'

СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ПРОИЗВОДСТВА ВОДОРОДА

Понравилась презентация – покажи это...





Слайд 0

СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ПРОИЗВОДСТВА ВОДОРОДА С.В.Коробцев Институт водородной энергетики и плазменных технологий РНЦ “Курчатовский институт” 123182 Москва, пл.Курчатова, д.1., тел.: (095) 196 94 39, факс: (095) 196 62 78


Слайд 1

Технологии производства водорода Каталитические методы (парокислородная конверсия, пиролиз, парциальное окисление и пр.) Электролиз (в т.ч., с твердополимерным электролитом) Плазмохимические и плазмокаталитические методы, в том числе, компактные автомобильные системы Термохимические циклы, в том числе, использование тепла высокотемпературного ядерного реактора Газификация угля, твердых отходов (ТО) Биоконверсия Фотокаталитические методы 2,0 4,5-5,5 (4,0) 1,5-2,0 4,0-6,0 Энергетичес-кие затраты, кВт*ч/м3


Слайд 2

Современный электролиз воды Теплота сгорания водорода в кислороде: Н2 + 1/2 О2 ? Н2О + 3 кВ*ч/м3 + 3,5 кВ*ч/м3 (с учетом теплоты конденсации) Энергозатраты при электролизе воды посредством катионпроводящей полимерной мембраны на базе сульфурированного перфторэтилена ~ 4 кВ*ч/м3 водорода. При высокотемпературном электролизе на базе твердооксидной керамики ZrO2 + ?Y2O3, где ? << 1, при температуре Т > 800oC энергозатраты можно понизить до 2,6 - 3,0 кВ*ч/м3, компенсируя недостаток энергии высокопотенциальным теплом. Типовая схема питания от возобновляемого источника Общий недостаток электролизных систем - относительно малая удельная производительность. Например, характеристики ТПЭ системы: 5 А/см2*2В / 1 см ~ 10 Вт/см3, то есть плотность мощности на два порядка ниже, чем в плазменном конверсионном блоке. Первичная электроэнергия может быть получена при сжигании угля, нефти, газа, либо из возобновляемых источников: - солнечных преобразователей (? < 20%) - ветроэнергоустановок - гидроэнергосистем, включая русловые системы - гидротермальных подземных источников - приливных энергоустановок. Особое место занимают атомные электростанции, так как использование электроэнергии в провальные часы обеспечивает электролизеры крайне дешевой энергией.


Слайд 3

Зависимость напряжения на ячейке (U), мощности (W) и КПД от плотности тока для современных и разрабатываемых электролизеров 1 – промышленные щелочные электро- лизеры и их усовершенствованные модификации (70-95 ?С); 2 – электролизеры для электролиза в расплавах щелочей (330-400 ?С; 0,1-1,0 МПа); 3 – электролизеры с твердополи- мерным электролитом (90-110?С; 0,1-3,0 МПа); 4 – высокотемпературные электро- лизеры (900?С; 0,1 МПа). Характеристики приведены без учета потерь энергии в источниках питания электролизеров и тепловых потерь


Слайд 4

Электролизер с ТПЭ для получения особо чистого водорода Производительность 2 м3Н2/час Рабочее давление 3,0 МПа Мощность 8,3 кВт


Слайд 5

Главная проблема при конверсии углеводородов в водород - кинетичекие ограничения ПРОИЗВОДСТВО ВОДОРОДА ИЗ УГЛЕВОДОРОДОВ – основной источник получения водорода углекислотная конверсия CH4 + СO2 = 2CO + 2H2 парциальное окисление CH4 +1/2O2 = CO + 2H2 паровая конверсия CH4 + H2O = CO + 3H2 паро-кислородная конверсия CH4 + (1-2?)H2O + ?O2 = CO + (3-2?)H2 пиролиз CH4 = C + 2H2


Слайд 6

Концепция неравновесного плазменного катализа генерация электронами плазмы частиц c высокой реакционной способностью: ионов, радикалов, кластеров цепной характер процессов: многократное использование активных частиц основная часть энергии на проведение эндоэргических процессов за счет внешнего тепла (или сжигания части топлива) низкие электроэнергозатраты ( 0,15 кВч/м3 и менее), малые габариты Применение плазмы позволяет снять кинетичекие ограничения, однако энергозатраты на получение водорода в чисто плазменной системе достаточно велики: 1 – 1,5 кВч/м3


Слайд 7

Конкурентные преимущества плазменного метода конверсии углеводородов в водород (синтез-газ) высокая удельная производительность экологическая чистота быстрый старт отсутствие необходимости технологического обслуживания катализатора оперативная возможность неограниченного количества циклов «пуск-остановка» без необходимости активации катализатора отсутствие проблемы «зауглероживания» катализатора отсутствие проблемы очистки реагентов от сернистых соединений


Слайд 8

МОЩНАЯ СВЧ УСТАНОВКА - ОСНОВА системы производства водорода из метана (углеводородных топлив) Варианты мощных СВЧ плазматронов мощность - до 1 МВт частота - 915 МГц расход газа - до 3000 м3/ч рабочее давление - от 0.1 до 1 атм


Слайд 9

МИКРОВОЛНОВЫЕ ПЛАЗМОКАТАЛИТИЧЕСКИЕ РАЗРЯДЫ частота излучения 1000 - 10000 МГц микроволновый (СВЧ) разряд стримерного типа керосино-воздушная смесь воздух метан


Слайд 10

ПЛАЗМЕННЫЙ КОНВЕРТОР ДЛЯ АВТОТРАНСПОРТА А. Преобразование 5 - 10% расходуемого бензина на борту автомобиля в синтез газ, с последующей подачей его непосредственно в цилиндры двигателя. Резкое улучшение экологических и технических характеристик двигателя внутреннего сгорания. АВТОМОБИЛЬ СООТВЕТСТВУЕТ НОРМАМ «EURO-3» В. Конвертирование всего расходуемого бензина на борту автомобиля в синтез-газ, который преобразуется в водород, а затем с помощью топливного элемента - в электроэнергию для питания электропривода автомобиля. С. Стационарный вариант конвертора бензина (метана, других углеводородных топлив) устанавливается на АЗС и служит для заправки автомобилей водородом, производимым на месте. АВТОМОБИЛЬ С «НУЛЕВЫМ» ВЫБРОСОМ АВТОМОБИЛЬ С «НУЛЕВЫМ» ВЫБРОСОМ варианты использования предназначен для обеспечения водородом экологически чистого транспорта при использовании традиционных бензиновых АЗС основан на микроволновом разряде, который заменяет традиционный катализатор в процессе получения водорода из бензина (метана, других углеводородных топлив)


Слайд 11

Перспективы и варианты применения плазменного конвертора жидкого моторного топлива в синтез-газ и водород вариант А вариант В вариант С


Слайд 12

КОНВЕРСИЯ ЧАСТИ (5-10%) ТОПЛИВА В СИНТЕЗ-ГАЗ (логика использования бортового конвертора вместе с ДВС) 1. Плазменный конвертор 2. Магнетрон 3. Блок питания магнетрона 4. Теплообменник 5. Топливный бак ? РЕЗКОЕ УЛУЧШЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ И ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДВИГАТЕЛЯ ? СООТВЕТСТВИЕ НОРМАМ «EURO-3» 2 1 3 4 5 вариант А


Слайд 13

Энергетика преобразования топлива в энергоустановке с ТОПЛИВНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ (логика использования бортового конвертора вместе с ТЭ) ТОПЛИВО 1 кг газолина (С6,918 Н12,117) 40800 кДж 100% Конвертор Реактор сдвига СИНТЕЗ ГАЗ (СО + Н2) 34800 кДж 85% ВОДОРОД ( Н2 + СО2 ) 32600 кДж 80% вода ДВС КПД max 35% 14280 кДж 35% механическая энергия ЭХГ (топливный элемент) КПД до 70% 21620 кДж 53% электрическая (механическая) энергия электричество 1200 кДж (0,1 кВт*ч/м3) тепло 2000 кДж тепло 6000 кДж вариант В


Слайд 14

ПЛАЗМЕННЫЙ КОНВЕРТОР H2O Блок-схема устройства производства водорода из углеводородов - плазменная технология РЕАКТОР СДВИГА БЛОК МЕМБРАННОГО РАЗДЕЛЕНИЯ (Pd мембраны) CO2 + H2 H2 CO2 CO + H2 O2 CH4 Процесс сочетается с ядерным (высокотемпературным) реактором (использование тепла и электричества) вариант С


Слайд 15

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИИ: плазменно-мембранная технология, мембранно-каталитическая технология объединение двух или всех трех стадий в одном устройстве: сдвиг химического равновесия повышение степени конверсии снижение энергозатрат


Слайд 16

Двухстадийный “углекислотный” цикл производства водорода 2 стадия: СO + Н2О ? Н2 + СO2 ?H = +0,4 eV/molec. 1 стадия: СO2 ? СO + 1/2O2 ?H = -2,9 eV/molec. КПД - до 90% 1, 2 – сверхзвуковой СВЧ разряд; 3 – СВЧ и ВЧ разряды; 4 – дуговые разряды. Цикл сочетается с ядерным (высокотемпературным) реактором (использование тепла и электричества)


×

HTML:





Ссылка: