РНЦ «Курчатовский Институт»

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”123182 Москва, пл.Курчатова, д.1., тел.: (095) 196 94 39, факс: (095) 196 62 78


Институт»


Технологии производства водорода 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


углеводороды

вода

уголь, ТО

биомасса

вода


вода


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

Современный электролиз водыСовременный 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.

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.

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.


Институт»



Институт»


Зависимость напряжения на ячейке (U), мощности (W) и КПД от плотности тока для современных и разрабатываемых

электролизеров

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 (90-110С; 0,1-3,0 МПа);4 – высокотемпературные электро- лизеры (900С; 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 (330-400 С; 0,1-1,0 МПа);3 – электролизеры с твердополи- мерным электролитом (90-110С; 0,1-3,0 МПа);4 – высокотемпературные электро- лизеры (900С; 0,1 МПа).

Характеристики приведены без учета потерь энергии в источниках питания электролизеров и тепловых потерь


Институт»


Электролизер с ТПЭ для получения особо чистого водорода

Электролизер с ТПЭ для получения особо чистого водорода

Производительность 2 м3Н2/час

Рабочее давление 3,0 МПа

Мощность 8,3 кВт

Производительность 2 м3Н2/час

Рабочее давление 3,0 МПа

Мощность 8,3 кВт


Институт»


Главная проблема при конверсии углеводородов в водород - кинетичекие ограничения

ПРОИЗВОДСТВО ВОДОРОДА ИЗ УГЛЕВОДОРОДОВ – основной источник получения водорода

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 + (1-2α)H2O + αO2 = CO + (3-2α)H2

пиролиз CH4 = C + 2H2


Институт»


Концепция неравновесного плазменного катализаКонцепция 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


Институт»


Конкурентные преимущества плазменного метода конверсии углеводородов в водород (синтез-газ)

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


Институт»


МОЩНАЯ СВЧ УСТАНОВКА - ОСНОВА системы производства водорода из метана (углеводородных топлив)

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

мощность - до 1 МВт частота - 915 МГц расход газа - до 3000 м3/ч рабочее давление - от 0.1 до 1 атм


Институт»


МИКРОВОЛНОВЫЕ ПЛАЗМОКАТАЛИТИЧЕСКИЕ РАЗРЯДЫМИКРОВОЛНОВЫЕ ПЛАЗМОКАТАЛИТИЧЕСКИЕ РАЗРЯДЫ

частота излучения 1000 - 10000 МГц

микроволновый (СВЧ) разряд стримерного типа

керосино-воздушная смесьвоздух метан


Институт»


ПЛАЗМЕННЫЙ КОНВЕРТОР ДЛЯ АВТОТРАНСПОРТА 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 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)


Институт»


Перспективы и варианты применения плазменного конвертора жидкого моторного топлива в синтез-газ и водород

Перспективы и варианты применения плазменного конвертора жидкого моторного топлива в синтез-газ и водород

вариант А

вариант В

вариант С


Институт»


КОНВЕРСИЯ ЧАСТИ (5-10%) ТОПЛИВА В СИНТЕЗ-ГАЗ (логика использования бортового конвертора вместе с ДВС)

КОНВЕРСИЯ ЧАСТИ (5-10%) ТОПЛИВА В СИНТЕЗ-ГАЗ (логика использования бортового конвертора вместе с ДВС)

1. Плазменный конвертор2. Магнетрон3. Блок питания магнетрона4. Теплообменник5. Топливный бак

РЕЗКОЕ УЛУЧШЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ И ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДВИГАТЕЛЯ

СООТВЕТСТВИЕ НОРМАМ «EURO-3»

РЕЗКОЕ УЛУЧШЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ И ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДВИГАТЕЛЯ

СООТВЕТСТВИЕ НОРМАМ «EURO-3»

2

1

3

4

5

вариант А


Институт»


Энергетика преобразования топлива в энергоустановке с ТОПЛИВНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ

(логика использования бортового конвертора вместе с ТЭ)

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%

ТОПЛИВО 1 кг газолина

(С6,918 Н12,117)40800 кДж

100%

КонверторКонвертор Реактор сдвига

Реактор сдвига

СИНТЕЗ ГАЗ(СО + Н2)

34800 кДж85%

СИНТЕЗ ГАЗ(СО + Н2)

34800 кДж85%

ВОДОРОД ( Н2 + СО2 )32600 кДж

80%

ВОДОРОД ( Н2 + СО2 )32600 кДж

80%

вода

ДВС КПД max 35%

ДВС КПД max 35%

14280 кДж35%

механическая энергия

14280 кДж35%

механическая энергия

ЭХГ(топливный элемент)

КПД до 70%

ЭХГ(топливный элемент)

КПД до 70%

21620 кДж53%

электрическая (механическая)

энергия

21620 кДж53%

электрическая (механическая)

энергия

электричество 1200 кДж

(0,1 кВт*ч/м3)

тепло2000 кДж

тепло6000 кДж

вариант В


Институт»


ПЛАЗМЕННЫЙ КОНВЕРТОР

ПЛАЗМЕННЫЙ КОНВЕРТОР

H2O

Блок-схема устройства производства водорода из углеводородов - плазменная технология

Блок-схема устройства производства водорода из углеводородов - плазменная технология

РЕАКТОР СДВИГА


БЛОК МЕМБРАННОГО РАЗДЕЛЕНИЯ

(Pd мембраны)

БЛОК МЕМБРАННОГО РАЗДЕЛЕНИЯ

(Pd мембраны)

CO2 + H2 H2

CO2

CO + H2

O2

CH4

Процесс сочетается с ядерным (высокотемпературным)

реактором (использование тепла и электричества)

Процесс сочетается с ядерным (высокотемпературным)


вариант С


Институт»


ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИИ:плазменно-мембранная технология,

мембранно-каталитическая технология

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


Институт»


Двухстадийный “углекислотный” цикл производства водородаДвухстадийный “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

ПЛАЗМЕН-НЫЙ

РЕАКТОР

H2O



H2

CO2

CO + O2

БЛОК РАЗДЕЛЕ-

НИЯ


НИЯ


НИЯ


НИЯ

O2

CO CO2 + H2

CO2 CO2

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)


Цикл сочетается с ядерным (высокотемпературным)


Documents

РНЦ «Курчатовский Институт»