1 / 17

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”.

channing-massey
Download Presentation

РНЦ «Курчатовский Институт»

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

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

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

  3. 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. Типовая схема питания от возобновляемого источника

  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 (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

  5. РНЦ «Курчатовский Институт» ИНСТИТУТ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ И ПЛАЗМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ Электролизер с ТПЭ для получения особо чистого водорода • Производительность 2м3Н2/час • Рабочее давление 3,0 МПа • Мощность 8,3 кВт

  6. 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

  7. 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

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

  10. РНЦ «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

  11. 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. 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. АВТОМОБИЛЬ С «НУЛЕВЫМ» ВЫБРОСОМ 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

  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) вариант А 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»

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

  15. РНЦ «Курчатовский Институт» ИНСТИТУТ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ И ПЛАЗМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ Блок-схема устройства производства водорода из углеводородов - плазменная технология вариант С CH4 ПЛАЗМЕННЫЙ КОНВЕРТОР РЕАКТОР СДВИГА БЛОК МЕМБРАННОГО РАЗДЕЛЕНИЯ (Pd мембраны) CO2 + H2 H2 CO+ H2 O2 H2O CO2 Процесс сочетается с ядерным (высокотемпературным) реактором (использование тепла и электричества)

  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

  17. CO2 CO2 CO2 ПЛАЗМЕН-НЫЙ РЕАКТОР БЛОК РАЗДЕЛЕ-НИЯ РЕАКТОР СДВИГА БЛОК РАЗДЕЛЕ-НИЯ H2 CO2 + H2 CO+ O2 CO РНЦ «Курчатовский Институт» O2 H2O ИНСТИТУТ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ И ПЛАЗМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ Двухстадийный “углекислотный” цикл производства водорода 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. 2 стадия:СO + Н2О  Н2 + СO2 H = +0,4 eV/molec. Цикл сочетается с ядерным (высокотемпературным) реактором (использование тепла и электричества)

More Related