Способы производства водорода. Перспективы его использования в энергетике

Рис. 1. Принцип действия топливного элемента (превращения химической энергии водорода в электроэнергию). 

  Сегодня развитые страны осуществляют разработку ряда видов топливных элементов. Основные из них следующие:

-PEFC или PEMFC – твердополимерный топливный элемент с протон-обменной мембраной (Proton Exchange Membrane Fuel Cell);

-AFC — Щелочной топливный элемент (Alkaline Fuel Cells);

- DAFC или DMFC — Топливный элемент прямого действия на метаноле (Direct Methanol Fuel Cell);

-PAFC — Топливный элемент на фосфорной кислоте (Direct Methanol Fuel Cell);

-MCFC — Топливный элемент на расплаве карбоната (Molten Carbonate Fuel Cell);

-SOFC — Топливный элемент на твердом окисле (Solid Oxide Fuel Cell). 

Рис. 2. Электрохимические реакции в различных типах топливных элементов. 

  Преимущества  топливных элементов:

  1. В топливных элементах нет  превращения химической энергии  топлива в тепловую и механическую, как в традиционной энергетике (рис. 3). В связи с этим КПД топливных элементов значительно выше, чем у традиционных энергоустановок, и может достигать 90%. 

Рис. 3. Ступени преобразования химической энергии традиционным и электрохимическим способами. 

  2. Имеется возможность практически  мгновенного возобновления их  энергоресурса — для этого  достаточно установить новую  емкость (картридж) с используемым  топливом. Применение не расходуемых  в процессе реакции электродов  позволяет создавать топливные  элементы с очень большим сроком службы.

  3. Высокая экологическая чистота  химических топливных элементов.  Расходным материалом для топливных  элементов служат лишь емкости  с топливом, а основным продуктом  реакции является обычная вода. Замена используемых в настоящее время батареек и аккумуляторов на топливные элементы позволит значительно сократить объем подлежащих переработке отходов, содержащих ядовитые и вредные для окружающей среды вещества.

  

  Рис. 4. Области применения топливных элементов. 

  Промышленное  производство водорода — неотъемлемая часть водородной энергетики, первое звено в жизненном цикле употребления водорода. Водород практически не встречается в природе в чистой форме и должен извлекаться из других соединений с помощью различных химических методов.

  Методы производства водорода.

  Разнообразие  способов получения водорода является одним из главных преимуществ  водородной энергетики, так как повышает энергетическую безопасность и снижает зависимость от отдельных видов сырья.

  К ним относятся:

• паровая конверсия метана и природного газа
• газификация угля
• электролиз воды
• пиролиз
• частичное окисление
• биотехнологии

  В данный момент наиболее доступным и  дешёвым процессом является паровая конверсия. В долгосрочной перспективе, однако, необходим переход на возобновляемые источники энергии, так как одной из главных целей внедрения водородной энергетики является снижения выброса парниковых газов. Такими источниками может быть энергия ветра или солнечная энергия, позволяющая проводить электролиз воды.

  Производство  водорода может быть сосредоточено  на централизованных крупных предприятиях, что понижает себестоимость производства, но требует дополнительных расходов на доставку водорода к водородным автозаправочным станциям. Другим вариантом является маломасштабное производство непосредственно на специально оборудованных водородных автозаправочных станциях.

  Производство водорода из различных источников сырья.

  Паровая конверсия метана и природного газа (из углеводородов). В настоящее время данным способом производится примерно половина всего водорода. Водяной пар при температуре 700° − 1000°С смешивается с метаном под давлением в присутствии катализатора. Себестоимость процесса $2-5 за килограмм водорода. В будущем возможно снижение цены до $2-$2,50, включая доставку и хранение.

  Газификация угля. Старейший способ получения водорода. Уголь нагревают при температуре 800°-1300°С без доступа воздуха. Первый газогенератор был построен в Великобритании в 40-х годах XIX века. США предполагают построить электростанцию по проекту FutureGen, которая будет работать на продуктах газификации угля. Электричество будут вырабатывать топливные элементы, используя в качестве горючего водород, получающийся в процессе газификации угля.

  В декабре 2007 г. была определена площадка для строительства первой пилотной электростанции проекта FutureGen. В Иллинойсе будет построена электростанция мощностью 275 МВт. Общая стоимость проекта $1,2 млрд. На электростанции будет улавливаться и храниться до 90% СО₂.

  Себестоимость процесса $2-$2,5 за килограмм водорода. В будущем возможно снижение цены до $1,50, включая доставку и хранение.

  Электролиз  воды. Производство водорода при помощи электролизеров выгодно отличают следующие достоинства:

  • чистота  получаемого водорода;

  • дешевое  сырье-вода;

  • экологически чистое производство;

  • простота эксплуатации оборудования;

  • длительный срок эксплуатации оборудования (минимум 10 лет).

  Электролизеры предназначены для получения  водорода и кислорода методом  электролитического разложения воды.

  Типы  электролизеров:

• СЭУ-4М, СЭУ-10-2, СЭУ-20, СЭУ-40 с комплектующим  технологическим оборудованием, работающим под давлением до 10 кгс/см².

  Назначение  комплектующего оборудования:

  • Отделение водорода и кислорода  от электролита

  • Промывка газов от электролитов

  • Осушка водорода

  • Очистка водорода

  • Хранение водорода

  • Приготовление и хранение электролита 

  • Фильтрование электролита 

  • Питание электролизера обессоленной водой 

  • Обеспечение равенства давления между водородным и кислородным пространством электролизера

  • Продувка ресивера углекислым газом, остальных  аппаратов - азотом

  Описание  установки.

  Изобретение относится к устройствам для  получения кислорода и водорода электролизом водных растворов щелочи и может быть использовано либо в качестве элемента системы питания двигателя внутреннего сгорания, либо в качестве аппарата для газопламенной обработки материалов. Электролизер включает концевые монополярные электроды, между которыми через уплотнительные прокладки из эластичного материала последовательно зажаты чередующиеся диафрагмы и биполярные электроды, выполненные цельнометаллическими. Диафрагмы, биполярные электроды и уплотнительные прокладки имеют отверстия, образующие при сборке каналы для подвода электролита и отвода газов. Электролизер снабжен системой предотвращения скопления газов, содержащий тепловой датчик, логический элемент и источник постоянного тока. Логический элемент выходом соединен с электролизером, одним из входов - с источником постоянного тока, а другим входом - с тепловым датчиком. Верхняя часть каждой из диафрагм, расположенная над поверхностью электролита, выполнена газонепроницаемой. Данное выполнение устройства позволяет исключить возможность смешивания газов и их бесконтрольное накопление. 

  В электролизерах, заполненных 30%-ным раствором гидроокиси калия, под действием постоянного тока происходит электролитическое разложение воды на водород и кислород.  
Газы выделяются из катодного и анодного пространств ячеек электролизеров, объединенных в водородный и кислородный каналы. Катодное и анодное пространство каждой ячейки разделено диафрагмой - асбестовой перегородкой. Гидроокись калия в данных условиях в процессе не участвует и предназначена для создания оптимальной электропроводности электролита.

  После охлаждения и отделения от щелочи в разделительных колонках и дополнительной промывки в промывательных колонках газы через регуляторы давления проходят очистку от примеси (водород - от примеси  кислорода, кислород от примеси водорода) в реакторах. После очистки в водороде содержится не более 0,001% об. кислорода, в кислороде не более 0,01% об. водорода. Затем газы направляются на распределительную гребенку, откуда могут сбрасываться в атмосферу, подаваться потребителю или в накопитель.

  Для подачи в систему воды, взамен израсходованной на образование газов, служит приемный бак. Качество воды, которой заполняется бак и вся система, должно соответствовать требованиям, предъявляемым к дистиллированной воде.

  Основные  части установки изготовлены  из нержавеющей стали, трубки из этого же материала использованы для обвязки и транспортировки газов и щелочи.

  Недостатками  данного электролизера являются высокие требования к качеству и  точности закрепления биполярных электродов в металлических кольцевых рамах  и низкая взрывобезопасность в процессе эксплуатации – возможно смешивание кислорода и водорода путем просачивания через диафрагму за счет разности давлений в кислородном и водородном отсеках ячейки, а также бесконтрольное накопление смеси газов и возможность появления взрыва.

  Из биомассы. Водород из биомассы получается термохимическим, или биохимическим способом.

  При термохимическом методе биомассу нагревают  без доступа кислорода до температуры 500°-800°С (для отходов древесины), что намного ниже температуры процесса газификации угля. В результате процесса выделяется H₂, CO и CH₄. Себестоимость процесса $5-$7 за килограмм водорода. В будущем возможно снижение до $1,0-$3,0.

  В биохимическом процессе водород вырабатывают различные бактерии, например, Rodobacter speriodes.

  Возможно  применение различных энзимов для ускорения производства водорода из полисахаридов (крахмал, целлюлоза), содержащихся в биомассе. Процесс проходит при температуре 30° Цельсия при нормальном давлении. Себестоимость водорода около $2 за кг.

  Из  цепочки сахар - водород-водородный топливный элемент можно получить в три раза больше энергии, чем из цепочки сахар-этанол-двигатель внутреннего сгорания. (См. полную статью Биоводород.)