РНЦ «Курчатовский Институт» ИНСТИТУТ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ И ПЛАЗМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ПРОИЗВОДСТВА ВОДОРОДА С.В.Коробцев Институт водородной. - презентация

1 РНЦ «Курчатовский Институт» ИНСТИТУТ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ И ПЛАЗМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ПРОИЗВОДСТВА ВОДОРОДА С.В.Коробцев Институт водородной энергетики и плазменных технологий РНЦ Курчатовский институт Москва, пл.Курчатова, д.1., тел.: (095) , факс: (095)

2 РНЦ «Курчатовский Институт» ИНСТИТУТ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ И ПЛАЗМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ 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 природный газ вода природный газ углеводороды вода уголь, ТО биомасса вода природный газ вода природный газ углеводороды вода уголь, ТО биомасса вода Сырье (источник водорода) Сырье (источник водорода) 2,0 4,5-5,5 (4,0) 1,5-2,0 4,0-6,0 2,0 4,5-5,5 (4,0) 1,5-2,0 4,0-6,0 Энергетичес- кие затраты, кВт*ч/м3 Энергетичес- кие затраты, кВт*ч/м3

3 Современный электролиз воды Теплота сгорания водорода в кислороде: Н 2 + 1/2 О 2 Н 2 О + 3 кВ*ч/м 3 + 3,5 кВ*ч/м 3 (с учетом теплоты конденсации) Энергозатраты при электролизе воды посредством катионпроводящей полимерной мембраны на базе сульфурированного перфторэтилена ~ 4 кВ*ч/м 3 водорода. При высокотемпературном электролизе на базе твердооксидной керамики ZrO 2 + Y 2 O 3, где 800 o C энергозатраты можно понизить до 2,6 - 3,0 кВ*ч/м 3, 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/см 2 *2В / 1 см ~ 10 Вт/см 3, 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. 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. РНЦ «Курчатовский Институт» ИНСТИТУТ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ И ПЛАЗМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

4 РНЦ «Курчатовский Институт» ИНСТИТУТ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ И ПЛАЗМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ 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 ( С; 0,1-1,0 МПа); 3 – электролизеры с твердополи- мерным электролитом ( 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 1 – промышленные щелочные электро- лизеры и их усовершенствованные модификации (70-95 С); 2 – электролизеры для электролиза в расплавах щелочей ( С; 0,1-1,0 МПа); 3 – электролизеры с твердополи- мерным электролитом ( 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

5 РНЦ «Курчатовский Институт» ИНСТИТУТ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ И ПЛАЗМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ Электролизер с ТПЭ для получения особо чистого водорода Производительность 2 м 3 Н 2 /час Рабочее давление 3,0 МПа Мощность 8,3 кВт Производительность 2 м 3 Н 2 /час Рабочее давление 3,0 МПа Мощность 8,3 кВт

6 РНЦ «Курчатовский Институт» ИНСТИТУТ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ И ПЛАЗМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ Главная проблема при конверсии углеводородов в водород - кинетичекие ограничения ПРОИЗВОДСТВО ВОДОРОДА ИЗ УГЛЕВОДОРОДОВ – основной источник получения водорода углекислотная конверсия CH 4 + СO 2 = 2CO + 2H 2 парциальное окисление CH 4 +1/2O 2 = CO + 2H 2 паровая конверсия CH 4 + H 2 O = CO + 3H 2 паро-кислородная конверсия CH 4 + (1-2α)H 2 O + αO 2 = CO + (3-2α)H 2 пиролиз CH 4 = C + 2H 2

7 РНЦ «Курчатовский Институт» ИНСТИТУТ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ И ПЛАЗМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ 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/м 3 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/м 3

8 РНЦ «Курчатовский Институт» ИНСТИТУТ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ И ПЛАЗМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ 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

9 РНЦ «Курчатовский Институт» ИНСТИТУТ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ И ПЛАЗМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ МОЩНАЯ СВЧ УСТАНОВКА - ОСНОВА системы производства водорода из метана (углеводородных топлив) Варианты мощных СВЧ плазматронов мощность - до 1 МВт частота МГц расход газа - до 3000 м 3 /ч рабочее давление - от 0.1 до 1 атм мощность - до 1 МВт частота МГц расход газа - до 3000 м 3 /ч рабочее давление - от 0.1 до 1 атм

10 РНЦ «Курчатовский Институт» ИНСТИТУТ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ И ПЛАЗМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ МИКРОВОЛНОВЫЕ ПЛАЗМОКАТАЛИТИЧЕСКИЕ РАЗРЯДЫ частота излучения МГц микроволновый (СВЧ) разряд стримерного типа керосино-воздушная смесьвоздухметан

11 РНЦ «Курчатовский Институт» ИНСТИТУТ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ И ПЛАЗМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПЛАЗМЕННЫЙ КОНВЕРТОР ДЛЯ АВТОТРАНСПОРТА А. Преобразование % 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 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)

12 РНЦ «Курчатовский Институт» ИНСТИТУТ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ И ПЛАЗМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ Перспективы и варианты применения плазменного конвертора жидкого моторного топлива в синтез-газ и водород вариант А вариант В вариант С

13 РНЦ «Курчатовский Институт» ИНСТИТУТ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ И ПЛАЗМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ 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» вариант А

14 РНЦ «Курчатовский Институт» ИНСТИТУТ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ И ПЛАЗМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ Энергетика преобразования топлива в энергоустановке с ТОПЛИВНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ (логика использования бортового конвертора вместе с ТЭ) ТОПЛИВО 1 кг газолина (С 6,918 Н 12,117 ) кДж 100% ТОПЛИВО 1 кг газолина (С 6,918 Н 12,117 ) кДж 100% Конвертор Реактор сдвига СИНТЕЗ ГАЗ (СО + Н 2 ) кДж 85% СИНТЕЗ ГАЗ (СО + Н 2 ) кДж 85% ВОДОРОД ( Н 2 + СО 2 ) кДж 80% ВОДОРОД ( Н 2 + СО 2 ) кДж 80% вода ДВС КПД max 35% ДВС КПД max 35% кДж 35% механическая энергия кДж 35% механическая энергия ЭХГ (топливный элемент) КПД до 70% ЭХГ (топливный элемент) КПД до 70% кДж 53% электрическая (механическая) энергия кДж 53% электрическая (механическая) энергия электричество 1200 кДж (0,1 кВт*ч/м3) тепло 2000 кДж тепло 6000 кДж вариант В

15 РНЦ «Курчатовский Институт» ИНСТИТУТ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ И ПЛАЗМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПЛАЗМЕННЫЙ КОНВЕРТОР H2OH2O Блок-схема устройства производства водорода из углеводородов - плазменная технология РЕАКТОР СДВИГА БЛОК МЕМБРАННОГО РАЗДЕЛЕНИЯ (Pd мембраны ) БЛОК МЕМБРАННОГО РАЗДЕЛЕНИЯ (Pd мембраны ) CO 2 + H 2 H2H2 CO 2 CO + H 2 O2O2 CH 4 Процесс сочетается с ядерным (высокотемпературным) реактором (использование тепла и электричества) Процесс сочетается с ядерным (высокотемпературным) реактором (использование тепла и электричества) вариант С

16 РНЦ «Курчатовский Институт» ИНСТИТУТ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ И ПЛАЗМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ 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 объединение двух или всех трех стадий в одном устройстве: сдвиг химического равновесия повышение степени конверсии снижение энергозатрат

17 РНЦ «Курчатовский Институт» ИНСТИТУТ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ И ПЛАЗМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ Двухстадийный углекислотный цикл производства водорода 2 стадия: СO + Н2О Н2 + СO2 H = +0,4 eV/molec. 2 стадия: СO + Н2О Н2 + СO2 H = +0,4 eV/molec. ПЛАЗМЕН- НЫЙ РЕАКТОР H2OH2O РЕАКТОР СДВИГА H2H2 CO 2 CO + O 2 БЛОК РАЗДЕЛЕ- НИЯ O2O2 CO CO 2 + H 2 CO 2 1 стадия: СO2 СO + 1/2O2 H = -2,9 eV/molec. КПД - до 90% 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. 1, 2 – сверхзвуковой СВЧ разряд; 3 – СВЧ и ВЧ разряды; 4 – дуговые разряды. Цикл сочетается с ядерным (высокотемпературным) реактором (использование тепла и электричества) Цикл сочетается с ядерным (высокотемпературным) реактором (использование тепла и электричества)