СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ПРОИЗВОДСТВА ВОДОРОДА С.В.Коробцев 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
РНЦ
«Курчатовский
Институт»
ИНСТИТУТ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ И ПЛАЗМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Технологии производства водорода
 Каталитические методы (парокислородная конверсия,
Сырье
(источник
водорода)
Энергетические затраты,
кВт*ч/м3
природный газ
2,0
пиролиз, парциальное окисление и пр.)
 Электролиз (в т.ч., с твердополимерным электролитом)
вода
 Плазмохимические и плазмокаталитические методы,
природный газ
в том числе, компактные автомобильные системы
углеводороды
 Термохимические циклы, в том числе, использование
вода
4,5-5,5 (4,0)
1,5-2,0
4,0-6,0
тепла высокотемпературного ядерного реактора
 Газификация угля, твердых отходов (ТО)
уголь, ТО
 Биоконверсия
биомасса
 Фотокаталитические методы
вода
РНЦ
«Курчатовский
Институт»
ИНСТИТУТ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ И ПЛАЗМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
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.
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.
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.
РНЦ
Типовая схема питания от возобновляемого источника
«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 электролизеры 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 твердополимерным электролитом (90-110С;
0,1-3,0 МПа);
4 – высокотемпературные электролизеры (900С; 0,1 МПа).
Характеристики приведены без учета
потерь энергии в источниках питания
электролизеров и тепловых потерь
РНЦ
«Курчатовский
Институт»
ИНСТИТУТ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ И ПЛАЗМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Электролизер с ТПЭ для получения особо чистого
водорода
 Производительность
2 м3Н2/час
 Рабочее давление
3,0 МПа
 Мощность
8,3 кВт
РНЦ
«Курчатовский
Институт»
ИНСТИТУТ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ И ПЛАЗМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
ПРОИЗВОДСТВО ВОДОРОДА ИЗ УГЛЕВОДОРОДОВ –
основной источник получения водорода
паровая конверсия
CH4 + H2O = CO + 3H2
углекислотная конверсия
CH4 + СO2 = 2CO + 2H2
паро-кислородная конверсия
CH4 + (1-2α)H2O + αO2 = CO + (3-2α)H2
парциальное окисление
CH4 +1/2O2 = CO + 2H2
пиролиз
CH4 = C + 2H2
Главная проблема при конверсии углеводородов в
водород - кинетичекие ограничения
РНЦ
«Курчатовский
Институт»
ИНСТИТУТ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ И ПЛАЗМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Применение плазмы позволяет снять кинетичекие
ограничения, однако энергозатраты на получение
водорода в чисто плазменной системе достаточно
велики: 1 – 1,5 кВч/м3
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
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
РНЦ
«Курчатовский
Институт»
ИНСТИТУТ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ И ПЛАЗМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
МОЩНАЯ СВЧ УСТАНОВКА - ОСНОВА системы
производства водорода из метана (углеводородных топлив)
Варианты мощных
СВЧ плазматронов
РНЦ
мощность
частота
расход газа
рабочее давление
- до 1 МВт
- 915 МГц
- до 3000 м3/ч
- от 0.1 до 1 атм
«Курчатовский
Институт»
ИНСТИТУТ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ И ПЛАЗМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
МИКРОВОЛНОВЫЕ ПЛАЗМОКАТАЛИТИЧЕСКИЕ РАЗРЯДЫ
воздух
керосино-воздушная смесь
метан
микроволновый (СВЧ) разряд стримерного типа
частота излучения 1000 - 10000 МГц
РНЦ
«Курчатовский
Институт»
ИНСТИТУТ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ И ПЛАЗМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
ПЛАЗМЕННЫЙ КОНВЕРТОР ДЛЯ АВТОТРАНСПОРТА

основан на микроволновом разряде, который заменяет
традиционный катализатор в процессе получения водорода
из бензина (метана, других углеводородных топлив)

предназначен для обеспечения водородом экологически
чистого транспорта при использовании традиционных
бензиновых АЗС
варианты использования
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.
В.
АВТОМОБИЛЬ СООТВЕТСТВУЕТ НОРМАМ «EURO-3»
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.
АВТОМОБИЛЬ С «НУЛЕВЫМ» ВЫБРОСОМ
Стационарный вариант конвертора бензина (метана, других углеводородных топлив) устанавливается на
АЗС и служит для заправки автомобилей водородом, производимым на месте.
АВТОМОБИЛЬ С «НУЛЕВЫМ» ВЫБРОСОМ
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
РНЦ
вариант С
«Курчатовский
Институт»
ИНСТИТУТ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ И ПЛАЗМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
вариант А
КОНВЕРСИЯ ЧАСТИ (5-10%) ТОПЛИВА В СИНТЕЗ-ГАЗ
(логика использования бортового конвертора вместе с ДВС)
2
4
5
1
1. Плазменный конвертор
2. Магнетрон
3. Блок питания магнетрона
4. Теплообменник
5. Топливный бак
3
 РЕЗКОЕ УЛУЧШЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ И
ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДВИГАТЕЛЯ
 СООТВЕТСТВИЕ НОРМАМ «EURO-3»
РНЦ
«Курчатовский
Институт»
ИНСТИТУТ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ И ПЛАЗМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Энергетика преобразования топлива в энергоустановке с
вариант В
ТОПЛИВНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
(логика использования бортового конвертора вместе с ТЭ)
ТОПЛИВО
1 кг газолина
(С6,918 Н12,117)
40800 кДж
100%
ДВС
КПД max 35%
14280 кДж
35%
механическая
энергия
РНЦ
«Курчатовский
Институт»
вода
Конвертор
СИНТЕЗ ГАЗ
(СО + Н2)
34800 кДж
85%
тепло
6000 кДж
Реактор
сдвига
тепло
2000 кДж
электричество
1200 кДж
(0,1 кВт*ч/м3)
ВОДОРОД
( Н2 + СО2 )
32600 кДж
80%
ЭХГ
(топливный
элемент)
КПД до 70%
21620 кДж
53%
электрическая
(механическая)
энергия
ИНСТИТУТ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ И ПЛАЗМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
вариант С
Блок-схема устройства производства водорода из
углеводородов - плазменная технология
CH4
CO2 + H2
CO + H2
ПЛАЗМЕННЫЙ
КОНВЕРТОР
РЕАКТОР
СДВИГА
БЛОК
МЕМБРАННОГО
РАЗДЕЛЕНИЯ
H2
(Pd мембраны)
O2
H2O
CO2
Процесс сочетается с ядерным (высокотемпературным)
РНЦ
реактором (использование тепла и электричества)
«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
РНЦ
«Курчатовский
Институт»
ИНСТИТУТ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ И ПЛАЗМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Двухстадийный “углекислотный” цикл производства водорода
1 стадия:
СO2  СO + 1/2O2
1, 2 – сверхзвуковой СВЧ
разряд;
3 – СВЧ и ВЧ разряды;
4 – дуговые разряды.
H = -2,9 eV/molec.
КПД - до 90%
2 стадия:
СO + Н2О  Н2 + СO2
H = +0,4 eV/molec.
CO2
ПЛАЗМЕННЫЙ
РЕАКТОР
CO2
CO + O2
БЛОК
РАЗДЕЛЕНИЯ
O2
РНЦ
CO2
CO
H2O
H2
CO2 + H2
РЕАКТОР
СДВИГА
БЛОК
РАЗДЕЛЕНИЯ
Цикл сочетается с ядерным (высокотемпературным)
реактором (использование тепла и электричества)
«Курчатовский
Институт»
ИНСТИТУТ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ И ПЛАЗМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ