Hidrogén termelés

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2019. október 22-én felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 20 szerkesztést igényelnek .

A hidrogén ipari termelése a hidrogénenergia szerves  része, a hidrogénfogyasztás életciklusának első láncszeme . A hidrogén gyakorlatilag nem fordul elő tiszta formájában a Földön, és más vegyületekből kell kivonni különféle kémiai módszerekkel.

Gyártási módszerek

Jelenleg számos módszer létezik a hidrogén ipari előállítására: hulladékból , etanolból, kohászati ​​salakból [1] , biomasszából [2] és más technológiákat fejlesztettek ki hidrogén előállítására.
Ilyen módszerek közé tartozik :

Ritka esetekben alumínium és lúgos oldat reakcióját is alkalmazzák.
A hidrogén előállításának sokféle módja a hidrogénenergia egyik fő előnye, mivel növeli az energiabiztonságot és csökkenti a függőséget bizonyos típusú nyersanyagoktól.

A fosszilis tüzelőanyagokból történő hidrogéntermelést tartják jelenleg a leggazdaságosabbnak, jelenleg pedig a leginkább elérhető és legolcsóbb eljárás a gőzreformálás (az előrejelzések szerint a hidrogéngazdaságra való átállás kezdeti szakaszában használják majd fel, hogy leegyszerűsítsék a „csirke” leküzdését. és tojás” probléma, amikor tól - az infrastruktúra hiánya miatt nincs kereslet a hidrogénes autókra , illetve a hidrogénautók hiánya miatt nem épül ki az infrastruktúra. Hosszú távon azonban a megújuló energiára való átállás forrásokra van szükség , hiszen a hidrogénenergia bevezetésének egyik fő célja az üvegházhatású gázok kibocsátásának csökkentése , ilyen forrás lehet a szélenergia vagy a víz elektrolízisét lehetővé tevő napenergia ). Az alacsony szén-dioxid-kibocsátású technológiákkal nyert hidrogén révén csökkenthető az ipari ágazatok szén-dioxid-kibocsátása, ehhez lehetőség nyílik a szén-dioxid leválasztására és tárolására, valamint a víz elektrolízisére szolgáló technológiák alkalmazására, „elsősorban az energia felhasználásával”. nukleáris, víz-, szél- és napenergia-létesítmények.
A hidrogén színfokozata az előállítás módjától és a szénlábnyomtól, azaz a káros kibocsátások mennyiségétől függ [3] :

A "zöld" hidrogén ára körülbelül 10 dollár kilogrammonként (ami a Nemzeti Energiabiztonsági Alap vezetője szerint "teljesen veszteséges"); A "kék" és a "sárga" hidrogén többször olcsóbb, mint a "zöld" - kilogrammonként 2 dollártól.

A hidrogéntermelés központosított nagyüzemekbe koncentrálható, ami csökkenti a termelési költségeket, de további költségeket igényel a hidrogénnek a hidrogén-töltőállomásokhoz való szállítása . Egy másik lehetőség a kisüzemi termelés közvetlenül a speciálisan felszerelt hidrogéntöltő állomásokon.


Decemberben[ mikor? ] 2013(?) A Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) Német Intézet befejezte egy kísérleti üzem építését vízből hidrogén előállítására napkollektoros koncentrátorokban ; üzem teljesítménye 100 kW [5] .
2019-ben Németországban megkezdődött a világ legnagyobb üzemének építése, amely évente 1300 tonna hidrogént állít elő elektrolízissel [6] .

Hidrogéntermelés különféle alapanyagokból

2019-ben 75 millió tonna hidrogént fogyasztanak a világon, főként az olajfinomításban és az ammóniagyártásban . Ennek több mint 3/4-ét földgázból állítják elő , amelyhez több mint 205 milliárd m 3 gázt használnak fel. [7] Szinte minden más szénből készül. Körülbelül 0,1%-át (~100 ezer tonna) állítják elő elektrolízissel. A hidrogén előállítása során ~830 millió tonna CO 2 kerül a légkörbe . A földgázból nyert hidrogén költségét 1 kg-onként 1,5-3 dollárra becsülik.

Metánból

Gőzreformálás gőzzel 1000 °C-on:

A hidrogén különböző tisztaságú: 95-98% vagy extra tiszta. A további felhasználástól függően a hidrogént különböző nyomáson nyerik: 1,0-4,2 MPa. A nyersanyagot (földgáz- vagy könnyűolajfrakciók) konvektív kemencében vagy hőcserélőben 350-400°C-ra melegítik, és a kéntelenítő berendezésbe kerül. A kemencéből átváltott gázt a visszanyerő kemencében hűtik le, ahol a kívánt paraméterű gőz keletkezik. A CO magas és alacsony hőmérsékletű átalakítási szakaszai után a gázt a CO 2 adszorpciójába, majd a maradék oxidok metánosításába vezetik. Az eredmény 95-98,5%-os tisztaságú hidrogén, amely 1-5% metánt és nyomokban CO-t és CO 2 -t tartalmaz .

Abban az esetben, ha nagy tisztaságú hidrogén előállítása szükséges, az egységet kiegészítik az átalakított gáz adszorpciós leválasztására szolgáló szekcióval. Az előző sémával ellentétben a CO átalakítás itt egylépcsős. A H 2 , CO 2 , CH 4 , H 2 O és kis mennyiségű CO tartalmú gázkeveréket lehűtjük a víz eltávolítására, és zeolitokkal töltött adszorpciós készülékekbe küldjük. Minden szennyeződés egy lépésben adszorbeálódik környezeti hőmérsékleten. Az eredmény 99,99%-os tisztaságú hidrogén. A keletkező hidrogén nyomása 1,5-2,0 MPa.

A katalitikus oxidáció oxigénnel is lehetséges :

Szénből

Vízgőz átvezetése forró szénen körülbelül 1000 °C hőmérsékleten:

A hidrogén előállításának legrégebbi módja. Az eljárás költsége 2-2,5 dollár kilogrammonként hidrogén. A jövőben az ár 1,50 dollárra csökkenhet, beleértve a szállítást és a tárolást is.

Elektrolízis

Sók vizes oldatainak elektrolízise :

Aktív fémek hidroxidjainak (főleg kálium-hidroxidnak ) vizes oldatainak elektrolízise [8]

Ezenkívül létezik egy ipari technológia a vegytiszta víz elektrolízisére, adalékanyagok használata nélkül. Valójában az eszköz egy reverzibilis üzemanyagcella , szilárd polimer membránnal [8] .

Biomasszából

A biomasszából a hidrogént termokémiai vagy biokémiai módszerrel állítják elő . A termokémiai módszerben a biomasszát oxigénhez való hozzáférés nélkül 500-800°-os hőmérsékletre hevítik (fahulladék esetében), ami jóval alacsonyabb, mint a szénelgázosítási folyamat hőmérséklete. A folyamat során H 2 , CO és CH 4 szabadul fel .

Az eljárás költsége 5-7 dollár kilogrammonként hidrogén. A jövőben 1,0-3,0 dollár közötti csökkenés lehetséges.

Egy biokémiai folyamat során a hidrogént különféle baktériumok , például Rodobacter speriodok termelik .

A biomasszában található poliszacharidok ( keményítő , cellulóz ) hidrogéntermelésének felgyorsítására különféle enzimek használhatók . A folyamat 30°C-os hőmérsékleten, normál nyomáson megy végbe. Az eljárás költsége körülbelül 2 dollár kilogrammonként.

Háromszor több energia nyerhető a cukor -hidrogén-hidrogén üzemanyagcella- láncból [9] , mint a cukor- etanol - belső égésű motorláncból .

Ki a kukából

Különféle új hidrogéngyártási technológiákat fejlesztenek ki. Például 2006 októberében a London Hydrogen Partnership közzétett egy tanulmányt  (nem elérhető link) a települési és kereskedelmi hulladékból hidrogén előállításának lehetőségéről . A tanulmány szerint Londonban naponta 141 tonna hidrogén állítható elő mind pirolízissel, mind a szemét anaerob lebontásával . A települési hulladékból 68 tonna hidrogén állítható elő.

141 tonna hidrogén elegendő 13 750, hidrogénnel működő belsőégésű motorú autóbusz működtetéséhez. Jelenleg több mint 8000 busz közlekedik Londonban.

A víz kémiai reakciója fémekkel

2007-ben a Purdue Egyetem (USA) kifejlesztett egy módszert hidrogén előállítására vízből alumíniumötvözet felhasználásával.

Az alumínium és a gallium ötvözete pelletté alakul. A pelleteket egy víztartályba helyezik. A hidrogén kémiai reakció eredményeként keletkezik. A gallium megakadályozza az oxidfilm képződését az alumínium felületén, ami lelassítja az alumínium oxidációs folyamatát. A reakció eredményeként hidrogén és alumínium-oxid keletkezik.

Egy font (≈453 g) alumíniumból több mint 2 kWh energia nyerhető a hidrogén elégetésével és több mint 2 kWh hőenergia az alumínium és a víz reakciója során. A jövőben a 4. generációs atomreaktorokból származó villamos energia felhasználása esetén a reakció során előállított hidrogén költsége megegyezik a benzin gallononkénti 3 dolláros árával (≈3,8 liter).

Egy közepes méretű belső égésű motoros autó 350 font (158 kg) alumíniummal a fedélzetén 350 mérföldet (560 km) tud megtenni. A jövőben egy ilyen utazás költsége 63 dollár (0,11 dollár/km) lesz, beleértve az alumínium-oxid visszanyerésének költségeit egy 4. generációs atomerőműben. [tíz]

Algák használata

A University of California at Berkeley (UC Berkeley) tudósai 1999 -ben megállapították [11] , hogy ha az algákban hiányzik az oxigén és a kén, akkor fotoszintézis folyamataik hirtelen gyengülnek, és megindul a gyors hidrogéntermelés.

A hidrogént a zöld algák egy csoportja, például a Chlamydomonas reinhardtii állíthatja elő . Az algák tengervízből vagy szennyvízből hidrogént termelhetnek.

Otthoni hidrogéntermelő rendszerek

Hidrogéntöltő állomások építése helyett hazai üzemekben földgázból, vagy víz elektrolízisével lehet hidrogént előállítani. A Honda a Honda Home Power Station nevű hazai telepítését teszteli . A hazai üzemben hidrogént állítanak elő földgázból. A hidrogén egy részét tüzelőanyagcellákban használják fel hő- és elektromos áram előállítására az otthonok számára. A többi hidrogént az autó üzemanyagára használják.

A brit ITM Power Plc cég 2007 -ben kifejlesztett és tesztelt egy háztartási elektrolizátort hidrogén előállítására. A hidrogént éjszaka állítják elő, ami kiegyenlíti az áramfogyasztás csúcsait. Egy 10 kW-os elektrolizátor vízből hidrogént állít elő és 75 bar nyomáson tárolja. A megtermelt hidrogén egy kettős üzemanyaggal (hidrogén/benzin) működő Ford Focus 40 km-es futásához elegendő. A vállalat 2008 elején tervezi a háztartási elektrolizátorok gyártását . Az ITM Power már elérte az elektrolizátorok 164 dolláros 1 kW-os költségét.

A hidrogén jelentős termelői

Lásd még

Jegyzetek

  1. ↑ http://www.financialexpress.com/news/tata-steel-develops-hydrogen-production-tech-granted-pct/370776/0
  2. ↑ http://www.fuelcellsworks.com/Supppage9358.html Archivált 2009. január 9-én a Wayback Machine -nél  (lefelé mutató hivatkozás 2013. 05. 13. óta [3451 nap] - előzmények )
  3. ↑ A gáz és a szén alternatíváját találták Oroszországban A Wayback Machine 2021. május 16-i archív másolata // Lenta.ru , 2021. április 15.
  4. ↑ A Siemens üzembe helyezte Németország egyik legnagyobb zöld hidrogénüzemét KP.RU, 2022. szeptember 19. | a Siemens honlapján
  5. ↑ http://www.fuelcellsworks.com/Supppage9397.html  (downlink)  (lefelé mutató link 2013. 05. 13. óta [3451 nap])
  6. ↑ Deutsche Welle 2018.09.17 . Inza Wrede Hidrogénvonat – Európai technológiai áttörés előfoglalásokkal Archiválva : 2019. augusztus 25. a Wayback Machine -nél
  7. ↑ HIDROGÉN-összeírás, Gazprom Magazin, 2019. szeptember, 42. o . Letöltve: 2019. október 22. Az eredetiből archiválva : 2019. október 22.
  8. ↑ 1 2 Da Rosa, Aldo Vieira. A megújuló energia folyamatok alapjai . - Amsterdam: Elsevier Academic Press, 2005. - 370. o. - xvii, 689 oldal p. — ISBN 0120885107 .
  9. ↑ Az új cukor-hidrogén technológia függetlenséget ígér a szállításhoz | Virginia Tech News | Virginia Tech . Letöltve: 2007. december 28. Az eredetiből archiválva : 2007. december 30..
  10. ↑ nanoHUB.org - Témák: Alumíniumban gazdag ömlesztett ötvözetek: energiatároló anyag vízfelosztáshoz, hogy igény szerint hidrogéngázt állítsanak elő . Hozzáférés dátuma: 2007. december 24. Az eredetiből archiválva : 2008. augusztus 28.
  11. ↑ Hidrogéntermelés hidrogenáz tartalmú oxigénes fotoszintetikus  organizmusok felhasználásával . Letöltve: 2019. október 17. Az eredetiből archiválva : 2019. október 17.

Linkek