

Эту реакцию проводят при температуре около 1000 °С.

В промышленности водород также получают, пропуская водяные пары над раскаленным углем:

Существуют и другие промышленные способы получения водорода.

Применение водорода

Водород находит широкое практическое применение. Основные области его промышленного использования показаны на рисунке 103.

Значительная часть водорода идет на переработку нефти. Около 25 % производимого водорода расходуется на синтез аммиака NH₃. Это один из важнейших продуктов химической промышленности. Производство аммиака и азотных удобрений на его основе осуществляется в нашей стране на ОАО «Гродно Азот». Республика Беларусь поставляет азотные удобрения во многие страны мира.

В большом количестве водород расходуется на получение хлороводородной кислоты. Реакция горения водорода в

кислороде используется в ракетных двигателях, выводящих в космос летательные аппараты. Водород применяют и для получения металлов из оксидов. Таким способом получают тугоплавкие металлы молибден и вольфрам.

В пищевой промышленности водород используют в производстве маргарина из растительных масел. Реакцию горения водорода в кислороде применяют для сварочных работ. Если использовать специальные горелки, то можно повысить температуру пламени до 4000 ^оС. При такой температуре проводят сварочные работы с самыми тугоплавкими материалами.

В настоящее время в ряде стран, в том числе и в Беларуси, начаты исследования по замене невозобновляемых источников энергии (нефти, газа, угля) на водород. При сгорании водорода в кислороде образуется экологически чистый продукт — вода. А углекислый газ, вызывающий парниковый эффект (потепление окружающей среды), не выделяется.

Предполагают, что с середины XXI в. должно быть начато серийное производство автомобилей на водороде. Широкое применение найдут домашние топливные элементы, работа которых также основана на окислении водорода кислородом.

Краткие выводы урока:

1. В лаборатории водород получают действием кислот на металлы.
2. В промышленности для получения водорода используют доступное и дешевое сырье — природный газ, воду.
3. Водород — это перспективный источник энергии XXI в.

Надеюсь урок 26 «Получение водорода и его применение» был понятным и познавательным. Если у вас возникли вопросы, пишите их в комментарии. Если вопросов нет, то переходите к следующему уроку.

Хотите ещё проще? Мы создали новый курс, где максимум за 7 дней вы овладете химией с нуля. Подробннее по ссылке

создана новая технология получения водорода из воды

Инженеры из Техасского университета в Остине предложили доступный способ отделения молекулы кислорода от молекулы воды с помощью солнечного света.

Эта технология приближает наступление эры водородного топлива, которая в перспективе приведёт к полному отказу от углеводородов (нефти и газа) в качестве основных источников энергии.

Начнём с того, что водород (H) – самый распространённый химический элемент во Вселенной.

При обычных температуре и давлении воздуха на Земле водород можно встретить в виде бесцветного двухатомного газа (H₂). Однако большая часть водорода на Земле содержится в органических соединениях (в связке с углеродом) и воде (H₂O).

В присутствии воздуха H₂ становится в высшей степени взрывоопасен — при реакции водорода с кислородом высвобождается большое количество энергии.

Поэтому исследователи уже давно рассматривают водород как один из перспективных источников энергии, а создание и использование водородного топлива считается будущим энергетической промышленности.

У водородного топлива есть множество плюсов — оно позволит сократить выбросы углекислого газа в атмосферу, к тому же КПД водородного двигателя заметно выше, чем у двигателя внутреннего сгорания.

При этом минусов у водородного транспорта на сегодняшний день насчитывается тоже немало. Очевидно, что горючесть водорода представляет высокую опасность: как самовоспламенения сжатого газа внутри двигателя, так и возможной утечки газа в салон автомобиля, где малейшая искра может вызвать взрыв.

Кроме этого, сегодня производство водородного топлива зависит от ископаемых углеводородов, и к тому же стоит непомерно дорого.

Поэтому инженеры всего мира стремятся разработать новые экологические чистые методы производства водородного топлива, самым популярным из которых является выделение водорода из воды с помощью солнечного света.

Эта задача сопряжена с несколькими техническими трудностями.

«Вам потребуются материалы, которые хорошо поглощают солнечный свет, но при этом не разлагаются, когда происходит реакция расщепления воды. Оказывается, материалы, которые хорошо поглощают солнечный свет, обычно нестабильны в условиях, которые требуются для реакции расщепления воды, в то время как стабильные материалы плохо поглощают свет», – объясняет соавтор работы профессор Эдвард Юй (Edward Yu) из Техасского университета в Остине.

Всё выглядит так, будто эти противоречивые требования заставляют учёных искать некий компромисс, однако разрешить этот «конфликт» можно и другим способом. Использование комбинации разных материалов – одного, который хорошо поглощает солнечный свет (к примеру, кремния), и другого, который обеспечивает стабильность разработки (такого как диоксид кремния) – поможет в создании эффективной технологии расщепления воды.

Именно этим способом и воспользовались авторы новой разработки.

Главный прорыв, который удалось совершить исследователям, заключается в создании электропроводящих путей сквозь толстый слой диоксида кремния. Для этого инженеры покрывают диоксид кремния тонким слоем алюминия и нагревают получившуюся структуру. Так получаются наноразмерные «шипы» алюминия по всей поверхности диоксида кремния. После этой процедуры их легко можно заменить никелем или другими материалами, ускоряющими расщепление воды.

Этот метод не требует больших финансовых вложений, более того, его легко можно масштабировать для больших объёмов производства. Это ли не мечта любого сторонника водородной энергетики?

Освещённое солнечным светом устройство эффективно окисляет воду, образуя, с одной стороны, молекулы кислорода, а на отдельном электроде — молекулы водорода. Оно также доказало свою стабильность при длительной эксплуатации.

Внешний вид устройства.

Методы, которые использовались для создания этого устройства, уже широко применяются в производстве полупроводниковой электроники. Опять же, это значит, что их легко будет внедрить в массовое производство устройств, генерирующих водород.

Команда инженеров, создавших этот прибор, уже подала заявку на патент нового устройства. Далее исследователи планируют работать над увеличением скорости реакции расщепления воды. В то же время перед ними продолжает стоять основная задача — эффективное получение водорода с помощью этого устройства.

«Сначала мы смогли обратиться к кислородной стороне этой реакции, это было самой сложной задачей. Но чтобы полностью расщепить молекулу воды, необходимо выполнить реакции выделения как кислорода, так и водорода. Поэтому нашим очередным шагом станет применение существующих идей для создания устройств, обеспечивающих водородную часть реакции», – добавил профессор Юй.

Работа американских учёных была опубликована в июне 2021 года в издании Nature Communications.

Напомним, ранее мы писали о техническом прорыве, который поможет в создании полностью прозрачных солнечных элементов. Сообщали мы и о новом катализаторе, который сделает производство водородного топлива более доступным.

Больше новостей из мира науки вы найдёте в разделе «Наука» на медиаплатформе «Смотрим».

Производство водорода — Управление энергетической информации США (EIA)

Как производится водород?

Чтобы произвести водород, он должен быть отделен от других элементов в молекулах, в которых он находится. Есть много различных источников водорода и способов его производства для использования в качестве топлива. Двумя наиболее распространенными методами производства водорода являются паровой конверсии метана и электролиз (разделение воды на электричество.Исследователи изучают другие методы.

Процессы производства водорода

Источник: Министерство энергетики США, Управление энергоэффективности и возобновляемых источников энергии, Производство водорода (общественное достояние)

Нажмите для увеличения

Паровой риформинг метана — широко используемый метод получения коммерческого водорода

На паровой риформинг метана приходится почти весь коммерчески производимый водород в Соединенных Штатах.Коммерческие производители водорода и нефтеперерабатывающие заводы используют паровой риформинг метана для отделения атомов водорода от атомов углерода в метане (Ch5). При паровом риформинге метана высокотемпературный пар (от 1300 ° F до 1800 ° F) под давлением 3–25 бар (1 бар = 14,5 фунтов на квадратный дюйм) реагирует с метаном в присутствии катализатора с образованием водорода, окиси углерода. , и относительно небольшое количество диоксида углерода.

Природный газ является основным источником метана для производства водорода промышленными предприятиями и нефтеперерабатывающими заводами.Свалочный газ / биогаз, который можно назвать биометаном , является источником водорода для нескольких электростанций на топливных элементах в Соединенных Штатах. Биотопливо и нефтяное топливо также являются потенциальными источниками метана.

Электролиз использует электричество

Электролиз — это процесс отделения водорода от воды с помощью электрического тока. Электролиз обычно используется для демонстрации химических реакций и производства водорода на уроках естественных наук в средней школе. В крупном промышленном масштабе процесс может называться power-to-gas , где power — электричество, а водород — газ .Сам по себе электролиз не производит никаких побочных продуктов или выбросов, кроме водорода и кислорода. Электроэнергия для электролиза может поступать из возобновляемых источников, таких как гидроэнергия, солнечная энергия или энергия ветра. Если электричество для электролиза производится из ископаемого топлива (уголь, природный газ и нефть) или сжигания биомассы, то соответствующее воздействие на окружающую среду и выбросы углекислого газа косвенно связаны с электролизом.

Другие способы получения водорода

• Использование микробов, которые используют свет для производства водорода
• Преобразование биомассы в газ или жидкость и отделение водорода
• Использование технологий солнечной энергии для отделения водорода от молекул воды

Категории водорода

Производители водорода, продавцы, государственные учреждения и другие организации могут классифицировать или определять водород в соответствии с источниками энергии для его производства.Например, водород, произведенный с использованием возобновляемых источников энергии, может называться возобновляемым водородом или зеленым водородом . Водород, полученный из угля, может называться коричневым водородом , а водород, полученный из природного газа или нефти, может называться серым водородом . Производство коричневого или серого водорода в сочетании с улавливанием и хранением / секвестрацией углерода может обозначаться как синий водород .

Последнее обновление: 7 января 2021 г.

Центр данных по альтернативным видам топлива: производство и распределение водорода

Несмотря на то, что водород присутствует в большом количестве на Земле как элемент, он почти всегда присутствует в составе другого соединения, такого как вода (H ₂ O) или метан (CH ₄ ), и его необходимо разделить на чистый водород (H ₂ ) для использования в электромобилях на топливных элементах.Водородное топливо соединяется с кислородом воздуха через топливный элемент, создавая электричество и воду в результате электрохимического процесса.

Производство

Водород можно производить из различных внутренних ресурсов, включая ископаемое топливо, биомассу и электролиз воды с помощью электричества. Воздействие водорода на окружающую среду и энергоэффективность зависят от того, как он производится. Реализуется несколько проектов по снижению затрат, связанных с производством водорода.

Есть несколько способов производства водорода:

• Риформинг / газификация природного газа: Синтез-газ — смесь водорода, монооксида углерода и небольшого количества диоксида углерода — образуется в результате реакции природного газа с высокотемпературным паром.Окись углерода реагирует с водой с образованием дополнительного водорода. Этот метод самый дешевый, эффективный и самый распространенный. На конверсию природного газа с использованием пара приходится большая часть водорода, ежегодно производимого в Соединенных Штатах.

  Синтез-газ также может быть создан путем реакции угля или биомассы с высокотемпературным паром и кислородом в газогенераторе под давлением. Это превращает уголь или биомассу в газообразные компоненты — процесс, называемый газификацией . Полученный синтез-газ содержит водород и монооксид углерода, который реагирует с водяным паром для отделения водорода.

• Электролиз: Электрический ток расщепляет воду на водород и кислород. Если электричество производится из возобновляемых источников, таких как солнце или ветер, образующийся водород также будет считаться возобновляемым и имеет множество преимуществ по выбросам. Набирают обороты проекты по производству водорода из возобновляемых источников энергии, когда они доступны, для производства водорода посредством электролиза.

• Возобновляемый жидкий риформинг: Возобновляемое жидкое топливо, такое как этанол, реагирует с высокотемпературным паром с образованием водорода вблизи точки конечного использования.

• Ферментация: Биомасса превращается в сырье, богатое сахаром, которое можно сбраживать для получения водорода.

Несколько методов производства водорода находятся в стадии разработки:

Основными производителями водорода являются Калифорния, Луизиана и Техас. Сегодня почти весь водород, производимый в Соединенных Штатах, используется для очистки нефти, обработки металлов, производства удобрений и обработки пищевых продуктов.

Основной задачей производства водорода является снижение стоимости технологий производства, чтобы сделать получаемый водород конкурентоспособным по стоимости по сравнению с обычным транспортным топливом.Государственные и промышленные научно-исследовательские и опытно-конструкторские проекты снижают стоимость, а также снижают воздействие на окружающую среду технологий производства водорода. Узнайте больше о производстве водорода в Управлении технологий производства водорода и топливных элементов.

Распределение

Большая часть водорода, используемого в Соединенных Штатах, производится там или поблизости от того места, где он используется, обычно на крупных промышленных предприятиях. Инфраструктура, необходимая для распределения водорода по общенациональной сети заправочных станций, необходимых для повсеместного использования электромобилей на топливных элементах, все еще нуждается в развитии.Первоначальное развертывание транспортных средств и станций сосредоточено на построении этих распределительных сетей, в первую очередь в южной и северной Калифорнии.

В настоящее время водород распределяется тремя способами:

• Трубопровод: Это наименее затратный способ доставки больших объемов водорода, но его мощность ограничена, поскольку в настоящее время в Соединенных Штатах имеется всего около 1600 миль трубопроводов для доставки водорода. Эти трубопроводы расположены недалеко от крупных нефтеперерабатывающих и химических заводов в Иллинойсе, Калифорнии и на побережье Мексиканского залива.

• Трубчатые прицепы высокого давления: Транспортировка сжатого водородного газа грузовиком, железнодорожным вагоном, кораблем или баржей в трубчатых прицепах высокого давления является дорогостоящей и используется в основном на расстояния до 200 миль или меньше.

• Цистерны для сжиженного водорода: Криогенное сжижение — это процесс, при котором водород охлаждается до температуры, при которой он становится жидкостью. Хотя процесс сжижения является дорогостоящим, он позволяет транспортировать водород более эффективно (по сравнению с трубными прицепами высокого давления) на большие расстояния грузовиком, железнодорожным вагоном, кораблем или баржей.Если сжиженный водород не используется с достаточно высокой скоростью в точке потребления, он выкипает (или испаряется) из резервуаров для хранения. В результате необходимо тщательно согласовывать скорости доставки и потребления водорода.

Создание инфраструктуры для распределения и доставки водорода на тысячи будущих заправочных станций представляет собой множество проблем. Поскольку водород содержит меньше энергии на единицу объема, чем все другие виды топлива, его транспортировка, хранение и доставка к месту конечного использования обходятся дороже в пересчете на один галлон бензина.Строительство новой сети водородных трубопроводов связано с высокими начальными капитальными затратами, а свойства водорода создают уникальные проблемы для материалов трубопроводов и конструкции компрессора. Однако, поскольку водород можно производить из самых разных ресурсов, региональное или даже местное производство водорода может максимально использовать местные ресурсы и минимизировать проблемы с распределением.

Следует учитывать компромисс между централизованным и распределенным производством. Централизованное производство водорода на крупных заводах снижает производственные затраты, но увеличивает затраты на сбыт.Производство водорода в точке конечного использования — например, на заправочных станциях — снижает затраты на сбыт, но увеличивает производственные затраты из-за затрат на создание производственных мощностей на месте.

Государственные и промышленные научно-исследовательские и опытно-конструкторские проекты преодолевают препятствия на пути к эффективному распределению водорода. Узнайте больше о распределении водорода в Управлении технологий водорода и топливных элементов.

Производство водорода: термохимическое расщепление воды

При термохимическом расщеплении воды используются высокие температуры — от концентрированной солнечной энергии или отходящего тепла ядерных энергетических реакций — и химических реакций для получения водорода и кислорода из воды.Это долгосрочный технологический путь с потенциально низкими выбросами парниковых газов или их отсутствием.

Как это работает?

В процессах термохимического расщепления воды используется высокотемпературное тепло (500–2000 ° C) для запуска ряда химических реакций, в результате которых образуется водород. Химические вещества, используемые в процессе, повторно используются в каждом цикле, создавая замкнутый цикл, который потребляет только воду и производит водород и кислород. Необходимые высокие температуры могут быть созданы следующими способами:

• Концентрация солнечного света на башне реактора с использованием поля зеркальных «гелиостатов», как показано на рисунке 1.Для получения дополнительной информации см. Главу 5 исследования SunShot Vision.
• Использование отработанного тепла усовершенствованных ядерных реакторов. Для получения дополнительной информации см. План исследований и разработок в области атомного водорода Министерства энергетики США.

Были исследованы многочисленные циклы солнечного термохимического расщепления воды для производства водорода, каждый с различными наборами рабочих условий, инженерными проблемами и возможностями производства водорода. Фактически, в литературе описано более 300 циклов разделения воды.Для получения дополнительной информации см. Исследования по солнечному термохимическому производству водорода: выбор термохимического цикла и инвестиционный приоритет.

Два примера термохимических циклов разделения воды, «прямой» двухступенчатый термический цикл оксида церия и «гибридный» цикл хлорида меди, показаны на рисунке 2. Обычно прямые циклы менее сложны с меньшим количеством этапов, но они требуют более высоких рабочих режимов. температуры по сравнению с более сложными гибридными циклами.

Почему рассматривается этот путь?

Циклы высокотемпературного термохимического расщепления воды с использованием солнечной и ядерной энергии производят водород с почти нулевыми выбросами парниковых газов с использованием воды и солнечного света или ядерной энергии.

Исследования направлены на преодоление трудностей

Однако остаются проблемы в исследованиях, разработке и демонстрации коммерчески жизнеспособных термохимических циклов и реакторов:

• Необходимо повысить эффективность и долговечность реагентов для термохимического цикла.
• Необходимо разработать эффективные и надежные конструкции реакторов, совместимые с высокими температурами и тепловым циклом.
• Для солнечных термохимических систем необходимо снизить стоимость систем концентрирующих зеркал.

Захватывающий прогресс продолжается в этой области, используя синергию с технологиями концентрированной солнечной энергии и с новыми технологиями производства солнечного топлива.

Текущее состояние и будущие разработки

Водород (H ₂ ) в настоящее время используется в основном в химической промышленности для производства аммиака и метанола. Тем не менее, в ближайшем будущем ожидается, что водород станет важным топливом, которое в значительной степени будет способствовать повышению качества атмосферного воздуха.Водород как химический элемент (H) является наиболее распространенным на Земле, а молекулярный дигидроген (H ₂ ) может быть получен из ряда возобновляемых и невозобновляемых источников с помощью различных процессов. До сих пор в мировом производстве водорода преобладали ископаемые виды топлива, при этом наиболее важными современными технологиями были паровой риформинг углеводородов (например, природного газа). Чистый водород также получают путем электролиза воды — энергоемкого процесса. В этой работе рассматриваются современные технологии, используемые для производства водорода (H ₂ ) как из ископаемых, так и из возобновляемых ресурсов биомассы, включая риформинг (пар, частичное окисление, автотермический, плазменный и водный) и пиролиз.Кроме того, обсуждаются другие методы получения водорода (например, электролиз воды) и методы очистки, такие как реакции десульфуризации и конверсии водяного газа.

1. Введение

Водород — самый простой и самый распространенный элемент на Земле. Водород легко соединяется с другими химическими элементами и всегда находится в составе другого вещества, такого как вода, углеводород или спирт. Водород также содержится в природной биомассе, в которую входят растения и животные.По этой причине он считается энергоносителем , а не источником энергии.

Водород можно производить с использованием различных внутренних ресурсов, включая ядерную энергию, природный газ и уголь, биомассу и другие возобновляемые источники. К последним относятся солнечная, ветровая, гидроэлектрическая или геотермальная энергия. Такое разнообразие внутренних источников энергии делает водород перспективным энергоносителем и важным для энергетической безопасности. Желательно, чтобы водород производился с использованием различных ресурсов и технологических процессов или способов.Производство водорода может быть достигнуто с помощью различных технологических процессов, включая термические (риформинг природного газа, переработка возобновляемых жидкостей и бионефти, биомасса и газификация угля), электролитические (разделение воды с использованием различных энергетических ресурсов) и фотолитические (разделение воды. использование солнечного света через биологические и электрохимические материалы).

Годовое производство водорода оценивается примерно в 55 миллионов тонн, при этом его потребление увеличивается примерно на 6% в год.Водород можно производить разными способами из широкого спектра исходного сырья. В настоящее время водород в основном производится путем паровой конверсии природного газа, процесса, который приводит к массовым выбросам парниковых газов [1, 2]. Около 50% мирового спроса на водород в настоящее время формируется за счет парового риформинга природного газа, около 30% — за счет риформинга нефти / нафты из отходящих газов нефтеперерабатывающих заводов / химических промышленных предприятий, 18% — за счет газификации угля, 3,9% — за счет электролиза воды и 0,1% из других источников [3].Электролитические и плазменные процессы демонстрируют высокую эффективность получения водорода, но, к сожалению, они считаются энергоемкими процессами [4].

Фундаментальный вопрос заключается в разработке технологий производства водорода, альтернативных технологиям, основанным на ископаемом топливе, особенно для его использования в качестве топлива в транспортном секторе. С этой проблемой можно столкнуться при использовании альтернативных возобновляемых ресурсов и связанных с ними методов производства, таких как газификация или пиролиз биомассы, электролитический, фотолитический и термический крекинг воды.Однако невозможно рассматривать только экологическую перспективу, поскольку, например, фотолитический крекинг воды является экологически безопасным, но его эффективность для промышленного использования очень низка. Таким образом, очевидно, что процессы, которые необходимо учитывать, должны учитывать не только экологические проблемы, но и наиболее благоприятные экономические факторы.

2. Водород из ископаемого топлива

Технологии переработки ископаемого топлива преобразуют водородсодержащие материалы, полученные из ископаемых видов топлива, таких как бензин, углеводороды, метанол или этанол, в поток газа, обогащенного водородом.Сегодня переработка метана (природного газа) в качестве топлива является наиболее распространенной коммерческой технологией производства водорода. Большинство ископаемых видов топлива содержат определенное количество серы, удаление которой является важной задачей при планировании водородной экономики. В результате также будет обсуждаться процесс обессеривания. Кроме того, будет представлена ​​недавно разработанная многообещающая технология плазменного риформинга.

Водородный газ можно производить из углеводородного топлива с помощью трех основных технологий: (i) паровой риформинг (SR), (ii) частичное окисление (POX) и (iii) автотермический риформинг (ATR).Эти технологии производят большое количество оксида углерода (CO). Таким образом, на последующем этапе один или несколько химических реакторов используются для значительного превращения CO в диоксид углерода (CO ₂ ) посредством реакций конверсии водяного газа (WGS) и предпочтительного окисления (PrOx) или метанирования, которые описаны ниже. .

2.1. Паровой риформинг

Паровой риформинг в настоящее время является одним из наиболее распространенных и в то же время наименее дорогих процессов производства водорода [5]. Его преимущество заключается в высокой эффективности его работы и низких эксплуатационных и производственных затратах.Наиболее часто используемым сырьем являются природный газ и легкие углеводороды, метанол и другие кислородсодержащие углеводороды [6]. Схема реакций риформинга углеводородов и метанола, используемых в качестве сырья, следующая [7]:

Весь процесс состоит из двух этапов. На первом этапе углеводородное сырье смешивается с паром и подается в трубчатый каталитический реактор [8]. Во время этого процесса синтез-газ (газовая смесь H ₂ / CO) производится с более низким содержанием CO ₂ ((1) и (2)).Требуемая температура реакции достигается добавлением кислорода или воздуха для сжигания части исходного материала (греющего газа) внутри реактора. На втором этапе охлажденный газообразный продукт подается в каталитический нейтрализатор CO, где монооксид углерода в значительной степени превращается с помощью пара в диоксид углерода и водород (3). Каталитический процесс парового риформинга требует сырья, свободного от серосодержащих соединений, чтобы избежать дезактивации используемого катализатора.

Процесс SR требует умеренных температур, например, 180 ° C для метанола и кислородсодержащих углеводородов и более 500 ° C для большинства обычных углеводородов [9, 10].Используемые катализаторы можно разделить на два типа: неблагородные металлы (обычно никель) и драгоценные металлы из элементов VIII группы (обычно платина или родий). Из-за серьезных ограничений массо- и теплопередачи обычные установки парового риформинга ограничены коэффициентом эффективности гранулированных катализаторов, который обычно составляет менее 5% [11]. Поэтому кинетика редко является ограничивающим фактором для обычных реакторов парового риформинга [12], и поэтому в промышленности используются менее дорогие никелевые катализаторы.

Важным фактором, характеризующим процесс SR, является соотношение атомов H: C в исходном материале. Чем выше это соотношение, тем меньше выделяется углекислый газ. Мембранный реактор может заменить оба реактора в обычном процессе SR для достижения общей реакции (2) [13]. Тепловая эффективность производства водорода с помощью SR процесса метана в промышленных масштабах составляет около 70–85% [14]. Ряд других видов сырья также возможно для достижения этой эффективности в ближайшем будущем, например, твердые коммунальные отходы, отходы пищевой промышленности, масла, целенаправленно выращиваемая или отработанная сельскохозяйственная биомасса, а также топливо ископаемого происхождения, такое как уголь.Недостатком является высокое производство CO ₂ , ок. 7,05 кг CO ₂ / кг H ₂ .

2.2. Частичное окисление

Частичное окисление (POX) и каталитическое частичное окисление (CPOX) углеводородов было предложено для производства водорода для автомобильных топливных элементов и некоторых других коммерческих приложений [15, 16]. Газифицированное сырье может представлять собой метан и биогаз, но в первую очередь тяжелые нефтяные фракции (например, вакуумные остатки, топочный мазут), дальнейшая обработка и утилизация которых затруднены [17].POX — это некаталитический процесс, при котором сырье газифицируется в присутствии кислорода ((5) и (6)) и, возможно, пара ((7), ATR) при температурах в диапазоне 1300-1500 ° C и давлениях в диапазон 3–8 МПа. По сравнению с паровым риформингом (H ₂ : CO = 3: 1) образуется больше CO (H ₂ : CO = 1: 1 или 2: 1). Таким образом, процесс дополняется преобразованием CO с паром в H ₂ и CO ₂ . Эта реакция способствует поддержанию равновесия между отдельными продуктами реакции [18]:

Газовая смесь, образованная в результате частичного окисления, содержит CO, CO ₂ , H ₂ O, H ₂ , CH ₄ , сероводород (H ₂ S) и оксисульфид углерода (COS).Часть газа сжигается, чтобы обеспечить достаточно тепла для эндотермических процессов. Сажа, образующаяся при разложении ацетилена как промежуточного продукта, является нежелательным продуктом. Его количество зависит от доли H: C в исходном топливном сырье. Поэтому, как и в случае с SR, была предпринята попытка перейти на сырье с более высоким соотношением H: C, например, на природный газ. Хотя эксплуатация реактора дешевле по сравнению с паровым риформингом, последующая конверсия делает эту технологию более дорогой.Поскольку процесс не требует использования катализатора, нет необходимости удалять сернистые элементы из природного газа, что снижает эффективность катализатора. Сернистые соединения, содержащиеся в газифицированном сырье, превращаются в сероводород (около 95%) и оксисульфид углерода (около 5%) [19].

Катализаторы могут быть добавлены в систему частичного окисления (CPOX) для снижения рабочей температуры, прибл. 700–1000 ° С. Однако контроль температуры оказывается затруднительным из-за образования кокса и горячих точек из-за экзотермического характера реакций [10, 15, 16, 20].Для конверсии природного газа катализаторы обычно основаны на Ni или Rh. Однако никель имеет сильную склонность к коксованию, и стоимость Rh значительно выросла. Krummenacher et al. [16] удалось использовать каталитическое частичное окисление декана, гексадекана и дизельного топлива. Высокие рабочие температуры (> 800 ° C) [16] и соображения безопасности могут затруднить их использование для практичных и компактных портативных устройств из-за регулирования температуры [21]. Обычно тепловой КПД реакторов POX с метаном в качестве топлива находится в диапазоне 60–75% [22].

2.3. Автотермический риформинг

Как упоминалось ранее, в автотермическом риформинге (ATR) пар добавляется в процессе каталитического частичного окисления. ATR представляет собой комбинацию реакций парового риформинга (эндотермических) и частичного окисления (экзотермических) [23]. Преимущество ATR состоит в том, что он не требует внешнего тепла, а также проще и дешевле, чем SR метана.

Диапазон работы топливного процессора для производства водорода показан на рисунке 1. Выбор условий работы установки риформинга зависит от конкретной цели.Основная цель — высокий выход водорода при низком содержании окиси углерода. Для парового риформинга возможны максимальная водородная эффективность и низкое содержание окиси углерода. Однако паровой риформинг — это эндотермический процесс и, следовательно, требует больших затрат энергии. Эта энергия должна передаваться в систему извне.

Еще одно существенное преимущество ATR перед процессом SR состоит в том, что его можно очень быстро остановить и запустить, производя при этом большее количество водорода, чем только POX [23].Есть некоторые ожидания, что этот процесс станет привлекательным для отрасли «газ-жидкость» из-за благоприятного состава газа для синтеза Фишера-Тропша, относительной компактности ATR, более низких капитальных затрат и потенциальной экономии за счет масштаба [24]. Для риформинга метана термический КПД сопоставим с КПД POX (около 60–75%) и немного меньше, чем у парового риформинга. Бензин и другие высшие углеводороды могут быть преобразованы в водород на борту для использования в автомобилях с помощью автотермического процесса с использованием подходящих катализаторов [25].

2.4. Сдвиг вода-газ, предпочтительное окисление и метанирование

В процессе риформинга образуется смесь продуктового газа со значительными концентрациями монооксида углерода, часто 5 об.% Или более (около 10 об.%) [10]. Чтобы увеличить количество водорода, газообразный продукт пропускают через реактор конверсии водяного газа (WGS), чтобы уменьшить содержание монооксида углерода, одновременно увеличивая содержание водорода (3). Обычно желательна высокая температура, чтобы способствовать быстрой кинетике.Однако это приводит к высокой равновесной селективности по монооксиду углерода и снижению выхода водородного продукта. Таким образом, снижение содержания CO в синтез-газе достигается в двухстадийном процессе, который включает высоко- и низкотемпературную реакцию конверсии водяного газа, известную как процессы «HTS» и «LTS», соответственно (рис. 2). . На первом этапе, проводимом в интервале 310–450 ° C с использованием катализатора Fe ₃ O ₄ / Cr ₂ O ₃ , концентрация СО снижается с 10 до 3 об.%.На втором этапе, проводимом в диапазоне 180–250 ° C, содержание CO дополнительно снижается до низкого уровня 500 ppm с использованием катализаторов Cu / ZnO / Al ₂ O ₃ [26].

Для дальнейшего снижения содержания монооксида углерода в газообразном продукте используется реактор преференциального окисления (PrOx) или реактор селективного метанирования моноксида углерода [10, 27]. Иногда вместо предпочтительного окисления используется термин «селективное окисление». Селективное окисление относится к восстановлению монооксида углерода в топливном элементе, обычно топливном элементе с протонообменной мембраной (PEM), тогда как предпочтительное окисление происходит в реакторе вне топливного элемента [27].Реакторы PrOx и метанирования имеют свои преимущества и проблемы. Реактор предпочтительного окисления увеличивает сложность системы, поскольку в систему необходимо добавлять воздух в точных концентрациях [10, 27]. Однако эти реакторы компактны, и если вводится избыточное количество воздуха, некоторое количество водорода сгорает.

Реакторы метанирования проще в том, что не требуется воздуха. Однако на каждый прореагировавший CO расходуется три молекулы H ₂ . Кроме того, CO ₂ реагирует с водородом, и необходимо поддерживать тщательный контроль условий в реакторе, чтобы минимизировать ненужное потребление водорода.В настоящее время преимущественное окисление является основным разрабатываемым методом [27]. Катализаторы обычно представляют собой благородные металлы, такие как платина, рутений или родий, нанесенные на Al ₂ O ₃ [10, 27]. В то же время, H ₂ очищается с помощью альтернативных подходов, а именно адсорбции при переменном давлении, криогенной дистилляции и мембранных технологий, которые могут обеспечить необходимую чистоту водорода (около 98-99%). Наиболее выгодным методом очистки газов является адсорбция при переменном давлении из-за его высокой эффективности (> 99.99%) и гибкость.

2,5. Десульфуризация

Как обсуждалось ранее, в настоящее время производство водорода происходит в основном за счет переработки природного газа, хотя благодаря значительным достижениям в топливных элементах повышенное внимание уделяется другим видам топлива, таким как метанол, пропан, бензин, и топливам для логистики, таким как как Jet-A, дизель и JP8 [28]. За исключением метанола, все эти виды топлива содержат некоторое количество серы, причем конкретные серосодержащие соединения зависят от типа и источника топлива.По этой причине обессеривание считается очень важным шагом в технологиях переработки топлива.

Процессы обессеривания можно классифицировать в зависимости от характера основного физико-химического процесса, используемого для удаления серы (рис. 3). Наиболее развитыми и коммерчески доступными технологиями являются те, которые каталитически превращают сероорганические соединения с удалением серы. Такие технологии каталитической конверсии включают обычную гидродесульфуризацию (HDS), гидроочистку с использованием усовершенствованных катализаторов и / или конструкции реакторов, а также комбинацию гидроочистки с некоторыми дополнительными химическими процессами для поддержания технических характеристик топлива [29, 30].Основной особенностью технологий второго типа является применение физико-химических процессов, отличных по природе от каталитического HDS, для отделения и / или преобразования сероорганических соединений из потоков нефтепереработки. Такие технологии включают, в качестве ключевого шага, дистилляцию, алкилирование, окисление, экстракцию, адсорбцию или их комбинацию [31].

2.6. Плазменный риформинг

В случае плазменного риформинга сеть реакций риформинга такая же, как и при обычном риформинге.Однако энергия и свободные радикалы, используемые для реакции риформинга, обеспечиваются плазмой, обычно генерируемой с помощью электричества или тепла [32–35]. Когда вода или пар впрыскиваются вместе с топливом, помимо электронов образуются радикалы H ^• , OH ^• и O ^• , что создает условия для протекания как восстановительных, так и окислительных реакций. . Технологии плазменного риформинга были разработаны для облегчения POX, ATR и парового риформинга, при этом большинство реакторов являются POX и ATR [35].По сути, существует две основные категории плазменного риформинга: термический и нетепловой [35].

Плазменные устройства, называемые плазмотронами, могут генерировать очень высокие температуры (примерно> 2000 ° C) с высокой степенью контроля с помощью электричества [32–35]. Вырабатываемое тепло не зависит от химии реакции, и оптимальные рабочие условия могут поддерживаться в широком диапазоне скоростей подачи и составов газа. Компактность установки плазменного риформинга обеспечивается высокой плотностью энергии, связанной с самой плазмой, и уменьшенным временем реакции, что приводит к короткому времени пребывания.Потоки богатого водородом газа могут быть эффективно получены в установках плазменного риформинга из различных углеводородных топлив (например, бензина, дизельного топлива, нефти, биомассы, природного газа и реактивного топлива) с эффективностью преобразования, близкой к 100% [32, 36]. Технология плазменного риформинга имеет потенциальные преимущества перед традиционными технологиями производства водорода [32–35]. Условия плазмы (например, высокие температуры, высокая степень диссоциации и значительная степень ионизации) могут использоваться для ускорения термодинамически благоприятных химических реакций без катализатора или обеспечения энергии, необходимой для протекания процессов эндотермического риформинга.Установки плазменного риформинга могут обеспечить ряд преимуществ, а именно компактность и малый вес (благодаря высокой удельной мощности), высокую эффективность преобразования, минимальную стоимость (простые металлические или угольные электроды и простые источники питания), быстрое время отклика (доли секунды), работа с широким спектром видов топлива, включая тяжелые углеводороды (сырая нефть) и «грязные» углеводороды (дизельное топливо с высоким содержанием серы). Эта технология может быть использована для производства водорода для различных стационарных применений, таких как распределенное и экологически чистое производство электроэнергии для топливных элементов [32].Его также можно использовать для мобильных приложений (например, для производства водорода на борту транспортных средств с топливными элементами) и для заправки топливом (например, стационарных источников водорода для транспортных средств).

Единственными недостатками плазменного риформинга являются зависимость от электричества и сложность работы при высоком давлении (требуется для процессов высокого давления, таких как производство аммиака). Высокое давление, хотя и достижимо, увеличивает эрозию электрода из-за снижения подвижности дуги и, следовательно, сокращает срок службы электрода [33].

3. Водород из возобновляемых источников

Водород может также производиться другими методами, кроме риформинга ископаемого топлива. Краткое описание подходов на основе биомассы (например, газификации, пиролиза и реформинга водной фазы) наряду с получением водорода из воды (например, электролиз, фотоэлектролиз и термохимическое расщепление воды) описано ниже.

3.1. Газификация биомассы

Ожидается, что в ближайшем будущем биомасса станет наиболее вероятным возобновляемым органическим заменителем нефти.Биомассу можно получить из широкого спектра источников, таких как отходы животноводства, твердые бытовые отходы, растительные остатки, древесные культуры с коротким севооборотом, сельскохозяйственные отходы, опилки, водные растения, виды травянистых растений с коротким оборотом (например, просо), макулатура, кукуруза. , и многие другие [37, 38].

Технология газификации, обычно используемая с биомассой и углем в качестве топливного сырья, очень зрелая и коммерчески используется во многих процессах. Это разновидность пиролиза, и поэтому он основан на частичном окислении исходного материала до смеси водорода, метана, высших углеводородов, монооксида углерода, диоксида углерода и азота, известной как «генераторный газ» [37].Процесс газификации обычно страдает низкой термической эффективностью, поскольку влага, содержащаяся в биомассе, также должна испаряться. Его можно проводить с катализатором или без него, а также в реакторе с неподвижным или псевдоожиженным слоем, причем последний реактор обычно имеет лучшую производительность [38]. Добавление пара и / или кислорода в процессе газификации приводит к получению «синтез-газа» с соотношением H ₂ / CO 2/1, последний используется в качестве сырья для реактора Фишера-Тропша для получения высших углеводородов (синтетических бензин и дизельное топливо) или в реактор WGS для производства водорода [38].Перегретый пар (около 900 ° C) использовался для преобразования сухой биомассы для достижения высоких выходов водорода. Однако процесс газификации обеспечивает значительное количество «смол» (сложная смесь высших ароматических углеводородов) в газообразном продукте даже при работе в диапазоне 800–1000 ° C. Вторичный реактор, в котором используется кальцинированный доломит и / или никелевый катализатор, используется для каталитической очистки и повышения качества получаемого газа [38]. В идеале на этих газификационных установках следует использовать кислород; однако установка отделения кислорода является непомерно высокой для малых предприятий.Это ограничивает газификаторы использованием воздуха, что приводит к значительному разбавлению продукта, а также к образованию NO _x . Для этой технологии необходимы недорогие и эффективные кислородные сепараторы. Для производства водорода можно использовать процесс WGS для увеличения концентрации водорода с последующим процессом разделения для получения чистого водорода [39]. Обычно реакторы газификации строятся в больших масштабах и требуют непрерывной подачи огромного количества материала. Они могут достигать КПД порядка 35–50% в зависимости от более низкой теплотворной способности [4].Одна из проблем этой технологии заключается в том, что необходимо использовать огромное количество ресурсов для сбора большого количества биомассы на центральную перерабатывающую установку. В настоящее время высокие логистические затраты на газификационные установки и удаление «смол» до приемлемых уровней для производства чистого водорода ограничивают коммерциализацию производства водорода на основе биомассы. Для этой технологии для рентабельного производства водорода может потребоваться дальнейшая разработка эффективных распределенных газификационных установок меньшего размера.

3.2. Пиролиз и копиролиз

Другим перспективным в настоящее время способом получения водорода является пиролиз или копиролиз. Органическое сырье нагревается и газифицируется при давлении 0,1–0,5 МПа в диапазоне 500–900 ° C [40–43]. Процесс происходит в отсутствие кислорода и воздуха, поэтому образование диоксинов практически исключено. Поскольку вода или воздух отсутствуют, оксиды углерода (например, CO или CO ₂ ) не образуются, что устраняет необходимость во вторичных реакторах (WGS, PrOx и т. Д.)). Следовательно, этот процесс обеспечивает значительное сокращение выбросов. Однако, если присутствует воздух или вода (материалы не были высушены), будут произведены значительные выбросы CO _x . Среди преимуществ этого процесса — топливная гибкость, относительная простота и компактность, чистый побочный продукт углерода и сокращение выбросов CO _x [40–43]. Реакцию обычно можно описать следующим уравнением: [41]

По температурному диапазону процессы пиролиза делятся на низкие (до 500 ° C), средние (500–800 ° C) и высокие (более 800 ° C).Быстрый пиролиз — один из новейших процессов превращения органических материалов в продукты с более высоким содержанием энергии. Продукты быстрого пиролиза появляются во всех образующихся фазах (твердой, жидкой и газообразной). Одной из проблем с этим подходом является возможность загрязнения образующимся углеродом, но его сторонники утверждают, что это можно свести к минимуму с помощью соответствующей конструкции. Поскольку он имеет потенциал для более низких выбросов CO и CO ₂ и может работать таким образом, чтобы извлекать значительное количество твердого углерода, который легко улавливается [41, 44], пиролиз может играть значительную роль. в будущем.

Применение копролиза смеси угля с органическими отходами недавно вызвало интерес в промышленно развитых странах, поскольку оно должно ограничить и облегчить бремя отходов при удалении отходов (отходы и чистые пластмассы, резина, целлюлоза, бумага, текстиль, дерево) [45, 46]. Пиролиз и копиролиз — это хорошо разработанные процессы, которые могут быть использованы в промышленных масштабах.

3.3. Риформинг в водной фазе

Риформинг в водной фазе (APR) — это разрабатываемая технология переработки кислородсодержащих углеводородов или углеводов возобновляемых ресурсов биомассы для производства водорода [47, 48], как показано на Рисунке 4.Реакции APR протекают при значительно более низких температурах (220–270 ° C), чем при обычном паровом риформинге алкана (около 600 ° C). Низкие температуры, при которых происходят реакции реформинга в водной фазе, сводят к минимуму нежелательные реакции разложения, обычно встречающиеся при нагревании углеводов до повышенных температур [49, 50]. Кроме того, реакция конверсии водяного газа (WGS) является благоприятной при тех же температурах, что и реакции APR, что позволяет генерировать H ₂ и CO ₂ в одном реакторе с низкими количествами CO.Напротив, типичные процессы парового риформинга требуют многоступенчатых или множественных реакторов для достижения низких уровней CO в газообразном продукте. Еще одно преимущество процесса APR состоит в том, что он устраняет необходимость испарения воды, что представляет собой значительную экономию энергии по сравнению с традиционными процессами парофазного риформинга с водяным паром. Большинство исследований до настоящего времени было сосредоточено на катализаторах группы VIII на носителе, в которых Pt-содержащие твердые вещества имеют наивысшую каталитическую активность. Катализаторы на основе никеля, несмотря на их более низкую активность, были оценены из-за низкой стоимости никеля [47].Сторонники этой технологии утверждают, что эта технология более удобна для эффективного и избирательного преобразования сырья биомассы в водород. Для глюкозы и гликолей сообщалось о концентрациях 10-60 мас.% В воде [51]. Выбор катализатора важен, чтобы избежать метанирования, которое является термодинамически выгодным, наряду с продуктами Фишера-Тропша, такими как пропан, бутан и гексан [48, 52]. Недавно Rozmiarek [53] сообщил о способе, основанном на реформинге с водной фазой, который достиг эффективности более 55% с сырьем, состоящим из 60 мас.% Глюкозы в воде.Однако катализатор оказался нестабильным при длительных испытаниях (200 суток эксплуатации) [53]. Наконец, из-за умеренного выхода за пределы пространства-времени эти реакторы имеют тенденцию быть довольно большими. Повышение активности и долговечности катализатора — это область, в которой можно добиться значительного прогресса.

3.4. Электролиз

Перспективным методом производства водорода в будущем может стать электролиз воды. В настоящее время этим процессом производится около 4% водорода во всем мире [2].Электролиз воды или ее разложение на водород и кислород — хорошо известный метод, который начал коммерчески использоваться уже в 1890 году.

Электролиз — это процесс, при котором постоянный ток, проходящий через два электрода в водном растворе, приводит к разрушению химических связей, присутствующих в молекуле воды, на водород и кислород:

Процесс электролиза происходит при комнатной температуре. Обычно при электролизе воды используется серная кислота, а электроды — из платины (Pt), которая не вступает в реакцию с серной кислотой.Процесс экологически чистый, поскольку не образуются парниковые газы, а производимый кислород находит дальнейшее промышленное применение. Однако по сравнению с описанными выше способами электролиз является технологией, требующей высоких энергозатрат.

Энергетический КПД электролиза воды (химическая энергия, получаемая на поданную электрическую энергию) на практике достигает 50–70% [54]. По сути, это преобразование электрической энергии в химическую энергию в виде водорода с кислородом в качестве полезного побочного продукта.Наиболее распространенной технологией электролиза является щелочная технология, но были разработаны протонообменная мембрана (PEM) и твердооксидные электролизные ячейки (SOEC) [55, 56]. Электролизеры SOEC являются наиболее электрически эффективными, но наименее развитыми. Технология SOEC имеет проблемы с коррозией, уплотнениями, термоциклированием и миграцией хрома. Электролизеры PEM более эффективны, чем щелочные, и не имеют проблем с коррозией и уплотнением, как SOEC; однако они стоят дороже, чем щелочные системы. Щелочные системы являются наиболее развитыми и имеют самые низкие капитальные затраты.У них самый низкий КПД, поэтому у них самые высокие затраты на электроэнергию.

3.5. Фотоэлектролиз

Фотоэлектролиз — один из возобновляемых способов производства водорода, демонстрирующий многообещающую эффективность и стоимость, хотя он все еще находится в стадии экспериментальной разработки [57]. В настоящее время это наименее затратный и наиболее эффективный способ получения водорода из возобновляемых источников. Фотоэлектрод — это полупроводниковый прибор, поглощающий солнечную энергию и одновременно создающий необходимое напряжение для прямого разложения молекулы воды на кислород и водород.В фотоэлектролизе используется фотоэлектрохимическая (PEC) система сбора света для проведения электролиза воды. Если полупроводниковый фотоэлектрод погружен в водный электролит, подвергающийся воздействию солнечного излучения, он будет генерировать достаточно электроэнергии для поддержки генерируемых реакций водорода и кислорода. При генерации водорода электроны выделяются в электролит, тогда как для генерации кислорода требуются свободные электроны. Реакция зависит от типа полупроводникового материала и интенсивности солнечного излучения, в результате чего плотность тока составляет 10–30 мА / см ² .При этих плотностях тока напряжение, необходимое для электролиза, составляет примерно 1,35 В.

Фотоэлектрод состоит из фотоэлектрических (полупроводниковых), каталитических и защитных слоев, которые можно моделировать как независимые компоненты [58]. Каждый слой влияет на общую эффективность фотоэлектрохимической системы. Фотоэлектрический слой изготовлен из светопоглощающих полупроводниковых материалов. Поглощение света полупроводниковым материалом прямо пропорционально характеристикам фотоэлектрода.Полупроводники с широкими полосами обеспечивают необходимый потенциал для расщепления воды [54].

Каталитические слои фотоэлектрохимического элемента также влияют на характеристики электролиза и требуют подходящих катализаторов для расщепления воды. Слой оболочки — еще один важный компонент фотоэлектрода, который предотвращает коррозию полупроводника внутри водного электролита. Этот слой должен быть очень прозрачным, чтобы обеспечивать максимальную солнечную энергию, чтобы он мог достигать фотоэлектрического полупроводникового слоя.

3,6. Термохимическое расщепление воды

Термохимические циклы разрабатывались уже с 1970-х и 1980-х годов, когда они должны были внести свой вклад в поиск новых источников производства альтернативных видов топлива во время нефтяного кризиса. При термохимическом расщеплении воды, также называемом термолизом, только тепло используется для разложения воды на водород и кислород [59]. Считается, что с помощью этих процессов можно достичь общей эффективности, близкой к 50% [60].

Одноступенчатая термическая диссоциация воды описывается следующим образом:

Один из недостатков этого процесса связан с необходимостью эффективной техники разделения H ₂ и O ₂ , чтобы избежать образования взрывоопасной смеси.Для этого могут быть использованы полупроницаемые мембраны на основе ZrO ₂ и других жаропрочных материалов. Разделение также может быть достигнуто после охлаждения газовой смеси продукта до более низких температур. Затем для эффективного отделения водорода можно использовать палладиевые мембраны.

Хорошо известно, что вода будет разлагаться при 2500 ° C, но материалы, стабильные при этой температуре, а также устойчивые источники тепла не являются легкодоступными. Поэтому были предложены химические реагенты для понижения температуры, тогда как в литературе упоминается более 300 циклов расщепления воды [61].Все процессы значительно снизили рабочую температуру до уровня ниже 2500 ° C, но обычно требуют более высокого давления. Однако считается, что масштабирование процессов может привести к повышению термического КПД, преодолевая одну из основных проблем, с которыми сталкивается эта технология. Кроме того, лучшее понимание взаимосвязи между капитальными затратами, термодинамическими потерями и термической эффективностью процесса может привести к снижению затрат на производство водорода [60].

4. Экономические аспекты производства водорода

В настоящее время наиболее широко используемым и дешевым методом производства водорода является паровой риформинг метана (природного газа) .Этот метод включает около половины мирового производства водорода, а цена на водород составляет около 7 долларов за ГДж. Сравнимую цену на водород обеспечивает частичное окисление углеводородов. Однако парниковые газы, образующиеся в результате термохимических процессов, необходимо улавливать и хранить, и, таким образом, следует учитывать увеличение цены на водород на 25–30% [62].

Используемые далее термохимические процессы включают газификацию и пиролиз биомассы. Цена на водород, полученный таким образом, примерно в три раза выше, чем цена на водород, полученный способом SR.Следовательно, эти процессы обычно не считаются экономически выгодными по сравнению с паровым риформингом. Цена на водород от газификации биомассы колеблется в пределах 10–14 долларов США за ГДж, а на пиролиз — 8,9–15,5 долларов США за ГДж. Это зависит от оборудования, наличия и стоимости сырья [1].

Электролиз воды — одна из простейших технологий получения водорода без побочных продуктов. Электролитические процессы можно отнести к категории высокоэффективных. С другой стороны, стоимость входящего электричества относительно высока и играет ключевую роль в цене получаемого водорода.

К 2030 году преобладающими методами производства водорода будут паровой риформинг природного газа и катализируемая газификация биомассы . В относительно небольшой степени будут использоваться как газификация угля, так и электролиз. Использование солнечной энергии в данном контексте сомнительно, но также возможно. Вероятно, к 2050 году роль солнечной энергии возрастет [1].

5. Выводы

Существует огромное количество исследований, направленных на развитие технологий производства водорода (H ₂ ).В настоящее время наиболее развитой и используемой технологией является риформинг углеводородов. Чтобы уменьшить зависимость от ископаемого топлива, рассматриваются важные разработки в других технологиях генерации H ₂ из возобновляемых ресурсов, таких как биомасса и вода. В таблице 1 представлены технологии, а также их использованное сырье и полученная эффективность. Важно отметить, что H ₂ можно производить из широкого разнообразия сырья, доступного почти повсюду. В стадии разработки находится множество процессов с минимальным воздействием на окружающую среду.Развитие этих технологий может снизить зависимость мира от топлива, поступающего в основном из нестабильных регионов. «Собственное» производство H ₂ может повысить как энергетическую, так и экономическую безопасность страны. Способность H ₂ производиться из широкого разнообразия сырья и с использованием самых разнообразных процессов может сделать каждый регион мира способным производить большую часть своей собственной энергии. Очевидно, что по мере развития и развития технологий H ₂ может оказаться наиболее распространенным доступным топливом.

9045 9045 Паровой риформинг 901 456 Долгосрочный Технология Сырье Эффективность Срок погашения 9045 Паровой риформинг 9045 Паровой риформинг 9045 окисление Углеводороды 60–75% Коммерческие Автотермический риформинг Углеводороды 60–75% Ближайшие перспективы Плазменный риформинг 9045 * Плазменный риформинг 9045 * Долгосрочная Газификация биомассы Биомасса 35–50% Коммерческая Водно-фазовый риформинг Углеводы 35–55% Сред.срок Электролиз H 2 O + электричество 50–70% Коммерческий Фотолиз H 2 O + солнечный свет 0,5% * Термохимическое расщепление воды H 2 O + heat NA Долгосрочное

Очистка водорода не включена.

Номенклатура

9045 Твердый оксид Ячейка твердого окисления

APR:	Водно-фазовый риформинг
ATR:	Автотермический риформинг
CPOX:	HD451 Частичное окисление 9044 9045 Каталитическое 9045	PEC:	Фотоэлектрохимический
PEM:	Протонообменная мембрана
POX:	Частичное окисление
PrOx:
PrOx:
SR:	Паровой риформинг
WGS:	Водогазовый переход.

Благодарности

Авторы выражают признательность Исследовательскому комитету Кипрского университета и Кипрскому фонду содействия исследованиям за их финансовую поддержку в разработке фундаментальных исследований технологий каталитического производства водорода.

Производство и доставка водорода | Водород и топливные элементы | Водородные и топливные элементы

Исследователи из NREL разрабатывают передовые процессы для экономичного производства водорода. из устойчивых ресурсов.

Узнайте, как NREL развивает и продвигает ряд путей к возобновляемому водороду производство. Текстовая версия

Биологическое расщепление воды

Некоторые фотосинтетические микробы используют световую энергию для производства водорода из воды в виде часть их метаболических процессов.Поскольку кислород образуется вместе с водородом, Фотобиологическая технология производства водорода должна преодолевать присущую ему чувствительность к кислороду. ферментативных систем, выделяющих водород. Исследователи NREL решают эту проблему с помощью скрининг на естественные организмы, которые более устойчивы к кислороду и создание новых генетических форм организмов, способных поддерживать производство водорода в наличие кислорода.Исследователи также разрабатывают новую систему, в которой используется метаболический переключение (лишение серы) на цикл клеток водорослей между фотосинтетическим ростом фаза и фаза производства водорода.

Контактное лицо: Мария Гирарди

Ферментация

Ученые NREL разрабатывают технологии предварительной обработки для преобразования лигноцеллюлозного биомасса в сырье, богатое сахаром, которое может быть непосредственно ферментировано для получения водорода, этанол и ценные химикаты.Исследователи также работают над определением консорциума. Clostridium, которые могут непосредственно сбраживать гемицеллюлозу до водорода. Другое исследование области включают в себя биоразведку эффективных целлюлолитических микробов, таких как Clostridium thermocellum, который может сбраживать кристаллическую целлюлозу непосредственно до водорода, чтобы снизить затраты на сырье. После идентификации модельной целлюлолитической бактерии ее потенциал для генетических манипуляций, включая чувствительность к антибиотикам и простоту генетического трансформация, будет определена.Будущие проекты ферментации NREL будут сосредоточены на по разработке стратегий создания мутантов, которые селективно блокируются от производства отработанные кислоты и растворители для максимального увеличения выхода водорода.

Контактное лицо: Пин-Чинг Манесс

Конверсия биомассы и отходов

Водород можно производить путем пиролиза или газификации ресурсов биомассы, таких как сельскохозяйственные остатки, такие как скорлупа арахиса; бытовые отходы, включая пластмассы и отходы смазка; или биомасса, специально выращенная для использования в энергии.Пиролиз биомассы производит жидкий продукт (био-масло), содержащий широкий спектр компонентов, которые могут быть разделены на ценные химические вещества и топливо, включая водород. Исследователи NREL в настоящее время сосредоточены на производстве водорода путем каталитического риформинга пиролиза биомассы продукты. Конкретные области исследований включают реформирование потоков пиролиза и разработку и испытание псевдоожижаемых катализаторов.

Контактное лицо: Ричард Френч

Фотоэлектрохимическое расщепление воды

Самый чистый способ производства водорода — использование солнечного света для прямого разделения воды. в водород и кислород.Технология многопереходных ячеек, разработанная фотоэлектрическими промышленность используется для фотоэлектрохимических (PEC) систем сбора света, которые генерируют достаточное напряжение для разделения воды и стабильны в среде вода / электролит. Разработанная NREL система PEC производит водород из солнечного света без дополнительных затрат. и усложнение электролизеров, при КПД преобразования солнечной энергии в водород На 12,4% ниже теплотворная способность при использовании отраженного света.Ведутся исследования, чтобы выявить больше эффективные, недорогие материалы и системы, долговечные и устойчивые к коррозии в водной среде.

Контактное лицо: Джон Тернер или Тодд Дойч

Солнечные батареи для термальной воды

Исследователи NREL используют реактор High-Flux Solar Furnace, чтобы концентрировать солнечную энергию и генерировать температуры от 1000 до 2000. градусов Цельсия.Для термохимической реакции требуются сверхвысокие температуры. циклы для производства водорода. Такой высокотемпературный, высокопоточный, термохимический процессы предлагают новый подход к экологически безопасному производству водорода. Очень высокие скорости реакции при таких повышенных температурах вызывают очень быструю реакцию. скорости, которые значительно увеличивают производительность и более чем компенсируют прерывистый характер солнечного ресурса.

Контактное лицо: Джуди Неттер

Возобновляемый электролиз

Возобновляемые источники энергии, такие как фотоэлектрическая энергия, ветер, биомасса, гидро- и геотермальная энергия. может обеспечить нашу страну чистой и устойчивой электроэнергией. Однако возобновляемая энергия источники естественным образом изменчивы, требуют накопления энергии или гибридной системы для размещения суточные и сезонные изменения.Одно из решений — производить водород путем электролиза — расщепления с электрическим током — воды и использовать этот водород в топливном элементе для производства электричество в периоды низкого производства электроэнергии или пикового спроса, или для использования водорода в транспортных средствах на топливных элементах.

Исследователи из Центра интеграции энергетических систем NREL и Центра испытаний и исследований водородной инфраструктуры изучают вопросы, связанные с использованием возобновляемых источников энергии для производства водород путем электролиза воды.NREL тестирует интегрированные системы электролиза и исследует варианты дизайна для снижения капитальных затрат и повышения производительности.

Узнайте больше об исследованиях электролиза возобновляемых источников энергии NREL.

Контактное лицо: Кевин Харрисон

Надежность шланга дозатора водорода

С акцентом на снижение затрат и повышение надежности и безопасности, NREL выполняет ускоренные испытания и циклическое тестирование шлангов для подачи водорода на 700 бар на предприятии по интеграции энергетических систем с использованием автоматизированной робототехники для моделирования полевых условий.Посмотрите видео с роботом, который имитирует повторяющееся напряжение человека, сгибающегося и скручивающегося. шланг для подачи водорода в бортовой накопительный бак транспортного средства на топливных элементах. Исследователи проводить механические, термические испытания и испытания под давлением для новых и бывших в употреблении систем подачи водорода шланги. Материал шланга анализируется для выявления проникновения водорода, охрупчивания, и зарождение / распространение трещины.

Контактное лицо: Кевин Харрисон

Анализ путей производства и доставки водорода

NREL выполняет анализ на системном уровне различных видов устойчивого производства водорода. и пути доставки.Эти усилия сосредоточены на определении улучшений статуса, в результате от технологических достижений, стоимости как функции объема производства и потенциала для снижения затрат. Результаты помогают выявить препятствия на пути к успеху этих путей. основные факторы затрат и остающиеся проблемы НИОКР. Разработанные NREL тематические исследования по анализу водорода обеспечивают прозрачные прогнозы текущих и будущих затрат на производство водорода. Узнайте больше о работе NREL по системному анализу.

Контактное лицо: Женевьева Заур

Сеть энергетических материалов HydroGEN

NREL служит ведущей лабораторией консорциума HydroGEN Energy Materials Network (EMN).

Последние публикации

Прямое преобразование солнечной энергии в водород с помощью инвертированного метаморфического многопереходного полупроводника Архитектуры, Nature Energy (2017)

Замечательная стабильность немодифицированных фотокатодов GaAs при выделении водорода в Кислый электролит, Журнал химии материалов A (2016)

Эффективность преобразования солнечной энергии в водород: яркий свет на производительность фотоэлектрохимических устройств, Энергетика и экология (2016)

Обратимая пассивация поверхности GaInP2 за счет адсорбции воды: модельная система для зависимости от окружающей среды Фотолюминесценция, Журнал физической химии C (2016)

CO2-фиксирующий метаболизм одного углерода в разрушающей целлюлозу бактерии Clostridium thermocellum, Труды Национальной академии наук (2016)

Путь фосфокетолазы способствует метаболизму углерода у цианобактерий, Nature Plants (2016)

Контакт

Huyen Dinh

Эл. Почта
303-275-3605

Водород: методы производства

Общие вопросы
Водород (H ₂ ) считается наиболее привлекательной формой энергии в ближайшем будущем, поскольку его сжигание не загрязняет окружающую среду.Когда водород соединяется с кислородом воздуха, он высвобождает химическую энергию, хранящуюся в связи Н-Н, образуя только водяной пар в качестве продукта сгорания. Он может храниться под давлением. ГЛАВНОЕ Профиль: José Luis G. Fierrogas или жидкость, или распределяться по газопроводам. Эти особенности делают его идеальным кандидатом на замену природного газа в среднесрочной и долгосрочной перспективе.

Учитывая, что водород не выделяет парниковые газы при сгорании, он имеет огромный потенциал для сокращения выбросов CO ₂ , образующихся при сжигании его предшественников ископаемого топлива.В свободном виде водорода на Земле практически нет, поэтому он не является первичным источником энергии. Однако его можно получить из различных прекурсоров с помощью химических или биохимических процессов.

Химическая промышленность, производящая аммиак, метанол и очищенную нефть, потребляет примерно 66% годового объема производства H ₂ , который оценивается в 35 миллионов метрических тонн (МТм). Остальное потребляется в других производственных процессах. Водород считается идеальным топливом, так как при сгорании он не выделяет парниковые газы.Эта функция становится еще более привлекательной при использовании топливных элементов. Эти устройства превращают химическую энергию, хранящуюся в связи H-H, в электрическую энергию с помощью процесса, который не зависит от цикла Карно. Это означает, что энергоэффективность в два или три раза выше, чем у двигателя внутреннего сгорания. Эти аргументы не оставляют сомнений в важности роли, которую водород будет играть в энергетических договоренностях развитых стран в среднесрочной и долгосрочной перспективе. Крупномасштабное производство водорода не только снизит зависимость от нефти, но и снизит загрязнение окружающей среды, если топливные элементы используются как для мобильных, так и для стационарных применений.

Современная установка парового риформинга природного газа.

Промышленные процессы
Хотя H ₂ можно получить путем риформинга природного газа, нафты, мазута или угля, более высокое атомное отношение H / C (водород-углерод) в CH ₄ по сравнению с другими молекулами предполагает, что природный газ, из которого основной компонент — CH ₄ — наиболее подходящий прекурсор для производства водорода.

Риформинг углеводородов и метанола
Паровая конверсия метана (CH ₄ ) — это процесс, который использовался для получения H ₂ в течение нескольких десятилетий.Этот процесс в настоящее время используется для промышленного производства водорода, поскольку это наиболее экономичная технология. Используемая химическая реакция:

CH ₄ + H ₂ O → CO + 3H ₂

Природный газ взаимодействует с паром над никелевым катализатором в установке первичного риформинга при температуре 1200ºK и общем давлении 20-30 атмосфер. Поскольку природный газ содержит сернистые примеси, необходима предварительная очистка, чтобы избежать разрушения катализатора.Затем поток чистого метана реагирует в реакторе, содержащем никелевый катализатор. Получаемый газ с высоким содержанием водорода, но содержит определенную долю окиси углерода, которая, в свою очередь, превращается во втором или третьем реакторе, чтобы произвести дополнительный водород в результате реакции с водяным паром. Образующийся в результате водород не производит парниковых газов при сгорании, а это означает, что он имеет значительный потенциал для снижения выбросов CO2. Газ в основном состоит из водорода, но также содержит диоксид углерода и небольшие количества непревращенного метана и следы оксида углерода (обычно 1% по объему).Текущие производственные планы H ₂ включают установки для сжатия / абсорбции / десорбционной очистки, позволяющие получать водород высокой чистоты (99,999% по объему).

Поскольку природный газ содержит небольшую долю других углеводородов, таких как этан, пропан и бутан, которые легко разрушаются с образованием углеродных остатков во время риформинга метана (метан является основным компонентом), необходима предварительная стадия риформинга (предварительный риформинг) для преобразовать часть углеводородов, присутствующих в природном газе, в смесь CO / H ₂ .Этот процесс осуществляется перед установкой риформинга и позволяет работать с разнообразным сырьем, обеспечивая постоянную подачу на все установки риформинга. Предварительный риформинг оказывает сильное влияние на состав газа, подаваемого в установку парового риформинга. Таким образом, углеводороды с более длинной цепью полностью удаляются одновременно с преобразованием фракции метана. Учитывая, что эти длинноцепочечные углеводороды имеют тенденцию к образованию углерода, этот процесс предварительного риформинга сводит к минимуму образование углеродных остатков во время риформинга метана.Это приводит к увеличению срока службы используемых каталитических систем.

Водяной пар, используемый в реакции парового риформинга, можно заменить диоксидом углерода, кислородом или их смесью. Эти усовершенствованные конструкции реформинга аналогичны классическому паровому риформингу, но используются только в определенных случаях. В частности, эта альтернатива используется, когда требуется использовать смесь C / H ₂ для производства углеводородов или метанола, а не только для производства водорода.

Также можно использовать метанол для промышленного производства водорода вместо метана.В этом процессе метанол реагирует с водяным паром над катализатором с образованием H ₂ . Это эндотермическая реакция, поэтому необходимое тепло получается от сгорания остаточного газа вместе с небольшой долей метанола. Поток водорода очищается в блоке абсорбции / десорбции, как в случае риформинга метана. Эта реакция проста, поскольку она не учитывает образование промежуточных кислородсодержащих соединений, хотя по экономическим причинам она используется только там, где имеется избыток метанола.

Наличие сжиженного нефтяного газа (СНГ) и дистиллятов, а также хорошая сеть их распределения делают эти фракции идеальными кандидатами для производства H ₂ . Однако разработке процесса на основе этих видов топлива уделялось очень мало внимания. Основная причина, по которой этот подход не получил более широкого изучения, заключается в том, что углерод относительно легко осаждается на поверхности катализатора. Процесс в основном влечет за собой частичное окисление углеводородов.Реактор окружен электрической печью, которая нагревает углеводородно-воздушную смесь. Сера удаляется на выходе из реактора в виде H ₂ S, а затем вводится пар перед тем, как газ поступает в реактор конверсии водяного газа. Для топливных элементов с полимерной мембраной уровни CO поддерживаются ниже 10 ppm, что достигается пропусканием потока через высокоактивные и селективные катализаторы, способные окислять примеси CO до CO ₂ при комнатной температуре. Риформер удовлетворительно работает с различными видами топлива.Однако проблемы, связанные с присутствием соединений серы и отложением кокса на катализаторе, полностью не решены. Принимая во внимание влияние этой технологии на окружающую среду, производители автомобилей считают ее одним из возможных вариантов бортовой генерации H ₂ для питания топливных элементов, вырабатывающих электричество для привода электродвигателя.

Электролиз воды
Когда объемы водорода, необходимые для конкретного применения, невелики, его можно получить электролизом воды.Электролитическая реакция происходит в щелочной среде, так как это увеличивает электрическую проводимость. Водород, образующийся на катоде, необходимо очищать, поскольку он содержит примеси в виде кислорода и определенного количества влаги. Поток водорода сушат над абсорбентом, а примеси кислорода удаляют с помощью преобразователя Deoxo. В процессе электролиза на аноде также образуется кислород. Объем в два раза меньше объема производимого водорода, как определено. Водород позволяет использовать широкий спектр прекурсоров, таких как ископаемое топливо, ядерная энергия и увеличение доли возобновляемых источников энергии (ветра, солнца, биомассы) за счет молекулярного состава воды.Большинство электролизеров — резервуарного типа с параллельными электродами. Тепло, выделяющееся во время процесса, устраняется путем рециркуляции воды вокруг ячеек. Стоит отметить тот факт, что водород, производимый методом, стоит около 4,9-5,6 кВтч на куб. М ³ , что делает его как минимум в два раза дороже, чем водород, полученный при реформинге природного газа.

Учитывая, что обычные электролизеры обеспечивают высокую стоимость H ₂ , были разработаны другие электролитические процессы.Одним из них является парофазный электролиз. Обратимый потенциал ячейки уменьшается с ростом температуры. Поскольку стоимость электроэнергии, необходимой для электролиза для получения H ₂ из H ₂ O, пропорциональна электродвижущей силе элемента, стоимость уменьшается с увеличением температуры. Ячейка охлаждается за счет того, что процесс является эндотермическим, и поддерживается постоянная температура за счет подачи внешнего тепла. Это означает, что тепло превращается в H ₂ электрохимически без промежуточного цикла Карно.Таким образом, при 1500ºK количество тепловой энергии, используемой для термохимического разложения, составляет 50% от общего количества. В этих условиях стоимость производства на 50% ниже, чем при обычном процессе. Другой экономичной альтернативой для производства H ₂ являются новые типы электрокатализаторов, способные работать при более низких напряжениях, что снижает стоимость.

Промышленное предприятие, производящее h3 (150 м3 / час) путем электролиза воды.

Возможность использования возобновляемых прекурсоров
Биомасса целлюлозы
Водород можно получить из возобновляемого источника, такого как биомасса целлюлозы.Целлюлозу можно превратить в H ₂ с помощью различных термохимических процессов, таких как сжигание, сжижение, пиролиз и газификация. Лигноцеллюлозный материал частично окисляется при температурах выше 1000 ° К, образуя газообразную фракцию вместе с углеродным остатком, который впоследствии восстанавливается с образованием H ₂ , CO, CO ₂ и CH ₄ . При газификации биомассы в присутствии O ₂ образуется поток газа, богатый водородом, который на выходе из газификатора подвергается риформингу водяным паром с получением дополнительного водорода.Главный недостаток газификации биомассы — смолообразование. Тяжелые остатки полимеризуются и образуют более сложные структуры, которые не подходят для производства водорода с помощью парового риформинга. Образование смол можно свести к минимуму за счет соответствующей конструкции газогенератора, включения каталитических добавок и контроля рабочих параметров. Катализаторы снижают содержание смол, но особенно эффективны для улучшения качества и увеличения конверсии производимой газовой фракции. Другой проблемой, присущей газификации биомассы, является образование золы, которая может вызвать накопление твердых частиц, засорение и дезактивацию.Эти проблемы можно свести к минимуму путем экстракции и фракционирования.

Термические процессы
В других возобновляемых процессах для производства водорода используется тепловая энергия. Эти процессы не являются каталитическими и включают термическую диссоциацию воды с использованием тепла от высокотемпературных источников энергии, таких как ядерные реакторы и солнечные печи. Тепло можно использовать для проведения ряда химических реакций, приводящих к чистому производству H ₂ и O ₂ при температурах выше 950ºK.Один из таких процессов основан на разложении сульфата металла. Первой стадией этого процесса является термическое разложение сульфата при температурах, близких к 1100ºK, с образованием оксидов металлов и газов (SO ₂ и O ₂ ). На второй стадии оксид металла окисляют водяным паром и SO ₂ , чтобы снова получить сульфат и высвободить водород. Большим преимуществом этого процесса является то, что он не производит выбросов CO ₂ и имеет высокую эффективность (85%), однако он еще не реализован в промышленных масштабах.

Фотохимические процессы
Один чрезвычайно привлекательный способ получения водорода — это диссоциация воды на полупроводниковой подложке с использованием солнечного света. Эффективность этого процесса в основном определяется фотофизическими свойствами и морфологией используемого полупроводникового материала. При нынешнем состоянии этой технологии коммерческое применение производства водорода с помощью энергии фотонов видимого спектра требует значительного развития науки и техники, задействованных для получения активных и стабильных фотокатализаторов в реакции диссоциации.Такие вопросы, как перенос заряда между полупроводником и сокатализатором и его зависимость от структурных и электронных факторов на границе раздела, остаются нерешенными. Эти области представляют прекрасные возможности для улучшения фотокатализаторов, используемых для фотохимической диссоциации воды. Инновационные процессы для контроля морфологии катализатора в нанометровом масштабе представляют собой еще одно направление исследований, которое позволит изменять морфологию и реакционную способность фотокатализатора.

Риформинг этанола и сахаров
Простым способом транспортировки водорода является использование возобновляемых прекурсоров, таких как этанол (C2H5OH) и сахара (C6h22O6) в жидкой фазе.Эти предшественники затем превращаются в водород посредством процессов реформинга с водяным паром или под давлением в жидкой фазе в точке потребления водорода. Процесс выделения H ₂ из C2H5OH или C6h22O6 происходит в присутствии определенных катализаторов в реакционных системах, предназначенных для работы либо в газовой фазе, либо в жидкой фазе. Преимущество обоих процессов заключается в том, что сырье (C2H5OH и C6h22O6) можно считать нейтральным с точки зрения выбросов CO ₂ .Основная трудность, с которой сталкиваются эти реакции, заключается в том, что они не являются селективными, учитывая, что условия реакции стимулируют другие побочные реакции, которые приводят к образованию нежелательных побочных продуктов (монооксид углерода, метан, ацетилальдегид) и, следовательно, снижение селективности H ₂ . Кроме того, используемые катализаторы деактивируются из-за накопления углеродных отложений, что затрудняет применение этой технологии на практике. Задача состоит в том, чтобы разработать каталитические системы, работающие при более низких температурах, чтобы минимизировать процессы дезактивации.

Биофотолиз воды
Водород также может производиться биологическими системами. Некоторые фотосинтезирующие микроорганизмы способны расщеплять молекулы воды на их компоненты (H ₂ и O ₂ ). Некоторые водоросли, такие как зеленые водоросли Scenedesmus, продуцируют H ₂ при освещении видимым светом или при хранении в анаэробных условиях в темноте. Зеленые водоросли также используются в другом способе получения H ₂ . Виды Secenedesmus производят водород не только при облучении светом, но и путем ферментации в анаэробных условиях с использованием крахмала в качестве источника восстановления.Хотя скорость производства H ₂ на единицу веса при ферментации ниже, чем скорость, полученная при облучении светом, выход остается стабильным из-за отсутствия кислорода. Цианобактерии также производят водород путем ферментации в отсутствие света в анаэробных условиях. Из различных протестированных цианобактерий вид спирулины показал самый высокий уровень активности.

Производство водорода с помощью биологических систем представляет собой одну из важнейших задач биотехнологии, применяемой для решения экологических проблем.Эффективность, с которой солнечная энергия преобразуется в химическую энергию биологическими системами, в настоящее время довольно низка, хотя это несколько компенсируется низкими инвестиционными затратами, необходимыми для реализации такого подхода. Более того, эксперименты в лабораторном масштабе показали, что с помощью фотогетеротрофных систем может быть достигнута эффективность преобразования солнечной энергии до 7%.

Заключительные замечания
Маршрут, выбранный для производства H ₂ , продиктован экономикой процесса, потребностями рынка и экологическими нормативами.Водород позволяет использовать широкий спектр прекурсоров, таких как ископаемое топливо, ядерная энергия и все чаще из возобновляемых источников энергии (ветра, солнца, биомассы). При использовании всех этих альтернатив стоимость водорода как экологически чистого энергоносителя будет более стабильной, чем стоимость любого другого источника. Внедрение водорода и электроэнергии в качестве энергоносителей позволит эксплуатировать внутренние ресурсы и тем самым снизить нашу чрезмерную зависимость от импорта нефти.

Основы водорода — Производство

Водород не является источником энергии, а является вектором или переносчиком энергии.Это означает, что он должен производиться из одного из основных источников энергии: ископаемого топлива, ядерной энергии, солнца, ветра, биомассы, гидро-, геотермальных и городских отходов. Вся энергия, которую мы используем, включая водород, должна производиться из одного из этих трех основных источников энергии.

На Земле водород встречается в сочетании с другими элементами. Например, в воде водород сочетается с кислородом. В ископаемом топливе он сочетается с углеродом, как в нефти, природном газе или угле.Задача состоит в том, чтобы отделить водород от других природных соединений эффективным и экономичным способом. См. Таблицу «Пути производства водорода» ниже, чтобы узнать об уникальных способах производства водорода из трех источников.

Есть несколько методов производства или извлечения водорода. Паровой риформинг — это хорошо зарекомендовавшая себя технология, позволяющая получать водород из углеводородов и воды. В настоящее время паро-метановое преобразование производит около 95 процентов водорода, используемого в Соединенных Штатах.

Другой традиционный метод — электролиз, при котором электрический ток разлагает воду на молекулы водорода и кислорода. Электроэнергия для электролиза может поступать из любого из трех источников энергии.

Стоимость производства водорода — важный вопрос. Стоимость водорода, полученного путем паровой конверсии, примерно в три раза превышает стоимость природного газа на единицу произведенной энергии. Это означает, что если природный газ стоит 6 долларов за миллион британских тепловых единиц, то водород будет стоить 18 долларов за миллион британских тепловых единиц.Кроме того, производство водорода путем электролиза с использованием электроэнергии по цене 5 центов / кВтч будет стоить 28 долларов на миллион британских тепловых единиц, что чуть меньше, чем в два раза превышает стоимость водорода из природного газа. Обратите внимание, что стоимость производства водорода из электроэнергии является линейной функцией затрат на электроэнергию, поэтому стоимость электроэнергии 10 центов / кВтч означает, что водород будет стоить 56 долларов за миллион БТЕ.

Перечень стоимости и эксплуатационных характеристик различных процессов производства водорода выглядит следующим образом:

Требуемая энергия (кВтч / Нм3) Процесс Идеал Практическая Статус техн. КПД [%] Относительные затраты к СМР Паровой риформинг метана (SMR) 0,78 2-2,5 зрелые 70-80 1 Пиролиз метана / природного газа Завершение исследований и разработок 72-54 0.9 риформинг метана h3S 1,5 – НИОКР 50 <1 Сухая переработка свалочного газа НИОКР 47-58 ~ 1 Частичное окисление тяжелой нефти 0.94 4,9 зрелые 70 1,8 Реформирование нафты зрелые Паровой риформинг отработанного масла НИОКР 75 <1 Газификация угля (TEXACO) 1.01 8,6 зрелые 60 1,4–2,6 Частичное окисление угля зрелые 55 Паровая обработка НИОКР 46 1.9 Хлорно-щелочной электролиз зрелые побочный продукт Сеточный электролиз воды 3,54 4.9 НИОКР 27 3-10 Солнечный и фотоэлектрический электролиз воды Исследования и разработки 10 > 3 Высокотемпературный.электролиз воды НИОКР 48 2,2 Термохимическое расщепление воды ранние исследования и разработки 35-45 6 Газификация биомассы НИОКР 45-50 2.0–2,4 Фотобиологический ранние исследования и разработки <1 Фотолиз воды ранние исследования и разработки <10 Фотоэлектрохим. Разл.воды ранние исследования и разработки Фотокаталитический разл. Добавить комментарий Отменить ответ Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены * Комментарий * Имя * Email * Сайт